受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライター
【課題】通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながら、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理する。
【解決手段】マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングすると、最短波長は1パルス分、最長波長はDC成分となることから、帯域幅はマンチェスター符号の1/2であり、0MHzを中心に分布する。FIRフィルターのタップ数が同じでも、スペクトラムの中心分布付近で制御可能な周波数ポジションの密度が増し、周波数特性の逆特性をより忠実に表現することが可能となり、良好な適応等化を行なうことができる。
【解決手段】マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングすると、最短波長は1パルス分、最長波長はDC成分となることから、帯域幅はマンチェスター符号の1/2であり、0MHzを中心に分布する。FIRフィルターのタップ数が同じでも、スペクトラムの中心分布付近で制御可能な周波数ポジションの密度が増し、周波数特性の逆特性をより忠実に表現することが可能となり、良好な適応等化を行なうことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を受信処理する受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターに係り、特に、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながらマンチェスター符号化された無線信号を受信処理する受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターに関する。
【背景技術】
【0002】
非接触通信は、0〜数十cm程度の伝送距離でデータ伝送を行う無線技術であり、例えば非接触ICカードとリーダーライターからなるRFIDシステムに適用される。その通信方向によって、リーダーライターからカードへの通信と、カードからリーダーライターへの通信の2種類に分けることができる。本明細書では、前者を「ダウンリンク」と呼び、後者を「アップリンク」と呼ぶことにする。どちらの通信方向においても、リーダーライターは常にキャリア周波数を発振し、カードはこのキャリア周波数から得られる電力を基に送信処理並びに受信処理を行なう。
【0003】
非接触通信方法には、静電結合方式、電磁誘導方式、電波通信方式などが挙げられる。このうち電磁誘導方式は、リーダーライター側の1次コイルとカード側の2次コイル間のコイルの磁気的な結合(すなわち、2つのコイルのLC共振回路としての動作)によってデータ通信が行なわれる。リーダーライターは、1次コイルで発生する磁界すなわちキャリアを振幅変調することによって、ダウンリンクのデータ送信を行ない、トランスポンダ側ではこれを検波する。一方、アップリンクには負荷変調が用いられ、カード内の送信情報に基づいて2次コイルの負荷抵抗が切り替えられる。リーダーライター側では、電磁結合している2次コイルの負荷が変化すると、電磁結合の入力インピーダンスが変化するので、結果として、キャリア周波数の出力レベルが変化する。したがって、このレベル変動をみることによって、カードからの送信情報を読み取ることができる。
【0004】
例えば、ISO/IEC IS 18092(NFC IP−1)は、2003年12月に国際標準となった、リーダーライターの仕様を規定した非接触通信規格である。同規格は、元々、非接触式ICカードとして広く普及しているソニーの「FeliCa(フェリカ)」やPhilips社の「Mifare」を継承している。このうち、フェリカ・フォーマットでは、マンチェスター(Manchester)符号が用いられ、ダウンリンクとアップリンクでは同一のパケット構造を使用する。図17には、フェリカ・フォーマットのパケット構造を示している。図示のパケットは、「プリアンブル」、「シンク」、「データ」の3つのパートで構成される。プリアンブルは、6バイト長の“0”の系列からなり、シンクは、2バイトの既知系列“0xB24D”からなる。また、データは、パケット長を示す1バイトのLENと、(LEN−1)バイト長のデータ本体(ペイロード)と、2バイトのCRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)コードからなる。これら3つのパートはすべてマンチェスター符号化される。
【0005】
ここで、マンチェスター符号は、例えば、2進値“0”を送るときはビット区間の中央でロー・レベルからハイ・レベルに変化させ(入力0を「01」に)、一方、2進値“1”を送るときは逆にビット区間の中央でハイ・レベルからロー・レベルに変化させる(入力1を「10」に)。言い換えれば、1つのビット区間を中央で前部セルと後部セルに分割し、前部セルがロー・レベルで且つ後部セルがハイ・レベルの場合は論理値「0」とし、前部セルがハイ・レベルで且つ後部セルがロー・レベルの場合は論理値「1」とする符号形式である。マンチェスター符号は、入力1ビットを2ビットに変換する(若しくは、2パルス(2T)で1ビットを伝送する)、と言うこともでき、2倍の帯域に広げることで、通信レートは半分になるが、伝送信号のDC成分をなくしている。
【0006】
プリアンブル部は6バイトの0がマンチェスター符号化される。そのため「01」が48回続く連続波形になる。また、シンク部は、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンからなる。データ部は送信情報とLength情報(LEN)、CRCがまとめられてマンチェスター符号化される。
【0007】
パケットの受信側では、連続波形であるプリアンブル部を基にクロック(サンプリング・タイミング)の抽出が行なわれる。本明細書では、この動作を「タイミング同期」と呼ぶ。続いて、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンからなるシンク部を検出して、後続のデータ部の開始位置を推定する。本明細書では、この動作を「フレーム同期」と呼ぶ。そして、この開始位置を基にデータ部の復号が行なわれる。
【0008】
マンチェスター符号をNRZ(Non Return to Zero:NRZ)符号に復号する受信回路については、幾つかの提案がなされている(例えば、特許文献1〜3を参照のこと)。
【0009】
ところで、フェリカ・フォーマットでは、通信レートとして、212kbpsの倍数である、424kbps、848kbps、1.7Mbps、3.4Mbpsなどが規定されている。通信レートが高くなると、それに比例して送信信号の周波数帯域が広くなる。信号の周波数帯域が広くなると、伝送路や送信RFアナログ回路や受信RFアナログ回路の周波数特性の影響が増えてくる。一般に、これらの周波数特性は高い周波数になるほど減衰が大きくなる。また、高い周波数になるほど位相特性の乱れも大きくなる。このため、高い通信レートの信号ほど、受信波形の乱れが大きくなる。
【0010】
高速通信などにおける受信信号の乱れを補償する1つの方法として、適応等化処理を挙げることができる(例えば、特許文献4〜6を参照のこと)。適応等化回路は、例えば、FIR(Finite Impulse Response:有限インパルス応答)フィルターと学習回路で構成される。図18には、FIRフィルターの構成を模式的に示している。FIRフィルターは、複数個の遅延素子を直列接続したディレイ・ラインを備え、配列された遅延素子の個数分だけの時系列的な入力データを、それぞれ乗算器でフィルターの特性に応じたタップ係数で重み付けを行なった後、これらを累積加算して平均化処理することによって等化信号を得ることができる。送信側からは、受信側にとって既知の学習信号を送信する。学習信号には、通常、ランダム・パターンが用いられる。受信側の学習回路は、伝送路を通って乱れた学習信号を受信すると、FIRフィルターから出力される等化信号をその所望信号に近づけるようにフィルターのタップ係数を調整する。
【0011】
適応等化を行なうには、FIRフィルターのタップ係数を学習するのに十分な長さのランダム・パターン系列の送信が必要となる。一方、パケット内のデータ部を先頭からデコードするためには、それよりも前の段階でFIRフィルターの学習を完了させておく必要がある。
【0012】
データ部が到来するよりも前にFIRフィルターの学習を完了させるため、シンク部とデータ部の間に学習用に十分長いランダム・パターンを挿入する方法や、学習のための専用パケットを通常のパケットに先立って送信する方法などが考えられる。しかしながら、これらの方法を実現するには、NFC IP−1規格で規定されているフェリカ・フォーマットとは異なるパケット・フォーマットを使用することになるため、互換性において問題を招来する可能性がある。また、既知信号である学習用のランダム・パターンを送信する時間のために、情報を送信するための時間が削減されるため、通信レートの低下にもつながってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開平11−146022号公報
【特許文献2】特開平11−251916号公報
【特許文献3】特開2005−160042号公報
【特許文献4】特開2004−64681号公報
【特許文献5】特開2008−22422号公報
【特許文献6】特開2008−27270号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明の目的は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することにある。
【0015】
本発明のさらなる目的は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながら、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項1に記載の発明は、
受信信号を傾き演算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化ステップと、
を有することを特徴とする受信方法である。
【0017】
また、本願の請求項2に記載の発明は、マンチェスター符号化された学習ビット付きのパケットを受信する受信方法であって、
前記学習ビットの開始位置を検出する検出ステップと、
受信信号に対し、前記検出ステップにおいて前記学習ビットの検出を確定するまで前記学習ビットの先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与ステップと、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された前記学習ビットの先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた前記学習ビットを用いて適応等化を行なう適応等化ステップと、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定ステップと、
を有することを特徴とする受信方法である。
【0018】
本願の請求項3によれば、請求項2に記載の受信方法における遅延時間付与ステップでは、受信した前記学習ビットを記憶するとともに、前記学習ビットを検出したタイミングを起点にして、所定の繰り返し回数だけ読み出し、適応等化ステップでは、受信した前記学習ビットを前記繰り返し回数だけ学習を行なうように構成されている。
【0019】
また、本願の請求項4に記載の発明は、
受信信号を傾き演算する傾き演算部と、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング部と、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化部と、
を具備することを特徴とする受信装置である。
【0020】
また、本願の請求項5に記載の発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを受信する非接触ICカードであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とする非接触ICカードである。
【0021】
また、本願の請求項6に記載の発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを非接触ICカードから受信するリーダーライターであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とするリーダーライターである。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することができる。
【0023】
また、本発明によれば、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながら、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することができる。
【0024】
本願の請求項1乃至3、5、6に記載の発明によれば、より少ないタップ数のFIRフィルターでありながら、より複雑な周波数特性を改善する適応等化が可能となり、電磁結合を利用した非接触通信システムに適用することで、高速な通信レートでのデータ通信を安定して行なうことができる。また、適応等化前に1/2サンプリングするため、適応等化部を構成する回路は1/2のスピードで動作すればよく、消費電力の低減にもつながる。
【0025】
本願の請求項4に記載の発明によれば、適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまうが、所定の繰り返し回数分のタップ係数の学習を行なうことにより、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【0026】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】図1は、非接触通信システムの構成例を示した図である。
【図2】図2は、図1に示した通信システムにおいてデータ送受信処理を実施する際の、リーダーライター10が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図3】図3は、図1に示した通信システムにおいてデータ送受信処理を実施する際の、非接触ICカード30が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図4】図4は、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して適応等化を行なう受信回路の構成例を模式的に示した図である。
【図5】図5は、適応等化部44の内部構成例を示した図である。
【図6】図6は、マンチェスター復号部45の内部構成例を示した図である。
【図7】図7は、マンチェスター符号化された信号を復号する手順を説明するための図である。
【図8A】図8Aは、通信レート3.4Mbpsのマンチェスター符号化された信号のスペクトラムを例示した図である(但し、通信レートは3.4Mbpsとする)。
【図8B】図8Bは、通信レート3.4MbpsのNRZ符号化された信号のスペクトラムを例示した図である(但し、通信レートは3.4Mbpsとする)。
【図9】図9は、タップ数5のFIRフィルターの各タップがベースバンド帯域幅6.8MHz内で表現可能な周波数ポジションを例示した図である。
【図10】図10は、より少ないタップ数のFIRフィルターでより複雑な周波数特性を改善する適応等化を可能にした受信回路の構成例を示した図である。
【図11】図11は、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を、遅延バッファー103より以降の処理でNRZ符号に復号する手順を説明するための図である。
【図12】図12は、タップ数5のFIRフィルターの各タップが帯域幅3.4MHz内で表現可能な周波数ポジションを例示した図である。
【図13】図13は、図4に示した受信回路において、遅延バッファー43から出力されるマンチェスター符号化された信号を直接適応等化した場合の等化後信号点分布を示した図である。
【図14】図14は、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングしてから適応等化した場合の等化後信号点分布を示した図である。
【図15】図15は、1/2サンプリングすることに伴い学習に利用するシンク部のビット数減少の問題をさらに解消した受信回路の構成例を示した図である。
【図16】図16は、シンク部繰り返し回数を2とした場合のRAM制御部903から後段回路へ出力されるデータ列を示した図である。
【図17】図17は、フェリカ・フォーマットのパケット構造を示した図である。
【図18】図18は、FIRフィルターの構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0029】
図1には、非接触通信システムの構成例を示している。図示のシステムは、リーダーライター10と非接触ICカード30からなり、両者間では例えばフェリカ・フォーマット(前述)のパケットが所定の通信手順で交換されるものとする。
【0030】
リーダーライター10は、制御部11と、送信回路12と、受信回路13と、アンテナ共振回路部14で構成される。一方、非接触ICカード30は、制御部31と、アンテナ共振回路部32と、負荷切り替え変調回路部33で構成される。図示の例では、制御部34は、送信回路と受信回路、ロジック回路、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Memory)などの不揮発メモリーを含んだ構成とする。
【0031】
制御部11は、リーダーライター10内の各部を制御し、データを送受信する処理を行なわせる。ダウンリンクのデータ送信時には、送信回路12は、キャリア発振器(図示しない)を備え、送信データをマンチェスター符号化した後、キャリアを例えば振幅変調してデータを送信する。また、アップリンクのデータ受信時においても、送信回路12からキャリアを送信し続ける。
【0032】
リーダーライター10側のアンテナ共振回路部14は、コイルL10とコンデンサC10からなる並列共振回路で構成され、1次コイルとして作用する。その共振周波数は、送信回路12で生成するキャリア周波数付近に設定される。
【0033】
一方、非接触ICカード30側のアンテナ共振回路部32は、コイルL30とコンデンサC30で構成され、2次コイルとして作用する。アンテナ共振回路部32の共振周波数は、コンデンサC30のキャパシタンス及びコイルL30のインダクタンスにより所定の値に設定される。通常、アンテナ共振回路部32をキャリア周波数周辺に設定することで、リーダーライター10側のアンテナ共振回路部14と電磁結合する。コイルL10とコイルL30は、結合係数K13で磁気的に結合しており、その値は両者の位置が近づくほど大きくなっていく。
【0034】
アンテナ共振回路部32には、負荷切り替え変調回路部33が並列的に接続されている。負荷切り替え変調回路部33は、直列接続される抵抗R31と、MOS(Metal Oxide Semiconductor)からなるトランジスタ・スイッチQ31で構成され、トランジスタ・スイッチQ31をオン/オフ操作することによって、アンテナ共振回路部32の負荷変調を行なう。
【0035】
ダウンリンクのデータ受信時には、アンテナ共振回路部32は、リーダーライター10のアンテナ共振回路部14からの受信信号を制御部34に供給する。制御部34内では、受信信号を復調した後、マンチェスター復号処理して、元の送信データを再現する。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0036】
また、アップリンクのデータ送信時には、制御部34は送信データをマンチェスター符号化する。リーダーライター10側からはキャリアが送信し続けられており、アンテナ共振回路部12のコイルL30には磁界が発生している。負荷切り替え変調回路部33は、制御部34から供給された1並びに0からなるマンチェスター符号化されたビット系列に応じてMOSスイッチQ31のオン/オフをスイッチングすることにより送信データに応じて磁界を負荷変調し、これによって、リーダーライター10のアンテナ共振回路部12にデータ送信する。
【0037】
リーダーライター10側では、電磁結合している2次コイルL30の負荷が変化すると、電磁結合の入力インピーダンスが変化するので、結果として、キャリア周波数の出力レベルが変化する。したがって、受信回路13は、このレベル変動をみることによって、非接触ICカード30からの送信データを読み取ることができ、マンチェスター復号処理して元の送信データを再現すると、制御部11に渡す。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0038】
続いて、図1に示した通信システムにおけるデータ送受信処理について、図2及び図3に示したフローチャートを参照しながら説明する。但し、図2のフローチャートはリーダーライター10が実行する処理手順を示し、図3のフローチャートは非接触ICカード30の処理手順を示している。
【0039】
リーダーライター10の送信回路12は、キャリア周波数を生成する(ステップS1)。
【0040】
送信回路12は、制御部11より取得した送信データを、マンチェスター符号に符号化する(ステップS2)。
【0041】
次いで、送信回路12は、符号化データに基づいて、ステップS1で生成されたキャリアを振幅変調する(ステップS3)。
【0042】
ステップS3で振幅変調された変調信号は、アンテナ共振回路部14に供給される(ステップS4)。そして、アンテナ共振回路部14は、供給された変調信号に応じた磁界を発生させる。
【0043】
ステップS4で発生された磁界による磁気結合の結果、非接触ICカード30側のアンテナ共振回路部32に起電力が誘起される(ステップS21)。
【0044】
非接触ICカード30は、IC用電源生成回路(図示しない)を備えており、ステップS21で誘起された起電力を基に電源回路を形成し、各部に必要な電力を供給する(ステップS22)。また非接触ICカード30は、ステップS21で誘起された起電力からクロック成分を抽出する(ステップS23)。
【0045】
制御部34内の受信回路は、ステップS21で誘起された起電力の電圧振幅変化を基に、振幅変調されている変調信号を復調処理する(ステップS24)。
【0046】
ステップS24で復調された信号はマンチェスター符号へ符号化されている。制御部34内の受信回路は、この復調信号をマンチェスター復号する(ステップS25)。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0047】
制御部34内のロジック回路(図示しない)は、あらかじめ設定された所定のプログラムに従って、復号されたデータをEEPROM(図示しない)などに不揮発的に記憶させたり、不揮発的に記憶されているデータを読み出したり、あるいは削除する。また、このロジック回路で、リーダーライター10への送信データを作成する(ステップS26)。
【0048】
符号化/復号化回路39は、ステップS26で作成された送信用情報をマンチェスター符号に符号化し、負荷切り替え変調回路部33に供給する(ステップS27)。
【0049】
リーダーライター10側からはキャリアが送信し続けられており、アンテナ共振回路部12のコイルL30には磁界が発生している。負荷切り替え変調回路部33は、マンチェスター符号化されたデータのビット系列に従ってMOSスイッチQ31のオン/オフをスイッチングすることにより、アンテナ共振回路部32のインピーダンスを変化させて、磁界を負荷変調する(ステップS28)。これによって、マンチェスター符号化されたデータがリーダーライター10のアンテナ共振回路部12に送信される(ステップS29)。
【0050】
リーダーライター10のアンテナ共振回路部14には無変調のキャリアが流れており、キャリアに、ステップS29で発生したインピーダンス変化に応じた電圧振幅変化が誘起される。アンテナ共振回路部14は、この変化を検出することで非接触ICカード30からの信号を受信する(ステップS5)。
【0051】
受信回路13は、ステップS5で誘起された電圧振幅変化を基に、負荷変調された信号を復調する(ステップS6)。復調された信号はマンチェスター符号へ符号化されているので、受信回路13では復調信号をさらにマンチェスター復号して(ステップS7)、送信データを再現して、制御部11に供給する。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要である(同上)。
【0052】
既に述べたように、フェリカではマンチェスター符号が用いられ、また、ダウンリンクとアップリンクでは同一のパケット・フォーマット(図17を参照のこと)を使用する。
【0053】
また、リーダーライター10と非接触ICカード30間の通信レートを、212kbpsの倍数である、424kbps、848kbps、1.7Mbps、3.4Mbpsへと高速化すると、それに比例して送信信号の周波数帯域が広くなり、伝送路や送信回路並びに受信回路内のRFアナログ回路の周波数特性の影響が増え、受信波形の乱れが大きくなっていく。すなわち、電磁結合を利用した非接触通信において高速な通信を実現しようとすると、周波数特性の劣化を補償するために、受信側での適応等化が必要となる。
【0054】
そこで、本実施形態では、例えばリーダーライター10又は非接触ICカード30の少なくとも一方の受信回路において、適応等化を採用して、受信信号の乱れを補償するようになっている。
【0055】
また、適応等化を行なうには学習用に十分長い信号系列が必要であるが、このような信号系列を送信すると、NFC IP−1規格で規定されているフェリカ・フォーマット(図17)との互換性の問題や、オーバーヘッドの増加による通信レートの低下を招来する可能性がある。
【0056】
そこで、本実施形態では、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して、パケットのシンク部を学習ビットとして用いて適応等化を行なうようにしている。これにより、互換性の問題やオーバーヘッドの増加を避けることができる。実際には、受信回路内に遅延バッファーを設けることで、シンク部を用いたフレーム同期と、同じシンク部を用いた適応等化の両方を実現するようにしている。
【0057】
図4には、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して適応等化を行なう受信回路の構成例を模式的に示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部41と、シンク検出部42と、遅延バッファー43と、適応等化部44と、マンチェスター復号部45で構成される。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0058】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部41に入力される。プリアンブル検出部41は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0059】
次に、受信信号は、シンク検出部42に入力される。シンク検出部42は、受信信号とプリアンブル検出部41で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。シンク部の検出には、一般に、パターン・マッチングや相互相関などの方法が用いられる。いずれの検出方法も既知であるシンク部の特定パターンとの同一性を求めるものである。通常、ノイズ耐性を高めるために、シンク部のほぼ全体を使ってパターンの同一性の確認が行なわれる。シンク検出部42は、受信信号からシンク部を検出すると、シンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力する。
【0060】
一方で、受信信号は、遅延バッファー43にも入力される。遅延バッファー43は、入力される受信信号に対して、シンク部の長さ以上の遅延を与える。より正確に言うと、シンク検出部42がシンク部の検出を確定するまで、シンク部の先頭が出力されないような遅延を与える。例えば、シンク検出部42がシンク部の前半のみを使ってフレーム同期をとることができるのであれば、遅延バッファー43の遅延量はシンク部の半分程度とすることができる。あるいは、シンク検出部42がシンク部全部を使ってフレーム同期するのであれば、遅延バッファー43の遅延量はシンク部全体分が必要となる。
【0061】
遅延バッファー43で遅延がかけられた受信信号は、適応等化部44に入力される。そして、後段のマンチェスター復号部45は、適応等化部44からの等化出力信号をマンチェスター復号して、元の2進値の情報ビットを再現する。
【0062】
適応等化部44は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、シンク検出部42が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を基に、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行なう。そして、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。
【0063】
図5には、適応等化部44の内部構成例を示している。図示の適応等化部54は、FIRフィルターと学習回路で構成され、学習アルゴリズムにはNLMS(Normalized Least Mean Square:正規化最小2乗平均)を用いられるとする。以下、同図と式を参照しながら、適応等化処理について説明する。
【0064】
図示のFIRフィルターは、タップ数をMとし、(M−1)個の遅延素子(D)51−1、51−2、…を直列接続したディレイ・ラインを備えている(但し、図5では、図面の簡素化のため、M=5として描いている)。各遅延素子51−1、51−2、…は、それぞれサンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを持つ。
【0065】
ここで、サンプリング時間をnとし、時刻nにおける受信信号をu(n)とすると、タップ数M分だけの時系列的な入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)が得られる。
【0066】
また、タップ数分の乗算器52−1、52−2、…は、フィルターの特性に応じたタップ係数w1(n)、w2(n)、…、wM(n)をそれぞれ持ち、上記M個の入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)をそれぞれ重み付け乗算する。
【0067】
そして、累算器53は、対応するタップ係数でそれぞれ重み付けした時系列入力データを加算して平均化処理して、時刻nでの等化出力信号r(n)を得る。以上の等化処理は、下式(1)のように表すことができる。
【0068】
【数1】
【0069】
続いて、タップ係数の学習について説明する。加算器54には、等化出力信号r(n)とともにリファレンス信号d(n)が入力され、これらの差分をとって誤差信号e(n)を出力する。上記のリファレンス信号d(n)は、適応等化部44があらかじめ持っている、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンに相当する。
【0070】
学習回路55は、時刻nにおける時系列的な入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)と、誤差信号e(n)を入力すると、NLMSアルゴリズムを用いて、FIRフィルターからの等化出力信号rをリファレンス信号dに近づけるように、次時刻のFIRフィルターのタップ係数w1(n+1)、w2(n+1)、…、wM(n+1)を決定して、各乗算器52−1、52−2、…に供給する。誤差信号e(n)、並びに、タップ係数の更新式は、下式(2)のように表される。
【0071】
【数2】
【0072】
上式(2)に示した更新式を繰り返し実行することで、FIRフィルターの各タップ係数w1(n)、w2(n)、…、wM(n)は、誤差信号e(n)が小さくなるように収束する。
【0073】
ここで、上式(2)中のαは、ステップ・サイズであり、0<α<2となっている。αが1に近いと、高速に収束するが、誤差のバラツキが大きくなる。また、αが0に近いと、収束は遅くなるが、誤差のバラツキは小さくなる。
【0074】
学習回路55は、シンク部の前半では、ステップ・サイズαを1に近い値とすることで、誤差のバラツキを許容しつつ高速な学習を行なう。続くシンク部後半では、ステップ・サイズαを0に近い値にして低速な学習を行なうことで、誤差のバラツキを小さくする。このようにして、学習回路55では、全体的に高速な収束と収束誤差の小さな適応等化の学習を実現する。
【0075】
なお、上記の説明では、適応等化部44の学習アルゴリズムは、NLMSとFIRフィルターを組み合わせたものであり、NLMS−LE(Lenear Equalizer)と呼ばれる。但し、本発明の要旨は特定の学習アルゴリズムに限定されるものではなく、例えば、LMS(Least Mean Square:最小2乗平均)やRLS(Recursive Least Square:再帰的最小2乗法)など、他のアルゴリズムを使用することができる。
【0076】
図6には、マンチェスター復号部45の内部構成例を示している。
【0077】
遅延素子61は、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを持つ。加算器62では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子61及び加算器62は、受信信号の傾きを演算して高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。
【0078】
1/2サンプリング部63は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出し、後続の2値判定部64ではこの1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0079】
マンチェスター復号部45でマンチェスター符号化された信号を復号する手順について、図7を参照しながら説明する。
【0080】
例えばデータ「B24D」は、NRZ符号で“1011 0010 0100 1101”というビット系列になる(図7の上から1段目)。
【0081】
マンチェスター符号は、1つのビット区間を中央で前部セルと後部セルに分割し、入力1ビットが論理値「0」の場合は、前部セルがロー・レベルで且つ後部セルがハイ・レベル、すなわち「01」の2ビットに変換する。また、入力1ビットが論理値「1」の場合は、前部セルがハイ・レベルで且つ後部セルがロー・レベル、すなわち「10」の2ビットに変換する。したがって、上記のデータ「B24D」のビット系列“1011 0010 0100 1101”からなるNRZ符号をマンチェスター符号化すると、ビット系列(MAN)“10011010010110010110010110100110”に変換される。なお、ビット系列(MAN)に相当する受信波形は、量子化された値となるが、ここでは説明の簡素化のため、符号のみを取り扱うこととする(図7の上から2段目)。適応等化部44は、受信波形から、伝送路で受けた信号の乱れを等化する。
【0082】
適応等化部44からマンチェスター復号部45への入力ビット系列が“1 −1 −1 1 1 −1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 1 −1 −1 1 1 −1”であったとすると、遅延素子61は、このビット系列(MAN)にマンチェスター符号の1クロック分に相当する遅延を与える(D)(図7の上から3段目)。そして、加算器62は、これら入力ビット系列から、1クロック分だけ遅延したビット系列を減算する。この結果、加算器52の出力ビット系列(D−MAN)は、“−1 2 0 −2 0 2 −2 2 0 −2 2 −2 0 2 0 −2 0 −2 0 2 0 −2 2 −2 0 2 −2 2 0 −2 0 1”となる(図7の上から4段目)。
【0083】
1/2サンプリング部63は、加算器62の出力を、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出するので、その出力ビット系列は“2 −2 2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 2 −2 2”となる(図7の上から5段目)。したがって、2値ビット系列1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1”(図7の上から6段目)、すなわちデータ「B24D」が復号されていることが分かる。
【0084】
このように、図4に示した受信回路構成によれば、遅延バッファー43を設けることで、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して、シンク部を用いたフレーム同期と、同じシンク部を用いた適応等化の両方を実現することができる。したがって、互換性の問題やオーバーヘッドの増加を回避することができる。
【0085】
ところが、シンク部はマンチェスター符号化されたビット数で高々32ビットであり、学習回数として不十分であることが懸念される。
【0086】
例えば、図5に示した適応等化部44において、学習回路55が、シンク部の前半では、ステップ・サイズαを1に近い値とすることで、誤差のバラツキを許容しつつ高速な学習を行ない、続くシンク部後半では、ステップ・サイズαを0に近い値にして低速な学習を行なうことで、誤差のバラツキを小さくすることによって、全体的に高速な収束と収束誤差の小さな適応等化の学習を実現する方法も考えられる。
【0087】
データ部の先頭が到来するまでの良好な学習結果を得るためには、FIRフィルターのタップ数に制限がある(タップ数が増大すると、学習に要する時間が長くなる。また、タップ数に応じて回路規模が肥大化し、コスト増大を招来する)。
【0088】
他方、FIRフィルターのタップ数が少ないと、きめ細かな周波数特性を表現することが困難となる。このため、受信信号が伝送路で受けた周波数特性の影響次第では、適応等化を行なっても、受信特性の十分な改善を得られない場合がある。
【0089】
マンチェスター符号は、信号からDC成分を除去するために帯域を2倍に広げる符号化方式であり、通信レートは半分になる(前述)。例えば、通信レートが3.4Mbpsである場合、マンチェスター符号化されたチャネル・レートは6.8Mbpsとなり、ベースバンド信号の帯域幅は6.8MHzとなる。また、マンチェスター符号化された信号の最短波長は1パルス分(1Tman)であり周波数で3.4MHz、最長波長は2パルス分(2Tman)であり周波数で1.7MHzとなる。このことから、通信レート3.4Mbpsのマンチェスター符号化された信号のスペクトラムは、図8Aに示すように、1.7MHz乃至3.4MHzの帯域を中心に分布することが想定される。他方、同じく通信レート3.4MbpsのNRZ信号の最短波長は1パルス分(1TNRZ)であり周波数で1.7MHz、最長波長はDC成分であり周波数で0MHzとなることから、図8Bに示すように、帯域幅はマンチェスター符号の1/2となり、0MHz乃至1.7を中心に分布することが想定される。
【0090】
図4に示した受信回路の構成では、適応等化部44は、(遅延バッファー43から出力される)マンチェスター符号を適応等化することになる。マンチェスター符号化された信号のスペクトラムは、上述したように、1.7MHz乃至3.4MHzの帯域を中心に分布する。これに対し、適応等化部44に用いられるFIRフィルターのタップ数が5であるとき、図9中の○で示すように、ベースバンド帯域幅6.8MHz内の5つの周波数ポジションを表現することが可能である。
【0091】
ここで、図8Aに示したスペクトラムと図9に示した周波数ポジションを重ね合わせてみると、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域(すなわち、1Tmanと2Tman)の間で制御可能な周波数ポジションが1つしかない。このため、伝送路の周波数特性が1Tmanと2Tmanの間で複雑になっている場合には、FIRフィルターはその周波数特性の逆特性を表現することが難しく、良好な適応等化をすることが困難である。
【0092】
FIRフィルターのタップ数を増やせば、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域において、複雑な周波数特性の逆特性を表現し易くなり、良好な適応等化を行なうことが可能になる。しかしながら、タップ数が増大すると、学習に要する時間が長くなる。また、タップ数に応じて回路規模が肥大化し、コスト増大を招来する。
【0093】
本発明者らは、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいては、通信レートの高速化に対応すべく、少ないタップ数のFIRフィルターを用いて、より複雑な周波数特性を改善する適応等化が必要である、と思料する。
【0094】
次いで、図10には、より少ないタップ数のFIRフィルターでより複雑な周波数特性を改善する適応等化を可能にした受信回路の構成例を示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部101と、シンク検出部102と、遅延バッファー103と、遅延素子104と、加算器105と、1/2サンプリング部106と、適応等化部107と、2値判定部108を備えている。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0095】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部101に入力される。プリアンブル検出部101は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0096】
次に、受信信号は、シンク検出部102に入力される。シンク検出部42は、受信信号とプリアンブル検出部101で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。シンク部の検出には、一般に、パターン・マッチングや相互相関などの方法が用いられる。いずれの検出方法も既知であるシンク部の特定パターンとの同一性を求めるものである。通常、ノイズ耐性を高めるために、シンク部のほぼ全体を使ってパターンの同一性の確認が行なわれる。シンク検出部102は、受信信号からシンク部を検出すると、シンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力する。
【0097】
一方で、受信信号は、遅延バッファー103にも入力される。遅延バッファー103は、シンク検出部102がシンク部の検出を確定するまで、シンク部の先頭が出力されないような遅延を与える。
【0098】
遅延素子104は、遅延バッファー103から出力される受信信号に対し、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを与える。加算器105では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子104及び加算器105は、受信信号の傾きを演算して高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。
【0099】
1/2サンプリング部106は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。
【0100】
適応等化部107は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、シンク検出部102が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を起点にして、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行なう。そして、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。適応等化部107の内部構成は、例えば図5に示したものと同様でよいので、ここでは説明を省略する。
【0101】
そして、2値判定部108は、適応等化した後の1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0102】
マンチェスター符号化された信号を、遅延バッファー103より以降の処理でNRZ符号に復号する手順について、図11を参照しながら説明する。
【0103】
遅延バッファー103の出力は、例えばデータ「B24D」すなわちビット系列“1011 0010 0100 1101”からなるNRZ符号(図11の上から1段目)をマンチェスター符号化したものであり、ビット系列(MAN)“10011010010110010110010110100110”に相当する受信波形である(図11の上から2段目)。受信波形は量子化された値となるが、ここでは説明の簡素化のため、、符号のみを取り扱うこととする。
【0104】
遅延素子104は、このビット系列(MAN)にマンチェスター符号の1クロック分に相当する遅延を与える(D)(図11の上から3段目)。そして、加算器105は、これら入力ビット系列から、1クロック分だけ遅延したビット系列を減算する。この結果、加算器52の出力ビット系列(D−MAN)は、“−1 2 0 −2 0 2 −2 2 0 −2 2 −2 0 2 0 −2 0 −2 0 2 0 −2 2 −2 0 2 −2 2 0 −2 0 2”となる(図11の上から4段目)。
【0105】
1/2サンプリング部106は、加算器105の出力を、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。したがって、その出力ビット系列は“2 −2 2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 2 −2 2”となる(図11の上から5段目)。
【0106】
適応等化部107は、1/2サンプリング部106の出力波形から、伝送路で受けた信号の乱れを等化する。ここで、図4に示した受信回路と、適応等化について比較する。
【0107】
図4に示した受信回路の構成では、適応等化部44は、(遅延バッファー43から出力される)マンチェスター符号を適応等化することになる。この場合、FIRフィルターのタップ数を5とすると、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域の間で制御可能な周波数ポジションが1つしかないため、周波数特性の逆特性を表現することが難しく、良好な適応等化を行なえないことが懸念される(前述)。
【0108】
これに対し、図10に示した受信回路の構成では、適応等化部107は、1/2サンプリング部106の出力波形を等化することになる。1/2サンプリング部106の出力波形は、NRZ符号と同様、最短波長は1パルス分(1TNRZ)であり周波数で3.4MHz、最長波長はDC成分となることから、図8Bに示したように、帯域幅はマンチェスター符号の1/2であり、0MHzを中心に分布する。この場合、適応等化部107に用いられるFIRフィルターのタップ数が同じく5個であるとしても、図12中の○に示すように、帯域幅3.4MHz内の5つの周波数ポジションを表現すればよく、スペクトラムの中心分布に相当する0MHz乃至1.7MHzの帯域の間で制御可能な周波数ポジションが3つである。したがって、伝送路の周波数特性がスペクトラムの中心分布で複雑になっているとしても、FIRフィルターはその周波数特性の逆特性をより忠実に表現することが可能となり、良好な適応等化を行なうことができるようになる。
【0109】
適応等化部107が1/2サンプリング部106の出力波形をより正確に等化できるようになると、後段の2値判定部108の判定精度も向上し、2値ビット系列1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1”(図11の上から6段目)、すなわちデータ「B24D」を得ることができる。
【0110】
図13には、図4に示した受信回路において、遅延バッファー43から出力されるマンチェスター符号化された信号を直接適応等化した場合の等化後信号点分布を示している。また、図14には、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングしてから適応等化した場合の等化後信号点分布を示している。図13に示した結果では、2値判定する際の閾値付近に信号点が多く分布しているため、マンチェスター復号部45内で2値判定する際に誤判定し易くSNRが低くなる。これに対し、図14に示した結果では、2値判定する際の閾値付近に配置される信号点が少なくなるので、適応等化後にエラーなく2値判定することができる。すなわち、受信信号を良好に等化することができている、と言える。
【0111】
このように、図10に示した受信回路構成では、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングすることにより、帯域幅をマンチェスター符号の1/2に縮小することにより、少ないタップ数(若しくは、従来と同じタップ数でも)でもスペクトラムの中心分布付近における複雑な周波数特性の逆特性を好適に表現できるようになり、良好な適応等化を実現することができる。また、適応等化前に1/2サンプリングするため、適応等化部を構成する回路は1/2のスピードで動作すればよく、消費電力の低減にもつながる。その反面、適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまう。これは、タップ係数の収束性能に影響する。データ部の先頭までにタップ係数が適切な値に収束しないと、良好な等化結果は得られず、受信性能が劣化する。
【0112】
図15には、1/2サンプリングすることに伴い学習に利用するシンク部のビット数減少の問題をさらに解消した受信回路の構成例を示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部151と、シンク検出部152と、RAM制御部153と、RAM159と、遅延素子154と、加算器155と、1/2サンプリング部156と、適応等化部157と、2値判定部158を備えている。遅延バッファー103がRAM制御部153及びRAM159に置き換わった点で、図10に示した構成例とは相違する。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0113】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部151に入力される。プリアンブル検出部151は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0114】
次に、受信信号は、シンク検出部152に入力される。シンク検出部152は、受信信号とプリアンブル検出部151で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。
【0115】
RAM制御部153は、シンク検出部152から入力された受信信号をRAM159へ書き込む。また、RAM制御部153は、RAM159から受信信号を読み出し、後段の回路へ出力する。
【0116】
RAM制御部153はシンク検出部152が確定したシンク部の検出タイミングを起点にして、シンク部の先頭データが格納されるアドレスを記憶する。そして、シンク部の最終データが出力されると、読み出しアドレスを再度シンク部の先頭データの格納アドレスに設定し、シンク部の読み出しを行なう。事前に決められたシンク部繰り返し回数の読み出しを終えると、データ部の読み出しを行なう。図16には、シンク部繰り返し回数を2とした場合のRAM制御部903から後段回路へ出力されるデータ列を示している。
【0117】
遅延素子154は、遅延バッファー153から出力される受信信号に対し、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを与える。加算器155では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子154及び加算器105は、受信信号の高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。そして、1/2サンプリング部156は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。
【0118】
適応等化部157は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行ない、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。適応等化部157の内部構成は、例えば図5に示したものと同様でよいので、ここでは説明を省略する。図示の例では、適応等化部157は、シンク検出部152が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を起点にして、事前に決められたシンク部繰り返し回数分(前述)のタップ係数の学習を行なうので、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【0119】
そして、2値判定部108は、適応等化した後の1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0120】
マンチェスター符号化された信号をNRZ符号に復号する手順は図11に示した通りであり、ここでは説明を省略する。
【0121】
適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまう。これに対し、図15に示した受信回路によれば、シンク部を記憶するとともに事前に決められたシンク部繰り返し回数の読み出し、繰り返し回数分のタップ係数の学習を行なうように構成されているので、1/2サンプリングに伴うシンク部のビット数半減にも拘らず、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【0122】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0123】
本明細書では、NFC IP−1規格に従う非接触通信システムに本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。電気的負荷の変更方向の切り替えによる変調を利用して通信を行なう、さまざまな規格に準拠した通信システムに、同様に本発明を適用することができる。
【0124】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【符号の説明】
【0125】
10…リーダーライター
11…制御部
12…送信回路
13…受信回路
14…アンテナ共振回路部
30…非接触ICカード
31…制御部
32…アンテナ共振回路部
33…負荷切り替え変調回路部
34…制御部
41…プリアンブル検出部
42…シンク検出部
43…遅延バッファー
44…適応等化部
45…マンチェスター復号部
41…プリアンブル検出部
42…シンク検出部
43…遅延バッファー
44…適応等化部
45…マンチェスター復号部
51…遅延素子
52…乗算器
53…累積器
54…加算器
55…学習回路
61…遅延素子
62…加算器
63…1/2サンプリング部
64…2値判定部
101…プリアンブル検出部
102…シンク検出部
103…遅延バッファー
104…適応等化部
105…加算器
106…1/2サンプリング部
107…適応等化部
108…2値判定部
151…プリアンブル検出部
152…シンク検出部
153…RAM制御部
154…適応等化部
155…加算器
156…1/2サンプリング部
157…適応等化部
158…2値判定部
159…RAM
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を受信処理する受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターに係り、特に、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながらマンチェスター符号化された無線信号を受信処理する受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターに関する。
【背景技術】
【0002】
非接触通信は、0〜数十cm程度の伝送距離でデータ伝送を行う無線技術であり、例えば非接触ICカードとリーダーライターからなるRFIDシステムに適用される。その通信方向によって、リーダーライターからカードへの通信と、カードからリーダーライターへの通信の2種類に分けることができる。本明細書では、前者を「ダウンリンク」と呼び、後者を「アップリンク」と呼ぶことにする。どちらの通信方向においても、リーダーライターは常にキャリア周波数を発振し、カードはこのキャリア周波数から得られる電力を基に送信処理並びに受信処理を行なう。
【0003】
非接触通信方法には、静電結合方式、電磁誘導方式、電波通信方式などが挙げられる。このうち電磁誘導方式は、リーダーライター側の1次コイルとカード側の2次コイル間のコイルの磁気的な結合(すなわち、2つのコイルのLC共振回路としての動作)によってデータ通信が行なわれる。リーダーライターは、1次コイルで発生する磁界すなわちキャリアを振幅変調することによって、ダウンリンクのデータ送信を行ない、トランスポンダ側ではこれを検波する。一方、アップリンクには負荷変調が用いられ、カード内の送信情報に基づいて2次コイルの負荷抵抗が切り替えられる。リーダーライター側では、電磁結合している2次コイルの負荷が変化すると、電磁結合の入力インピーダンスが変化するので、結果として、キャリア周波数の出力レベルが変化する。したがって、このレベル変動をみることによって、カードからの送信情報を読み取ることができる。
【0004】
例えば、ISO/IEC IS 18092(NFC IP−1)は、2003年12月に国際標準となった、リーダーライターの仕様を規定した非接触通信規格である。同規格は、元々、非接触式ICカードとして広く普及しているソニーの「FeliCa(フェリカ)」やPhilips社の「Mifare」を継承している。このうち、フェリカ・フォーマットでは、マンチェスター(Manchester)符号が用いられ、ダウンリンクとアップリンクでは同一のパケット構造を使用する。図17には、フェリカ・フォーマットのパケット構造を示している。図示のパケットは、「プリアンブル」、「シンク」、「データ」の3つのパートで構成される。プリアンブルは、6バイト長の“0”の系列からなり、シンクは、2バイトの既知系列“0xB24D”からなる。また、データは、パケット長を示す1バイトのLENと、(LEN−1)バイト長のデータ本体(ペイロード)と、2バイトのCRC(Cyclic Redundancy Check:巡回冗長検査)コードからなる。これら3つのパートはすべてマンチェスター符号化される。
【0005】
ここで、マンチェスター符号は、例えば、2進値“0”を送るときはビット区間の中央でロー・レベルからハイ・レベルに変化させ(入力0を「01」に)、一方、2進値“1”を送るときは逆にビット区間の中央でハイ・レベルからロー・レベルに変化させる(入力1を「10」に)。言い換えれば、1つのビット区間を中央で前部セルと後部セルに分割し、前部セルがロー・レベルで且つ後部セルがハイ・レベルの場合は論理値「0」とし、前部セルがハイ・レベルで且つ後部セルがロー・レベルの場合は論理値「1」とする符号形式である。マンチェスター符号は、入力1ビットを2ビットに変換する(若しくは、2パルス(2T)で1ビットを伝送する)、と言うこともでき、2倍の帯域に広げることで、通信レートは半分になるが、伝送信号のDC成分をなくしている。
【0006】
プリアンブル部は6バイトの0がマンチェスター符号化される。そのため「01」が48回続く連続波形になる。また、シンク部は、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンからなる。データ部は送信情報とLength情報(LEN)、CRCがまとめられてマンチェスター符号化される。
【0007】
パケットの受信側では、連続波形であるプリアンブル部を基にクロック(サンプリング・タイミング)の抽出が行なわれる。本明細書では、この動作を「タイミング同期」と呼ぶ。続いて、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンからなるシンク部を検出して、後続のデータ部の開始位置を推定する。本明細書では、この動作を「フレーム同期」と呼ぶ。そして、この開始位置を基にデータ部の復号が行なわれる。
【0008】
マンチェスター符号をNRZ(Non Return to Zero:NRZ)符号に復号する受信回路については、幾つかの提案がなされている(例えば、特許文献1〜3を参照のこと)。
【0009】
ところで、フェリカ・フォーマットでは、通信レートとして、212kbpsの倍数である、424kbps、848kbps、1.7Mbps、3.4Mbpsなどが規定されている。通信レートが高くなると、それに比例して送信信号の周波数帯域が広くなる。信号の周波数帯域が広くなると、伝送路や送信RFアナログ回路や受信RFアナログ回路の周波数特性の影響が増えてくる。一般に、これらの周波数特性は高い周波数になるほど減衰が大きくなる。また、高い周波数になるほど位相特性の乱れも大きくなる。このため、高い通信レートの信号ほど、受信波形の乱れが大きくなる。
【0010】
高速通信などにおける受信信号の乱れを補償する1つの方法として、適応等化処理を挙げることができる(例えば、特許文献4〜6を参照のこと)。適応等化回路は、例えば、FIR(Finite Impulse Response:有限インパルス応答)フィルターと学習回路で構成される。図18には、FIRフィルターの構成を模式的に示している。FIRフィルターは、複数個の遅延素子を直列接続したディレイ・ラインを備え、配列された遅延素子の個数分だけの時系列的な入力データを、それぞれ乗算器でフィルターの特性に応じたタップ係数で重み付けを行なった後、これらを累積加算して平均化処理することによって等化信号を得ることができる。送信側からは、受信側にとって既知の学習信号を送信する。学習信号には、通常、ランダム・パターンが用いられる。受信側の学習回路は、伝送路を通って乱れた学習信号を受信すると、FIRフィルターから出力される等化信号をその所望信号に近づけるようにフィルターのタップ係数を調整する。
【0011】
適応等化を行なうには、FIRフィルターのタップ係数を学習するのに十分な長さのランダム・パターン系列の送信が必要となる。一方、パケット内のデータ部を先頭からデコードするためには、それよりも前の段階でFIRフィルターの学習を完了させておく必要がある。
【0012】
データ部が到来するよりも前にFIRフィルターの学習を完了させるため、シンク部とデータ部の間に学習用に十分長いランダム・パターンを挿入する方法や、学習のための専用パケットを通常のパケットに先立って送信する方法などが考えられる。しかしながら、これらの方法を実現するには、NFC IP−1規格で規定されているフェリカ・フォーマットとは異なるパケット・フォーマットを使用することになるため、互換性において問題を招来する可能性がある。また、既知信号である学習用のランダム・パターンを送信する時間のために、情報を送信するための時間が削減されるため、通信レートの低下にもつながってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開平11−146022号公報
【特許文献2】特開平11−251916号公報
【特許文献3】特開2005−160042号公報
【特許文献4】特開2004−64681号公報
【特許文献5】特開2008−22422号公報
【特許文献6】特開2008−27270号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
本発明の目的は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することにある。
【0015】
本発明のさらなる目的は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながら、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項1に記載の発明は、
受信信号を傾き演算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化ステップと、
を有することを特徴とする受信方法である。
【0017】
また、本願の請求項2に記載の発明は、マンチェスター符号化された学習ビット付きのパケットを受信する受信方法であって、
前記学習ビットの開始位置を検出する検出ステップと、
受信信号に対し、前記検出ステップにおいて前記学習ビットの検出を確定するまで前記学習ビットの先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与ステップと、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された前記学習ビットの先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた前記学習ビットを用いて適応等化を行なう適応等化ステップと、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定ステップと、
を有することを特徴とする受信方法である。
【0018】
本願の請求項3によれば、請求項2に記載の受信方法における遅延時間付与ステップでは、受信した前記学習ビットを記憶するとともに、前記学習ビットを検出したタイミングを起点にして、所定の繰り返し回数だけ読み出し、適応等化ステップでは、受信した前記学習ビットを前記繰り返し回数だけ学習を行なうように構成されている。
【0019】
また、本願の請求項4に記載の発明は、
受信信号を傾き演算する傾き演算部と、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング部と、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化部と、
を具備することを特徴とする受信装置である。
【0020】
また、本願の請求項5に記載の発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを受信する非接触ICカードであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とする非接触ICカードである。
【0021】
また、本願の請求項6に記載の発明は、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを非接触ICカードから受信するリーダーライターであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とするリーダーライターである。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することができる。
【0023】
また、本発明によれば、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、通信レートの高速化に伴う受信波形の乱れを適応等化しながら、マンチェスター符号化された無線信号を好適に受信処理することができる、優れた受信方法及び受信装置、非接触ICカード、並びにリーダーライターを提供することができる。
【0024】
本願の請求項1乃至3、5、6に記載の発明によれば、より少ないタップ数のFIRフィルターでありながら、より複雑な周波数特性を改善する適応等化が可能となり、電磁結合を利用した非接触通信システムに適用することで、高速な通信レートでのデータ通信を安定して行なうことができる。また、適応等化前に1/2サンプリングするため、適応等化部を構成する回路は1/2のスピードで動作すればよく、消費電力の低減にもつながる。
【0025】
本願の請求項4に記載の発明によれば、適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまうが、所定の繰り返し回数分のタップ係数の学習を行なうことにより、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【0026】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】図1は、非接触通信システムの構成例を示した図である。
【図2】図2は、図1に示した通信システムにおいてデータ送受信処理を実施する際の、リーダーライター10が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図3】図3は、図1に示した通信システムにおいてデータ送受信処理を実施する際の、非接触ICカード30が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【図4】図4は、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して適応等化を行なう受信回路の構成例を模式的に示した図である。
【図5】図5は、適応等化部44の内部構成例を示した図である。
【図6】図6は、マンチェスター復号部45の内部構成例を示した図である。
【図7】図7は、マンチェスター符号化された信号を復号する手順を説明するための図である。
【図8A】図8Aは、通信レート3.4Mbpsのマンチェスター符号化された信号のスペクトラムを例示した図である(但し、通信レートは3.4Mbpsとする)。
【図8B】図8Bは、通信レート3.4MbpsのNRZ符号化された信号のスペクトラムを例示した図である(但し、通信レートは3.4Mbpsとする)。
【図9】図9は、タップ数5のFIRフィルターの各タップがベースバンド帯域幅6.8MHz内で表現可能な周波数ポジションを例示した図である。
【図10】図10は、より少ないタップ数のFIRフィルターでより複雑な周波数特性を改善する適応等化を可能にした受信回路の構成例を示した図である。
【図11】図11は、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を、遅延バッファー103より以降の処理でNRZ符号に復号する手順を説明するための図である。
【図12】図12は、タップ数5のFIRフィルターの各タップが帯域幅3.4MHz内で表現可能な周波数ポジションを例示した図である。
【図13】図13は、図4に示した受信回路において、遅延バッファー43から出力されるマンチェスター符号化された信号を直接適応等化した場合の等化後信号点分布を示した図である。
【図14】図14は、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングしてから適応等化した場合の等化後信号点分布を示した図である。
【図15】図15は、1/2サンプリングすることに伴い学習に利用するシンク部のビット数減少の問題をさらに解消した受信回路の構成例を示した図である。
【図16】図16は、シンク部繰り返し回数を2とした場合のRAM制御部903から後段回路へ出力されるデータ列を示した図である。
【図17】図17は、フェリカ・フォーマットのパケット構造を示した図である。
【図18】図18は、FIRフィルターの構成を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0029】
図1には、非接触通信システムの構成例を示している。図示のシステムは、リーダーライター10と非接触ICカード30からなり、両者間では例えばフェリカ・フォーマット(前述)のパケットが所定の通信手順で交換されるものとする。
【0030】
リーダーライター10は、制御部11と、送信回路12と、受信回路13と、アンテナ共振回路部14で構成される。一方、非接触ICカード30は、制御部31と、アンテナ共振回路部32と、負荷切り替え変調回路部33で構成される。図示の例では、制御部34は、送信回路と受信回路、ロジック回路、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Memory)などの不揮発メモリーを含んだ構成とする。
【0031】
制御部11は、リーダーライター10内の各部を制御し、データを送受信する処理を行なわせる。ダウンリンクのデータ送信時には、送信回路12は、キャリア発振器(図示しない)を備え、送信データをマンチェスター符号化した後、キャリアを例えば振幅変調してデータを送信する。また、アップリンクのデータ受信時においても、送信回路12からキャリアを送信し続ける。
【0032】
リーダーライター10側のアンテナ共振回路部14は、コイルL10とコンデンサC10からなる並列共振回路で構成され、1次コイルとして作用する。その共振周波数は、送信回路12で生成するキャリア周波数付近に設定される。
【0033】
一方、非接触ICカード30側のアンテナ共振回路部32は、コイルL30とコンデンサC30で構成され、2次コイルとして作用する。アンテナ共振回路部32の共振周波数は、コンデンサC30のキャパシタンス及びコイルL30のインダクタンスにより所定の値に設定される。通常、アンテナ共振回路部32をキャリア周波数周辺に設定することで、リーダーライター10側のアンテナ共振回路部14と電磁結合する。コイルL10とコイルL30は、結合係数K13で磁気的に結合しており、その値は両者の位置が近づくほど大きくなっていく。
【0034】
アンテナ共振回路部32には、負荷切り替え変調回路部33が並列的に接続されている。負荷切り替え変調回路部33は、直列接続される抵抗R31と、MOS(Metal Oxide Semiconductor)からなるトランジスタ・スイッチQ31で構成され、トランジスタ・スイッチQ31をオン/オフ操作することによって、アンテナ共振回路部32の負荷変調を行なう。
【0035】
ダウンリンクのデータ受信時には、アンテナ共振回路部32は、リーダーライター10のアンテナ共振回路部14からの受信信号を制御部34に供給する。制御部34内では、受信信号を復調した後、マンチェスター復号処理して、元の送信データを再現する。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0036】
また、アップリンクのデータ送信時には、制御部34は送信データをマンチェスター符号化する。リーダーライター10側からはキャリアが送信し続けられており、アンテナ共振回路部12のコイルL30には磁界が発生している。負荷切り替え変調回路部33は、制御部34から供給された1並びに0からなるマンチェスター符号化されたビット系列に応じてMOSスイッチQ31のオン/オフをスイッチングすることにより送信データに応じて磁界を負荷変調し、これによって、リーダーライター10のアンテナ共振回路部12にデータ送信する。
【0037】
リーダーライター10側では、電磁結合している2次コイルL30の負荷が変化すると、電磁結合の入力インピーダンスが変化するので、結果として、キャリア周波数の出力レベルが変化する。したがって、受信回路13は、このレベル変動をみることによって、非接触ICカード30からの送信データを読み取ることができ、マンチェスター復号処理して元の送信データを再現すると、制御部11に渡す。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0038】
続いて、図1に示した通信システムにおけるデータ送受信処理について、図2及び図3に示したフローチャートを参照しながら説明する。但し、図2のフローチャートはリーダーライター10が実行する処理手順を示し、図3のフローチャートは非接触ICカード30の処理手順を示している。
【0039】
リーダーライター10の送信回路12は、キャリア周波数を生成する(ステップS1)。
【0040】
送信回路12は、制御部11より取得した送信データを、マンチェスター符号に符号化する(ステップS2)。
【0041】
次いで、送信回路12は、符号化データに基づいて、ステップS1で生成されたキャリアを振幅変調する(ステップS3)。
【0042】
ステップS3で振幅変調された変調信号は、アンテナ共振回路部14に供給される(ステップS4)。そして、アンテナ共振回路部14は、供給された変調信号に応じた磁界を発生させる。
【0043】
ステップS4で発生された磁界による磁気結合の結果、非接触ICカード30側のアンテナ共振回路部32に起電力が誘起される(ステップS21)。
【0044】
非接触ICカード30は、IC用電源生成回路(図示しない)を備えており、ステップS21で誘起された起電力を基に電源回路を形成し、各部に必要な電力を供給する(ステップS22)。また非接触ICカード30は、ステップS21で誘起された起電力からクロック成分を抽出する(ステップS23)。
【0045】
制御部34内の受信回路は、ステップS21で誘起された起電力の電圧振幅変化を基に、振幅変調されている変調信号を復調処理する(ステップS24)。
【0046】
ステップS24で復調された信号はマンチェスター符号へ符号化されている。制御部34内の受信回路は、この復調信号をマンチェスター復号する(ステップS25)。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要であるが、この点の詳細については後述に譲る。
【0047】
制御部34内のロジック回路(図示しない)は、あらかじめ設定された所定のプログラムに従って、復号されたデータをEEPROM(図示しない)などに不揮発的に記憶させたり、不揮発的に記憶されているデータを読み出したり、あるいは削除する。また、このロジック回路で、リーダーライター10への送信データを作成する(ステップS26)。
【0048】
符号化/復号化回路39は、ステップS26で作成された送信用情報をマンチェスター符号に符号化し、負荷切り替え変調回路部33に供給する(ステップS27)。
【0049】
リーダーライター10側からはキャリアが送信し続けられており、アンテナ共振回路部12のコイルL30には磁界が発生している。負荷切り替え変調回路部33は、マンチェスター符号化されたデータのビット系列に従ってMOSスイッチQ31のオン/オフをスイッチングすることにより、アンテナ共振回路部32のインピーダンスを変化させて、磁界を負荷変調する(ステップS28)。これによって、マンチェスター符号化されたデータがリーダーライター10のアンテナ共振回路部12に送信される(ステップS29)。
【0050】
リーダーライター10のアンテナ共振回路部14には無変調のキャリアが流れており、キャリアに、ステップS29で発生したインピーダンス変化に応じた電圧振幅変化が誘起される。アンテナ共振回路部14は、この変化を検出することで非接触ICカード30からの信号を受信する(ステップS5)。
【0051】
受信回路13は、ステップS5で誘起された電圧振幅変化を基に、負荷変調された信号を復調する(ステップS6)。復調された信号はマンチェスター符号へ符号化されているので、受信回路13では復調信号をさらにマンチェスター復号して(ステップS7)、送信データを再現して、制御部11に供給する。なお、高速通信などにおける受信信号の乱れを補償するために、マンチェスター復号する前に適応等化処理が必要である(同上)。
【0052】
既に述べたように、フェリカではマンチェスター符号が用いられ、また、ダウンリンクとアップリンクでは同一のパケット・フォーマット(図17を参照のこと)を使用する。
【0053】
また、リーダーライター10と非接触ICカード30間の通信レートを、212kbpsの倍数である、424kbps、848kbps、1.7Mbps、3.4Mbpsへと高速化すると、それに比例して送信信号の周波数帯域が広くなり、伝送路や送信回路並びに受信回路内のRFアナログ回路の周波数特性の影響が増え、受信波形の乱れが大きくなっていく。すなわち、電磁結合を利用した非接触通信において高速な通信を実現しようとすると、周波数特性の劣化を補償するために、受信側での適応等化が必要となる。
【0054】
そこで、本実施形態では、例えばリーダーライター10又は非接触ICカード30の少なくとも一方の受信回路において、適応等化を採用して、受信信号の乱れを補償するようになっている。
【0055】
また、適応等化を行なうには学習用に十分長い信号系列が必要であるが、このような信号系列を送信すると、NFC IP−1規格で規定されているフェリカ・フォーマット(図17)との互換性の問題や、オーバーヘッドの増加による通信レートの低下を招来する可能性がある。
【0056】
そこで、本実施形態では、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して、パケットのシンク部を学習ビットとして用いて適応等化を行なうようにしている。これにより、互換性の問題やオーバーヘッドの増加を避けることができる。実際には、受信回路内に遅延バッファーを設けることで、シンク部を用いたフレーム同期と、同じシンク部を用いた適応等化の両方を実現するようにしている。
【0057】
図4には、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して適応等化を行なう受信回路の構成例を模式的に示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部41と、シンク検出部42と、遅延バッファー43と、適応等化部44と、マンチェスター復号部45で構成される。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0058】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部41に入力される。プリアンブル検出部41は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0059】
次に、受信信号は、シンク検出部42に入力される。シンク検出部42は、受信信号とプリアンブル検出部41で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。シンク部の検出には、一般に、パターン・マッチングや相互相関などの方法が用いられる。いずれの検出方法も既知であるシンク部の特定パターンとの同一性を求めるものである。通常、ノイズ耐性を高めるために、シンク部のほぼ全体を使ってパターンの同一性の確認が行なわれる。シンク検出部42は、受信信号からシンク部を検出すると、シンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力する。
【0060】
一方で、受信信号は、遅延バッファー43にも入力される。遅延バッファー43は、入力される受信信号に対して、シンク部の長さ以上の遅延を与える。より正確に言うと、シンク検出部42がシンク部の検出を確定するまで、シンク部の先頭が出力されないような遅延を与える。例えば、シンク検出部42がシンク部の前半のみを使ってフレーム同期をとることができるのであれば、遅延バッファー43の遅延量はシンク部の半分程度とすることができる。あるいは、シンク検出部42がシンク部全部を使ってフレーム同期するのであれば、遅延バッファー43の遅延量はシンク部全体分が必要となる。
【0061】
遅延バッファー43で遅延がかけられた受信信号は、適応等化部44に入力される。そして、後段のマンチェスター復号部45は、適応等化部44からの等化出力信号をマンチェスター復号して、元の2進値の情報ビットを再現する。
【0062】
適応等化部44は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、シンク検出部42が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を基に、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行なう。そして、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。
【0063】
図5には、適応等化部44の内部構成例を示している。図示の適応等化部54は、FIRフィルターと学習回路で構成され、学習アルゴリズムにはNLMS(Normalized Least Mean Square:正規化最小2乗平均)を用いられるとする。以下、同図と式を参照しながら、適応等化処理について説明する。
【0064】
図示のFIRフィルターは、タップ数をMとし、(M−1)個の遅延素子(D)51−1、51−2、…を直列接続したディレイ・ラインを備えている(但し、図5では、図面の簡素化のため、M=5として描いている)。各遅延素子51−1、51−2、…は、それぞれサンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを持つ。
【0065】
ここで、サンプリング時間をnとし、時刻nにおける受信信号をu(n)とすると、タップ数M分だけの時系列的な入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)が得られる。
【0066】
また、タップ数分の乗算器52−1、52−2、…は、フィルターの特性に応じたタップ係数w1(n)、w2(n)、…、wM(n)をそれぞれ持ち、上記M個の入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)をそれぞれ重み付け乗算する。
【0067】
そして、累算器53は、対応するタップ係数でそれぞれ重み付けした時系列入力データを加算して平均化処理して、時刻nでの等化出力信号r(n)を得る。以上の等化処理は、下式(1)のように表すことができる。
【0068】
【数1】
【0069】
続いて、タップ係数の学習について説明する。加算器54には、等化出力信号r(n)とともにリファレンス信号d(n)が入力され、これらの差分をとって誤差信号e(n)を出力する。上記のリファレンス信号d(n)は、適応等化部44があらかじめ持っている、「0xB24D」をマンチェスター符号化したパターンに相当する。
【0070】
学習回路55は、時刻nにおける時系列的な入力データu(n)、u(n−1)、…、u(n−M+1)と、誤差信号e(n)を入力すると、NLMSアルゴリズムを用いて、FIRフィルターからの等化出力信号rをリファレンス信号dに近づけるように、次時刻のFIRフィルターのタップ係数w1(n+1)、w2(n+1)、…、wM(n+1)を決定して、各乗算器52−1、52−2、…に供給する。誤差信号e(n)、並びに、タップ係数の更新式は、下式(2)のように表される。
【0071】
【数2】
【0072】
上式(2)に示した更新式を繰り返し実行することで、FIRフィルターの各タップ係数w1(n)、w2(n)、…、wM(n)は、誤差信号e(n)が小さくなるように収束する。
【0073】
ここで、上式(2)中のαは、ステップ・サイズであり、0<α<2となっている。αが1に近いと、高速に収束するが、誤差のバラツキが大きくなる。また、αが0に近いと、収束は遅くなるが、誤差のバラツキは小さくなる。
【0074】
学習回路55は、シンク部の前半では、ステップ・サイズαを1に近い値とすることで、誤差のバラツキを許容しつつ高速な学習を行なう。続くシンク部後半では、ステップ・サイズαを0に近い値にして低速な学習を行なうことで、誤差のバラツキを小さくする。このようにして、学習回路55では、全体的に高速な収束と収束誤差の小さな適応等化の学習を実現する。
【0075】
なお、上記の説明では、適応等化部44の学習アルゴリズムは、NLMSとFIRフィルターを組み合わせたものであり、NLMS−LE(Lenear Equalizer)と呼ばれる。但し、本発明の要旨は特定の学習アルゴリズムに限定されるものではなく、例えば、LMS(Least Mean Square:最小2乗平均)やRLS(Recursive Least Square:再帰的最小2乗法)など、他のアルゴリズムを使用することができる。
【0076】
図6には、マンチェスター復号部45の内部構成例を示している。
【0077】
遅延素子61は、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを持つ。加算器62では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子61及び加算器62は、受信信号の傾きを演算して高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。
【0078】
1/2サンプリング部63は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出し、後続の2値判定部64ではこの1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0079】
マンチェスター復号部45でマンチェスター符号化された信号を復号する手順について、図7を参照しながら説明する。
【0080】
例えばデータ「B24D」は、NRZ符号で“1011 0010 0100 1101”というビット系列になる(図7の上から1段目)。
【0081】
マンチェスター符号は、1つのビット区間を中央で前部セルと後部セルに分割し、入力1ビットが論理値「0」の場合は、前部セルがロー・レベルで且つ後部セルがハイ・レベル、すなわち「01」の2ビットに変換する。また、入力1ビットが論理値「1」の場合は、前部セルがハイ・レベルで且つ後部セルがロー・レベル、すなわち「10」の2ビットに変換する。したがって、上記のデータ「B24D」のビット系列“1011 0010 0100 1101”からなるNRZ符号をマンチェスター符号化すると、ビット系列(MAN)“10011010010110010110010110100110”に変換される。なお、ビット系列(MAN)に相当する受信波形は、量子化された値となるが、ここでは説明の簡素化のため、符号のみを取り扱うこととする(図7の上から2段目)。適応等化部44は、受信波形から、伝送路で受けた信号の乱れを等化する。
【0082】
適応等化部44からマンチェスター復号部45への入力ビット系列が“1 −1 −1 1 1 −1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 −1 1 −1 1 1 −1 1 −1 −1 1 1 −1”であったとすると、遅延素子61は、このビット系列(MAN)にマンチェスター符号の1クロック分に相当する遅延を与える(D)(図7の上から3段目)。そして、加算器62は、これら入力ビット系列から、1クロック分だけ遅延したビット系列を減算する。この結果、加算器52の出力ビット系列(D−MAN)は、“−1 2 0 −2 0 2 −2 2 0 −2 2 −2 0 2 0 −2 0 −2 0 2 0 −2 2 −2 0 2 −2 2 0 −2 0 1”となる(図7の上から4段目)。
【0083】
1/2サンプリング部63は、加算器62の出力を、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出するので、その出力ビット系列は“2 −2 2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 2 −2 2”となる(図7の上から5段目)。したがって、2値ビット系列1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1”(図7の上から6段目)、すなわちデータ「B24D」が復号されていることが分かる。
【0084】
このように、図4に示した受信回路構成によれば、遅延バッファー43を設けることで、フェリカ・フォーマットをそのまま使用して、シンク部を用いたフレーム同期と、同じシンク部を用いた適応等化の両方を実現することができる。したがって、互換性の問題やオーバーヘッドの増加を回避することができる。
【0085】
ところが、シンク部はマンチェスター符号化されたビット数で高々32ビットであり、学習回数として不十分であることが懸念される。
【0086】
例えば、図5に示した適応等化部44において、学習回路55が、シンク部の前半では、ステップ・サイズαを1に近い値とすることで、誤差のバラツキを許容しつつ高速な学習を行ない、続くシンク部後半では、ステップ・サイズαを0に近い値にして低速な学習を行なうことで、誤差のバラツキを小さくすることによって、全体的に高速な収束と収束誤差の小さな適応等化の学習を実現する方法も考えられる。
【0087】
データ部の先頭が到来するまでの良好な学習結果を得るためには、FIRフィルターのタップ数に制限がある(タップ数が増大すると、学習に要する時間が長くなる。また、タップ数に応じて回路規模が肥大化し、コスト増大を招来する)。
【0088】
他方、FIRフィルターのタップ数が少ないと、きめ細かな周波数特性を表現することが困難となる。このため、受信信号が伝送路で受けた周波数特性の影響次第では、適応等化を行なっても、受信特性の十分な改善を得られない場合がある。
【0089】
マンチェスター符号は、信号からDC成分を除去するために帯域を2倍に広げる符号化方式であり、通信レートは半分になる(前述)。例えば、通信レートが3.4Mbpsである場合、マンチェスター符号化されたチャネル・レートは6.8Mbpsとなり、ベースバンド信号の帯域幅は6.8MHzとなる。また、マンチェスター符号化された信号の最短波長は1パルス分(1Tman)であり周波数で3.4MHz、最長波長は2パルス分(2Tman)であり周波数で1.7MHzとなる。このことから、通信レート3.4Mbpsのマンチェスター符号化された信号のスペクトラムは、図8Aに示すように、1.7MHz乃至3.4MHzの帯域を中心に分布することが想定される。他方、同じく通信レート3.4MbpsのNRZ信号の最短波長は1パルス分(1TNRZ)であり周波数で1.7MHz、最長波長はDC成分であり周波数で0MHzとなることから、図8Bに示すように、帯域幅はマンチェスター符号の1/2となり、0MHz乃至1.7を中心に分布することが想定される。
【0090】
図4に示した受信回路の構成では、適応等化部44は、(遅延バッファー43から出力される)マンチェスター符号を適応等化することになる。マンチェスター符号化された信号のスペクトラムは、上述したように、1.7MHz乃至3.4MHzの帯域を中心に分布する。これに対し、適応等化部44に用いられるFIRフィルターのタップ数が5であるとき、図9中の○で示すように、ベースバンド帯域幅6.8MHz内の5つの周波数ポジションを表現することが可能である。
【0091】
ここで、図8Aに示したスペクトラムと図9に示した周波数ポジションを重ね合わせてみると、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域(すなわち、1Tmanと2Tman)の間で制御可能な周波数ポジションが1つしかない。このため、伝送路の周波数特性が1Tmanと2Tmanの間で複雑になっている場合には、FIRフィルターはその周波数特性の逆特性を表現することが難しく、良好な適応等化をすることが困難である。
【0092】
FIRフィルターのタップ数を増やせば、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域において、複雑な周波数特性の逆特性を表現し易くなり、良好な適応等化を行なうことが可能になる。しかしながら、タップ数が増大すると、学習に要する時間が長くなる。また、タップ数に応じて回路規模が肥大化し、コスト増大を招来する。
【0093】
本発明者らは、電磁結合を利用した非接触通信システムにおいては、通信レートの高速化に対応すべく、少ないタップ数のFIRフィルターを用いて、より複雑な周波数特性を改善する適応等化が必要である、と思料する。
【0094】
次いで、図10には、より少ないタップ数のFIRフィルターでより複雑な周波数特性を改善する適応等化を可能にした受信回路の構成例を示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部101と、シンク検出部102と、遅延バッファー103と、遅延素子104と、加算器105と、1/2サンプリング部106と、適応等化部107と、2値判定部108を備えている。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0095】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部101に入力される。プリアンブル検出部101は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0096】
次に、受信信号は、シンク検出部102に入力される。シンク検出部42は、受信信号とプリアンブル検出部101で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。シンク部の検出には、一般に、パターン・マッチングや相互相関などの方法が用いられる。いずれの検出方法も既知であるシンク部の特定パターンとの同一性を求めるものである。通常、ノイズ耐性を高めるために、シンク部のほぼ全体を使ってパターンの同一性の確認が行なわれる。シンク検出部102は、受信信号からシンク部を検出すると、シンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力する。
【0097】
一方で、受信信号は、遅延バッファー103にも入力される。遅延バッファー103は、シンク検出部102がシンク部の検出を確定するまで、シンク部の先頭が出力されないような遅延を与える。
【0098】
遅延素子104は、遅延バッファー103から出力される受信信号に対し、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを与える。加算器105では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子104及び加算器105は、受信信号の傾きを演算して高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。
【0099】
1/2サンプリング部106は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。
【0100】
適応等化部107は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、シンク検出部102が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を起点にして、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行なう。そして、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。適応等化部107の内部構成は、例えば図5に示したものと同様でよいので、ここでは説明を省略する。
【0101】
そして、2値判定部108は、適応等化した後の1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0102】
マンチェスター符号化された信号を、遅延バッファー103より以降の処理でNRZ符号に復号する手順について、図11を参照しながら説明する。
【0103】
遅延バッファー103の出力は、例えばデータ「B24D」すなわちビット系列“1011 0010 0100 1101”からなるNRZ符号(図11の上から1段目)をマンチェスター符号化したものであり、ビット系列(MAN)“10011010010110010110010110100110”に相当する受信波形である(図11の上から2段目)。受信波形は量子化された値となるが、ここでは説明の簡素化のため、、符号のみを取り扱うこととする。
【0104】
遅延素子104は、このビット系列(MAN)にマンチェスター符号の1クロック分に相当する遅延を与える(D)(図11の上から3段目)。そして、加算器105は、これら入力ビット系列から、1クロック分だけ遅延したビット系列を減算する。この結果、加算器52の出力ビット系列(D−MAN)は、“−1 2 0 −2 0 2 −2 2 0 −2 2 −2 0 2 0 −2 0 −2 0 2 0 −2 2 −2 0 2 −2 2 0 −2 0 2”となる(図11の上から4段目)。
【0105】
1/2サンプリング部106は、加算器105の出力を、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。したがって、その出力ビット系列は“2 −2 2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 −2 −2 2 2 −2 2”となる(図11の上から5段目)。
【0106】
適応等化部107は、1/2サンプリング部106の出力波形から、伝送路で受けた信号の乱れを等化する。ここで、図4に示した受信回路と、適応等化について比較する。
【0107】
図4に示した受信回路の構成では、適応等化部44は、(遅延バッファー43から出力される)マンチェスター符号を適応等化することになる。この場合、FIRフィルターのタップ数を5とすると、スペクトラムの中心分布に相当する1.7MHz乃至3.4MHzの帯域の間で制御可能な周波数ポジションが1つしかないため、周波数特性の逆特性を表現することが難しく、良好な適応等化を行なえないことが懸念される(前述)。
【0108】
これに対し、図10に示した受信回路の構成では、適応等化部107は、1/2サンプリング部106の出力波形を等化することになる。1/2サンプリング部106の出力波形は、NRZ符号と同様、最短波長は1パルス分(1TNRZ)であり周波数で3.4MHz、最長波長はDC成分となることから、図8Bに示したように、帯域幅はマンチェスター符号の1/2であり、0MHzを中心に分布する。この場合、適応等化部107に用いられるFIRフィルターのタップ数が同じく5個であるとしても、図12中の○に示すように、帯域幅3.4MHz内の5つの周波数ポジションを表現すればよく、スペクトラムの中心分布に相当する0MHz乃至1.7MHzの帯域の間で制御可能な周波数ポジションが3つである。したがって、伝送路の周波数特性がスペクトラムの中心分布で複雑になっているとしても、FIRフィルターはその周波数特性の逆特性をより忠実に表現することが可能となり、良好な適応等化を行なうことができるようになる。
【0109】
適応等化部107が1/2サンプリング部106の出力波形をより正確に等化できるようになると、後段の2値判定部108の判定精度も向上し、2値ビット系列1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1”(図11の上から6段目)、すなわちデータ「B24D」を得ることができる。
【0110】
図13には、図4に示した受信回路において、遅延バッファー43から出力されるマンチェスター符号化された信号を直接適応等化した場合の等化後信号点分布を示している。また、図14には、図10に示した受信回路において、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングしてから適応等化した場合の等化後信号点分布を示している。図13に示した結果では、2値判定する際の閾値付近に信号点が多く分布しているため、マンチェスター復号部45内で2値判定する際に誤判定し易くSNRが低くなる。これに対し、図14に示した結果では、2値判定する際の閾値付近に配置される信号点が少なくなるので、適応等化後にエラーなく2値判定することができる。すなわち、受信信号を良好に等化することができている、と言える。
【0111】
このように、図10に示した受信回路構成では、マンチェスター符号化された信号を1/2サンプリングすることにより、帯域幅をマンチェスター符号の1/2に縮小することにより、少ないタップ数(若しくは、従来と同じタップ数でも)でもスペクトラムの中心分布付近における複雑な周波数特性の逆特性を好適に表現できるようになり、良好な適応等化を実現することができる。また、適応等化前に1/2サンプリングするため、適応等化部を構成する回路は1/2のスピードで動作すればよく、消費電力の低減にもつながる。その反面、適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまう。これは、タップ係数の収束性能に影響する。データ部の先頭までにタップ係数が適切な値に収束しないと、良好な等化結果は得られず、受信性能が劣化する。
【0112】
図15には、1/2サンプリングすることに伴い学習に利用するシンク部のビット数減少の問題をさらに解消した受信回路の構成例を示している。図示の受信回路は、プリアンブル検出部151と、シンク検出部152と、RAM制御部153と、RAM159と、遅延素子154と、加算器155と、1/2サンプリング部156と、適応等化部157と、2値判定部158を備えている。遅延バッファー103がRAM制御部153及びRAM159に置き換わった点で、図10に示した構成例とは相違する。以下、図17に示したフェリカ・フォーマットからなるパケットを受信して、シンク部を学習ビットに用いて適応等化を行なう場合における、各部の動作について説明する。
【0113】
受信信号は、最初にプリアンブル検出部151に入力される。プリアンブル検出部151は、受信信号の中から連続波形であるプリアンブル部を検出すると、この連続波形を基にサンプリング・タイミングの抽出を行ない、タイミング同期をとる。
【0114】
次に、受信信号は、シンク検出部152に入力される。シンク検出部152は、受信信号とプリアンブル検出部151で抽出されたサンプリング・タイミングを基に、「0xB24D」をマンチェスター符号化したビット系列からなるシンク部の検出を行ない、フレーム同期をとる。
【0115】
RAM制御部153は、シンク検出部152から入力された受信信号をRAM159へ書き込む。また、RAM制御部153は、RAM159から受信信号を読み出し、後段の回路へ出力する。
【0116】
RAM制御部153はシンク検出部152が確定したシンク部の検出タイミングを起点にして、シンク部の先頭データが格納されるアドレスを記憶する。そして、シンク部の最終データが出力されると、読み出しアドレスを再度シンク部の先頭データの格納アドレスに設定し、シンク部の読み出しを行なう。事前に決められたシンク部繰り返し回数の読み出しを終えると、データ部の読み出しを行なう。図16には、シンク部繰り返し回数を2とした場合のRAM制御部903から後段回路へ出力されるデータ列を示している。
【0117】
遅延素子154は、遅延バッファー153から出力される受信信号に対し、サンプル周期(マンチェスター符号での1クロック分)に相当する遅延時間Dを与える。加算器155では、1クロック前の受信信号と現在の受信信号との差分をとる。遅延素子154及び加算器105は、受信信号の高周波成分を強調する微分フィルターとして作用する。そして、1/2サンプリング部156は、シンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する。
【0118】
適応等化部157は、FIRフィルターと学習回路で構成される学習型の等化回路であり、受信信号と内部に持つシンク・パターンとの比較を行ない、その差が小さくなるようにFIRフィルターのタップ係数を調整する。適応等化部157の内部構成は、例えば図5に示したものと同様でよいので、ここでは説明を省略する。図示の例では、適応等化部157は、シンク検出部152が出力するシンク部の開始位置を示すタイミング信号を起点にして、事前に決められたシンク部繰り返し回数分(前述)のタップ係数の学習を行なうので、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【0119】
そして、2値判定部108は、適応等化した後の1/2サンプリング信号を2値判定することで、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する。
【0120】
マンチェスター符号化された信号をNRZ符号に復号する手順は図11に示した通りであり、ここでは説明を省略する。
【0121】
適応等化前に1/2サンプリングを行なうことに伴い、適応等化でタップ係数の学習に利用するシンク部のビット数も半減してしまう。これに対し、図15に示した受信回路によれば、シンク部を記憶するとともに事前に決められたシンク部繰り返し回数の読み出し、繰り返し回数分のタップ係数の学習を行なうように構成されているので、1/2サンプリングに伴うシンク部のビット数半減にも拘らず、タップ係数の収束性能を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【0122】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0123】
本明細書では、NFC IP−1規格に従う非接触通信システムに本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。電気的負荷の変更方向の切り替えによる変調を利用して通信を行なう、さまざまな規格に準拠した通信システムに、同様に本発明を適用することができる。
【0124】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。
【符号の説明】
【0125】
10…リーダーライター
11…制御部
12…送信回路
13…受信回路
14…アンテナ共振回路部
30…非接触ICカード
31…制御部
32…アンテナ共振回路部
33…負荷切り替え変調回路部
34…制御部
41…プリアンブル検出部
42…シンク検出部
43…遅延バッファー
44…適応等化部
45…マンチェスター復号部
41…プリアンブル検出部
42…シンク検出部
43…遅延バッファー
44…適応等化部
45…マンチェスター復号部
51…遅延素子
52…乗算器
53…累積器
54…加算器
55…学習回路
61…遅延素子
62…加算器
63…1/2サンプリング部
64…2値判定部
101…プリアンブル検出部
102…シンク検出部
103…遅延バッファー
104…適応等化部
105…加算器
106…1/2サンプリング部
107…適応等化部
108…2値判定部
151…プリアンブル検出部
152…シンク検出部
153…RAM制御部
154…適応等化部
155…加算器
156…1/2サンプリング部
157…適応等化部
158…2値判定部
159…RAM
【特許請求の範囲】
【請求項1】
受信信号を傾き演算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化ステップと、
を有することを特徴とする受信方法。
【請求項2】
マンチェスター符号化された学習ビット付きのパケットを受信する受信方法であって、
前記学習ビットの開始位置を検出する検出ステップと、
受信信号に対し、前記検出ステップにおいて前記学習ビットの検出を確定するまで前記学習ビットの先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与ステップと、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された前記学習ビットの先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた前記学習ビットを用いて適応等化を行なう適応等化ステップと、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定ステップと、
を有することを特徴とする受信方法。
【請求項3】
前記遅延時間付与ステップでは、受信した前記学習ビットを記憶するとともに、前記学習ビットを検出したタイミングを起点にして、所定の繰り返し回数だけ読み出し、
前記適応等化ステップでは、受信した前記学習ビットを前記繰り返し回数だけ学習を行なう、
ことを特徴とする請求項2に記載の受信方法。
【請求項4】
受信信号を傾き演算する傾き演算部と、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング部と、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化部と、
を具備することを特徴とする受信装置。
【請求項5】
電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを受信する非接触ICカードであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とする非接触ICカード。
【請求項6】
電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを非接触ICカードから受信するリーダーライターであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とするリーダーライター。
【請求項1】
受信信号を傾き演算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化ステップと、
を有することを特徴とする受信方法。
【請求項2】
マンチェスター符号化された学習ビット付きのパケットを受信する受信方法であって、
前記学習ビットの開始位置を検出する検出ステップと、
受信信号に対し、前記検出ステップにおいて前記学習ビットの検出を確定するまで前記学習ビットの先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与ステップと、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算ステップと、
前記の傾き演算された前記学習ビットの先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング・ステップと、
前記の1/2サンプリングされた前記学習ビットを用いて適応等化を行なう適応等化ステップと、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定ステップと、
を有することを特徴とする受信方法。
【請求項3】
前記遅延時間付与ステップでは、受信した前記学習ビットを記憶するとともに、前記学習ビットを検出したタイミングを起点にして、所定の繰り返し回数だけ読み出し、
前記適応等化ステップでは、受信した前記学習ビットを前記繰り返し回数だけ学習を行なう、
ことを特徴とする請求項2に記載の受信方法。
【請求項4】
受信信号を傾き演算する傾き演算部と、
前記の傾き演算された受信信号を1/2サンプリングするサンプリング部と、
前記の1/2サンプリングされた後の受信信号を適応等化する適応等化部と、
を具備することを特徴とする受信装置。
【請求項5】
電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを受信する非接触ICカードであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とする非接触ICカード。
【請求項6】
電磁結合を利用した非接触通信システムにおいて、連続波形からなるプリアンブル部と特定パターンからなるシンク部とデータ部で構成されるマンチェスター符号化されたパケットを非接触ICカードから受信するリーダーライターであって、
受信信号の中からプリアンブル部を検出して前記連続波形を基にサンプリング・タイミングを抽出するプリアンブル検出部と、
前記サンプリング・タイミングを基に受信信号の中からシンク部を検出してシンク部の開始位置を示すタイミング信号を出力するシンク検出部と、
受信信号に対し、前記シンク検出ステップにおいてシンク部の検出を確定するまでシンク部の先頭が出力されないように遅延を与える遅延時間付与部と、
前記の遅延時間が与えられた受信信号と、マンチェスター符号での1クロック分に相当する遅延時間がさらに与えられた受信信号との差分を計算する傾き演算部と、
前記の傾き演算されたシンク部の先頭から、マンチェスター符号のクロック2回に1回の間隔で抽出する1/2サンプリング部と、
前記タイミング信号を基に、1/2サンプリングされたシンク部を用いて適応等化を行なう適応等化部と、
適応等化された受信信号を2値判定して、マンチェスター符号をNRZ符号に復号する2値判定部と、
を具備することを特徴とするリーダーライター。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2011−103610(P2011−103610A)
【公開日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−258422(P2009−258422)
【出願日】平成21年11月11日(2009.11.11)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年11月11日(2009.11.11)
【出願人】(000002185)ソニー株式会社 (34,172)
【Fターム(参考)】
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