МОДУЛЯТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ СИСТЕМОЙ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ/ПРИЕМА Российский патент 2007 года по МПК G06K7/10 H04B7/05 

Область техники

Настоящее изобретение относится к антеннам, передающим электромагнитные сигналы, расположенным в считывающих устройствах бесконтактной системы передачи/приема и предназначенным для передачи электромагнитных сигналов на бесконтактные переносные объекты, в частности к модуляторам электромагнитных сигналов, передаваемых системой бесконтактной передачи/приема.

Предшествующий уровень техники

Обмен информацией между бесконтактным объектом и системой бесконтактной передачи/приема происходит обычно за счет дистанционной индуктивной связи между первой антенной, расположенной в бесконтактном объекте, и второй антенной, расположенной в системе бесконтактной передачи/приема. Кроме того, объект оборудован электромагнитным модулем, содержащим первую антенну, соединенную с электронной микросхемой, которая дополнительно содержит радиочастотную часть (РЧ), микропроцессор и/или запоминающее устройство, в котором хранят информацию для передачи в систему бесконтактной передачи/приема, а также логические функции, необходимые для создания информации, предназначенной для передачи и для обработки полученной информации.

Бесконтактный объект, которым может быть чек или карта в форме кредитной карточки, представляет собой систему, которую все больше и больше используют в различных областях. Так, в области общественного транспорта бесконтактный опускаемый в прорезь жетон и бесконтактная смарт-карта были разработаны как средство разовой и постоянной оплаты проезда пассажиров. То же касается электронного "кошелька". Многими фирмами были разработаны также способы идентификации своего персонала посредством бесконтактных смарт-карт.

На сегодняшний день передача данных между системой бесконтактной передачи/приема, называемая обычно "считывающее устройство", и бесконтактные смарт-карты подвергают стандартизации в соответствии со стандартами Международной организации по стандартизации (ИСО). Чаще всего применяют стандарт ИСО 14443, касающийся передачи данных при помощи радиосвязи между смарт-картой и соответствующим считывающим устройством. Данный стандарт включает в себя два протокола о передаче, известных под названием "протокол о передаче типа A" и "протокол о передаче типа В". Оба эти протокола А и В, касающиеся бесконтактной передачи данных, различаются типом модуляции, которую используют для радиочастотной связи (РЧ) между считывающим устройством и смарт-картой с одной стороны, и между смарт-картой и считывающим устройством с другой стороны. Здесь речь пойдет только о сигналах, передаваемых от считывающего устройства на смарт-карту.

В направлении передачи данных от считывающего устройства на смарт-карту протокол В предусматривает наличие амплитудной модуляции, соответствующей 10% модуляции передаваемого сигнала или электромагнитной несущей волны посредством передаваемых данных, тогда как согласно протоколу А производят 100% амплитудную модуляцию электромагнитной несущей волны передаваемыми данными. В обоих случаях амплитуда несущей электромагнитной волны при прерывистой передаче является максимальной по умолчанию в течение первого временного интервала t1, затем в течение второго временного интервала она составляет во время выполнения модуляции 82% от максимальной амплитуды, тогда как во втором случае она составляет во время выполнения модуляции 0% от максимальной амплитуды.

В настоящее время в соответствии с постоянно растущим числом норм бесконтактным считывающим устройствам предъявляются требования соответствия обоим типам протоколов передачи А и В. Нормализованная частота несущей электромагнитной волны является общей для этих протоколов и обычно равна 13,56 МГц.

Одним из основных критериев характеристики считывающего устройства является дальность излучаемого электромагнитного поля, которая должна быть по возможности максимальной. Поэтому конструкторы стараются увеличить дальность своих систем передачи сигнала за счет способов, отличающихся от усиления мощности источника питания. Однако увеличение дальности следует осуществлять без риска израсходовать ресурс смарт-карты или вывести ее из строя при помещении ее в непосредственной близости от считывающего устройства.

Одним из факторов, позволяющих соответствовать данному критерию, является использование антенн, имеющих высокие значения добротности. На резонансной частоте эффективное напряжение на выводах индуктивности источника электромагнитных несущих волн в Q раз превышает напряжение на выводах сети, где Q - добротность. Таким образом, чем выше добротность антенны, тем больше дальность поля ее излучения.

Для получения 100% амплитудной модуляции передаваемого сигнала существует широко применяемый в настоящее время способ, который состоит в отключении источника напряжения на выводах сети в течение времени, соответствующего разделению поля согласно действующему протоколу А для того, чтобы прекратить передачу электромагнитной несущей волны.

На практике, отключение генератора приводит к резкому падению напряжения до нуля, но значительно увеличивает полное сопротивление цепи возбуждения антенны. В результате этого антенна продолжает передавать сигнал за счет нагрузок, накопленных в сети, и формирует в результате электромагнитную несущую волну, которая передается с колебаниями и затуханиями в течение времени, превышающего время разделения. Вследствие этого во время разделения сигнала направление поля, излучаемого в направлении смарт-карты, не равно нулю, а значит поле, излучаемое антенной, не соответствует 100% амплитудной модуляции электромагнитной несущей волны в промежутке времени, меньшем, чем теоретическое время разделения, при амплитуде, меньшей или равной 5% от максимальной амплитуды излучаемого сигнала.

Поэтому применение антенны с высоким значением добротности совместимо с применением считывающего устройства типа В, так как для такого считывающего устройства электромагнитная несущая волна является всегда активной, так как ее модулируют только на 10% от ее амплитуды, хотя она плохо совмещается со считывающим устройством типа А. Действительно, ослабление сигнала, полученное на антенне с высоким коэффициентом, оказывает слабое влияние на форму волны при 10% модуляции ее амплитуды.

Для применения антенны, совместимой с двумя типами считывающих устройств, первое решение состоит в использовании антенны с уменьшенным значением добротности, дающей ослабление сигнала, удовлетворяющее требованиям нормы А, но в ущерб характеристикам согласно норме В.

Второе решение состоит в использовании линейного усилителя на биполярных транзисторах, который позволяет ослабить передаваемый антенной сигнал так, чтобы излучаемое поле при разделении было равно нулю. Такое решение позволяет получить ожидаемое ослабление сигнала в ущерб коэффициенту полезного действия. Действительно, сеть имеет постоянное полное сопротивление на выходе, но требует наличия токов с повышенной поляризацией. Реализация такой сети сопряжена с дополнительными сложностями.

Третье решение состоит в том, чтобы использовать при переключении полевые транзисторы с целью сократить потери и не ухудшить дальнодействие считывающего устройства типа В. Использование таких транзисторов позволяет переключать сеть между состояниями "открыто" и "закрыто" и позволяет получить максимальное излучаемое поле путем увеличения полного сопротивления, когда сеть находится в открытом состоянии, однако это идет в ущерб форме волны, когда речь идет о протоколе типа А.

Раскрытие изобретения

В основе изобретения стоит задача разработки устройства, позволяющего с максимальной производительностью передавать электромагнитную несущую волну с антенны считывающего устройства на бесконтактную смарт-карту во время передачи сигналов согласно протоколу типа А.

Второй задачей изобретения является разработка устройства, позволяющего с максимальной производительностью выполнять передачу электромагнитной несущей волны с антенны считывающего устройства на бесконтактную смарт-карту во время передачи сигналов согласно протоколу типа А и согласно протоколу типа В.

Предметом изобретения является таким образом устройство для передачи данных путем излучения электромагнитных волн в системе бесконтактной передачи/приема на бесконтактный объект, при этом передаваемые биты будут соответствовать чередованию первого временного интервала, во время которого электромагнитные волны передаются на рассчитанной предварительно несущей частоте, и второго временного интервала разделения, во время которого происходит прекращение передачи электромагнитных волн на предварительно рассчитанной несущей частоте. Устройство содержит средства генерирования электромагнитных волн, позволяющие во время второго временного интервала разделения генерировать электромагнитные волны, частота которых больше, чем основная частота разделения, что вызывает ослабление поля, излучаемого антенной и превышающего предварительно заданную величину.

Краткое описание фигур чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:

Фиг.1 изображает огибающую излучаемого поля согласно протоколу А, полученную при разделении частоты несущей волны.

Фиг.2 - огибающую излучаемого поля согласно изобретению.

Фиг.3 - график амплитуды поля, излучаемого антенной, по отношению к частоте полученного сигнала.

Фиг.4 - условную блок-схему устройства согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Данные передаются со считывающего устройства на смарт-карту при помощи РЧ-сигналов согласно протоколам передачи данных двух типов А и В, действующим в соответствии с существующими на сегодняшний день нормами. Согласно протоколу типа А следует выполнять 100% амплитудную модуляцию электромагнитной несущей волны, передаваемой считывающим устройством. Амплитуда периодической несущей волны максимальна и постоянна в течение первого временного интервала, затем она обнуляется во время второго временного интервала. Согласно протоколу типа В следует выполнять 10% амплитудную модуляцию электромагнитной несущей волны, передаваемой считывающим устройством. Амплитуда периодической несущей волны максимальна и постоянна в течение первого временного интервала, а затем во время второго временного интервала она составляет 10% от своего максимального значения. Частота электромагнитной несущей волны согласно действующим стандартам равна 13,56 МГц, поэтому в настоящей заявке данная величина была выбрана в качестве эталонной. Однако частота электромагнитной несущей волны могла бы быть другой, что не выходит за рамки изобретения.

Согласно протоколу передачи данных типа А электромагнитную несущую волну разделяют в течение первого временного интервала t путем разделения частоты передачи 13,56 МГц.

Огибающая поля, излучаемого антенной считывающего устройства, показана на фигуре 1. Пока частота несущей волны равна 13,56 МГц, излучаемое поле 10 является максимальным. После разделения частоты излучаемое поле постепенно уменьшается в соответствии с графиком 12 вплоть до достижения в конце временного интервала t значения, максимально близкого к нулю. В конце временного интервала t частота несущей волны вновь становится равной 13,56 МГц, а амплитуда излучаемого поля повышается в соответствии с графиком 14 вплоть до достижения своего максимального значения 10. Таким образом, полученная модуляция амплитуды недостаточна, когда речь идет о 100% амплитудной модуляции. Действительно, такую модуляцию получают, когда минимальное значение амплитуды излучаемого поля достигается (согласно действующим нормам требуется не менее 5% от максимальной амплитуды) в течение некоторого времени во временном интервале t. Итак, уменьшение излучаемого поля при разделении частоты несущей волны, которая показана в виде графика 12, является незначительным для получения нужной формы волны по отношению к 100% амплитудной модуляции.

На фигуре 2 показана огибающая поля, излучаемого антенной считывающего устройства согласно изобретению. Пока частота несущей волны равна 13,56 МГц, излучаемое поле является максимальным. Чтобы выполнить разделение амплитуды несущей волны в течение времени t, частоту сигнала, посылаемого на антенну, удваивают по сравнению с резонансной частотой в течение времени t.

Таким образом, на антенну поступает сигнал с частотой 27,12 МГц и антенна не излучает никакого поля, поскольку эту частоту задают для антенны как частоту, расположенную вне полосы пропускания. Практически, излучаемое поле, полученное при изменении частоты, быстро уменьшается в соответствии с резко уменьшающимся графиком 22 вплоть до достижения величины, которой можно пренебречь в течение значительного времени t. Когда частота электромагнитной несущей волны составляет 13,56 МГц, поле 24, излучаемое антенной, увеличивается вплоть до достижения своего максимального значения 20. Полученная форма волны удовлетворяет требования в отношении 100% амплитудной модуляции. Такой результат может быть получен при частоте сигнала, передаваемого вне полосы пропускания антенны и превышающей основную частоту разделения.

На фигуре 3 показано поле, излучаемое антенной, в зависимости от частоты сигнала, принимаемого антенной. Данное поле максимально на резонансной частоте f_R. Для частоты, меньшей или равной частоте f₁, амплитуда излучаемого поля меньше 5% амплитуды излучаемого поля на резонансной частоте f_R. Равным образом f₂ представляет собой частоту, выше которой амплитуда излучаемого поля является меньшей 5% амплитуды излучаемого поля на резонансной частоте. Для частоты, генерируемой во время разделения и достаточной для выполнения разделения поля, что соответствует требованиям протокола А, амплитуда поля, излучаемого антенной, должна быть меньше 5% максимальной амплитуды излучаемого поля. Следовательно, необходимо, чтобы частота, генерируемая во время разделения, была такой, чтобы обеспечить ослабление излучаемого поля, равное или превышающее рассчитанную величину, которая, предпочтительно, составляет 30 дБ. Частота, генерируемая во время разделения, будет либо меньше частоты f₁ и не будет равна нулю, либо больше частоты f₂. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения она в два раза больше частоты f_R или равна частоте f_R. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения частота, генерируемая во время разделения, в два раза превышает резонансную частоту и составляет 27,12 МГц.

В электронном устройстве согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, показанном в виде блок-схемы на фигуре 4, сигнал 42 данных управляет переключением на два положения прерывателя 48. Первое положение соответствует сигналу, частота которого равна частоте 27,12 МГц, генерируемой во время разделения тактовым генератором 44. Второе положение соответствует сигналу, частота которого равна стандартной частоте 13,56 МГц, обеспечиваемой делителем частоты 46. Приведенные выше средства включены в программируемую логическую схему 40, сигнал 50 с выхода которой поступает на один вход 52 блока 56 переключения мощности, на другой вход 54 которого подается инвертированный сигнал 50, полученный на выходе инвертора 53. Блок переключения мощности 56 включает в себя два полевых транзистора, подключенных соответственно к двум входам 52, 54, предназначенным для переключения сигналов различных частот, принимаемых на одном из входов, причем один из транзисторов открыт, в то время как другой транзистор заперт. Оба сигнала с выхода блока переключения частоты через два резистора 58 и 60 подаются на фильтр нижних частот 62, предназначенный для фильтрации сигналов на основной частоте. С выхода фильтра 62 оба сигнала подаются на антенну 64, с которой передаются на бесконтактную смарт-карту.

Изобретение относится к области передачи электромагнитных сигналов и может использоваться в считывающих устройствах бесконтактной системы передачи/приема. Достигаемый технический результат - с максимальной производительностью передавать электромагнитную несущую волну с антенны считывающего устройства на бесконтактную карту во время передачи сигналов согласно заданному протоколу. Устройство для передачи данных путем излучения электромагнитных волн в системе бесконтактной передачи/приема на бесконтактный объект, в котором передаваемые биты данных соответствуют чередованию первого временного интервала, в течение которого электромагнитные волны передаются на рассчитанной несущей частоте, и второго временного интервала отключения, во время которого происходит прекращение передачи электромагнитных волн на упомянутой несущей частоте, содержит средства генерирования для генерирования в течение упомянутого второго временного интервала отключения электромагнитных волн, имеющих частоту отсечки выше основной частоты отсечки, что вызывает ослабление поля, излучаемого антенной, превышающего предварительно заданную величину. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для передачи данных путем излучения электромагнитных волн в системе бесконтактной передачи/приема на бесконтактный объект, в котором передаваемые биты данных соответствуют чередованию первого временного интервала, в течение которого электромагнитные волны передаются средствами генерирования электромагнитных волн на предварительно заданной несущей частоте, и второго временного интервала, в течение которого не происходит передача электромагнитных волн на упомянутой предварительно заданной несущей частоте, отличающееся тем, что упомянутые средства генерирования электромагнитных волн в течение упомянутого второго временного интервала генерируют электромагнитные волны на другой частоте, которая выше, чем упомянутая предварительно заданная несущая частота, что вызывает ослабление излучаемого антенной поля, превышающее предварительно заданную величину.2. Устройство по п.1, в котором ослабление излучаемого поля на упомянутой другой частоте, генерируемой в течение второго временного интервала, по меньшей мере равно 30 дБ.3. Устройство по п.2, в котором упомянутая другая частота, генерируемая в течение упомянутого второго временного интервала, выше, чем частота f₂, для которой поле, излучаемое антенной, имеет амплитуду, которая равна 5% от амплитуды поля, излучаемого на упомянутой предварительно заданной несущей частоте.4. Устройство для передачи данных по п.3, в котором упомянутая частота, генерируемая в течение упомянутого второго временного интервала, равна удвоенной упомянутой предварительно заданной несущей частоте.5. Устройство по п.4, в котором упомянутые средства генерирования электромагнитных волн представляют собой программируемую логическую схему (40), обеспечивающую поступление первых электромагнитных волн на упомянутой предварительно заданной несущей частоте в течение первого временного интервала, и вторых электромагнитных волн на упомянутой другой частоте, которая в два раза превышает упомянутую предварительно заданную несущую частоту, в течение второго временного интервала, причем переключением между генерированием упомянутых первых электромагнитных волн и генерированием упомянутых вторых электромагнитных волн управляют с помощью битов (42) данных.6. Устройство по п.5, в котором упомянутая предварительно заданная несущая частота равна 13,56 МГц.7. Устройство по п.6, в котором упомянутая программируемая логическая схема (40) содержит тактовый генератор (44), генерирующий электромагнитные волны на 27,12 МГц, и делитель частоты (46), генерирующий электромагнитные волны на упомянутой предварительно заданной несущей частоте, равной 13,56 МГц, и переключатель для переключения между электромагнитными волнами, генерируемыми упомянутым тактовым генератором и упомянутым делителем частоты, причем упомянутый переключатель управляется с помощью упомянутых битов (42) данных.8. Устройство по п.7, включающее в себя блок (56) переключения мощности, характеризующийся наличием двух полевых транзисторов, управляемых выходными сигналами упомянутой программируемой логической схемы (40) таким образом, что один из упомянутых транзисторов будет открыт, тогда как другой транзистор будет заперт.9. Устройство по любому из предшествующих пп.1-8, в котором передаваемые данные соответствуют стандарту передачи данных 14443 Международной организации по стандартизации согласно протоколу типа А, в котором биты данных генерируются путем разделения излучаемого электрического поля.