专利名称：数据处理装置和方法以及数据发射/接收装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种数据处理装置和方法以及数据发射/接收装置，尤其涉及一种数据处理装置和方法，用于接收相应于预定数据进行ASK调制的电磁波，把电磁波整流成电源，并对这种电源控制负载情况来发射数据，还涉及一种数据发射/接收装置和方法，用预定发射装置发射对应于预定数据进行ASK调制的电磁波，并通过检测发射装置的负载情况的变化来接收数据。
背景技术：
现在讨论检票机、保安系统以及电子货币系统以非接触形式作数据交换的读/写器(R/W)和IC卡。
在读/写器(R/W)内，用预定的系统发射的数据对载波进行调制，并把调制后的电磁波(例如磁场)辐射给IC卡。
IC卡接收这种电磁波，并用相应的解调系统把接收到的电磁波解调成原始数据，在预定的电路中处理这种数据。一处理完这些数据，IC卡就向读/写器发送一对这种数据的响应，接收该数据。
上面解释的这类IC卡就是所谓的无电池型IC卡，这种卡不设置电池，而是利用把接收到的电磁波整流成直流电源获得的电磁波能。
在向无电池型IC卡发射数据的情况下，读/写器运用了能容易地把调制波转换成稳定的直流信号或者调制波的振幅为恒定不变的PSK(相移键控)和FSK(频移键控)调制方法。如上所述，通过使调制波的振幅保持恒定，可以减小整流IC卡接收到的电磁波获得的电源的电压波动，从而向电路提供稳定的电源。
然而，利用PSK或FSK调制系统将可能产生使要发射或接收的电磁波的频谱扩展到可能对现有的通信系统或其它电子装置有不利影响的宽频带上的问题。
而且，还可能把电磁波占用的频带限制到预定的范围内，而这种限制将产生难以用高通信速率来发射和接收的问题。例如，如果把上述的非接触卡系统引入到检票装置中，则处理数据需要的时间太长，在实际使用中可能带来问题。
或者，对于其它的方法，还建议读/写器以不同的频率辐射两种电磁波，一种电磁波用于提供电源，而另一种电磁波用于数据通信。然而，这种方法产生了占用的频带变宽的问题，因为使用了两个不同的频带，另一个问题是电路结构变大，因为要发射或接收频率不同的两种类型的电磁波。
发明内容
本发明就是在前述的背景下提出的，通过利用调制度小于1的ASK调制方法，实现高通信速率的通信，向IC卡提供足够的电源，而同时又保持了窄的占用频宽。
根据本发明的一个方面，数据处理装置包含接收用数据作ASK调制的电磁波的接收装置、对接收装置接收到的电磁波能量进行整流以提供电源的整流装置、从接收装置接收到的电磁波中解调出数据的解调装置，以及通过控制电源负载情况以发射数据的发射装置。
根据本发明的另一方面，数据处理方法包含下列步骤接收用数据作ASK调制的电磁波、对接收到的电磁波能量进行整流以提供电源、从接收到的电磁波中解调出数据、处理数据并通过控制电源的负载情况发射数据。
根据本发明的另一方面，数据发射和接收装置包含用数据对载波进行ASK调制的调制装置、发射ASK调制的电磁波并通过检测电磁波的变化从数据处理装置接收数据的发射和接收装置、以及解调接收到的数据的解调装置。
根据本发明的又一方面，数据发射和接收方法包含下列步骤用数据对载波进行ASK调制、发射ASK调制的电磁波、通过检测电磁波情况的变化从数据处理装置接收数据，解调接收到的数据。
从下面结合附图的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得明显，其中图1是作为本发明数据处理装置一个实施例的应用IC卡的非接触卡片系统的例子及作为本发明数据发射/接收装置一个实施例的读/写器的方框图；图2是图1的IC卡12的结构例子的方框图；图3是用于解释图1的非接触卡片系统操作的流程图；图4是用于解释图1的非接触卡片系统的操作实例的时序图；图5A至5D是用于解释BPSK调制例子的示意图；图6是用于解释图1的调制解调器63操作的示意图；图7是读/写器41产生的调制波频谱的例子图；图8A至8D示出了在数据发射和接收期间在IC卡1每点上的电压波形的例子；图9是非接触卡片系统的另一种结构例子的方框图；图10是非接触卡片系统的又一种结构例子的方框图。
具体实施例方式
图1示出一例非接触卡片系统的结构。该卡片系统由IC卡1和读/写器(R、W)41组成。
把作为本发明的数据处理装置的一个实施例的IC卡设计成无电池型IC卡。例如，把它制成诸如信用卡的平板，在预定的基片或薄膜上集成了环形线圈(LC)11(接收装置)和IC(集成电路)12，环形线圈11以电学方式转换R/W41辐射的部分磁场，IC12包含执行各种处理的电路。
图2示出了IC12的结构。在该图中，整流电路21(整流装置、解调装置)由二极管D、电容器C1和电阻器R1组成。在该整流电路21中，二极管D的阳极连接到环形线圈11的一端，而二极管D的阴极连接到电容器C1和电阻器R1的一端。而且，电容器C1和电阻器R1的另一端分别连接到环形线圈11的另一端。
二极管D的阴极、电容器C1的一端和电阻器R1的一端连接到由稳压器22(稳定装置)、高通滤波器(HPF)23(解调装置)和解调电路27(发射装置)形成的阻抗的一端。另外，环形线圈11、电容器C1和电阻器R1的另一端分别连接到调制电路27的FET的源极上，并连接到接地点上。
该整流电路21对环形线圈11提供的电信号(相应于R/W41产生的ASK调制波)进行整流，并对该信号进行平滑(即，进行检波)以控制载波，此后向稳压器22和HPF23输出经处理的信号。
稳压器22控制并稳定整流电路21提供的电信号的电压波动(数据部分)，以产生直流电源，然后把该直流电源提供给定序器24(处理装置)。如上所述，可以控制IC卡1移动产生的电压波动和IC卡1功耗变化产生的电压波动。
HPF23由电容器C2和电阻器R2构成。在该HPF23中，电容器C2的一端连接到整流电路21(二极管D的阴极)上，而电容器C2的另一端连接到电阻器R2和解调器25(第二解调装置)的一端。电阻器R2的另一端连接到接地点上。
该HPF23控制整流电路21提供的信号的直流部分，取得R/W41发射的数据(相应于SPU(信号处理单元)产生的数据)，然后向解调器25输出该数据。即整流电路21和HPF23解调ASK调制波。
解调器25解调由HPF23提供的数据(BPSK(双相移键控))调制信号(下文解释)，然后向定序器24输出解调的数据。
定序器24相应于解调器25提供的数据进行预定的处理。定序器24在向R/W41发射数据时把该数据输出给调制电路27的FET的栅极。
存储器26在定序器24进行处理时，暂时存储被处理的数据。而且，存储器26还能利用不需要电源来保持数据的非易失存储器来保持诸如处理结果等数据。
调制器27由FET(场效应晶体管)和阻抗Z构成。在该调制电路27中，阻抗Z的一端连接到整流电路21(二极管D的阴极)，阻抗Z的另一端连接到FET的漏极上。而且，FET的源极连接到接地点上，而FET的栅极连接到定序器24上。
该调制电路27使FET根据定序器24提供的数据信号的电压进行开关操作，使加在整流电路21两端的负载波动。即，当FET导通时，阻抗Z加到整流电路21的负载上。
如上所述，通过使整流电路21的负载波动而使环形线圈11两端的电压波动。即，基本上进行ASK调制。另外，把这种电压波动通过R/W41的环形线圈(LRW)64(发射/接收装置)传送给调制解调器63(调制装置、解调装置)，环形线圈64与环形线圈11作磁耦合。
接着，解释作为本发明数据发射/接收装置的一个实施例的R/W41。
图1的R/W41与IC卡1进行通信。在R/W41中，操纵输入装置61向SPU62(第二调制装置)发出命令。SPU62根据装载的程序进行各种处理。例如，对要发射给IC卡1的数据进行BPSK调制，把调制后的数据输出给调制解调器63。
而且，SPU62能在显示器65上显示预定的数据。此外，SPU62还能与预定的外部设备交换数据。
调制解调器63用SPU62提供的数据(BPSK调制信号)对单频载波进行ASK(幅移键控)调制，并把经调制的载波(调制载波)输出给环形线圈64。而且，调制解调器63解调从被环形线圈64检测到的IC卡1来的信号(ASK调制波)，并把解调后的数据输出给SPU62。
环形线圈64相应于调制解调器63提供的调制波产生磁场，并检测IC卡1的环形线圈11的负载波动。
即，由于在接收数据时，环形线圈64的端电压随与环形线圈64磁耦合的IC卡1的环形线圈11的负载变化而波动，所以可以检测出IC卡1的环形线圈11的负载变化。
另外，下面参见图3的流程图和图4的时序图解释IC卡1和R/W41的操作情况。
首先，在步骤S1，R/W41从环形线圈64辐射预定的磁场，以监视环形线圈64的负载情况，然后，进入到等待状态，一直到IC卡1接近闭合，检测到负载情况变化。在步骤S1，R/W41也可以辐射用短图形预定数据进行ASK调制的磁场，反复呼叫IC卡1，一直到在预定周期内获得IC卡1的响应。
当在步骤S1，R/W41检测到IC卡靠近闭合时，进入到步骤S2，R/W41的SPU62以如图5(A)所示的预定频率(例如高至数据时钟频率2倍的频率)用要向IC卡1发射的数据(例如如图5(B)所示的数据)调制矩形载波，然后，把经调制的波(BPSK调制信号)(图5(C))输出给调制解调器63。
如上所述，通过发射不包括直流部分的调制波作为数据，可以在解调操作期间二进制码产生过程中改善S/N比特性。
在BPSK调制期间，当如图5(C)所示，数据值为0时，利用差分转换对与前述BPSK调制的信号(“1”、“0”或“0”、“1”)一样的信号进行BPSK调制，当数据值为1时，对前述BPSK调制的信号的相位反相获得的信号(“1”反转成“0”，“0”反转成“1”)进行BPSK调制。
如上所述，即使把BPSK调制信号进行反转，也利用这种差分转换保持数据随调制波的相位变化，把信号解调成原始信号，这不再需要在进行解调时考虑调制波的极性。因此，可以简化解调电路(解调器25)的电路结构。
在这里，如图5(D)所示，也可把值为1的数据转换成BPSK调制信号“1”和“0”，而把值为0的数据转换成BPSK调制信号“0”和“1”，其相位反转。在这种情况下，由于要求接收侧考虑接收到的BPSK调制信号的极性(相位)进行解调(如果不考虑极性，数据将反向解调)，所以对解调电路的结构有一点制约。
调制解调器63对预定的载波用BPSK调制信号进行ASK调制，把产生的调制波(ASK调制波)加到环形线圈64上，并把该数据发射给IC卡(在图4的时间t0至t1期间)。
图6示出了ASK调制产生的调制波的例子。调制解调器63以预定的调制度k(k＜1)对频率为fc的载波进行ASK调制。调制度k意味着数据幅度Vs对载波幅度的比例。由于k小于1，所以如图6所示，产生的ASK调制波具有两个电平(高电平和低电平)中的一种电平，在最大幅度时它们不为零。如上所述，由于调制波的最大幅度即使在低电平时也不为零，所以可以连续地向IC卡1提供电能。
在不进行传输时，调制解调器63以两电平中较高的电平产生调制波。
而且，由于调制度小于1，所以调制信号的频谱显示出功率集中在载波的载波频率fc。在这种情况下，由于上下边带的功率之和等于载波频率fc的功率(载波功率)的k2倍，所以载波功率等于调制波总功率的1/(1+k2)倍。因此，把调制度k设置到10.0％或者更小，可以把载波功率设置成高于总功率的99％(＝1/(1+0.1002))。如上所述，载波功率只与调制度有关，而与要传输的数据通信速度无关。因此，可以与通信速率无关地设置调制度k。
当用正弦波代替发射数据Vs的波形时(图6)，上下边带的总功率等于载波功率的k2/2倍。所以，载波功率变为总功率的1/(1+K2/2)倍。在这种情况下，当调制度k设置成14.1％或更小时，载波功率变为总功率的99％(＝1/(1+0.1412/2))或者更高。因此，可以根据频带限制程度，通过限制调制波的频带，调制度k的最大值在约10.0％至约14.1％的范围内设定(数据Vs的波形变为接近正弦波)。
接着，在步骤S3，IC卡1在环形线圈11内，转换R/W41的环形线圈64辐射的部分磁场。整流电路21整流和平滑环形线圈11转换的信号，以控制载波频率部分(不平滑数据部分)，然后，向稳压器22和HPF23输出该信号。
在这种情况下，环形线圈11两端的电压V0用例如下式表示V0＝V10(1+k×Vs(t))cos(ωt)这里，V10表示载波部分的幅度。
而且，整流后的电压V1内的低电平值VLR用例如下式表示。
VLR＝V10(1+k×(-1))-Vf这里，Vf表示整流电路21的二极管D上的压降，通常Vf约为0.7V。
稳压器22稳定在整流电路21内整流和平滑的信号，并把该信号作为直流电提供给定序器24。由于调制度k小于1，所以整流后的电压变化(高低电平差)很小。因此，稳压器22能容易地产生直流电。另一方面，HPF23控制整流电路21提供的信号中的直流部分，向解调器25输出交流部分(数据部分)。在这种情况下，还控制IC卡1移动产生的电压V1的低频部分的波动。
例如，当接收到调制度k为5％的调制信号，使V10变为3V或更高时，整流后的低电平电压VLR变为2.15(＝3×(1-0.05)-0.7)V或更高。这里，稳压器22向定序器24提供足以作为电源的电压(例如2V)，整流后的电压V1的交流部分(数据部分)幅度2×k×V10(峰峰值)变为0.3(2×0.05×3)V或更高，解调器25能以足够高的S/N比来解调数据。
即使如上所述调制度k小于1，也能以高S/N比来解调数据。因而，可以进行低出错率的通信，还可以向定序器24提供足够的直流电压作为电源。
图8示出了整流电路21的接收数据或发射数据和输出电压V1与HPF23的输出电压V2之间的对应关系。
例如，当把如图8A所示的整流电路21的输出电压V1输出到HPF23时，HPF23控制其直流部分(低频部分)，取出具有如图8B所示的极性的数据信号，把该数据信号输出给解调器25。
解调器25利用零交叉比较器把具有这种极性的数据信号转换成如图8C所示的数字数据1或0，并调解该数据(BPSK调制信号)，此后，向定器24输出解调后的数据。
在步骤S4，定序器24对应于提供的数据进行处理(在从图4的时间t1至时间t2期间)。在该期间，在发射出数据1之后，即一直到从IC卡1接收到响应，R/W41一直处于等待状态。因此，输出电压V1的值表示在此期间(从图8的时间t1至时间t2期间)接收到值为1的数据的情况。
接着，在步骤S5，定序器24向调制电路27输出数据作为处理结果。调制电路27向R/W41发射该数据(在从图4的时间t2至时间t3期间)。
调制电路27使FET随数据(信号)的电压值进行开关操作，改变整流电路21的负载情况。例如，当把如图8D所示的数据输出给调制电路27的FET时，由于FET的开关操作，整流电路21的负载情况变化，整流电路21的输出电压V1也随如图8A所示的数据变化。
在这种情况下，把阻抗Z的值设置成使在发射时的V1的低电平电压VLS高于在接收时V1的低电平电压VLR(即，在发射时的电压变化小于在接收时的电压变化)，以获得定序器24的电源。因而，即使在发射期间，稳压器22可以向定序器24提供足够的电力。
在R/W41中，较大的是检测到的信号的幅度变化，更好的是在对发射的数据解调期间的S/N比特性。因此，还希望把V LS(即阻抗Z)设置成大于V LR，并使V LS几乎等于V LR。
在步骤S6，R/W41的调制解调器63连续地发射数据1，即使在从IC卡1接收数据期间。调制解调器63根据与IC卡1的环形线圈11磁耦合的环形线圈64的微小的端电压变化(例如几十毫伏)检测IC卡1的整流电路21的负载变化(电压变化)。
调制解调器63用高增益放大器放大检测到的信号(ASK调制波)，此后，解调该数据，以把产生的数字数据输出给SPU62。
在从IC卡1向R/W41传输数据时，IC卡1的定序器24还可以进行BPSK调制，用R/W41的SPU62解调BPSK调制的信号。
在步骤S7，SPU62对该数据进行预定的处理(在从图4的时间t3至时间t4期间)。
而且，在步骤S8，SPU62根据处理结果判断通信是否完成。当获得否定结果时，R/W41返回到步骤S2，在步骤S2至S7(在从图4的时间t4至t8)进行下一次数据的通信。而当获得肯定结果时，R/W41完成与IC卡1的通信。
如上所述，在由IC卡1和R/W41构成的非接触系统中，利用调制度k小于1并可以使占用的频段变窄而不降低通信速率的ASK调制，可以向IC卡1提供稳定的直流电。
在上述实施例中，对要发射的数据进行BPSK调制，然后进行ASK调制，以便发射，但也可以用ASK调制发射未经BPSK调制的数据。在这种情况下，在解调期间的S/N比特性可能会降低一些。
图9示出了非接触卡片系统的另一种结构例子。在这种非接触卡片系统中，IC卡1用平面电极81代替了图1的环形线圈11，而R/W41用平面电极101代替了图1的环形线圈64。IC卡1与R/W41之间的通信通过这些平面电极81、101利用电场的变化进行。
其它构成元件与系统的操作与图1的非接触卡片系统相同，这里不再重复相同的解释。
图10示出了非接触卡片系统的另一种结构例子。在这种非接触卡片系统中，IC卡用半波长双极天线86代替图1的环形线圈11，而R/W41用半波长双极天线106代替了图1的环形线圈64。IC卡1与R/W41之间的通信通过这些半波长双极天线86、106利用微波或准微波信号进行通信。
这里，半波长双极天线86、106可以用单波长环形天线代替。
其它构成元件与系统的操作与图1的非接触卡片系统相同，因此，这里不再重复相同的解释。
上述的非接触卡片系统可以应用于例如检票装置、保安系统或才电子货币系统等。
如上所述，根据本发明的数据处理装置和数据处理方法，由于接收到根据数据进行ASK调制的电磁波，对接收到的电磁波功率进行整流，用作电源，并通过控制电源的负载情况来发射数据，所以可以接收到占用频带窄的电磁波，并从该接收到的信号中取出数据。
而且，如上所述，根据本发明的数据发射和接收装置以及数据发射和接收方法，由于发射用数据进行ASK调制的电磁波，并通过检测发射的电磁波的变化来从数据处理装置接收数据，所以能以高的通信速率进行通信，而同时把占用的频带保持在窄的范围内，并能向IC卡提供足够的电源。
权利要求
1.一种数据处理方法，用于通过电磁场感应耦合接收和发射数据，磁通量穿过环形线圈，所述方法包含接收经过ASK调制的电磁波，该电磁波是用载波对数据以小于1的调制度调制产生的；通过整流接收到的AS调制的电磁波产生工作电源；解调ASK调制的电磁波，取出数据；处理所述取出的数据，产生待发射的数据；以及使环形线圈上的电压根据产生的数据变化，从而发射该数据。
2.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，所述数据以BPSK调制。
3.如权利要求2所述的数据处理方法，其特征在于，所述载波为单载波频率。
4.如权利要求1所述的数据处理方法，其特征在于，所述调制度在10.0至14.1％之间。
5.一种数据处理方法，用于通过环形线圈发射的电磁场感应耦合接收和发射数据，所述方法包含用数据调制载波，产生ASK调制的电磁波，其调制度小于1；发射该ASK调制的电磁波；接收该ASK调制的电磁波，检测环形线圈上的电压变化；以及解调该ASK调制的电磁波，取出数据。
6.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，所述数据以BPSK调制。
7.如权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，所述载波为单载波频率。
8.如权利要求5所述的数据处理方法，其特征在于，所述调制度在10.0至14.1％之间。
9.一种发射-接收方法，通过在第一和第二线圈之间的电磁场感应耦合来实现，该方法包含用数据调制载波，产生ASK调制的电磁波，其调制度小于1；从第一环形线圈发射该ASK调制的电磁波；第二环形线圈接收该ASK调制的电磁波；解调该ASK调制的调制波，取出数据；处理取出的数据，产生待发射的数据；对第二环形线圈上的电压，根据产生的数据，进行幅度调制；接收由第一环形线圈上产生的数据控制的ASK调制的电磁波；以及解调所述接收的数据。
10.如权利要求9所述的数据发射-接收方法，其特征在于，所述数据以BPSK调制。
11.如权利要求9所述的数据发射-接收方法，其特征在于，所述载波为单载波频率。
全文摘要
为了以较高的通信速率进行通信而又保持占用窄的频带，R/W的SPU对要发射的数据作BPSK调制，然后把经调制的信号输出给调制解调器。另一方面，调制解调器还进一步对调制的数据作ASK调制，并把经ASK调制的信号输出给第一环形线圈。第一环形线圈对应于提供的调制波产生磁场。IC卡用另一环形线圈转换R/W辐射的部分磁场，以从该电子信号中产生电源，还取出要发射的数据。而且，在向R/W发射数据时，另一环形线圈11的负载根据数据变化。R/W用第一环形线圈检测与第一环形线圈磁耦合的IC卡另一环形线圈的负载变化。
文档编号H04B5/00GK1495667SQ0315779
公开日2004年5月12日 申请日期1997年6月19日 优先权日1996年6月20日
发明者田中胜之, 有沢繁, 日下部进, 伊贺章, 进 申请人:索尼株式会社