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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein kontaktloses IC-Karten-Kommunikationssystem
(IC = integrierte Schaltung) und insbesondere eine Modulations-,
Demodulations- und Antennenkopplungsschaltung, die in einer kontaklosen
IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung verwendet wird, und ein Verfahren
zum Zuführen
von Energie zu der IC-Karte während
der Datenübertragung.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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14 zeigt
die Anordnung des in der JP-Patentveröffentlichung Nr. JP-B-5-20798
beschriebenen herkömmlichen
IC-Karten-Kommunikationssystems. In der Figur bezeichnet 10 eine
IC-Karte vom kontaktlosen Typ, und 11 ist eine Rahmenantenne
zum Senden und Empfangen von Daten, die in der IC-Karte 10 vorgesehen
ist. Mit 20 ist eine Lese-/Schreibvorrichtung zum Schreiben
und Lesen von Daten auf die/von der IC-Karte 10 bezeichnet, und 21 ist
eine an der Lese-/Schreibvorrichtung 20 vorgesehene
Rahmenantenne.
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Daten
werden auf der Basis der Übertragung von
Impulssignalen zwischen der Rahmenantenne 11 der IC-Karte 10 und
der Rahmenantenne 21 der Lese-/Schreibvorrichtung 20 auf
die IC-Karte 10 geschrieben oder davon gelesen, wie in 14 gezeigt ist.
Der IC-Karte 10 wird Energie in Form einer elektromagnetischen
Welle zugeführt,
die von der Lese-/Schreibvorrichtung 20 abgegeben wird.
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Die Übertragung
solcher Impulssignale im Raum bewirkt jedoch, daß unerwünschte Seitenbänder entstehen,
und erhöht
ferner künstliches
Rauschen. In dem räumlichen Übertragungsweg,
der Frequenzcharakteristiken mit Verzögerung hat, ist es schwierig,
die hochratige Datenübertragung mit
hoher Zuverlässigkeit
auszuführen.
Die Energiezufuhr zu der IC-Karte 10 auf der Basis der Übertragung
eines Impulssignals ist aufgrund der Spreizung des Frequenzspektrums
nicht effizient.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Wie
vorstehend beschrieben, gab es Nachteile, da die Übertragung
solcher Impulssignale im Raum bewirkt, daß unerwünschte Seitenbänder entstehen,
und ferner künstliches
Rauschen zunimmt, und da es in dem räumlichen Übertragungsweg, der Frequenzcharakteristiken
mit Verzögerung
hat, schwierig ist, die hochratige Datenübertragung mit hoher Zuverlässigkeit
auszuführen,
und die Energiezufuhr zu der IC-Karte 10 auf der Basis
der Übertragung
eines Impulssignals aufgrund der Spreizung des Frequenzspektrums
nicht effizient ist.
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Die
vorliegende Erfindung soll die vorstehenden Nachteile des Stands
der Technik überwinden, und
es ist ihre Hauptaufgabe, eine Modulationsschaltung für eine IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
bereitzustellen, die imstande ist, die hochratige Datenübertragung
mit hoher Zuverlässigkeit
zu implementieren.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Modulationsschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
Modulationsschaltung einer IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen Differenzcodierer zum Ausführen der
Differenzcodierung für ein
an die IC-Karte zu sendendes Signal, einen Modulator zum Implementieren
der binären
Phasenumtastungsmodulation (BPSK = binary phase shift keying) auf
der Basis der exklusiven logischen Summenoperation an dem codierten
Signal und einem Impulssignal, das eine Trägerfrequenz hat, einen Phasenänderungsdetektor
zum Detektieren eines Änderungspunkts
der Phase des modulierten Signals, eine Signalverarbeitungsschaltung
zum Modifizieren des modulierten Signals für eine Halbperiode bei dem
Phasenänderungspunkt,
so daß es
eine Frequenz und eine Amplitude hat, die das Doppelte von denen
des modulierten Signals sind, eine erste Miller-Integrationsschaltung,
die das modifizierte Signal integriert, um ein Dreieckwellensignal
zu erzeugen, und eine zweite Miller-Integrationsschaltung, die das resultierende
Dreieckwellensignal weiter integriert, um ein Sinuswellensignal
zu erzeugen, das eine kontinuierliche Phase hat.
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Im
Betrieb implementiert der Modulator die BPSK-Modulation für ein zu
sendendes Signal. Anschließend
detektiert der Phasenänderungspunktdetektor
einen Änderungspunkt
der Phase des modulierten Signals. Die Signalverarbeitungsschaltung modifiziert
das modulierte Signal für
eine Halbperiode bei dem Phasenänderungspunkt,
so daß es
eine Frequenz und eine Amplitude hat, die das Doppelte von denen
des modulierten Signals sind. Die erste Miller-Integrationsschaltung
integriert das modifizierte Signal, um ein Dreieckwellensignal zu
erzeugen. Die zweite Miller-Integrationsschaltung
integriert ferner das Dreieckwellensignal, um ein Sinuswellensignal
zu erzeugen, das eine kontinuierliche Phase hat, und das resultierende
Signal wird aus der Modulationsschaltung herausgeführt.
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Aufgrund
der Verwendung der zweiten Miller-Integrationsschaltung zum Bilden
eines Sinuswellensignals, das eine kontinuierliche Phase hat, wird also
die Entstehung von unerwünschten
Seitenbändern
unterdrückt,
das Signal wird für
eine hochratige Übertragung
effizient moduliert und eine Bandspreizung des Steuerdatensignals
wird verhindert, so daß es
effizient in Energie umgewandelt wird.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung in der Modulationsschaltung einer IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen additiven Impulserzeuger, der ein
1-Perioden-Impulssignal erzeugt, das eine Frequenz hat, die das
Doppelte der Trägerfrequenz
bei dem Phasenänderungspunkt
ist, eine Invertierschaltung zum Invertieren des modulierten Signals,
eine erste logische Summenschaltung, der als Eingänge das
modulierte Signal und das von dem additiven Impulserzeuger gelieferte
Impulssignal zugeführt
werden, eine zweite logische Summenschaltung, der als Eingänge ein
von der Invertierschaltung geliefertes invertiertes moduliertes
Signal und das von dem additiven Impulserzeuger gelieferte Impulssignal
zugeführt
werden, und eine Spannungssummiereinrichtung zum Summieren der Ausgangsspannungen
der ersten und zweiten logischen Summenschaltungen.
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Im
Betrieb erzeugt der additive Impulserzeuger ein 1-Perioden-Impulssignal,
das eine Frequenz hat, die das Doppelt der Trägerfrequenz bei dem Phasenänderungspunkt
ist. Das modulierte Signal wird von der Invertierschaltung invertiert.
Die erste logische Summenschaltung bildet die logische Summe des
modulierten Signals und des von dem additiven Impulserzeuger gelieferten
Impulssignals, und die zweite logische Summenschaltung bildet die
logische Summe des von der Invertierschaltung gelieferten invertierten
modulierten Signals und des von dem additiven Im pulserzeuger gelieferten
Impulssignals. Die Spannungssummiereinrichtung summiert die Ausgangsspannungen
der ersten und zweiten logischen Summenschaltungen. Es wird also
eine zuverlässige und
kostengünstige
Modulationsschaltung in einer relativ einfachen Schaltungsanordnung
erhalten.
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Die
Spannungssummiereinrichtung in der Modulationsschaltung der IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen ersten Widerstand, dessen eines
Ende mit dem Ausgang der ersten logischen Summenschaltung verbunden
ist und dessen anderes Ende mit dem invertierenden Eingang eines
Operationsverstärkers
in der ersten Miller-Integrationsschaltung verbunden ist, und einen
zweiten Widerstand, dessen eines Ende mit dem Ausgang der zweiten
logischen Summenschaltung verbunden ist und dessen anderes Ende
mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden
ist. Der erste und der zweite Widerstand haben Widerstandswerte,
die mit einem Verhältnis
von 1:3 eingestellt sind, und sind ausgebildet, um als Eingangswiderstände der
ersten Miller-Integrationsschaltung dienen. Diese Konfiguration
trägt zu
der kostengünstigen
Modulationsschaltung bei.
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Die
Demodulationsschaltung einer IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen Trägersynchronisator
und einen Bitsynchronisator auf. Der Trägersynchronisator weist folgendes
auf: eine Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung
zum Erzeugen eines Trägersynchronsignals,
eine exklusive logische Summenschaltung, dem als Eingangssignale
ein von einer IC-Karte gesendetes BPSK-moduliertes Signal (nachstehend
einfach "BPSK-Signal" genannt) und das
von der Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung
erzeugte Trägersynchronsignal
zugeführt
werden, einen Synchrongateimpulszähler, der Taktimpulse der Lese-/Schreibvorrichtung
in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal der exklusiven logischen Summenschaltung
aufwärts-
oder abwärts
zählt,
einen Majoritätsdiskriminator,
der, während
der Synchrongateimpulszähler
während
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals
eine Zähloperation
ausführt, den
Majoritätspegel
des BPSK-Signals bestimmt, wodurch detektiert wird, ob das Trägersynchronsignal
und das BPSK-Signal gleichphasig oder gegenphasig sind, einen Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher, der
die Dauer des BPSK-Signals zwischen der ersten Hälfte und der letzten Hälfte einer
Halbperiode des Trägersynchronsignals
vergleicht, und eine Sync-Steuerschaltung,
welche die Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung
steuert, wodurch auf der Basis des Detektierergebnisses des Majoritätsdiskriminators
und des Vergleichsergebnisses des Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichers
die Phase des Trägersynchronsignals
in Abhängigkeit
davon gesteuert wird, ob das Trägersynchronsignal
in der Voreilphase oder der Nacheilphase relativ zu dem BPSK-Signal ist.
Im Betrieb erzeugt in dem Trägersynchronisator die
Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung
ein Trägersynchronsignal.
Die exklusive logische Summenschaltung empfängt das von einer IC-Karte
gesendete BPSK-Signal und das von der Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung
erzeugte Trägersynchronsignal
und bildet die exklusive logische Summe dieser Eingangssignale.
Der Synchrongateimpulszähler
zählt Taktimpulse
der Lese-/Schreibvorrichtung während
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals,
indem er durch das Ausgangssignal der exklusiven logischen Summenschaltung
hinsichtlich seines Zählmodus
(aufwärts/abwärts) gesteuert
wird. Der Majoritätsdiskriminator
bestimmt den Majoritätspegel
des BPSK-Signals, wodurch detektiert wird, ob das Trägersynchronsignal
und das aus der BPSK-Modulation
resultierende Signal gleichphasig oder gegenphasig sind. Der Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher vergleicht
die Dauer des BPSK-Impulssignals zwischen der ersten Hälfte und der
letzten Hälfte
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals.
Auf der Basis der Detektierergebnisse des Majoritätsdiskriminators
und des Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichers
detektiert die Sync-Steuerschaltung
die Voreilphase oder Nacheilphase des Trägersynchronsignals relativ
zu dem BPSK-Signal und steuert die Trägersynchronsignal-Erzeugungsschaltung,
wodurch die Phase des Trägersynchronsignals
gesteuert wird. Die Demodulationsschaltung implementiert also die
präzise
Demodulation für hochratige
Datenübertragung.
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Der
Bitsynchronisator in der Demodulationsschaltung der IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung empfängt
das Ausgangssignal des Majoritätsdiskriminators
in dem Trägersynchronisator
und das Trägersynchronsignal und
gibt demodulierte Daten auf der Basis eines Majoritätsdiskriminierungs-
und eines bitsynchronen Empfangstaktsignals ab. Die majoritätsbasierte
Datendemodulation wird also ermöglicht,
und die Bitsynchronisation wird für verbesserte Präzision der Demodulation
gesteuert.
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Die
Antennenkopplungsschaltung einer IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen Kopplungstransformator, der
eine mit einer Rahmenantenne verbundene Antennenspule, eine Empfangsspule
und eine mit dem Senderabschnitt verbundene Sendespule hat, einen
Operationsverstärker,
dessen einer Eingang mit der Empfangsspule des Kopplungstransformators
verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Empfängerabschnitt verbunden ist,
und Widerstände,
welche die Senderausgangsspannung teilen und die geteilte Spannung dem
anderen Eingang des Operationsverstärkers zuführen. Die geteilte Spannung
hat eine solche Amplitude, daß an
dem Operationsverstärker
die an der Empfangsspule induzierte Senderausgangsspannung abgeglichen
bzw. versetzt wird. Die Antennenkopplungsschaltung ermöglicht also
das gleichzeitige Senden und Empfangen.
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Eine
andere Antennenkopplungsschaltung einer IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist folgendes auf: einen Kopplungstransformator, der
eine mit der Rahmenantenne verbundene Antennenspule und eine mit dem
Senderabschnitt verbundene Sende-/Empfangsspule hat, einen Operationsverstärker, dessen einer
Eingang mit der Sende-/Empfangsspule des Kopplungstransformators
verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Empfängerabschnitt verbunden ist, und
Widerstände,
welche die Senderausgangsspannung teilen und die geteilte Spannung
dem anderen Eingang des Operationsverstärkers zuführen. Die geteilte Spannung
hat eine solche Amplitude, daß die an
der Sende-/Empfangsspule induzierte Senderausgangsspannung an dem
Operationsverstärker abgeglichen
bzw. versetzt wird. Die Antennenkopplungsschaltung ermöglicht also
das gleichzeitige Senden und Empfangen, und sie ist kompakt und kostengünstig, weil
für das
Senden und Empfangen eine gemeinsame Spule verwendet wird.
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Ein
Verfahren zum Zuführen
von Energie zu der IC-Karte gemäß der vorliegenden
Erfindung weist auf: einen Schritt des Sendens eines Steuerdatensignals
von der Lese-/Schreibvorrichtung an die IC-Karte, einen anschließenden Schritt
des Sendens einer nichtmodulierten Trägerwelle für die Energiezufuhr von der
Lese-/Schreibvorrichtung an die IC-Karte, einen Schritt des Empfangens
des Steuerdatensignals und der nichtmodulierten Trägerwelle
durch die IC-Karte und des kontinuierlichen Umwandelns des Datensignals
und der Trägerwelle
in Energie, und einen Schritt des Senden eines Datensignals von der
IC-Karte an die Lese-/Schreibvorrichtung während des Empfangs der nichtmodulierten
Trägerwelle.
Der IC-Karte wird also kontinuierlich Energie zugeführt, und
sie implementiert die effiziente Signal-Energie-Umwandlung.
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Ein
anderes Verfahren der Energiezufuhr zu der IC-Karte gemäß der vorliegenden
Erfindung weist auf: einen ersten Schritt des Sendens eines Steuerdatensignals
von der Lese-/Schreibvorrichtung an die IC-Karte, einen zweiten
Schritt des Empfangens des Steuerdatensignals durch die IC-Karte und
des Umwandeln des Datensignals in Energie, einen dritten Schritt
des Sendens eines Datensignals von der IC-Karte an die Lese-/Schreibvorrichtung, einen
vierten Schritt des Sendens einer nichtmodulierten Trägerwelle
für die
Energiezufuhr von der Lese-/Schreibvorrichtung an die IC-Karte,
einen fünften Schritt
des Empfangens des modulierten Datensignals und der nichtmodulierten
Trägerwelle
durch die IC-Karte und des Umwandelns des Datensignals und der Trägerwelle
in Energie, einen sechsten Schritt des Sendens eines Datensignals
von der IC-Karte an die Lese-/Schreibvorrichtung, und einen siebten Schritt
des Wiederholens des vierten Schritts und des sechsten Schritts.
Der IC-Karte wird also intermittierend Energie zugeführt, und
sie implementiert die effiziente Signal-Energie-Umwandlung während des zyklischen
Empfangs der nichtmodulierten Trägerwelle.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockbild, welches das IC-Karten-Kommunikationssystem zeigt,
das Modulations-, Demodulations- und Antennenkopplungsschaltungen
verwendet;
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2 ist
eine systematische Darstellung, welche die Funktionen des in 1 dargestellten IC-Karten-Kommunikationssystems
zeigt;
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3 ist
eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten
Modulationsschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
ein Wellenformdiagramm, das die Signale an verschiedenen Bereichen
der in 3 dargestellten Modulationsschaltung zeigt;
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5 ist
eine schematische Darstellung der Demodulationsschaltung;
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6 ist
ein Blockbild des in 5 gezeigten Trägersynchronisators;
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7 ist
eine schematische Darstellung, die eine spezielle Schaltungsanordnung
des in 6 dargestellten Trägersynchronisators zeigt;
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8 ist
eine tabellarische Auflistung der möglichen Fälle des BPSK-Eingangssignals,
der Zählzustände des
Synchrongateimpulszählers
und des Sync-Vergleichszählers
in Verbindung mit dem Betrieb des Trägersynchronsignal-Zählers sowie
der Ausgangssignale des Majoritätsdiskriminators
und des Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichers
bei dem letzten Zählwert "7" des Trägersynchronsignal-Zählers als ein
Ergebnis des Betriebs des in 7 gezeigten Trägersynchronisators;
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9 ist
eine schematische Darstellung der Antennenkopplungsschaltung;
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10 ist
eine schematische Darstellung der Antennenkopplungsschaltung, bei
der für
das Senden und Empfangen eine gemeinsame Spule vorgesehen ist und
die das gleichzeitige Senden und Empfangen implementiert;
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11 ist
eine schematische Darstellung einer anderen Antennenkopplungsschaltung,
die für das
intermittierende Senden/Empfangen von Daten des IC-Karten-Kommunikatonssystems
verwendet wird;
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12 ist
ein Zeitdiagramm, welches das kontinuierliche Senden/Empfangen von
Daten des IC-Karten-Kommunikationssystems
zeigt;
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13 ist
ein Zeitdiagramm, welches das intermittierende Senden/Empfangen
zwischen der Lese-/Schreibvorrichtung und der IC-Karte zeigt; und
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14 ist
ein Diagramm, welches das herkömmliche
IC-Karten-Kommunikationssystem zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im
einzelnen erläutert.
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1 zeigt
das IC-Karten-Kommunikationssystem, das die erfinderische Modulations-,
Demodulations- und eine Antennenkopplungsschaltung verwendet. In
der Figur bezeichnet 100 eine IC-Karte vom kontaktlosen
Typ, und sie weist eine integrierte 1-Chip-Schaltung (IC) 110 auf,
in der gebildet sind: ein ROM 111, der Programme und Daten
speichert, ein RAM 112, der temporäre Daten speichert und als Arbeitsbereich
dient, eine CPU 113, in der die Programme ablaufen, eine
Ein-Ausgabe-Steuereinheit 114, ein Datenbus 115 und
ein Modulator/Demodulator 116.
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Die
IC-Karte 100 weist ferner auf: eine Quarzoszillationsschaltung 120,
die der integrierten Schaltung 110 ein Taktsignal zuführt, eine
Rahmenantenne 130, die elektromagnetische Wellen abstrahlt
und empfängt,
eine Energiesteuereinheit 140, die aus der empfangenen
elektromagnetischen Welle Energie für die integrierte Schaltung 110 erzeugt,
und einen Energiespeicherkondensator 150.
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Mit 200 ist
eine Lese-/Schreibvorrichtung bezeichnet, die Daten auf die IC-Karte 100 schreibt
und davon liest; sie weist folgendes auf eine Rahmenantenne 210,
die elektromagnetische Wellen abstrahlt und empfängt, eine Kopplungsschaltung 220,
welche die Rahmenantenne 210 mit dem Sender- und dem Empfängerabschnitt
der Lese-/Schreibvorrichtung 200 koppelt, und einen Kommunikationspuffer 260, der
Kommunikationsdaten vorübergehend
speichert. Das Ausgangssignal des Kommunikationspuffers 260 wird
auf der Basis der binären
Phasenumtastungsmodulation (Binary Phase Shift Keying = BPSK) von
einer Modulationsschaltung 240 moduliert, von einem Ausgangsverstärker 230 verstärkt und
an die Kopplungsschaltung 220 abgegeben.
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Ein
empfangenes Signal, das von der Kopplungsschaltung 220 abgegeben
wird, wird von einem Empfangsverstärker 232 verstärkt, von
einem Begrenzer 234 in ein Rechteckwellensignal mit einer
bestimmten Amplitude umgewandelt, von einer Demodulationsschaltung 250 demoduliert
und dem Kommunikationsbuffer 260 zugeführt.
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Die
Lese-/Schreibvorrichtung 200 weist ferner folgendes auf:
eine Mikrocomputerplatte 270, auf die gepackt sind: eine
Quarzoszillationsschaltung 271, die ein Referenztaktsignal
erzeugt, ein ROM 273, der Programme und Daten speichert,
eine CPU 272, in der die Programme ablaufen, ein RAM 274, der
temporäre
Daten speichert und als ein Arbeitsbereich dient, ein programmierbarer
Zeitgeber 275, ein serieller Sender/Empfänger 276 zur
Kommunikation mit einer externen Einrichtung über ein Kabel und eine parallele
Schnittstelle 277. Mit 280 ist eine Energieversorgung
bezeichnet, die eine Versorgungs-Gleichspannung aus der Versorgungsleitung-Wechselspannung
erzeugt und die Versorgungs-Gleichspannung den Komponenten der Lese-/Schreibvorrichtung 200 zuführt.
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2 zeigt
die Funktionen des in 1 gezeigten IC-Karten-Kommunikationssystems.
Die Lese-/Schreibvorrichtung 200 hat zwei Hauptfunktionen,
und zwar Senden und Empfangen. Die Sendefunktion umfaßt eine
Steuerdatensendefunktion F201 und eine Energieübertragungsfunktion F202, und
die Empfangsfunktion ist eine Kartendatenempfangsfunktion F203 von
der IC-Karte.
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Die
IC-Karte hat eine Steuerdatenempfangsfunktion F204 in Verbindung
mit der Steuerdatensendefunktion F201 der Lese-/Schreibvorrichtung 200 und
eine Wechsel-/Gleichspannungs-Umwandlungsfunktion F205 in Verbindung
mit der Steuerdatensendefunktion F201 und der Energieübertragungsfunktion
F202. Die Spannungsumwandlungsfunktion F205 wandelt die empfangene
elektromagnetische Welle in eine Gleichspannung um, die der integrierten Schaltung 110 der
IC-Karte als Energie zuzuführen ist.
Die IC-Karte hat ferner eine Steuerfunktion F206 zum Steuern der
Datenlese-/-schreiboperationen in Abhängigkeit von den empfangenen
Steuerdaten während
einer Periode, in welcher der IC-Karte Energie zugeführt wird
oder in der Energie in der IC-Karte gehalten wird, und eine Kartendatensendefunktion F207
zum Senden von in der IC-Karte gespeicherten Daten an die Lese-/Schreibvorrichtung 200 während der
Leseoperation.
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3 zeigt
ein spezielles Schaltbild der Modulationsschaltung 240 der
Lese-/Schreibvorrichtung gemäß 1.
Die Modulationsschaltung 240 weist folgendes auf: einen
Differenzcodierer 310, der die Differenzcodierung für von dem
Kommunikationspuffer 260 ausgegebene Daten implementiert,
einen Trägerimpulserzeuger 320,
der ein Trägerimpulssignal
erzeugt, das genutzt wird, um das codierte Signal in ein BPSK-moduliertes
Signal umzuwandeln, ein Exklusiv-ODER-Glied 330, das ein digitales BPSK-Signal
abgibt, eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung 340 zum
Umwandeln von Binärsignalen, die
einen Phasenänderungsdetektor 347 zum
Detektieren einer Phasenänderung
in dem Ausgangssignal des Differenzcodierers 310 und einen
additiven Impulserzeuger 348 zum Erzeugen eines additiven
Impulses in Abhängigkeit
von der Detektierung einer Phasenänderung hat, und Miller-Integrationsschaltungen 350 und 360,
die Operationsverstärker 351 bzw. 361 haben.
Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 340 weist in ihrer
Ausgangsstufe ODER-Glieder 345 und 346 auf, wobei
deren Ausgangssignale durch Widerstände R1 und R2 dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 351 zugeführt werden.
Die Widerstände
R1 und R2 haben Widerstandwerte, wobei das Verhältnis dieser Werte 1:3 ist.
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Nachstehend
wird der Betrieb der Modulationsschaltung von 3 unter
Bezugnahme auf das Wellenformdiagramm von 4 erläutert. Wenn
der Differenzcodierer 310 ein Bitsynchronsignal ST an den
Kommunikationspuffer 260 abgibt, führt dieser Sendedaten SD zu
dem Codierer 310 zurück.
Der Differenzcodierer 310 wandelt die Daten SD in ein Signal
um, dessen Phase sich ändert,
um den Wert der Daten SD darzustellen. Dabei schaltet der Differenzcodierer 310 synchron
mit dem Bitsynchronsignal ST seinen Ausgang SDD von "0" zu "1" oder von "1" zu "0" um, wenn die Information
SD "0" ist, und hält den Ausgang
SDD unverändert,
wenn die Information SD "1" ist. Der Ausgang
SDD des Differenzcodierers 310 und eine Impulsfolge mit
der konstanten Trägerfrequenz,
die von dem Trägerimpulserzeuger
geliefert wird, werden dem Exklusiv-ODER-Glied 330 zugeführt, das
dann ein digitales BPSK-Signal DX als ein Resultat der exklusiven
logischen Summieroperation erzeugt.
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Wenn
der Phasenänderungsdetektor 347 eine
Phasenänderung
in dem Signal SDD detektiert, gibt ex ein Impulssignal E während einer
Halbperiode der Trägerwelle
ab. Als Reaktion auf das Impulssignal E erzeugt der additive Impulserzeuger 348 einen 1-Periodenimpuls
c mit einer der zweifachen Trägerfrequenz
entsprechenden Frequenz zu einem Zeitpunkt in Abhängigkeit
von der Polarität
des Signals SDD. Dabei wird der Impuls c in Abhängigkeit davon, ob das Signal
SDD "1" bzw. "0" ist, in der ersten Halbperiode oder
der letzten Halbperiode erzeugt.
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Dem
UND-Glied 343 werden als Eingänge das BPSK-Signal DX und
ein von dem Inverter 342 geliefertes invertiertes Signal
des Ausgangssignals E des Phasenänderungsdetektors 347 zugeführt. Das UND-Glied 343 gibt
also das Signal DX ab, wenn das Signal E "0" ist
und das Signal DX positiv ist, wodurch ein Impulssignal a erzeugt
wird. Einem anderen UND-Glied 344 werden als Eingänge ein
von dem Inverter 341 geliefertes invertiertes BPSK-Signal
DX und ein von dem Inverter 342 geliefertes invertiertes Signal
des Ausgangssignals E des Phasenänderungsdetektors 347 zugeführt. Das
UND-Glied 344 gibt also das invertierte Signal des Signals
DX ab, wenn das Signal E "0" ist und das invertierte
Signal DX positiv ist, wodurch ein Impulssignal b erzeugt wird.
Dem ODER-Glied werden als Eingänge
die Signale a und c zugeführt,
um ein Impulssignal d zu erzeugen, und einem anderen ODER-Glied 346 werden
als Eingänge
die Signale b und c zugeführt,
um ein Impulssignal e zu erzeugen. Das Signal d stellt also das
BPSK-Signal DX oder das Impulssignal c dar, wenn das Signal E "0" bzw. "1" ist,
und das Signal e stellt das invertierte Signal des BPSK-Signals DX
oder das Impulssignal c dar, wenn das Signal E "0" bzw. "1" ist.
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Die
Ausgangssignale d und e der ODER-Glieder 345 und 346 werden
als Spannungswert summiert, indem sie durch die Widerstände R1 und
R2 geleitet werden, was in einem Spannungssignal f resultiert, wie
in 4 gezeigt ist. Da die Widerstände R1 und R2 ein Widerstandsverhältnis von 1:3
als das Ergebnis der Spannungssummierung haben, wird ein Spannungsimpulssignal
f mit einer Amplitude von 1/2V (3/4 – 1/4 = 1/2) abgegeben, wenn das
Signal E "0" ist. Dagegen wird
ein Spannungsimpulssignal f mit einer Frequenz, die das Doppelte
des Signals DX ist, und der Amplitude von 1V (3/4 + 1/4 = 1) abgegeben,
wenn das Signal E "1" ist.
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Die
Miller-Integrationsschaltung 350, welche die Eingangswiderstände R1 und
R2 hat, integriert das Signal f um ein Dreieckwellensignal A0 zu
erzeugen. Die Widerstände
R1 und R2 werden nämlich
für die
proportionale Summierung der Signale d und e verwendet sowie als
Eingangswiderstände
der Miller-Integrationsschaltung 350. Die Miller-Integrationsschaltung 360 integriert
ferner das Ausgangssignal der Integrationsschaltung 350,
um ein Sinuswellensignal A1 zu erzeugen. Das resultierende Signal A1
hat die Amplitude 1, wenn das Signal E "0" ist, oder
hat eine Amplitude von 1/2 und der zweifachen Frequenz, wenn das
Signal E "1" ist. Infolgedessen kann
die Modulationsschaltung 240 durch eine einfache Kombination
einer Digital-Analog-Schaltungsanordnung
ein BPSK-Signal erzeugen, das eine Sinuswellenform mit kontinuierlicher
Phase hat.
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5 zeigt
die Grundanordnung der Demodulationsschaltung. Diese Schaltung wird
als die Demodulationsschaltung 250 in der IC-Karten-Lese-/Schreibvorrichtung 200 der
in 1 gezeigten Ausführungsform verwendet. Da die
Konfiguration und der Funktionsweise des IC-Karten-Kommunikationssystems von 1 bereits
erläutert
worden sind, entfällt
eine wiederholte Erläuterung.
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Wie 5 zeigt,
weist die Demodulationsschaltung 250 folgendes auf: Exklusiv-ODER-Glieder 410 und 440,
einen Trägersynchronisator 420,
einen Taktimpulserzeuger 430 und einen Bitsynchronisator 450.
Der Trägersynchronisator 420 und
das Exklusiv-ODER-Glied 410 sind wirksam, um zu diskriminieren,
ob das Eingangs-BPSK-Signal gleichphasig oder gegenphasig ist. Dabei
werden dem Exklusiv-ODER-Glied 410 als Eingänge das
BPSK-Signal von dem Begrenzer 234 und das in dem Trägersynchronisator 420 erzeugte
Trägersynchronsignal
zugeführt.
Der Trägersynchronisator 420 verarbeitet das
Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 410, um auf der Basis
einer Majoritätsdiskriminierung
zu diskriminieren, ob das Eingangs-BPSK-Signal gleichphasig oder
gegenphasig ist, und erzeugt ein Diskriminierungssignal. Diese Schaltungen
sind ferner wirksam, um zu diskriminieren, ob die Phase des Eingangssignals
in bezug auf das erzeugte Trägersynchronsignal
voreilt oder nacheilt, und implementieren die Sync-Steuerung durch
entsprechendes Vorverstellen oder Verzögern der Phase des Trägersynchronsignals.
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Der
Bitsynchronisator 450 ist wirksam, um die Bitsynchronisation
auf der Basis der Anordnung und des Betriebs ähnlich wie bei dem Trägersynchronisator 420 zu
implementieren. Dabei wird das von dem Trägersynchronisator 420 erzeugte
Diskriminierungssignal anstelle des BPSK-Signals verwendet, das
Trägersynchronsignal
wird anstelle des Taktimpulses verwendet. Der Bitsynchronisator 450 erzeugt Empfangsbitdaten
RD und ein Empfangsbit-Taktsignal RT anstelle des Diskriminierungssignals
bzw. des Trägersynchronsignals.
Die Empfangsbitdaten RD werden einer Differenzdecodierung unterzogen,
um zu demodulierten Daten zu werden.
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6 zeigt
die Anordnung des Trägersynchronisators 420.
In dieser Figur zählt
ein Sync-Gate-Zähler (SGC) 510 Taktimpulse
in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal eines Exklusiv-ODER-Glieds 410 aufwärts oder
abwärts.
Ein Majoritätsdiskriminator 520 diskriminiert
auf der Basis des Zählergebnisses
des Sync-Gate-Zählers
(SGC) 510, ob die Majorität in dem Ausgangssignal des
Exklusiv-ODER-Glieds 410 während einer Halbperiode der
Trägerwelle "0" oder "1" ist.
Einem Exklusiv-ODER-Glied 530 werden als Eingänge das
Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 410 und das Trägersynchronsignal
2CSS, das eine zweifache Frequenz hat, zugeführt. Ein Sync-Vergleichszähler (SCC) 540 wird
von dem Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 530 hinsichtlich
seines Zählmodus (aufwärts oder
abwärts)
gesteuert. Er hat also unterschiedliche Zählmoden für die erste Hälfte und
die letzte Hälfte
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals
CSS. Ein Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher 550 diskriminiert
auf der Basis des Zählergebnisses des
Sync-Vergleichszählers
(SCC) 540 während
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals,
ob das Eingangssignal in der Voreilphase oder der Nacheilphase relativ
zu dem Trägersynchronsignal
ist.
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Eine
Sync-Steuereinheit 560 erzeugt ein Signal zum Korrigieren
der Voreilphase oder Nacheilphase des Trägersynchronsignals auf der
Basis des Vergleichsergebnisses des Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichers 550.
Ein Trägersynchronsignal-Zähler (CSC) 570 erzeugt
das Trägersynchronsignal
durch Vorverstellen der Phase des Trägersynchronsignals, wenn es
nacheilt, und durch Verzögern
der Phase des Trägersynchronsignals,
wenn es voreilt, basierend auf dem Ausgangssignal der Sync- Steuereinheit 560.
Ein Steuertakterzeuger 580 taktet die Phasensteuerung auf
der Basis des Ausgangssignals des Trägersynchronsignal-Zählers (CSC) 570.
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Nachstehend
wird die Funktionsweise der Demodulationsschaltung erläutert. Das
Exklusiv-ODER-Glied 410 empfängt das
BPSK-Signal und das von dem Trägersynchronsignal-Zähler (CSC) 570 gelieferte
Trägersynchronsignal
CSS und gibt "0" ab, wenn beide Signale
gleichphasig sind, oder "1" ab, wenn die Signale
gegenphasig sind. Der Sync-Gate-Zähler (SGC) 510 zählt die
Taktimpulse aufwärts
oder abwärts,
wenn das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 410 "1" bzw. "0" ist.
Das Zählergebnis
wird dem Majoritätsdiskriminator 520 zugeführt, der
diskriminiert, ob die Majorität "0" oder "1" ist.
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Das
Exklusiv-ODER-Glied 530 empfängt das Ausgangssignal des
Exklusiv-ODER-Glieds 410 und das Signal 2CSS, das eine
Frequenz hat, die das Doppelte derjenigen des Trägersynchronsignals CSS ist,
das verwendet wird, um die erste Hälfte und die letzte Hälfte des
CSS-Signals zu diskriminieren. Das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 530 ist also
das Ausgangssignal des Exklusiv-ODER-Glieds 410, das seinerseits
für die
erste oder letzte Hälfte des
Trägersynchronsignals
CSS invertiert wird.
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In
Abhängigkeit
von diesem Signal schaltet der Sync-Vergleichszähler (SCC) 540 den
Taktimpulszählmodus
zwischen der ersten Hälfte
und der letzten Hälfte
des Trägersynchronsignals
CSS um. Der Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher 550 vergleicht die
Dauer des Impulses zwischen der ersten Hälfte und der letzten Hälfte einer
Halbperiode des Trägersynchronsignals
CSS. Die Sync-Steuereinheit 560 diskriminiert
die Voreilphase oder Nacheilphase des Trägersynchronsignals CSS auf
der Basis der von dem Majoritätsdiskriminator 520 und
dem Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher 550 zum
Zeitpunkt der letzten Zählung
des Trägersynchronsignal-Zählers 570 gelieferten
Ergebnisse, und wirkt auf den Trägersynchronsignal-Zähler 570,
um die Phase des Trägersynchronsignals
beim Zählbeginn
des Trägersynchronsignal-Zählers 570 vorzuverstellen
oder zu verzögern.
Der Steuertakterzeuger 580 taktet die letzte Zählung und
den Zählbeginn
für den
nächsten
Zählzyklus
des Trägersynchronsignal-Zählers 570.
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7 zeigt
eine spezielle Schaltungsanordnung des in 6 gezeigten
Trägersynchronisators 420.
Der Sync-Gate-Zähler
(SGC) 510 ist ein Sync-Gate-Zähler, der aus einem Aufwärts-/Abwärtszähler besteht,
und der Majoritätsdiskriminator 520 weist
auf: einen Inverter 521, UND-Glieder 522, 523 und 525,
ein D-Flipflop 524, das als der Aufwärtszähl-Zwischenpeicher verwendet wird, und
ein anderes D-Flipflop 526, das verwendet wird, um das
Ausgangssignal des UND-Glieds 525 zwischenzuspeichern.
Das UND-Glied 525 erzeugt "0",
wenn das Exklusiv-ODER-Glied 410 "1" länger als "0" führt,
oder es erzeugt "1", wenn das Glied 410 "0" länger
als "1" führt. Das
D-Flipflop 526 hält
das Ausgangssignal des UND-Glieds 525 am Ende einer Halbperiode
des Trägersynchronsignals
und behält
es bis zum Ende der nächsten
Halbperiode.
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Der
Sync-Vergleichszähler
(SCC) 540 besteht aus einem Aufwärts-/Abwärtszähler, und der Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleicher 550 hat
ein NOR-Gied 551 mit vier Eingängen. Das NOR-Glied 551 erzeugt
ein Koinzidenzsignal EQL, das die Koinzidenz der ersten und der
letzten Hälfte
des Eingangssignals während
einer Halbperiode des Trägersynchronsignals
bezeichnet. Der Sync-Vergleichszähler 540 gibt
an seinem MSB-Ausgang Od ein Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichssignal CMP ab.
Die Sync-Steuereinheit 560 weist Inverter 561 und 563, UND-Glieder 564 und 565 und
ein Exklusiv-ODER-Glied 562 auf. Das Exklusiv-ODER-Glied 562 empfängt die
Signale MDT und CMP. Es gibt "0" ab, wenn beide Signale
die gleiche Polarität
haben, was die Nacheilphase des BPSK-Signals relativ zu dem Trägersynchronsignal
bezeichnet, und gibt "1" ab, wenn ihre Polaritäten nicht übereinstimmen,
was die Voreilphase bezeichnet. Das UND-Glied 564 erzeugt
ein Sync-Zählervoreilsignal
SCU, während
das UND-Glied 565 ein Sync-Zählerverzögerungssignal SCD erzeugt.
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Der
Steuertakterzeuger 580 weist UND-Glieder 581, 582, 584, 585, 586 und 587,
ein ODER-Glied 583 und D-Flipflops 588, 589 und 591 auf.
Die Flipflops 589 und 591 erzeugen ein Phasenvoreilsignal
FC bzw. ein Phasenverzögerungssignal BC
für den
Trägersynchronsignal-Zähler (CSC) 570. Das
ODER-Glied 583 gibt normalerweise Ausgangsimpulse des Taktsignals
NCK mit einem konstanten Intervall ab, gibt jedoch zusätzlich einen
RCK-Impuls in Abhängigkeit
von dem Phasenvoreilsignal FC ab, oder es ignoriert einen NCK-Impuls
in Abhängigkeit von
dem Phasennacheilsignal BC. Die Phase des Trägersynchronsignals CSS wird
also gesteuert. Das UND-Glied 584 erzeugt
ein Signal PST, welches das Ende einer Halbperiode des Trägersynchronsignals CSS
bezeichnet, und das UND-Glied 587 erzeugt ein Rücksetztaktsignal
LD. Das Bezugszeichen 599 bezeichnet ein UND-Glied.
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8 ist
eine Auflistung der möglichen
Fälle des
Eingangs-BPSK-Signals, der Zählzustände des Sync-Gate-Zählers 570 (SGC)
und des Sync-Vergleichszählers 540 (SCC)
in Verbindung mit dem Betrieb des Trägersynchronsignal-Zählers 570 (CSC) und
der Ausgangssignale (MDT) des Majoritätsdiskriminators 520 und
der Ausgangssignale (CMP) des Erste-/Letzte-Hälfte-Vergleichers 550 bei dem letzten Zählwert "7" des Trägersynchronsignal-Zählers 570 (CSC)
als ein Ergebnis des Betriebs des Trägersynchronisators gemäß 7.
Das Eingangssignal ist gleichphasig, wenn MDT = "1 ",
und es ist gegenphasig, wenn MDT = "0",
und das Signal MDT wird dem Bitsynchronisator 450 intakt
zugeführt.
Das Eingangssignal ist weder in der Voreilphase noch in der Nacheilphase,
wenn EQL = "1 ", und die Phasensteuerung
erfolgt nicht. Im Fall von EQL = "0" wird
dann, wenn die exklusive logische Summe der Signale MDT und CMP "1" ist, was relativ zu dem Eingangssignal
ein nacheilendes Trägersynchronsignal
CCS bezeichnet, der Trägersynchronsignal-Zähler (CSC) 570 um
einen Impuls vorverstellt, oder wenn sie "0" ist,
was ein voreilendes Trägersynchronsignal
CCS bezeichnet, wird der Trägersynchronsignal-Zähler (CSC) 570 um
einen Impuls verzögert.
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Auf
diese Weise werden die BPSK-Demodulation und die Sync-Phasensteuerung
auf der Basis der Majoritätsdiskriminierungslogik
ausgeführt,
und infolgedessen wird eine präzise
hochratige Datenübertragung
erzielt.
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9 zeigt
die Schaltungsanordnung der Antennenkopplungsschaltung. Diese Schaltung
wird als die Antennenkopplungsschaltung 220 der in 1 gezeigten
Ausführungsform
verwendet. Wie diese Figur zeigt, weist ein Kopplungstransformator
T eine Antennenspule 603, eine Sendespule 604 und eine
Empfangsspule 605 auf. Der Ausgang des Ausgangsverstärkers 230 ist
mit der Sendespule 604 verbunden und ferner durch einen
Stellwiderstand 609 und einen Widerstand 610 mit
Masse verbunden. Die Empfangsspule 605 ist durch einen
Widerstand 607 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 606 verbunden.
Der invertierende Eingang und der Ausgang des Operationsverstärkers 606 sind
durch einen Widerstand 608 verbunden. Der nichtinvertierende
Eingang des Operationsverstärkers 606 ist
mit dem Gleitkontakt des Stellwiderstands 609 verbunden.
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Nachstehend
wird die Funktionsweise erläutert.
Das Datensignal und das Sinuswellensignal für die Energieversorgung von
der Modulationsschaltung 240 werden durch den Ausgangsverstärker 230 der
Sendespule 604 des Kopplungstranformators T zugeführt. Diese
Signale werden der Antennenspule 603 auf der Basis der
elektromagnetischen Induktion zugeführt und dann der Rahmenantenne 210 zugeführt, die
einen Resonanzkondensator 602 hat, und als eine elektromagnetische
Welle in den Raum abgestrahlt, so daß diese von der in einer kurzen
Distanz befindlichen IC-Karte empfangen wird. Die Ausgangsspannung
wird durch den Stellwiderstand 609 und den Widerstand 610 in
die Spannung geteilt, die gleich dem an der Empfangsspule 605 induzierten Senderausgangssignal
ist, und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 606 zugeführt, so
daß die
induzierte Sendespannung an der Empfangsspule 605 abgeglichen
bzw. versetzt wird. Das Senderausgangssignal beeinflußt also
das empfangene Eingangssignal in den gleichzeitigen Operationen
des Sendens und Empfangens von Daten nicht.
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10 zeigt
eine modifizierte Anordnung der Antennenkopplungsschaltung, die
ebenfalls imstande ist, das gleichzeitige Senden und Empfangen auszuführen. Der
Kopplungstransformator T hat eine Sende-/Empfangsspule, die gemeinsam
für das
Senden und Empfangen von Daten verwendet wird.
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12 zeigt
den Operationstakt des kontinuierlichen Sendens/Empfangens des IC-Karten-Kommunikationssystems.
Die Lese-/Schreibvorrichtung 200 sendet an die in einer
kurzen Distanz befindliche IC-Karte 100, die keine eigene
Energieversorgung hat, Daten und führt ihr Energie zu. Die Lese-/Schreibvorrichtung 200 sendet
während
der Übertragung
serielle Daten in Form eines BPSK-modulierten Sinuswellensignals
und führt
der IC-Karte 100 während
des Empfangs ein nichtmoduliertes Sinuswellensignal zu. Die Übertragung
bei einem bestimmten Energiepegels wird während der gleichzeitigen Sende-/Empfangsoperation
auf der Basis der Antennenkopplungsschaltung gemäß 9 oder 10 aufrechterhalten,
so daß der
IC-Karte kontinuierlich Energie zugeführt wird.
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11 zeigt
die Schaltungsanordnung der Antennenkopplungsschaltung, die für das intermittierende
Senden/Empfangen des IC-Karten-Kommunikationssystems verwendet wird.
Wie 11 zeigt, ist die Sende-/Empfangsspule 612 des
Kopplungstransformators T während
des Sendens durch ein Relais 613 mit dem Ausgang des Ausgangsverstärkers 230 verbunden
oder während
des Empfangens durch einen Widerstand 607 mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 606 verbunden.
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13 zeigt
den Operationstakt des intermittierenden Sendens und Empfangens
zwischen der Lese-/Schreibvorrichtung 200 und der IC-Karte 100.
Die Lese-/Schreibvorrichtung 200 sendet Kartensteuerdaten
an die IC-Karte 100. Die Kartensteuerdaten sind ein BPSK-moduliertes
Sinuswellensignal, das demoduliert und auf seiten der IC-Karte 100 in
Energie umgewandelt wird. Die empfangene Energie wird in einem in
der IC-Karte 100 vorgesehenen Kondensator gespeichert und
für die
Datenübertragung
zu der Lese-/Schreibvorrichtung 200 verwendet.
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Im
Fall einer langen Datenübertragung
von der IC-Karte 100 zu der Lese-/Schreibvorrichtung 200 über die
Energiehaltezeit der IC-Karte hinaus sendet die Lese-/Schreibvorrichtung 200 intermittierend
ein nichtmoduliertes Sinuswellensignal, und die IC-Karte 100 funktioniert
auf der Basis der von diesem Signal erzeugten Energie, um Daten
intermittierend zu der Lese-/Schreibvorrichtung 200 zu übertragen.