Brevet FR2871968A1 — publié le 20051223

L'invention concerne un procédé et système de démodulation pour lecteur de transpondeurs sans contact. Plus particulièrement, l'invention s'intéresse à une amélioration des communications entre un lecteur et un transpondeur. Par transpondeur, il faut comprendre, dans le cadre de la description qui va suivre, tout appareil d'identification apte à être détecté ou communiquer à l'aide d'un champ électromagnétique. Les différents appareils peuvent être par exemple des cartes à puce ou des étiquettes électroniques de type sans contact comportant une interface de communication à antenne. Dans la présente demande, on s'intéresse plus particulièrement aux transpondeurs électromagnétiques comportant une bobine connectée à un condensateur ou à un circuit intégré ou à d'autres composants électroniques. Par lecteur, il faut comprendre, dans le cadre de la description qui va suivre, un dispositif émetteur/récepteur muni d'une antenne qui crée un champ électromagnétique à une fréquence donnée. L'antenne du dispositif permet également de moduler le champ électromagnétique et de mesurer des variations du champ électromagnétique. L'antenne du lecteur est généralement constituée d'une ou plusieurs bobines. Le système lecteur-transpondeur fonctionne de manière plus ou moins complexe suivant le type de transpondeur utilisé. Le principe général de fonctionnement consiste en l'émission d'un champ électromagnétique de fréquence donnée. Lorsqu'un transpondeur entre dans le champ électromagnétique, il est alors alimenté et il réagit. La réaction du transpondeur provoque une variation du champ électromagnétique qui est détectée par le lecteur. Pour les systèmes les plus complexes, le transpondeur comporte par exemple un circuit intégré connecté à une bobine, la bobine et le circuit intégré formant entre autre un circuit résonant accordé. La présence du transpondeur dans le champ électromagnétique alimente le circuit intégré qui module le champ électromagnétique pour signaler sa présence au lecteur. Puis un dialogue peut s'effectuer entre le transpondeur et le lecteur par modulation du champ électromagnétique. Ces systèmes sont connus sous le nom de carte à puce sans contact ou étiquettes électroniques et sont utilisées pour de nombreuses applications. Le lecteur (figure 1) est généralement constitué d'un générateur de courant ou tension de fréquence fixe et d'une antenne réalisée par exemple par une bobine plate circulaire comprenant au moins un tour. Dans le cas qui nous intéresse (produit de la norme ISO/IEC 14443) cette fréquence est de 13,56 MHz. Elle peut être différente selon les domaines techniques considérés. L'antenne lecteur peut être assimilée à un conducteur, lorsque celui-ci est parcouru par un courant, un champ magnétique est généré. L'orientation du champ magnétique est définie par le sens de parcours du courant. La boucle de courant formé par le conducteur une fois parcourue par ce courant présente un pôle Nord sur une face et un pôle Sud la face opposée. Lorsqu'un transpondeur est soumis à ce champ lecteur, du fait de sa propre bobine, il est, lui aussi assimilable à un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique. Quand un conducteur se déplace dans un champ magnétique, en coupant des lignes de flux, une f.e.m est induite dans le conducteur. De la même manière une tension f.e.m est induite si le flux varie à travers un circuit fixe. Dans tous les cas, cette tension f.e.m induite et le taux de variation du flux sont lié par la loi de Faraday: e = -dphi / dt. La figure 2 représente un système lecteur généralement utilisé de l'art antérieur. Il est constitué d'un générateur 1 destiné à produire un courant à une fréquence donnée, d'un câble de liaison, 2, d'un circuit d'adaptation d'impédance 3 et d'une antenne 4. Le générateur est caractérisé par la puissance qu'il est capable de fournir sur une charge d'impédance adaptée. Cette impédance est en général d'une valeur de 50 ohms, elle correspond à l'impédance de sortie du générateur (1). Le circuit d'adaptation ( 3) est nécessaire pour transmettre dans l'antenne (4) la puissance maximale que peut délivrer le générateur (1). Le système lecteur-transpondeur fonctionne de manière plus ou moins complexe suivant le type de transpondeur utilisé. Lorsqu'un transpondeur entre dans le champ électromagnétique, il est alors alimenté et il réagit. La réaction du transpondeur provoque une variation du champ électromagnétique qui est détectée par le lecteur. Pour les systèmes les plus simples, le transpondeur étant par exemple constitué d'une bobine et d'un condensateur, l'ensemble forme un circuit oscillant accordé sur la fréquence du champ électromagnétique. La présence du transpondeur dans le champ fait résonner le circuit oscillant et provoque une modification du champ qui est détectable par le lecteur. Ces systèmes, très simples, sont couramment utilisés comme anti-vol dans les magasins. Un problème majeur des systèmes à transpondeur et lecteur est de fournir au transpondeur l'énergie nécessaire à son fonctionnement avec un rendement maximum tout en réduisant la puissance de rayonnement du lecteur sans réduire les distances de transmission entre l'antenne et le transpondeur. Pour les transpondeurs à circuit intégré, le problème devient très complexe car le champ électromagnétique sert d'une part à alimenter le circuit intégré et d'autre part de fréquence porteuse pour établir une communication mono ou bi-directionnelle entre le transpondeur et le lecteur. En effet, l'utilisation de ce champ magnétique pour ces deux usages entre en contradiction. Pour pouvoir effectuer des communications, il faut moduler le champ électromagnétique en fréquence et/ou en amplitude. Cependant, l'homme du métier sait que lorsque la puissance du champ électromagnétique émis par l'antenne est trop important, alors le lecteur devient moins sensible aux variations d'amplitude de ce champ provoquées par la variation de charge induite par le transpondeur. C'est un problème de rapport signal sur bruit. Il est également connu de l'homme de métier, que l'augmentation de la puissance d'émission du champ électromagnétique crée un échauffement dans le circuit intégré qui peut entraîner sa destruction partielle, temporaire, totale ou définitive. Il est encore connu que lorsque la bobine du transpondeur est accordée sur la même fréquence que l'antenne lecteur (qui est de préférence la fréquence de transmission pour avoir un bon rendement d'émission), il existe des trous de communication. Ce problème important peut intervenir tout au long de la distance normale de fonctionnement et non pas hors des limites prévues. En effet en fonction du couplage transpondeur lecteur, les variations de charge induites par le transpondeur sur le champ magnétique, vues à travers l'antenne lecteur, peuvent être égales, que le transpondeur agisse ou n'agisse pas sur le champ électromagnétique. Il en découle que le lecteur ne peut pas décoder le message. Ce problème lecteur est plus ou moins important en fonction du choix de la méthode de démodulation qu'il utilise. En effet, ce problème de "trou de communication" est cruciale est s'explique par une analyse fine du système défini par le lecteur et le transpondeur. Si l'on reprend le schéma de la figure 2, on constate que l'état de l'art consiste à générer un signal sinusoïdal de fréquence fixe ( pour la norme ISO/IEC 14443 de 13,56 MHz) qui est injecté après adaptation d'impédance dans une antenne, généralement constitué d'un conducteur comprenant une ou plusieurs spire. Comme précédemment décrit, le courant circulant à travers ce conducteur produira un champ magnétique H de même fréquence. Ce champ, du fait de la partie inductive de l'antenne lecteur ne sera pas en phase avec le courant issu du générateur mais plutôt en opposition de phase. En l'absence de tout couplage entre l'antenne lecteur et un transpondeur, le déphasage décrit plus haut reste fixe. Cependant, dés qu'un transpondeur entre dans le champ H issu de l'antenne lecteur, un couplage apparaît et les caractéristiques inductives de l'antenne lecteur en sont modifiées. Il en résulte alors une variation du déphasage entre le champ H et le signal produit par le générateur. Ce déphasage n'est plus constant. Il dépend du couplage et donc de la position du transpondeur par rapport à l'antenne, de la consommation de ce dernier qui varie en fonction des opérations qu'il effectue et des éléments non linéaires qui le constitue. Ces variations de phase provoquent des ruptures dans la communication lecteur/ transpondeur. Dans le meilleur des cas (démodulateur à double détection synchrone), elles provoqueront un affaiblissement du signal vu du lecteur. Dans le pire des cas, (détection synchrone simple ou démodulation directe) le signal issu du transpondeur sera invisible au lecteur. Plusieurs méthodes de démodulation sont utilisées à ce jour par les lecteurs pour décoder le message renvoyé 10 par le transpondeur. La méthode la plus simple est une démodulation directe (figure 3) réalisée à partir d'un simple composant non linéaire tel une diode (5) associée à une résistance 6 et un condensateur de filtrage (7); La plus sophistiquée met en oeuvre une double détection synchrone dite I/Q tel que représentée par la figure 4. Dans le cas de la démodulation directe (figure 3), le démodulateur est sensible à la variation d'impédance de la charge qui se trouve à son entrée (Ve). Cette impédance est représentée par un nombre complexe qui comprend 2 parties: une partie réelle et une partie imaginaire. Ce type de démodulateur est sensible à la variation du module (de la longueur) du vecteur représenté par ce nombre complexe. Cette longueur varie au rythme du message renvoyé par le transpondeur. Deux longueurs Z1 et Z2, existent pour un couplage donné. L'amplitude du signal démodulé correspond à la différence de longueur de ces deux vecteurs. La figure 5 montre cependant que 2 vecteurs différents peuvent avoir des longueurs égales. Chacun des cercles où les longueurs de Z1 et Z2 sont égales correspond à un "trou de communication". En effet, les deux longueurs étant égales, le démodulateur ne verra aucune différence entre les deux états logiques pris par le transpondeur. L'influence de la phase apparaît comme l'un des paramètres de ce dysfonctionnement. L'usage d'un démodulateur à détection directe dans le cadre d'un lecteur de transpondeur sans contact peut provoquer des ruptures totales de communication en fonction du couplage entre l'antenne lecteur et le transpondeur. Dans le cas du démodulateur le plus sophistiqué (double détection synchrone type I / Q) tel que décrit par la figure 4, Il a été trouvé que le déphasage induit par le transpondeur peut provoquer un affaiblissement de l'amplitude du signal démodulé. Cet affaiblissement peut atteindre un facteur de 0,707 par rapport au signal maximum. Ce maximum d'affaiblissement est atteint lorsque la phase du champ H est déphasée de n/4 par rapport au signal issu du générateur. Une boucle à verrouillage de phase (PLL) est capable de restituer la fréquence de la porteuse avec une amplitude constante, par contre, subsiste une différence de phase "phi" entre la fréquence de la porteuse et la fréquence restituée. Ainsi, un lecteur de transpondeur sans contact, même équipé du plus perfectionné des dispositifs de démodulation d'amplitude, du fait des variations incontrôlés de la phase du champ H par rapport au signal produit par le lecteur, est susceptible de subir des ruptures de communication du a un affaiblissement du signal démodulé. La norme ISO/IEC 10373-6 défini les méthodes de test appliquées aux lecteurs et transpondeur pour être conforme à la norme ISO/IEC 14443. Pour être conforme à la norme au niveau de la communication vers le lecteur, un transpondeur doit produire un signal de rétro-modulation dont l'amplitude des bandes latérales est au moins égale a 30 / H"2 (avec H amplitude du champ magnétique). Quant au lecteur, pour être conforme à la norme, il doit être capable de démoduler au moins un signal de cette amplitude, indépendamment de la phase. Il apparaît que les procédés décrits précédemment n'en sont pas capables. En effet, un lecteur conforme à l'ISO/IEC 14443, capable de détecter une amplitude de message de 30 / H1'2 peut être incapable de détecter un transpondeur, pourtant lui aussi conforme à l'ISO/IEC 14443 si l'influence du transpondeur provoque une atténuation trop importante du signal modulé eu égard à la sensibilité du lecteur, notamment lors d'un écart de phase de n/4 où l'atténuation est maximale. En conséquence, le problème technique à résoudre peut se définir de la manière ci-après. Comme d'une part, la sensibilité en lecture des lecteurs de transpondeur sans contact est affectée indépendamment du principe de démodulation utilisé, par les variations de phase entre d'une part: le courant appliqué à l'antenne du lecteur et d'autre part celle du champ résultant. Et d'autre part, cet écart de phase est en plus variable en fonction de la distance entre le transpondeur et l'antenne du lecteur. Il en résulte un problème majeur un affaiblissement, voir même une annulation complète de l'amplitude du signal démodulé pouvant entraîner des ruptures de communications entre le lecteur et le transpondeur lors des mouvements de ce dernier. L'invention vise donc à permettre la démodulation du signal issu d'un transpondeur indépendamment des variations de phase que ce dernier provoque sur le champ généré par le dispositif de lecture. Le principe du procédé de l'invention consiste à asservir la détection du message du transpondeur à la phase du champ magnétique généré, ou à une valeur représentative de la phase (tension, courant...). De préférence, le détecteur du démodulateur utilise comme signal d'horloge, un signal issu du champ magnétique pour synchroniser l'acquisition du message. De la sorte, toute variation de phase du champ induite par le transpondeur sera reportée au dispositif de démodulation. Dans ce procédé, ce n'est plus comme dans l'art antérieur, le signal d'horloge du générateur qui est utilisé comme référence de phase du démodulateur, mais un signal de même fréquence issu du champ magnétique H. A cet effet, l'invention a d'abord pour objet un procédé de démodulation de signaux d'un champ électromagnétique (H) induits par un transpondeur sans contact comprenant une étape selon laquelle les signaux du transpondeur sont détectés à des instants ou fréquence déterminés. Il se distingue en ce que les instants ou fréquence de la détection sont synchronisés en phase avec le champ électromagnétique. Selon d'autres caractéristiques ou variantes du procédé: - pour synchroniser, on capte le flux induit par le champ électromagnétique (H) dans une bobine additionnelle et on utilise la phase du flux comme élément de synchronisation. - pour synchroniser, on capte la phase du courant 30 générateur du champ électromagnétique et on l'utilise comme élément de synchronisation. - on détecte les signaux du transpondeur à une fréquence d'échantillonnage égale et en phase avec la fréquence du champ électromagnétique (H). - on génère une horloge de synchronisation CLK à partir de la phase prélevée du champ électromagnétique ou de son courant générateur et on utilise cette horloge pour rythmer l'instant de détection des signaux. L'invention a également pour objet un lecteur de transpondeur sans contact comprenant une antenne principale d'émission/réception de champ électromagnétique, un démodulateur de signaux électromagnétiques comportant des moyens d'échantillon- nage du signal électromagnétique selon une fréquence d'échantillonnage. Le lecteur se distingue en ce qu'il comporte des moyens de synchronisation apte à rythmer et synchroniser en phase ladite fréquence d'échantillonnage du démodulateur de la même manière que la phase du champ électromagnétique. Selon d'autres caractéristiques ou modes de réalisation: - les moyens de synchronisation comportent une antenne additionnelle apte à capter une partie du champ magnétique (H) utilisé par le transpondeur, et un circuit de commande d'échantillonnage apte à générer un signal de commande de l'échantillonnage synchrone du champ électromagnétique (H) . - les moyens de synchronisation comportent une antenne sensible au champ électrique (E). - les moyens de synchronisation comportent des moyens de dérivation de courant aptes à prélever une partie du courant circulant dans le conducteur formant l'antenne lecteur et d'en extraire une information de phase pour synchroniser l'échantillonnage. - l'antenne additionnelle est désaccordée par rapport à l'antenne principale. - le démodulateur est un démodulateur à détection synchrone. L'invention a enfin pour objet un démodulateur de signaux induits par un transpondeur sans contact dans un champ électromagnétique (H), ledit démodulateur comprenant un détecteur de signaux intervenant à des instants déterminés, des moyens d'asservissement de la détection à la phase du champ électromagnétique; Il se distingue en ce que les moyens d'asservissement assurent continuellement une synchronisation avec la phase. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples particuliers de réalisation, ladite description étant faite avec les dessins joints dans lesquels: - les figures 1 et 2 (déja décrites) illustrent un lecteur sans contact de l'art antérieur; - la figure 3 (déja décrite) illustre un schéma électronique de lecteur mettant en oeuvre une 20 démodulation directe de l'art antérieur; - les figures 4 et 5 (déja décrites) illustrent un schéma du principe de la démodulation a double détection synchrone I/Q de l'art antérieur; - la figure 6 illustre un mode de réalisation de 25 l'antenne lecteur selon l'invention; - la figure 7 illustre un mode de réalisation analogique du lecteur de l'invention; - la figure 8 illustre un résultat d'une opération de traitement relative à une mise en oeuvre du lecteur de 30 la figure 7; - la figure 9 illustre un mode de réalisation numérique du lecteur de l'invention. Un des modes de réalisation de l'invention est présenté à la figure 6. Avantageusement l'asservissement pourra être réaliser à l'aide d'une bobine ou antenne additionnelle 8, comprenant au moins un tour, dont la valeur aura un effet de couplage négligeable sur l'antenne du lecteur (1) par rapport à celui d'un transpondeur. Cette bobine est positionnée de manière à capter une partie du champ magnétique utilisé par le transpondeur. En particulier, elle pourra être rendue solidaire de l'antenne lecteur; De préférence, elle lui sera concentrique. Les plots de connexions 9 seront raccordés au circuit d'adaptation d'impédance de l'antenne lecteur, alors que les plots 10 seront utilisés pour ramener au lecteur un signal synchrone du champ H. Le signal produit par cette bobine additionnelle synchrone du champ H sera utilisée pour échantillonner de façon analogique ou digitale le message du transpondeur. Les figures 7 et 9 présentent respectivement un mode de réalisation analogique et numérique du dispositif de lecture 17, 18 (antenne, lecteur) . Dans le schéma de la figure 7, le message E issu de l'antenne lecteur 4 est injecté dans un multiplieur analogique 11 qui produira à sa sortie un signal S, le signal issu de la bobine additionnelle (8) après un étage d'adaptation de niveau 13 est traité par un déphaseur passif ajustable 12(non représenté) destiné à compenser la partie fixe du déphasage lié à la chaîne d'acquisition. Ce signal est utilisé pour activer la commande de découpage (échantillonnage) appelée Vc injecté dans un transistor (FET) à effet de champ)(Ml). Cette commande est tel que: si Vc > 0 => S = +E si Vc S = -E Cela revient à multiplier E par un signal créneau C de valeur +/-1 et S (t) = E (t) . C (t) . Le résultat de cette opération est montré figure 8. Cette fonction multiplieur analogique nous replace dans le cas d'une détection synchrone, Vc étant produit par la bobine additionnelle 8, la détection est asservie en phase avec le champ H auquel le transpondeur est soumis. Les problèmes de phases décrit dans le présent exposé disparaissent. L'acquisition rendue synchrone du champ et insensible aux variations de phases induites par le transpondeur lors de ses déplacements. A la figure 9, à nouveau dans ce lecteur à détection synchrone numérique, le message E issu de l'antenne lecteur 4 est injecté à l'entrée d'un convertisseur analogique / numérique 14 destiné à échantillonner le signal E. Ce convertisseur sera choisi de façon à disposer d'une dynamique suffisante pour acquérir le message (12 bits). Le signal issu de la bobine additionnelle 8 après un étage d'adaptation de niveau 13 est également traité par un déphaseur passif ajustable destiné à compenser la partie fixe du déphasage lié à la chaîne d'acquisition. Ce signal est utilisé pour déclencher l'échantillonnage du convertisseur analogique numérique 14 au rythme de l'horloge capté du champ. Les échantillons acquis par le convertisseur à chaque déclenchement provoqué par l'entrée d'horloge sont disponibles sous forme numérique sur son bus de sortie 15, pour être traité par un moyen de traitement 16. Ce moyen de traitement peut être par exemple une unité de codage /décodage programmable (FPGA) ou un dispositif à microprocesseur. Compte tenu que le procédé selon l'invention consiste à asservir la démodulation au moyen d'une information provenant du champ magnétique H produit par l'antenne lecteur, d'autres modes de réalisation peuvent avantageusement être utilisés. En effet, la bobine additionnelle ( figure 6 - 3) peut être remplacée par un autre dispositif sensible non pas au champ magnétique H mais au champ électrique E. Dans ce cas, la bobine plate représentant un contour fermé devra être remplacée par une antenne dipôle sensible au champ électrique. Un étage d'adaptation et amplification sera alors nécessaire avant de ramener le signal à l'étage de démodulation. Un autre mode de réalisation consiste à prélever une partie du courant circulant dans le conducteur figure 6 - 1) qui forme l'antenne lecteur, par exemple au moyen d'une faible charge ( une résistance de très faible valeur 0,2 ohms et de ramener cette l'information de phase après adaptation à l'étage de démodulation. En effet le courant circulant dans le conducteur est en phase avec le champ magnétique H puisqu'il en est la source. Le procédé de l'invention peut ainsi compléter ceux décrits dans la norme ISO/IEC 10373-6 relatifs à des méthodes de test des produits sans contact afin de normaliser une référence de signal démodulé. Revendications 1. Procédé de démodulation de signaux d'un champ électromagnétique (H) induits par un transpondeur sans contact comprenant une étape selon laquelle les signaux du transpondeur sont détectés à des instants ou fréquence déterminés, caractérisé en ce que les instants ou fréquence de la détection sont synchronisés en phase avec le champ électromagnétique (H). 2. Procédé de démodulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour synchroniser, on capte le flux induit par le champ électromagnétique (H) dans une bobine additionnelle (4) et on utilise la phase du flux comme élément de synchronisation. 3. Procédé de démodulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour synchroniser, on capte la phase du courant générateur du champ électromagnétique et on l'utilise comme élément de synchronisation. 4. Procédé de démodulation selon l'une revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on détecte les signaux du transpondeur à une fréquence d'échantillonnage égale et en phase avec la fréquence du champ électromagnétique (H). 5. Procédé de démodulation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'on génère une horloge de synchronisation CLK à partir de la phase prélevée du champ électromagnétique ou de son courant générateur et on utilise cette horloge pour rythmer l'instant de détection des signaux. 6. Lecteur de transpondeur sans contact comprenant une antenne principale (4)d'émission / réception de champ électromagnétique, un démodulateur de signaux électromagnétiques comportant des moyens d'échantillonnage du signal électromagnétique selon une fréquence d'échantillonnage, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de synchronisation (8, 12-16, C2, Ml) aptes à rythmer et synchroniser en phase ladite fréquence d'échantillonnage du démodulateur de la même manière que la phase du champ électromagnétique. 7. Lecteur de transpondeur sans contact selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comportent une antenne additionnelle (8) apte à capter une partie du champ magnétique (H) utilisé par le transpondeur, et un circuit de commande d'échantillonnage (Vc, Ml) apte à générer un signal de commande de l'échantillonnage synchrone du champ électromagnétique (H) . 8. Lecteur de transpondeur sans contact selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comportent une antenne (4) sensible au champ électrique (E). 9. Lecteur de transpondeur sans contact selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de synchronisation comportent des moyens de dérivation de courant aptes à prélever une partie du courant circulant dans le conducteur formant l'antenne lecteur et d'en extraire une information de phase pour synchroniser l'échantillonnage. 10. Lecteur de transpondeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite antenne additionnelle (8)est désaccordée par rapport à l'antenne principale (4). 11. Lecteur de transpondeur selon quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le démodulateur est un démodulateur à détection synchrone. 12. Lecteur de transpondeur selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que la détection synchrone est numérique. 13. Démodulateur de signaux induits par un transpondeur sans contact dans un champ électromagnétique (H), ledit démodulateur comprenant un détecteur de signaux intervenant à des instants déterminés, des moyens d'asservissement de la détection à la phase du champ électromagnétique, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement assurent continuellement une synchronisation avec la phase.