(57)【要約】【課題】既存のリーダライタに対して簡単に設置できる信号処理装置を用いて、当該既存のリーダライタの通信距離を容易かつ十分に延長する。【解決手段】本発明の信号処理装置は、リーダライタから、非接触通信装置に送信される第１のデータで変調された第１の搬送波を、第１のアンテナを用いて受信し、前記第１の搬送波を増幅することにより第２の搬送波を生成し、前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調し、前記第１のデータで変調された前記第２の搬送波を、前記第２のアンテナを用いて前記非接触通信装置に送信し、前記非接触通信装置から、前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータを、前記第２のアンテナを用いて受信し、前記第２のデータに基づいて前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、前記第２のデータを前記リーダライタに送信する。【選択図】図５
2011215865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーダライタと、前記リーダライタと非接触通信する非接触通信装置との間に配置される信号処理装置であって、
前記リーダライタと非接触通信するための第１のアンテナと、
前記第１のアンテナに並設され、前記非接触通信装置と非接触通信するための第２のアンテナと、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間に配置され、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間で磁界を遮断する金属体と、
少なくとも外部電源から供給される外部電力を用いて搬送波を増幅する増幅部と、
前記搬送波を変調する変調部と、
前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調部と、
を備え、
前記リーダライタから、前記非接触通信装置に送信される第１のデータで変調された第１の搬送波を、前記第１のアンテナを用いて受信し、
前記増幅部により前記第１の搬送波を増幅することにより第２の搬送波を生成し、前記変調部により前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調し、
前記第１のデータで変調された前記第２の搬送波を、前記第２のアンテナを用いて前記非接触通信装置に送信し、
前記非接触通信装置から、前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータを、前記第２のアンテナを用いて受信し、
前記負荷変調部により前記第２のデータに基づいて前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、前記第２のデータを前記リーダライタに送信する、信号処理装置。
【請求項２】
前記第１のデータ及び前記第２のデータをデジタル処理するデジタル処理部をさらに備え、
前記デジタル処理部は、前記リーダライタから受信した前記第１のデータの通信方式を、前記リーダライタが対応する第１の通信方式から前記非接触通信装置が対応する第２の通信方式に変更し、
前記非接触通信装置から受信した前記第２のデータの通信方式を、前記非接触通信装置が対応する前記第２の通信方式から前記リーダライタが対応する前記第１の通信方式に変更する、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により前記第２のアンテナに生じる前記第２のデータの信号を検波する検波部と、
前記検波部により検波された前記第２のデータの信号を増幅する受信増幅部と、
をさらに備え、
前記リーダライタによる前記第２のデータの受信性能よりも高くなるように、前記検波部及び前記受信増幅部による前記第２のデータの受信性能が調整された、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記変調部により前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調するときの変調度が、前記信号処理装置の使用環境又は前記非接触通信装置の仕様に応じて、前記リーダライタにより前記第１のデータで前記第１の搬送波を変調するときの変調度とは異なる変調度に調整された、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記第１のアンテナと前記金属体との間に配置される第１の磁性体をさらに備える、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記第２のアンテナと前記金属体との間に配置される第２の磁性体をさらに備える、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記第１のアンテナで受信された前記第１の搬送波を整流する整流部をさらに備え、
前記増幅部は、前記外部電力と、前記整流部により前記第１の搬送波を整流することにより得られる内部電力とを用いて、前記第１の搬送波を増幅する、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項８】
前記第１及び第２のアンテナの通信面が前記リーダライタのアンテナの通信面に対して傾斜するように、前記信号処理装置が配置される、請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項９】
リーダライタと、前記リーダライタと非接触通信する非接触通信装置との間に配置される信号処理装置による信号処理方法において、
前記リーダライタから、前記非接触通信装置に送信される第１のデータで変調された第１の搬送波を、第１のアンテナを用いて受信するステップと、
少なくとも外部電源から供給される外部電力を用いて前記第１の搬送波を増幅することにより第２の搬送波を生成するステップと、
前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調するステップと、
前記第１アンテナとの間に金属体が介在するように前記第１のアンテナに並設された第２のアンテナを用いて、前記第１のデータで変調された前記第２の搬送波を、前記非接触通信装置に送信するステップと、
前記非接触通信装置から、前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータを、前記第２のアンテナを用いて受信するステップと、
前記第２のデータに基づいて前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、前記第２のデータを前記リーダライタに送信するステップと、
を含む、信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非接触ＩＣカードとリーダライタとの間でデータを非接触通信する通信システムは、例えば、店舗の決済端末、オフィスの入退室制御端末、交通機関の自動改札など、様々な用途で使用されている。これらの既に設置されて運用されている通信システム全体を変更したり、リーダライタの通信性能を変更したりするためには、リーダライタの改造作業や交換作業、その後の技術検討など、コスト及び作業負担の面で多大な投資が必要となる。
【０００３】
例えば、店舗に既設されているリーダライタの通信距離を延長したい場合や、通信エリアを水平方向に拡大したい場合は、リーダライタの交換若しくは改造という対応が必要となる。ところが、既存のリーダライタを交換する場合は、交換コストがかさんでしまう、また、リーダライタの交換により、リーダライタと上位装置との間の通信インターフェースの互換性がとれなくなるという不都合がある。また、リーダライタを改造する場合は、リーダライタ内部のアナログ回路やリーダライタの周辺環境による電磁気的な影響を考慮しなければならず、改造に技術的制約や検討事項が発生してくるという不都合がある。
【０００４】
このため、例えば特許文献１〜３には、既存のリーダライタの通信距離を延長したり、通信エリアを拡大したりするために、共振アンテナコイルからなるブースターアンテナを、リーダライタのアンテナと対面するように配置することが提案されている。該ブースターアンテナにより、リーダライタと非接触ＩＣカード間の磁界を共振させて共振回路のＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）を強めることにより、リーダライタの通信距離が延長される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２３０１９号公報
【特許文献２】特開２００８−３０６６８９号公報
【特許文献３】特開２０００−１３８６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１〜３記載の従来のブースターアンテナを用いてリーダライタの通信距離を延長する技術は、以下のような課題がある。
【０００７】
第１に、上記従来のブースターアンテナは、アンテナコイル同士の電磁結合及び共振現象により、リーダライタの磁界を増幅させている。このため、外来の金属体や、アンテナコイルの条件（例えば、アンテナのインダクタンスＬ、キャパシタンスＣや、アンテナの配置に応じて定まる結合係数Ｋ（ｄ）など）に起因して、リーダライタの通信距離が短くなるという問題が生じうる。この理由は、上記外来の金属体による磁束の減少（渦電流）や、アンテナコイル間の共振周波数のずれ（共振の劣化）、アンテナコイルの電磁結合の減少などが、リーダライタの通信距離に悪影響を及ぼすからである。
【０００８】
第２に、上記従来のブースターアンテナでは、既存のリーダライタのアンテナコイルの共振周波数やインダクタンス、キャパシタンス、アンテナ形状、結合度を測定し、その測定結果に基づき、ブースターアンテナのインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、結合係数Ｋ（ｄ）や、共振周波数を設計しなければならない。このため、ブースターアンテナ単独で各設計値を決定できず、既存のリーダライタや非接触ＩＣカードの測定値に応じた調整が必要となる。従って、既存のリーダライタと非接触ＩＣカードごとに個別に設計及び調整したブースターアンテナを設置しなければならないので、設置作業が繁雑かつ困難となる。
【０００９】
第３に、上記従来のブースターアンテナは、アンテナコイル間の共振回路や結合係数を強めることを利用してリーダライタの通信距離を延長するものであるため、通信距離の延長効果が低いという課題もある。例えば、特許文献２記載の技術では、数ｍｍ〜１５ｍｍ程度しか通信距離を延長することができない。さらに、リーダライタと非接触ＩＣカード間で既に共振回路が最大にまで調整されている場合、当然ながら、通信距離を延長することはできず、また、ブースターアンテナの配置作業が現実的には困難である場合がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、既存のリーダライタに対して簡単に設置でき、当該既存のリーダライタの通信距離を容易かつ十分に延長することが可能な、新規かつ改良された信号処理装置及び信号処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、リーダライタと、前記リーダライタと非接触通信する非接触通信装置との間に配置される信号処理装置であって、前記リーダライタと非接触通信するための第１のアンテナと、前記第１のアンテナに並設され、前記非接触通信装置と非接触通信するための第２のアンテナと、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間に配置され、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間で磁界を遮断する金属体と、少なくとも外部電源から供給される外部電力を用いて搬送波を増幅する増幅部と、前記搬送波を変調する変調部と、前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調部と、を備え、前記リーダライタから、前記非接触通信装置に送信される第１のデータで変調された第１の搬送波を、前記第１のアンテナを用いて受信し、前記増幅部により前記第１の搬送波を増幅することにより第２の搬送波を生成し、前記変調部により前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調し、前記第１のデータで変調された前記第２の搬送波を、前記第２のアンテナを用いて前記非接触通信装置に送信し、前記非接触通信装置から、前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータを、前記第２のアンテナを用いて受信し、前記負荷変調部により前記第２のデータに基づいて前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、前記第２のデータを前記リーダライタに送信する、通信補助装装置が提供される。
【００１２】
前記第１のデータ及び前記第２のデータをデジタル処理するデジタル処理部をさらに備え、前記デジタル処理部は、前記リーダライタから受信した前記第１のデータの通信方式を、前記リーダライタが対応する第１の通信方式から前記非接触通信装置が対応する第２の通信方式に変更し、前記非接触通信装置から受信した前記第２のデータの通信方式を、前記非接触通信装置が対応する前記第２の通信方式から前記リーダライタが対応する前記第１の通信方式に変更するようにしてもよい。
【００１３】
前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により前記第２のアンテナに生じる前記第２のデータの信号を検波する検波部と、前記検波部により検波された前記第２のデータの信号を増幅する受信増幅部と、をさらに備え、前記リーダライタによる前記第２のデータの受信性能よりも高くなるように、前記検波部及び前記受信増幅部による前記第２のデータの受信性能が調整されるようにしてもよい。
【００１４】
前記変調部により前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調するときの変調度が、前記信号処理装置の使用環境又は前記非接触通信装置の仕様に応じて、前記リーダライタにより前記第１のデータで前記第１の搬送波を変調するときの変調度とは異なる変調度に調整されるようにしてもよい。
【００１５】
前記第１のアンテナと前記金属体との間に配置される第１の磁性体をさらに備えるようにしてもよい。
【００１６】
前記第２のアンテナと前記金属体との間に配置される第２の磁性体をさらに備えるようにしてもよい。
【００１７】
前記第１のアンテナで受信された前記第１の搬送波を整流する整流部をさらに備え、前記増幅部は、前記外部電力と、前記整流部により前記第１の搬送波を整流することにより得られる内部電力とを用いて、前記第１の搬送波を増幅するようにしてもよい。
【００１８】
前記第１及び第２のアンテナの通信面が前記リーダライタのアンテナの通信面に対して傾斜するように、前記信号処理装置が配置されるようにしてもよい。
【００１９】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、リーダライタと、前記リーダライタと非接触通信する非接触通信装置との間に配置される信号処理装置による信号処理方法において、前記リーダライタから、前記非接触通信装置に送信される第１のデータで変調された第１の搬送波を、第１のアンテナを用いて受信するステップと、少なくとも外部電源から供給される外部電力を用いて前記第１の搬送波を増幅することにより第２の搬送波を生成するステップと、前記第１のデータで前記第２の搬送波を変調するステップと、前記第１アンテナとの間に金属体が介在するように前記第１のアンテナに並設された第２のアンテナを用いて、前記第１のデータで変調された前記第２の搬送波を、前記非接触通信装置に送信するステップと、前記非接触通信装置から、前記非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータを、前記第２のアンテナを用いて受信するステップと、前記第２のデータに基づいて前記第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、前記第２のデータを前記リーダライタに送信するステップと、を含む、信号処理方法が提供される。
【００２０】
上記構成によれば、信号処理装置において、第１のアンテナを用いて、リーダライタから第１のデータで変調された第１の搬送波が受信され、外部電力を用いて第１の搬送波が増幅することにより、第２の搬送波が生成され、第１の搬送波に含まれる第１のデータで第２の搬送波が変調され、第２のアンテナを用いて、第１のデータで変調された第２の搬送波が非接触通信装置に送信され、第２のアンテナを用いて、非接触通信装置から、該非接触通信装置のアンテナの負荷変調により返信される第２のデータが受信され、該第２のデータに基づいて第１のアンテナのインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、第２のデータがリーダライタに送信される。これにより、信号処理装置は、リーダライタから非接触通信装置に送信される送信データを、第１の搬送波よりも磁界強度が高い第２の搬送波を用いて非接触通信装置に再送信し、非接触通信装置から返信される返信データを、非接触通信装置と同様な方法でリーダライタに再返信することができる。このように、信号処理装置は、リーダライタと非接触通信装置の間の非接触通信を好適に中継して、両者間の通信距離を延長できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、既存のリーダライタに対して簡単に設置でき、当該既存のリーダライタの通信距離を容易かつ十分に延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る通信システムを示す概略図である。
【図２】同実施形態に係るリーダライタと非接触ＩＣカードを示す回路構成図である。
【図３】同実施形態に係る信号処理装置のアンテナ構成を示す斜視図である。
【図４】同実施形態に係る信号処理装置の電源構成を示すブロック図である。
【図５】同実施形態に係る信号処理装置の通信機能に関する構成を示すブロック図である。
【図６Ａ】同実施形態に係る信号処理装置による信号処理方法を示すフローチャートである。
【図６Ｂ】同実施形態に係る信号処理装置による信号処理方法を示すフローチャートである。
【図７】同実施形態に係る複数の信号処理装置をリーダライタに対して傾けて配置した通信システムを示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．非接触通信システムの概要
２．リーダライタと非接触ＩＣカードの構成
３．信号処理装置の構成
３．１．信号処理装置のアンテナ構成
３．２．信号処理装置の電源構成
３．３．信号処理装置の通信機能の構成
３．４．信号処理装置によるリーダライタの通信仕様の変更
４．信号処理方法
５．応用例
６．まとめ
【００２５】
［１．非接触通信システムの概要］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係る信号処理装置が用いられる通信システムの概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る通信システムを示す概略図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施形態に係る通信システムは、リーダライタ１と、非接触ＩＣカード２等の非接触通信装置とが非接触通信するためのシステムである。非接触通信は、所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４．９１５ＭＨｚ）の高周波磁界を媒体として用いた近距離無線通信（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ：ＮＦＣ）である。この非接触通信は、例えば、通信距離が２ｍｍ程度までの密着型（国際規格：ＩＳＯ／ＩＥＣ１０５３６）、数ｃｍ〜１０ｃｍ程度の近接型（国際規格：ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３）、５０ｃｍ〜１ｍ程度の近傍型（国際規格：ＩＳＯ／ＩＥＣ１５６９３）のＮＦＣを含む。
【００２７】
なお、以下の説明では、最も多用されている近接型の非接触通信装置として、非接触ＩＣカード２を用いる例について説明するが、本発明はかる例に限定されない。本発明の非接触通信装置は、非接触通信回路とアンテナコイルを用いた非接触通信機能を備えた装置であれば、例えば、ＲＦＩＤタグ、携帯端末（例えば、携帯型音楽／映像プレーヤ、携帯型ゲーム機、ＩＣレコーダ、ＰＤＡ）、ゲーム機、撮像装置（例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ）、電子財布、パーソナルコンピュータなど、任意の電子機器に適用できる。また、
【００２８】
図１Ａに示すように、リーダライタ１は、非接触ＩＣカード２と非接触通信することで、非接触ＩＣカード２からデータを読み出したり、非接触ＩＣカード２にデータを書き込んだりするための装置である。かかるリーダライタ１は、非接触ＩＣカード２と非接触通信するためのアンテナ１１と、アンテナ１１に接続されたＲＦ基板１２とを備えている。アンテナ１１は、例えば、金属製のアンテナコイルからなるループアンテナであり、ＲＦ信号となる電磁界を発生させる。
【００２９】
リーダライタ１は、上位制御装置３（ホスト装置）と有線接続されるとともに、交流電源、バッテリ等の外部電源４にも接続されている。リーダライタ１は、上位制御装置３により制御され、外部電源４からの電力を用いて通信動作を行う。非接触ＩＣカード２の用途の多様化に伴って、リーダライタ１が搭載される上位制御装置３（ホスト装置）の種類も多様化している。上位制御装置３は、例えば、自動改札機、店舗に設置される会計装置、入退室管理装置、パーソナルコンピュータ、情報家電、携帯端末、各種の商品や乗車券用の自動販売機、ＰＯＳ端末、キオスク端末、金融機関のＡＴＭなど、様々な端末装置として利用される。なお、リーダライタ１は、これらの上位制御装置３に内蔵されてもよいし、外付けされてもよい。
【００３０】
非接触ＩＣカード２は、ユーザが携帯可能な大きさを有するカード型の非接触通信装置である。非接触ＩＣカード２は、薄型のカード外装内に、リーダライタ１と非接触通信するためのアンテナ２１と、所定の演算処理を実行可能な集積回路（ＩＣ）が搭載されたＩＣチップ２２とを備えている。非接触ＩＣカード２のアンテナ２１も、上記リーダライタ１のアンテナ１１と同様、例えば、金属製のアンテナコイルからなるループアンテナである。
【００３１】
かかる非接触ＩＣカード２は、リーダライタ１との間で、電磁波を用いて非接触通信することが可能である。従って、非接触ＩＣカード２を、リーダライタ１の通信可能範囲内（リーダライタ１が発する電磁波の有効範囲内）に位置づける、即ち、非接触ＩＣカード２をリーダライタ１にかざすだけで、リーダライタ１は非接触ＩＣカード２内のデータを読み書きすることができる。かかる非接触ＩＣカード２は、リーダライタ１にかざすだけでデータ通信できるので使い易く、迅速にデータを送受信でき、改造・変造しにくいため安全性が高く、データを書き換えることでカード自体を何度も再利用可能であるといった利点がある。そのため、非接触ＩＣカード２の用途は多様化しており、例えば、電子マネーカード、交通機関カード、個人認証用カード、ポイントカード、クーポンカード、電子チケットカード、電子決済カードなどに用いられている。
【００３２】
上記リーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間で行われる非接触通信は、例えば数ｃｍ〜１０ｃｍ程度の近接無線通信である。かかる非接触通信は、例えば、キャリア（搬送波）として所定周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の周波数帯を利用し、２１２ｋｂｐｓの通信速度で行われ、副搬送波を使用しない対称通信である。また、変調方式としては、例えば、ＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）変調方式、符号化方式としては、例えばマンチェスター符号化方式を使用できる。このような非接触通信によって、例えば、リーダライタ１が上位制御装置３からの命令に従って非接触ＩＣカード２に対して各種のコマンドを発行し、非接触ＩＣカード２がこのコマンドに対して応答する方式でトランザクションが繰り返され、所定のサービスに関する情報が送受信される。
【００３３】
ここで、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間の非接触通信動作について説明する。まず、リーダライタ１のＲＦ基板１２は、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電磁波からなるキャリアを送信データで変調し、該変調したキャリアを、アンテナ１１を用いて送信する。ここで、送信データは、リーダライタ１から非接触ＩＣカード２に送信されるデータ（第１のデータ）であり、例えば、各種のコマンドやサービスデータである。
【００３４】
次いで、非接触ＩＣカード２のＩＣチップ２２は、リーダライタ１から送信されたキャリアをアンテナ２１で受信し、当該アンテナ２１に誘起した受信電圧の直流成分を駆動電圧として利用し、受信電圧の交流成分を送信データとして取り出す。そして、非接触ＩＣカード２のＩＣチップ２２は、この送信データに基づいて所定の処理を行い、リーダライタ１に返信する返信データを生成する。ここで、返信データは、非接触ＩＣカード２からリーダライタ１に返信されるデータ（第２のデータ）であり、例えば、各種のコマンドやサービスデータである。
【００３５】
さらに、非接触ＩＣカード２のＩＣチップ２２は、該返信データに基づいてアンテナ２１のインピーダンス（負荷）を変化（例えばオン／オフ）させる負荷変調を行う。この結果、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１に流れる電流によって反磁界が発生し、該反磁界は、リーダライタ１のアンテナ１１内を通過すると、電流に変換され、アンテナ１１に流れる電流に重畳される。リーダライタ１のＲＦ基板１２は、当該アンテナ１１に流れる電流の微細な変化を検波することで、非接触ＩＣカード２からの返信データを得ることができる。
【００３６】
このように、非接触ＩＣカード２は、リーダライタ１から発生されるキャリアの電磁界を電力に変換して電源として利用するとともに、アンテナ２１を用いた負荷変調により、リーダライタ１に対して応答信号（返信データ）を返信する。このため、非接触ＩＣカード２は、電源を具備していなくとも、リーダライタ１と通信することが可能である。
【００３７】
以上のような通信システムでは、リーダライタ１のアンテナ１１から送信されるキャリアの磁界強度を高めれば、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信距離が延びる。しかし、図１Ａに示すように、既存のリーダライタ１の通信距離は、該リーダライタ１の通信性能（例えばＲＦ基板１２の増幅回路のスペックやアンテナ１１のＱやインダクタンスなど）により限られており、所定の通信距離（例えば５０ｍｍ）内に位置づけられた非接触ＩＣカード２としか通信することができない。既存のリーダライタ１の通信距離を事後的に向上させる方法としては、リーダライタ１を改造や交換することが考えられるが、この場合には、当該改造や交換に伴うコストがかさんでしまう。
【００３８】
そこで、本実施形態では、図１Ｂに示すように、既存のリーダライタ１を改造や交換することなく、当該リーダライタ１の通信性能を高めるために、既存の低通信性能のリーダライタ１の周辺に信号処理装置１０を事後的に追加設置する。この信号処理装置１０は、既存のリーダライタ１に対して事後的に追加設置されるアダプタ式の通信補助処理装置である。当該信号処理装置１０は、当該既存のリーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間の通信を補助する機能と、当該既存のリーダライタ１の通信性能（例えば、通信距離、受信性能、送信データの変調度など）や通信方式（例えば、通信規格、ビットレートなど）を変更する機能を有する。
【００３９】
かかる信号処理装置１０は、リーダライタ１の通信可能範囲内に設置される。このとき、信号処理装置１０は、リーダライタ１の外装に接触するようにリーダライタ１に取り付けられてもよいし、リーダライタ１の外装から所定距離だけ離隔して配置されてもよい。さらに、信号処理装置１０は、上記外部電源４と接続されており、外部電源４から供給される電力を用いて動作する。なお、本実施形態では、リーダライタ１と信号処理装置１０は、同一の外部電源４に接続されているが、別々の電源にそれぞれ接続されてもよい。
【００４０】
また、上記信号処理装置１０は、リーダライタ１と非接触通信する機能と、該信号処理装置１０にかざされた非接触ＩＣカード２とも非接触通信する機能を兼備する。このために、非接触ＩＣカード２は、リーダライタ１と非接触通信するための第１のアンテナと、非接触ＩＣカード２と非接触通信するための第２のアンテナを具備している（後述する図４〜図６参照。）。当該信号処理装置１０は、当該両アンテナを用いて、リーダライタ１及び非接触ＩＣカード２とそれぞれ独立的に非接触通信し、該リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の非接触通信を中継する機能を有する。
【００４１】
具体的にはまず、信号処理装置１０は、第１のアンテナを用いて、リーダライタ１から、非接触ＩＣカード２に対する送信データで変調された第１のキャリア（第１の搬送波）を受信し、該第１のキャリアを復調して送信データを得る。次いで、信号処理装置１０は、該第１のキャリアの信号を増幅して第２のキャリア（第２の搬送波）の信号を生成するとともに、該第２のキャリアを上記送信データで変調したＲＦ信号を、第２のアンテナを用いて非接触ＩＣカード２に送信する。さらに、非接触ＩＣカード２から、負荷変調により、上記送信データに対する返信データが送信されると、信号処理装置１０は、当該返信データを第２のアンテナを用いて受信し、該返信データに基づいて第１のアンテナの負荷変調を行い、該返信データをリーダライタ１に返信する。
【００４２】
このように、信号処理装置１０は、リーダライタ１から送信された送信データを非接触ＩＣカード２に再送信するとともに（リピート送信）、非接触ＩＣカード２から返信された返信データをリーダライタ１に再返信する（リピート返信）。このとき、信号処理装置１０は、外部電源４からの電力を用いて、リーダライタ１からの第１のキャリアを増幅して、強い磁界強度の第２のキャリアを非接触ＩＣカード２に送信する。これにより、信号処理装置１０は、リーダライタ１の通信性能を補強して、リーダライタ１の通信距離を延長することができる。例えば、図１Ａに示したように、既存のリーダライタ１の通信距離が５０ｍｍである場合でも、該リーダライタ１の周辺に信号処理装置１０を設置するだけで、図１Ｂに示すように、リーダライタ１の通信距離を１００ｍｍ以上延長することが可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係る信号処理装置１０は、外部電源４を用いてリーダライタ１の通信性能等を能動的に変更することができる。従って、リーダライタ１や非接触ＩＣカード２のスペック（例えば、アンテナのインダクタンスやキャパシタンス等）や共振周波数にかかわらず、該信号処理装置１０を単純にリーダライタ１の近傍に設置するだけで、既存のリーダライタ１の通信性能や通信方式を容易に変更することができる。
【００４４】
このように本実施形態に係る信号処理装置１０は、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間に介在し、両者のＲＦ信号を中継して、リーダライタ１の通信性能や通信方式ら主体的に変更する能動的な装置であり、当該変更機能を実行するためのＩＣ等の制御回路を具備している。これに対し、上記特許文献１〜３に記載された従来のブースターアンテナは、あくまでも単純な電気部品（リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の共振現象を利用して通信距離を延ばすためのインダクタ及びキャパシタ等）のみを具備した受動的な装置であり、本実施形態に係る信号処理装置１０とは相違する。なお、本実施形態に係る信号処理装置１０の構成の詳細については後述する。
【００４５】
［２．リーダライタと非接触ＩＣカードの構成］
次に、図２を参照して、本実施形態に係るリーダライタ１と非接触ＩＣカード２の構成について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係るリーダライタ１と非接触ＩＣカード２を示す回路構成図である。
【００４６】
まず、リーダライタ１の構成について説明する。図２に示すように、リーダライタ１は、概略的にはアンテナ１１とＲＦ基板１２とを備える。
【００４７】
アンテナ１１は、例えば、ＲＦ信号を送受信するためのループアンテナで構成され、所定のインダクタンスを有するコイルＬ３（インダクタ）と、所定の静電容量を有するキャパシタＣ３を備える。アンテナ１１は、キャリア信号生成部１３が生成したキャリア信号に応じたキャリアを非接触ＩＣカード２に送信し、非接触ＩＣカード２からの応答信号を受信する。図２の例のアンテナ１１は、コイルＬ３とキャパシタＣ３とからなる共振回路で構成されているが、さらに抵抗Ｒを備えてもよい。
【００４８】
次に、リーダライタ１のＲＦ基板１２の各部について説明する。ＲＦ基板１２は、キャリア信号生成部１３と、復調部１４と、制御／データ処理部１５と、記憶部１６を備える。
【００４９】
キャリア信号生成部１３は、制御／データ処理部１５からのキャリア信号生成命令を受け、該命令に応じたキャリア信号を生成する。図２の例では、キャリア信号生成部１３は、発振器１３３からのキャリア信号を送信データでＡＳＫ変調する変調回路１３１と、該変調回路１３１から出力されたキャリア信号を増幅する増幅回路１３２とから構成されている。なお、キャリア信号生成部１３が生成するキャリア信号には、例えば、非接触ＩＣカード２に対する各種処理命令や処理するデータ（送信データ）を含めることができる。
【００５０】
復調部１４は、例えば、アンテナ１１のアンテナ端における電圧の振幅変化を包絡線検波し、検波した信号を増幅器により２値化することによって、非接触ＩＣカード２からの応答信号を復調する。なお、復調部１４は、例えば、アンテナ１１のアンテナ端における電圧の位相変化を用いて応答信号を復調することもできる。なお、図２では示していないが、アンテナ１１と復調部１４との間にフィルタリングを行うためのフィルタ回路を設けてもよい。
【００５１】
制御／データ処理部１５は、例えば、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算処理装置で構成される。制御／データ処理部１５は、例えば、上位制御装置３と接続されており、上位制御装置３からの指示に応じて、リーダライタ１の各種動作を制御する。また、制御／データ処理部１５は、復調部１４が復調したデータを上位制御装置３へ送信し、また、該データに基づいてキャリア信号生成命令を生成する。
【００５２】
記憶部１６は、制御／データ処理部１５を動作させるためのプログラム、上位制御装置３や非接触ＩＣカード２から取得したデータ、制御／データ処理部１５によって演算されたデータなどといった各種データを記憶する。記憶部１６は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、フラッシュメモリ（ｆｌａｓｈ  ｍｅｍｏｒｙ）などの不揮発性メモリ（ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  ｍｅｍｏｒｙ）とを備える。ＲＯＭは、制御／データ処理部１５が使用するプログラムや演算パラメータなどの制御用データを記憶する。ＲＡＭは、制御／データ処理部１５により実行されるプログラム、演算結果、実行状態などのデータを一次記憶する。不揮発性メモリは、非接触通信を用いた各種サービスに関するデータなどを保存する。
【００５３】
なお、リーダライタ１は、上位制御装置３などの外部装置と接続するための不図示のインターフェースを備えている。該インターフェースは、例えば、ＵＡＲＴ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｒｅｃｅｉｖｅｒ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）や、ネットワーク端子などである。
【００５４】
次に、引き続き図２を参照して、非接触ＩＣカード２の構成について説明する。図２に示すように、非接触ＩＣカード２は、概略的にはアンテナ２１とＩＣチップ２２とを備える。
【００５５】
アンテナ２１は、ＲＦ信号を送受信するためのループアンテナで構成され、所定のインダクタンスを有するコイルＬ１（インダクタ）と、所定の静電容量を有するキャパシタＣ１を備える。このように、図２の例のアンテナ２１は、コイルＬ１とキャパシタＣ１とからなる共振回路で構成されているが、さらに抵抗Ｒを備えてもよい。該アンテナ２１は、キャリアの受信に応じて電磁誘導により誘起電圧を生じさせ、所定の共振周波数で誘起電圧を共振させた受信電圧を出力する。ここで、アンテナ２１における共振周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚなどキャリアの周波数に合わせて設定される。かかる構成のアンテナ２１は、リーダライタ１からキャリアを受信する。また、アンテナ２１は、ＩＣチップ２２の負荷変調部２９による負荷変調によって、応答信号をリーダライタ１に送信する。リーダライタ１は、当該負荷変調によって生じるアンテナ２１のインピーダンスの変化を、非接触ＩＣカード２からの応答信号として検出する。
【００５６】
次に、非接触ＩＣカード２のＩＣチップ２２の各部について説明する。ＩＣチップ２２は、キャリア検出部２３と、整流部２４と、レギュレータ２５と、復調部２６と、データ処理部２７と、記憶部２８と、負荷変調部２９とを備える。なお、図２では示していないが、ＩＣチップ２２は、例えば、過電圧や過電流がデータ処理部２７に印加されることを防止するための保護回路（図示せず。）をさらに備えてもよい。該保護回路としては、例えば、ダイオード等で構成されたクランプ回路を用いることができる。
【００５７】
キャリア検出部２３は、アンテナ２１から伝達される受信電圧に基づいて、例えば矩形の検出信号を生成し、当該検出信号をデータ処理部２７へ伝達する。データ処理部２７は、上記検出信号をデータ処理のための処理クロックとして用いる。ここで、上記検出信号は、アンテナ２１から伝達される受信電圧に基づくものであるので、リーダライタ１から送信されるキャリアの周波数と同期することとなる。従って、非接触ＩＣカード２は、キャリア検出部２３を備えることによって、各種の処理をリーダライタ１と同期して行うことができる。
【００５８】
整流部２４は、例えば、上記コイルＬ１に直列接続されるダイオードＤ１と、コイルＬ１に並列接続されるキャパシタＣ２とから構成される。該整流部２４は、アンテナ２１で受信したキャリアの受信電圧を整流する。レギュレータ２５は、整流部２４により整流された受信電圧を平滑、定電圧化し、駆動電圧としてデータ処理部２７に出力する。このように、レギュレータ２５は、該受信電圧の直流成分から、データ処理部２７の駆動電圧を生成する。
【００５９】
復調部２６は、整流部２４により整流された受信電圧に基づいて、リーダライタ１から送信されたキャリア信号を復調して、該キャリア信号に含まれる送信データ（例えば、ハイレベルとローレベルとの２値化されたデータ信号）を出力する。このように、復調部２６は、当該受信電圧の交流成分に基づいて、リーダライタ１から送信されたキャリアに含まれる送信データを得る。
【００６０】
データ処理部２７は、例えば、ＭＰＵなどの演算処理装置で構成される。データ処理部２７は、レギュレータ２５から出力される駆動電圧を電源として駆動し、復調部２６において復調されたデータを処理する。また、データ処理部２７は、処理結果に応じて、リーダライタ１に応答信号（返信データ）を送信するために、負荷変調部２９による負荷変調を制御するための制御信号を生成して、負荷変調部２９に出力する。
【００６１】
記憶部２８は、データ処理部２７を動作させるためのプログラム、リーダライタ１から取得したデータ、データ処理部２７によって演算されたデータなどといった各種データを記憶する。記憶部２８は、例えば、ＲＯＭと、ＲＡＭと、不揮発性メモリとを備える。ＲＯＭは、データ処理部２７が使用するプログラムや演算パラメータなどの制御用データを記憶する。ＲＡＭは、データ処理部２７により実行されるプログラム、演算結果、実行状態などのデータを一次記憶する。不揮発性メモリは、非接触通信を用いた各種サービスに関するデータなどを保存する。不揮発性メモリとしては、例えば、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ  ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などが用いられる。
【００６２】
負荷変調部２９は、非接触ＩＣカード２からリーダライタ１に対する応答信号に応じて、アンテナ２１の負荷（インピーダンス）を変化させる負荷変調を行う。ここで、負荷変調は、非接触ＩＣカード２がリーダライタ１に、返信データを表す応答信号を送信するために、非接触ＩＣカード２がアンテナ２１のインピーダンス（負荷）を選択的に変化させる変調方式である。
【００６３】
詳細には、負荷変調部２９は、例えば、アンテナ２１の共振回路と並列に接続される負荷ＺとスイッチＳＷ１を備える。負荷Ｚは、例えば、所定の抵抗値を有する抵抗で構成される。また、スイッチＳＷ１は、例えば、ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成される。負荷変調部２９は、データ処理部２７からの制御信号に基づき、スイッチＳＷ１を用いて負荷Ｚをオン／オフする。これにより、アンテナ２１のコイルＬ１に流れる電流が変化するため、電磁誘導により該アンテナ２１から反磁界が発生する。かかる反磁界により、非接触ＩＣカード２からリーダライタ１に応答信号（返信データ）が送信される。リーダライタ１は、当該反磁界の影響によってアンテナ１１のアンテナ端に生じる電圧の変化を検出することによって、上記非接触ＩＣカード２から送信された応答信号を受信する。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態に係る通信システムでは、リーダライタ１がキャリアを送信し、非接触ＩＣカード２が負荷変調を行うことによって、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間で非接触通信が行われる。なお、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間の通信効率は、例えば、リーダライタ１のアンテナ１１を構成するコイルＬ３と、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１を構成するコイルＬ１との結合係数Ｋ（ｄ）によって変動する。具体的には、当該通信効率は、例えば、結合係数Ｋ（ｄ）に比例する。ここで、ｄは、コイルＬ３とコイルＬ１の間の距離を表し、結合係数Ｋ（ｄ）は、距離ｄに反比例し、透磁率μｘに比例する。
【００６５】
［３．信号処理装置の構成］
次に、本実施形態に係る信号処理装置１０の構成について説明する。以下では、説明の便宜上、信号処理装置１０のアンテナ構成、電源構成、通信機能に関する構成の順で説明する。
【００６６】
［３．１．信号処理装置のアンテナ構成］
まず、図３を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０のアンテナ構成について説明する。図３は、本実施形態に係る信号処理装置１０のアンテナ構成を示す斜視図である。
【００６７】
図３に示すように、本実施形態に係る信号処理装置１０は、２つのアンテナ３１、３２を備えており、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２それぞれに対して独立的に非接触通信することができる。アンテナ３１（第１のアンテナ）は、リーダライタ１と非接触通信するためのアンテナであり、信号処理装置１０のリーダライタ１側に、該リーダライタ１のアンテナ１１と対向するように配置される。一方、アンテナ３２（第２のアンテナ）は、非接触ＩＣカード２と非接触通信するためのアンテナであり、信号処理装置１０のリーダライタ１とは反対側（つまり、非接触ＩＣカード２がかざされる側）に、リーダライタ１にかざされた非接触ＩＣカード２のアンテナ２１と対向するように配置される。
【００６８】
アンテナ３１、３２はそれぞれ、ＲＦ信号を送受信するためのループアンテナで構成される。アンテナ３１は、所定のインダクタンスを有するコイルＬ１０と、所定の静電容量を有するキャパシタＣ１０とを備え、該キャパシタＣ１０は、該コイルＬ１０の端部に、該コイルＬ１０と並列に接続されている。同様に、アンテナ３２も、所定のインダクタンスを有するコイルＬ１１と、所定の静電容量を有するキャパシタＣ１１とを備え、該キャパシタＣ１１は、該コイルＬ１１の端部に、該コイルＬ１１と並列に接続されている。
【００６９】
アンテナ３１とアンテナ３２は、信号処理装置１０の下面側と上面側に並設されており、２つのアンテナ３１、３２の通信面（即ち、アンテナ３１、３２のコイルＬ１０、Ｌ１１が巻回されたループ面）が相互に平行となるように配置される。当該アンテナ３１、３２の通信面は、リーダライタ１のアンテナ１１の通信面（アンテナ１１のコイルＬ３が巻回されたループ面）とも平行である。さらに、かかるアンテナ３１とアンテナ３２の間には、該アンテナ３１とアンテナ３２の間の空間を分断する１つの金属体３３及び２つの磁性体３４、３５が配置されている。
【００７０】
金属体３３は、例えば、少なくともアンテナ３１、３２のループ面よりも大きい面積を有する金属製の平板であり、アンテナ３１とアンテナ３２の間で磁界を遮断する機能を有する。金属体３３は、例えば、金属、金属性繊維、又は、金属と他の材料を組み合わせた材料からなる。この金属体３３は、金属材質であるので、金属体３３の両側の磁界を遮断する作用を奏する。
【００７１】
かかる金属体３３をアンテナ３１、３２の間に介在させることにより、リーダライタ１のアンテナ１１から発生する第１のキャリアの磁界３６と、信号処理装置１０のアンテナ３１から発生する第２のキャリアの磁界３７を遮断することができる。つまり、信号処理装置１０の２つのアンテナ３１、３２のうち、アンテナ３１は、第１のキャリアの磁界３６によりリーダライタ１のアンテナ１１と電磁結合し、アンテナ３２は、第２のキャリアの磁界３７により非接触ＩＣカード２のアンテナ２１と電磁結合する。ここで、信号処理装置１０が、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２それぞれと独立的に非接触通信するためには、上記２つのアンテナ３１、３２の電磁結合を分離する必要がある。そこで、２つのアンテナ３１、３２の間に上記金属体３３を挟むことにより、これら２つアンテナ３１、３２の電磁結合を切り離すことが可能となる。
【００７２】
これにより、リーダライタ１がアンテナ１１を用いて発生させた第１のキャリアの磁界３６は、信号処理装置１０のリーダライタ１側のアンテナ３１にのみ作用し、非接触ＩＣカード２側のアンテナ３２や、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１に作用しない。従って、当該第１のキャリアの磁界３６により、当該アンテナ３２及びアンテナ２１が誘起しないので、該磁界３６によって、アンテナ３２を用いた信号処理装置１０と非接触ＩＣカード２との通信を阻害しないようにすることができる。一方、非接触ＩＣカード２と通信するために信号処理装置１０がアンテナ３２を用いて発生させた第２のキャリアの磁界３７は、リーダライタ１側のアンテナ３１に作用しない。よって、当該第２のキャリアの磁界３７により、当該アンテナ３１及びアンテナ１１が誘起しないので、該磁界３７によって、アンテナ３１を用いた信号処理装置１０とリーダライタ１との通信を阻害しないようにすることができる。よって、上記金属体３３を配置することで、２つの磁界３６、３７の相互干渉を防止できるので、信号処理装置１０は、上記２つのアンテナ３１、３２を用いてリーダライタ１及び非接触ＩＣカード２それぞれと好適に通信することができる。
【００７３】
次に、磁性体３４、３５について説明する。上記のように、金属体３３により、２つのアンテナ３１、３２相互の電磁結合を分離でき、かつ、２つの磁界３６、３７を遮断することができる。しかし、アンテナ３１、３２の直上又は直下に金属体３３が存在するため、アンテナ３１とリーダライタ１のアンテナ１１間の電磁結合、及びアンテナ３２と非接触ＩＣカード２のアンテナ２１間との電磁結合も減衰してしまう。
【００７４】
そこで、かかる問題を解決するために、図３に示すように、金属体３３の両側に２つの磁性体３４、３５をそれぞれ配置する、つまり、アンテナ３１と金属体３３の間に第１の磁性体３４を配置し、該金属体３３とアンテナ３２の間に第２の磁性体３５を配置する。この結果、リーダライタ１側から順に、アンテナ３１、磁性体３４、金属体３３、磁性体３５、アンテナ３２が重畳配置された構造となる。
【００７５】
磁性体３４、３５は、例えば、磁性材料を粉砕した後にシート状に圧縮形成したもの、又は、樹脂層の中に軟磁性材料の粉末を混入させた磁性シート（例えば、軟磁性フェライトゴムシート）などで構成される。磁性材料は、粉体間の電気抵抗が大きく渦電流損が小さい材料であり、例えば、軟磁性フェライト、アモルファス合金、パーマロイ、珪素鋼、センダスト合金等の軟磁性材料を用いることが好ましいが、かかる例に限定されない。また、磁性体３４、３５は、上記平板状の金属体３３の両面に貼り付けられてもよいし、金属体３３から所定距離だけ離隔して配置されてもよい。
【００７６】
かかる磁性体３４、３５は、アンテナ２１、３２のコイルＬ３、Ｌ１１から発生する磁界３６、３７の磁束を収束させて、アンテナ３１、３２付近に集める作用を奏する。例えば、磁性体３４は、リーダライタ１のアンテナ１１からアンテナ３１に達した磁界３６の磁束を曲げて、アンテナ３１に収束させる。また、磁性体３５は、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１からアンテナ３２に達した反磁界３８の磁束を曲げて、アンテナ３２に収束させる。
【００７７】
このように、磁性体３４、３５を設置することにより、磁界３６、３７の磁束をアンテナ３１、３２に収束させ、金属体３３によるアンテナ１１、３１間の電磁結合及びアンテナ２１、３２間の電磁結合の減衰を、軽減することが可能となる。従って、信号処理装置１０のアンテナ３１、３２と、リーダライタ１のアンテナ１１及び非接触ＩＣカード２のアンテナ２１との電磁結合を強めることができるので、信号処理装置１０とリーダライタ１及び非接触ＩＣカード２の間で、好適に磁界３６、３７、３８、３９を供給してデータを送受信することが可能となる。
【００７８】
ここで、本実施形態に係る信号処理装置１０のアンテナ構造と、通信距離を延長するための従来のブースターアンテナの構造を比較する。上記特許文献１〜３記載の従来技術では、共振回路のＱを強くするためや、結合係数を高くするために、ブースターアンテナと言われる補助アンテナを用いている。ブースターアンテナは、リーダライタ１や非接触ＩＣカード２それぞれのアンテナ１１、２１のインダクタンス、キャパシタンスに、ブースターアンテナのインダクタンス、キャパシタンスを結合させることにより、共振回路のＱを高めたり、電磁結合を高めている。
【００７９】
このため、従来のブースターアンテナのインダクタンス、キャパシタンス等の値は、該ブースターアンテナ単独では決定できず、リーダライタ１や非接触ＩＣカード２のインダクタンス、キャパシタンス、結合度等の値に応じて、調整する必要があった。このため、既存のリーダライタ１ごとに個別に設計及び調整したブースターアンテナを設置しなければならないので、設置作業が繁雑かつ困難という課題があった。さらに、従来のブースターアンテナは、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２のアンテナコイルの共振や電磁結合現象を利用してリーダライタ１の通信距離を延長するものであるため、通信距離の延長効果が低かった。また、共振回路が最大にまで調整されているリーダライタ１や非接触ＩＣカード２に対しては、従来のブースターアンテナを設置しても、通信距離を延長する効果がほとんど無いという課題もあった。
【００８０】
これに対し、本実施形態に係る信号処理装置１０では、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２それぞれに対応する独立したアンテナ３１、３２を有する構造である。従って、アンテナ３１、３２の設計をするに当たり、リーダライタ１及び非接触ＩＣカード２のアンテナ１１、２１のインダクタンス、キャパシタンスが既知である必要がない。これにより、リーダライタ１との通信用のアンテナ３１については、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１の設計と同様に、独立したアンテナとして設計できる。また、非接触ＩＣカード２との通信用のアンテナ３２も、リーダライタ１のアンテナ１１の設計と同様に、独立したアンテナとして設計できる。
【００８１】
このとき、非接触ＩＣカード２側に面しているアンテナ３２については、該アンテナ３１から所定のキャリア周波数の強い電磁界を発生させるために、該キャリア周波数に合わせて、アンテナ３２の共振周波数が設計される。なお、通信対象となる非接触ＩＣカード２のタイプによっては、アンテナ３２の共振周波数をキャリア周波数からシフトさせてもよい。一方、リーダライタ１側に面しているアンテナ３１については、信号処理装置１０をリーダライタ１に密接させたり、又は、遠方に設置したりする場合があるので、それぞれの設置状況に合わせ、キャリアの磁界強度や電力、キャリア変調波形が最適になるように、アンテナ３１の共振周波数が調整される。この共振周波数の調整は、可変容量キャパシタを用いることで容易に実施できる。
【００８２】
以上により、本実施形態に係る信号処理装置１０のアンテナ構造によれば、信号処理装置１０の設置作業を容易にすることが可能である。また、本実施形態に係る信号処理装置１０では、相互干渉しない２つのアンテナ３１、３２を用いて、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信を、それぞれ独立した特性で利用できるので、リーダライタ１の通信距離の延長効果が高いという利点もある。
【００８３】
［３．２．信号処理装置の電源構成］
次に、図４を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０の電源構成について説明する。図４は、本実施形態に係る信号処理装置１０の電源構成を示すブロック図である。
【００８４】
図４に示すように、信号処理装置１０は、該装置内に電力を供給するための構成として、整流回路４１と、電力生成回路４２とを備える。整流回路４１は、本発明の整流部の一例であり、アンテナ３１で受信した第１のキャリアの信号を整流することにより、内部電力を生成する機能を有する。整流回路４１は、リーダライタ１と通信するためのアンテナ３１と接続されている。電力生成回路４２は、該整流回路４１及び外部電源４と接続され、キャリア送信用の増幅回路５０を含む信号処理装置１０の各部に電力を供給する。
【００８５】
整流回路４１は、アンテナ３１で受信した第１のキャリアの受信電圧を整流する機能を有する。この整流回路４１は、例えば図２に示した整流部２４と同様に、上記アンテナ３１のコイルＬ１０に直列接続されるダイオード（図示せず。）と、コイルＬ１０に並列接続されるキャパシタ（図示せず。）とから構成される。上記のように、アンテナ３１がリーダライタ１のアンテナ１１から発生する第１のキャリアの磁界３６を受信すると、整流回路４１は、該アンテナ３１に誘起した受信電圧を整流する。該整流回路４１により整流された受信電圧は、不図示の平滑回路（例えばレギュレータ）により平滑、定電圧化され、電力生成回路４２に出力される。このようにして、リーダライタ１からの磁界３６を利用して、信号処理装置１０内で使用される駆動電圧（内部電力）が生成される。
【００８６】
電力生成回路４２は、上記リーダライタ１からの磁界３６を利用して生成された内部電力と、外部電源４から供給された外部電力とを混合して、信号処理装置１０内で使用する電力を生成する。また、電力生成回路４２は、当該生成した電力を、キャリア送信用の増幅回路５０、その他の回路に出力する。信号処理装置１０の各部は、該電力生成回路４２から出力される電力を電源として駆動する。例えば、増幅回路５０は、外部電源４から供給される外部電力と、アンテナ３１により受信された第１のキャリア（磁界３６）から得られる内部電力とを用いて、第１のキャリアを増幅する。
【００８７】
なお、上記電力生成回路４２による内部電力と外部電力との混合比は、例えば１：３〜２０等であり、外部電力が内部電力より大きければ、増幅回路５０は、大きな外部電力を用いてキャリアを十分に増幅できる。しかし、内部電力と外部電力との混合比は、上記例に限定されず、任意の比率であってよい。
【００８８】
以上のように、本実施形態に係る信号処理装置１０は、リーダライタ１が発生させた第１のキャリアの磁界３６を電力に変換して電源として再利用するとともに、外部電源４から供給される外部電力も利用する。リーダライタ１からの磁界３６から得た内部電力を再利用することで、エネルギーを有効利用でき、効率の良い電力を得ることができる。さらに、外部電源４からの大きな外部電力を用いることによって、増幅回路５０は、アンテナ３２から非接触ＩＣカード２に送信する第２のキャリアの磁界３７を十分に増幅して、通信距離を大幅に延長することができる。なお、上記の電力供給の例に限定されず、信号処理装置１０の駆動電力として、リーダライタ１の磁界３６から内部電力を生成及び利用せずに、外部電源４からの外部電力だけを利用してもよい。
【００８９】
［３．３．信号処理装置の通信機能の構成］
次に、図５を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０の通信機能に関する構成について説明する。図５は、本実施形態に係る信号処理装置１０の通信機能に関する構成を示すブロック図である。
【００９０】
図５に示すように、信号処理装置１０は、上記アンテナ３１、３２と、キャリア用の増幅回路５０（キャリアアンプ）と、キャリア検出回路５１と、ＰＬＬ回路５２と、送信データ用の検波回路５３と、送信データ用の増幅回路５４と、デジタル処理回路５５と、返信データ用の検波回路５６と、返信データ用の増幅回路５７と、負荷変調回路５８と、変調回路５９とを備える。
【００９１】
増幅回路５０は、本発明の増幅部の一例であり、アンテナ３１で受信した第１のキャリア（第１の搬送波）の信号を増幅して第２のキャリア（第２の搬送波）を生成する機能を有する。変調回路５９は、本発明の変調部の一例であり、アンテナ３１で受信した第１のキャリア（第１の搬送波）の信号を、上記アンテナ３１で受信した送信データ（第１のデータ）で変調する機能を有する。また、デジタル処理回路５５は、本発明のデジタル処理部の一例であり、アンテナ３１でリーダライタ１から受信した送信データ（第１のデータ）、及びアンテナ３２で非接触ＩＣカード２から受信した返信データ（第２のデータ）をデジタル処理する機能を有する。また、返信データ用の検波回路５６は、本発明の検波部の一例であり、非接触ＩＣカード２のアンテナ２１の負荷変調によりアンテナ３２（第２のアンテナ）に生じる返信データ（第２のデータ）の信号を検波する機能を有する。また、返信データ用の増幅回路５７は、本発明の受信増幅部の一例であり、検波回路５６により検波された返信データ（第２のデータ）の信号を増幅する機能を有する。また、負荷変調回路５８は、本発明の負荷変調部の一例であり、アンテナ３１（第１のアンテナ）のインピーダンスを変化させる負荷変調を行うことにより、返信データ（第２のデータ）をアンテナ３１からリーダライタ１に送信する機能を有する。
【００９２】
また、キャリア検出回路５１、検波回路５３及び負荷変調回路５８は、リーダライタ１側のアンテナ３１の端部に接続されている。また、増幅回路５０及び検波回路５６は、非接触ＩＣカード２側のアンテナ３２の端部に接続されている。キャリア検出回路５１は、ＰＬＬ回路５２及び変調回路５９を介して増幅回路５０に接続され、デジタル処理回路５５は、変調回路５９を介して増幅回路５０に接続されるとともに、負荷変調回路５８にも接続されている。また、検波回路５３は、増幅回路５４を介してデジタル処理回路５５に接続され、検波回路５６は、増幅回路５７を介してデジタル処理回路５５に接続されている。以下に、信号処理装置１０の各部を用いた通信動作について説明する。
【００９３】
まず、信号処理装置１０により、リーダライタ１から非接触ＩＣカード２に送信されるキャリアを増幅する処理について説明する。リーダライタ１は、非接触ＩＣカード２に送信するデータ（送信データ）で第１のキャリアを振幅変調し、当該送信データで変調された第１のキャリア（即ち、高周波磁界３６）を、アンテナ１１を用いて送信する。すると、信号処理装置１０のアンテナ３１は、当該送信データで変調された第１のキャリアを受信し、次いで、キャリア検出回路５１は、アンテナ３１の端部における受信電圧に基づいて、該アンテナ３１で受信した第１のキャリアのキャリア信号を検出する。さらに、信号処理装置１０の増幅回路５０は、該検出したキャリア信号を増幅して、第２のキャリアのキャリア信号を生成し、該キャリア信号が印可されたアンテナ３２は、該第２のキャリア（即ち、高周波磁界３７）を非接触ＩＣカード２に再送信する。
【００９４】
このとき、アンテナ３１で受信されるリーダライタ１からの第１のキャリアの位相と、アンテナ３２から非接触ＩＣカード２に再送信する第２のキャリアの位相とがずれてしまうと、それぞれのキャリア（磁界３６、３７）が、相殺または減衰してしまう。そこで、本実施形態では、キャリア検出回路５１の後段に、双方のキャリアの位相を同期化するＰＬＬ回路５２を設置する。これにより、第１のキャリアと第２のキャリアの位相を同期させることができるので、信号処理装置１０は、各種の処理をリーダライタ１及び非接触ＩＣカード２と同期して行うことができる。
【００９５】
また、信号処理装置１０は、増幅回路５０により、リーダライタ１から受信した第１のキャリアから得たキャリア信号を増幅して、該増幅された第２のキャリアを非接触ＩＣカード２に再送信することができる。上記のように、増幅回路５０は、外部電源４からの外部電力を利用するための、電力の制約がない。このため、増幅回路５０のゲインやバッファ能力を増強させることで、非接触ＩＣカード２に再送信する第２のキャリアの磁界３７を、リーダライタ１の第１のキャリアの磁界３６よりも強くすることができる。よって、信号処理装置１０と非接触ＩＣカード２間の通信距離を、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信距離よりも大幅に延長できる。
【００９６】
次に、リーダライタ１から信号処理装置１０を介して非接触ＩＣカード２に送信データを送信する処理について説明する。信号処理装置１０のアンテナ３１は、リーダライタ１から、上記送信データで変調された第１のキャリア（即ち、高周波磁界３６）を受信する。すると、検波回路５３は、リーダライタ１から送信されたキャリア信号を復調して、該キャリア信号に含まれる送信データ（例えば、ハイレベルとローレベルとの２値化されたデータ信号）を取り出す。例えば、検波回路５３は、アンテナ３１のアンテナ端における受信電圧の振幅変化を包絡線検波し、検波した信号を２値化することによって、キャリア信号を復調する。検波回路５３により検波された送信データの信号は、増幅回路５４により増幅され、デジタル処理回路５５に入力される。
【００９７】
デジタル処理回路５５は、ＭＰＵ、ＣＰＵ等の演算処理装置で構成される。該デジタル処理回路５５は、上記送信データの信号に対して波形の整形処理やフィルタ処理を施し、次いで、ＦＩＦＯやバッファリング処理を実行する。また、このデジタル処理回路５５は、送信データに関し、通信方式の変更やビットレートの変更などといった通信プロトコルの変換処理を実行することも可能である。
【００９８】
さらに、デジタル処理回路５５は、上記送信データに含まれるＳｙｎｃコードやＳｔａｔビット／フレームなどにより、該送信データが非接触通信データであることを検証する。この検証により、ノイズ等の非データの誤送信を防ぐことができる。当該検証の完了後、デジタル処理回路５５は、アンテナ３２から非接触ＩＣカード２に該送信データを再送するために、該送信データを変調回路５９に出力する。変調回路５９は、デジタル処理回路５５から入力された送信データを用いて、上記第１のキャリアのキャリア信号を振幅変調し、増幅回路５０は、当該変調された信号を増幅することにより、第２のキャリアのキャリア信号を生成して、アンテナ３２に出力する。この結果、アンテナ３２は、当該送信データで変調された第２のキャリア（高周波磁界３７）を、非接触ＩＣカード２に送信する。なお、図示のように、変調回路５９により第１のキャリアの信号を送信データで変調してから、増幅回路５０により該変調された信号を増幅することにより、第２のキャリアの信号を生成してもよい。また、これとは逆に、増幅回路５０により第１のキャリアの信号を増幅してから、変調回路５９により該増幅された信号を送信データで変調することにより、第２のキャリアの信号を生成してもよい。
【００９９】
次に、非接触ＩＣカード２から信号処理装置１０を介してリーダライタ１に返信データを返信する処理について説明する。非接触ＩＣカード２は、上記信号処理装置１０から送信データで変調された第２のキャリアを受信すると、当該送信データに対応する所定の処理を行い、リーダライタ１に対する返信データを生成し、上述した負荷変調により、当該返信データをアンテナ２１から返信する。つまり、非接触ＩＣカード２は、アンテナ２１のインピーダンス（負荷）を変えることで、返信データに対応する反磁界３８をアンテナ２１から発生させる。
【０１００】
すると、信号処理装置１０のアンテナ３２は、上記非接触ＩＣカード２から返信された返信データを受信し、検波回路５６は、アンテナ３２のアンテナ端における電圧の変化に基づいて、返信データを検波する。上記負荷変調により非接触ＩＣカード２のアンテナ２１から発生した反磁界３８が信号処理装置１０のアンテナ３２を通過すると、該アンテナ３２に微弱な電流が誘起して、第２のキャリア信号によりアンテナ３２に流れる電流に重畳される。従って、検波回路５６は、当該アンテナ３２に流れる電流の微弱な変化を検波することで、非接触ＩＣカード２からの返信データを検出することができる。例えば、検波回路５６は、アンテナ３２のアンテナ端における電圧の振幅変化を包絡線検波し、検波した信号を２値化することによって、返信データの微弱信号を得る。当該返信データの微細信号は、増幅回路５７により増幅されて、デジタル処理回路５５に入力される。
【０１０１】
デジタル処理回路５５は、上記返信データの信号に対して波形の整形処理やフィルタ処理を施し、次いで、ＦＩＦＯやバッファリング処理を実行する。また、このデジタル処理回路５５は、上記送信データと同様に、返信データに関し、通信方式の変更やビットレートの変更などといった通信プロトコルの変換処理を実行することも可能である。
【０１０２】
その後、デジタル処理回路５５は、上記返信データに含まれるＳｙｎｃコードやＳｔａｔビット／フレームなどにより、該返信データが非接触通信データであることを検証する。この検証により、ノイズ等の非データの誤送信を防ぐことができる。当該検証の完了後、デジタル処理回路５５は、アンテナ３１からリーダライタ１に該返信データを再送するために、該返信データを負荷変調回路５８に出力する。
【０１０３】
負荷変調回路５８は、非接触ＩＣカード２からリーダライタ１に対する返信データの信号に応じて、アンテナ３１のインピーダンス（負荷）を変化させる負荷変調を行い、アンテナ３１からリーダライタ１に返信データを返信する。この負荷変調回路５８は、例えば、図２の負荷変調部２９と同様に、アンテナ３１の共振回路と並列に接続される負荷とスイッチを備える。かかる負荷変調回路５８は、デジタル処理回路５５から入力された返信データの信号に基づき、スイッチを用いて負荷をオン／オフする。これにより、アンテナ２１のコイルＬ１０に流れる電流が変化するため、電磁誘導により該アンテナ３１から、返信データの信号に対応する反磁界３９が発生する。かかる反磁界３９により、信号処理装置１０のアンテナ３１からリーダライタ１のアンテナ１１に返信データが送信される。リーダライタ１は、当該反磁界３９の影響によってアンテナ１１のアンテナ端に生じる受信電圧の変化を検出することによって、上記信号処理装置１０から送信された返信データの信号を受信する。
【０１０４】
以上、図５を参照して本実施形態に係る信号処理装置１０の通信機能に関する回路構成について説明した。かかる構成の信号処理装置１０をリーダライタ１と非接触ＩＣカード２の間に設置することにより、該信号処理装置１０は、リーダライタ１の機能と、非接触ＩＣカード２の機能をリピートすることが可能となる。つまり、リーダライタ１が送信した送信データを、非接触ＩＣカード２に再送信するとともに、非接触ＩＣカード２が返信した返信データを、リーダライタ１に再返信することができる。このように、信号処理装置１０が、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の非接触通信を中継することができ、さらにリーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信距離を大幅に延長することができる。なお、図５に示した信号処理装置１０の構成は一例であり、それぞれの回路やブロック、システムは、適宜、最適化又は設計変更することが可能である。
【０１０５】
［３．４．信号処理装置によるリーダライタの通信仕様の変更］
次に、図５を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０により、リーダライタ１のＲＦ通信仕様（通信性能、通信方式等）を変更する方法について説明する。
【０１０６】
図５で示したように、本実施形態に係る信号処理装置１０をリーダライタ１と非接触ＩＣカード２間に設置し、信号処理装置１０の各部の性能を自由に変更することで、非接触ＩＣカード２に対するリーダライタ１のＲＦ通信仕様を変更することが可能となる。ここで、ＲＦ通信仕様とは、通信性能及び通信方式を含む概念である。以下に、信号処理装置１０によりリーダライタ１の通信性能や通信方式を変更する具体例について説明する。
【０１０７】
（１）キャリアの磁界強度の変更
上記信号処理装置１０の増幅回路５０の出力（ゲイン）を増大させることにより、非接触ＩＣカード２に送信するキャリア（磁界３７）の磁界強度を増幅し、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信距離を延長することができる。上記のように、増幅回路５０は、リーダライタ１から受信した第１のキャリアの信号を増幅することで、非接触ＩＣカード２に送信する第２のキャリアを生成する。このとき、増幅回路５０は、リーダライタ１が発生した磁界３６から得た内部電力のみならず、外部電源４からの外部電力を用いて、キャリア信号を増幅できる。従って、増幅回路５０のゲインを大きして、第２のキャリア（磁界３７）の磁界強度を十分に大きくすることができるので、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信距離を大幅に延長できる。
【０１０８】
また、リーダライタ１のアンテナ１１と信号処理装置１０のアンテナ３２のインダクタンスや結合および、磁界３６を切り離せる構成になっているので、アンテナ３２のコイルＬ１１とＣ１１の共振回路の値も最適値に変更することができ、通信距離を延長することができる。
【０１０９】
例えば、既存のリーダライタ１の通信性能が低いため、リーダライタ１単体での通信距離が５０ｍｍである場合であっても、信号処理装置１０を用いることで、リーダライタ１から非接触ＩＣカード２までの通信距離を１００ｍｍに延長できる。よって、既存のリーダライタ１を改造又は交換しなくても、信号処理装置１０を設置するだけで、当該依存のリーダライタ１から非接触ＩＣカード２までの通信距離を十分に延長できる。
【０１１０】
（２）非接触ＩＣカード２からの返信データの受信性能の変更
上記信号処理装置１０における返信データ受信用の検波回路５６及び増幅回路５７の性能を変更することで、非接触ＩＣカード２から負荷変調により送信される返信データの受信性能（例えば、受信感度、受信方式、検波方式など）を変更できる。詳細には、信号処理装置１０の検波回路５６及び増幅回路５７等は、信号処理装置１０の受信回路を構成するが、該信号処理装置１０の受信回路のアナログ回路の性能（例えば、ＯＰアンプ性能、ＡＤコンバータ受信方式など）や、該受信回路の検波方式（例えば、振幅検波、直交検波）などを、リーダライタ１の受信回路と異なる受信性能にすることが可能である。信号処理装置１０の受信回路の受信性能を、リーダライタ１の受信回路より優れた性能に調整することにより、通信距離の延長や、通信不可領域の改善が可能となる。
【０１１１】
例えば、非接触ＩＣカード２から返信データを受信するときの検波回路５６及び増幅回路５７の受信感度（例えば、増幅回路５７のゲイン）を、リーダライタ１の復調部１４による該返信データの受信感度よりも高くなるように調整する。これにより、非接触ＩＣカード２からの返信データの受信感度を向上できる。例えば、既存のリーダライタ１の受信性能が低いため、リーダライタ１単体での受信感度が３０ｄＢである場合であっても、信号処理装置１０を用いることで、非接触ＩＣカード２からの返信データの受信感度を６０ｄＢに向上させることができる。よって、既存のリーダライタ１を改造又は交換しなくても、信号処理装置１０を設置するだけで、当該既存のリーダライタ１に対する非接触ＩＣカード２からの返信データの受信感度を向上できる。
【０１１２】
（３）送信データの変調度の変更
上記信号処理装置１０の変調回路５９は、リーダライタ１から非接触ＩＣカード２に送信される送信データで、非接触ＩＣカード２に送信する第２のキャリアを変調するデータ変調アンプとして機能する。かかる変調回路５９により送信データで第２のキャリアを変調するときの変調度を変更することで、既存のリーダライタ１の第1のキャリアの変調度に対して、信号処理装置１０による第２のキャリアの変調度を変更することが可能となる。例えば、通信システムを使用するユーザ、該通信システムの使用環境若しくは仕様に応じて、リーダライタ１が発する第１のキャリアの変調度を変更したいケースには、信号処理装置１０から非接触ＩＣカード２に対して送信する第２のキャリアの変調度を変更すればよい。
【０１１３】
例えば、信号処理装置１０が送信する第２のキャリアの変調度を、送信対象となる非接触ＩＣカード２の特性（例えば、非接触ＩＣカード２のタイプ、通信性能、復調部２６の仕様等）に応じて、任意の変調度に調整してもよい。これにより、既存のリーダライタ１の変調部による変調度が低変調度（１０％）にしか対応していない場合であっても、信号処理装置１０を用いることで、高変調度（３０％）に対応した非接触ＩＣカード２に対して、当該高変調度で変調した第２のキャリアを送信することができる。よって、既存のリーダライタ１を改造又は交換しなくても、信号処理装置１０を設置するだけで、非接触ＩＣカード２に送信するキャリアの変調度を、例えば、ユーザ、該通信システムの使用環境若しくは仕様（例えば、非接触ＩＣカード２の特性）に応じて自由に変更できる。
【０１１４】
（４）通信方式の変更
上記信号処理装置１０は、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間で送受信されるデータを再送信する構成であるので、該信号処理装置１０により、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信方式を変更することが可能となる。例えば、信号処理装置１０のデジタル処理回路５５は、リーダライタ１からの送信データ及び非接触ＩＣカード２からの返信データをデジタル処理するが、このとき、当該送信データ及び返信データのデータ構造や、通信ビットレートを変更することで、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信方式を変更することができる。デジタル処理回路５５は、リーダライタ１から受信した送信データのデータ構造を、非接触ＩＣカード２が対応する通信方式のデータ構造に変更するとともに、非接触ＩＣカード２から受信した返信データのデータ構造を、リーダライタ１が対応する通信方式のデータ構造に変更する。
【０１１５】
なお、データ構造の変更とは、例えば、データの符号化方式や、パケット化方式の変更を含む。例えば、通信方式をＦｅｌｉＣａ（登録商標）からＴｙｐｅＡに変更する場合は、まず、デジタル処理回路５５は、ＦｅｌｉＣａ（登録商標）方式で符号化（例えば、マンチェスター符号化）、及びパケット化（例えば、プリアンブル、Ｓｙｎｃコード、８ビットＭＳＢ、ＣＲＣ）されたデータを、デジタルデータに復号化及び復調して、バッファリングする。次いで、デジタル処理回路５５は、該デジタルデータを、ＴｙｐｅＡ方式で符号化（例えば、Ｍｏｄｆｉｅｄ  Ｍｉｒｒｏｒ符号化）及びパケット化（例えば、ＳＯＣ、ＥＯＣのヘッダー、Ｐａｒｉｔｙ、ＣＲＣ）して、通信方式を変換する。こられのデジタルデータ変換処理は、ロジック回路又はＣＰＵ等のデジタル処理回路５５で実行される。
【０１１６】
例えば、既存のリーダライタ１は、特定の規格（例えばＦｅｌｉＣａ（登録商標））の通信方式にしか対応していない場合であっても、信号処理装置１０のデジタル処理回路５５は、リーダライタ１から受信した当該特定の規格の送信データを、他の規格（例えば、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ等）の通信方式のデータに変更する。これにより、信号処理装置１０は、当該変更した送信データを、当該他の規格の通信方式に対応する非接触ＩＣカード２に送信することができる。また、デジタル処理回路５５は、非接触ＩＣカード２から受信した上記他の規格（例えば、ＴｙｐｅＡ、ＴｙｐｅＢ等）の返信データを、上記特定の規格（例えばＦｅｌｉＣａ（登録商標））の通信方式のデータに変更する。これにより、信号処理装置１０は、当該変更した返信データを、当該特定の規格の通信方式にのみ対応するリーダライタ１に返信することができる。よって、既存のリーダライタ１を改造又は交換しなくても、信号処理装置１０を設置するだけで、相異なる通信方式にそれぞれ対応したリーダライタ１と非接触ＩＣカード２との間で、データを送受信できるようになる。このために、信号処理装置１０のデジタル処理回路５５は、様々な通信方式（例えば、通信規格、ビットレート）に対応可能であることが好ましい。
【０１１７】
［４．信号処理方法］
次に、図６を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０により、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の非接触通信を補助する信号処理方法について説明する。図６は、本実施形態に係る信号処理装置１０による信号処理方法を示すフローチャートである。
【０１１８】
図６に示すように、まず、リーダライタ１が、非接触ＩＣカード２に対する送信データで変調された第１のキャリアを、アンテナ１１を用いて送信すると、信号処理装置１０は、リーダライタ１から、当該送信データで変調された第１のキャリアを、アンテナ３１を用いて受信する（Ｓ１００）。このとき、信号処理装置１０のアンテナ３１とアンテナ３２の間には金属体３３が配置されているので、アンテナ３１は、アンテナ３２の発する磁界３７の影響を受けることがない。また、アンテナ３１と金属体３３の間には磁性体３４が配置されているので、リーダライタ１からの第１のキャリアの磁界３６はアンテナ３１に収束する。よって、信号処理装置１０は、アンテナ３１を用いて、リーダライタ１からの第１のキャリアの磁界３６を好適に受信できる。
【０１１９】
次いで、信号処理装置１０の整流回路４１は、上記リーダライタ１から受信した第１のキャリアの受信電圧を整流、平滑化することで、リーダライタ１からの磁界３６を再利用した内部電力を生成する。電力生成回路４２は、該内部電力と、外部電源４からの外部電力とを混合した電力を、信号処理装置１０の各部に供給する（Ｓ１０２）。かかる電力供給は、以下のステップでも継続的に行われる。
【０１２０】
さらに、上記信号処理装置１０のキャリア検出回路５１は、上記アンテナ３１の端部における受信電圧に基づいて、該アンテナ３１で受信した第１のキャリアのキャリア信号を検出し、ＰＬＬ回路５２は、第１のキャリアのキャリア信号と、後段の増幅回路５０により増幅される第２のキャリアのキャリア信号とを同期化する（Ｓ１０４）。さらに、増幅回路５０は、上記電力生成回路４２から供給される電力を用いて、上記キャリア検出回路５１により検出された第１のキャリアのキャリア信号を増幅して、より振幅の大きい第２のキャリアのキャリア信号を生成する（Ｓ１０６）。かかるステップＳ１０４〜Ｓ１０６における処理は、以後のステップでも継続的に行われる。
【０１２１】
また、上記アンテナ３１により、上記送信データで変調された第１のキャリアを受信しているときには、検波回路５３は、アンテナ３１のアンテナ端の受信電圧に基づいて、第１のキャリアのキャリア信号に含まれる送信データを検波し、増幅回路５４は、当該検波された送信データの信号を増幅する（Ｓ１０８）。
【０１２２】
次いで、デジタル処理回路５５は、当該増幅された送信データの信号に対して所定のデジタル処理（波形整形、フィルタ処理、ＦＩＦＯ、バッファリング処理等）を施す（Ｓ１１０）。さらに、デジタル処理回路５５は、上記送信データに含まれるＳｙｎｃコードやＳｔａｔビット／フレームなどにより、該送信データが非接触通信データであることを検証し（Ｓ１１２）、検証が完了した場合に、以下のステップＳ１１４、Ｓ１１６に進む。この検証により、ノイズ等の非データの誤送信を防止できる。
【０１２３】
また、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２の間で通信方式が異なる場合、デジタル処理回路５５は、必要に応じて、送信先の非接触ＩＣカード２の通信方式に合わせて、送信データのデータ構造を変更する（Ｓ１１４）。これにより、送信データの通信方式を、送信元のリーダライタ１が対応する通信方式（例えばＦｅｌｉＣａ（登録商標））から、送信先の非接触ＩＣカード２が対応する通信方式（例えばＴｙｐｅＡ）に変更できる。
【０１２４】
また、信号処理装置１０の変調回路５９は、上記Ｓ１１０でデジタル処理された送信データを用いて、上記Ｓ１０６で生成される第２のキャリアのキャリア信号を振幅変調し、アンテナ３２に出力する（Ｓ１１６）。この結果、アンテナ３２は、当該送信データで変調された第２のキャリア（高周波磁界３７）を、非接触ＩＣカード２に送信する（Ｓ１１８）。このとき、信号処理装置１０のアンテナ３１とアンテナ３２の間には金属体３３が配置されているので、アンテナ３２は、リーダライタ１の発する磁界３６の影響を受けることがない。また、アンテナ３２と金属体３３の間には磁性体３５が配置されているので、アンテナ３２からの第２のキャリアの磁界３７はアンテナ３２に収束する。よって、信号処理装置１０は、アンテナ３２を用いて、非接触ＩＣカード２に第２のキャリアの磁界３７を好適に送信できる。また、かかる第２のキャリアの磁界３７は増幅されているので、信号処理装置１０と非接触ＩＣカード２間の通信距離を十分に確保できる。
【０１２５】
非接触ＩＣカード２は、アンテナ２１を用いて、上記送信データで変調された第２のキャリアを受信すると、第２のキャリア信号を復調して送信データを検出し、当該送信データに応じた所定の処理を行う。そして、非接触ＩＣカード２は、当該処理結果に基づき、リーダライタ１に対する返信データを生成し、該返信データに基づいて、アンテナ２１のインピーダンス（負荷）を変える負荷変調を行い、信号処理装置１０に返信データを返信する。
【０１２６】
次いで、信号処理装置１０のアンテナ３２は、上記非接触ＩＣカード２から、アンテナ２１の負荷変調により返信された返信データを受信する（Ｓ１２０）。さらに、検波回路５６は、当該アンテナ３２に流れる電流の微弱な変化を検波することで、非接触ＩＣカード２からの返信データを検出し、増幅回路５７は、当該検波回路５６により検波された返信データの信号を増幅する（Ｓ１２２）。
【０１２７】
次いで、デジタル処理回路５５は、当該増幅された返信データの信号に対して所定のデジタル処理（波形整形、フィルタ処理、ＦＩＦＯ、バッファリング処理等）を施す（Ｓ１２４）。さらに、デジタル処理回路５５は、上記返信データに含まれるＳｙｎｃコードやＳｔａｔビット／フレームなどにより、該送信データが非接触通信データであることを検証し（Ｓ１２６）、検証が完了した場合に、以下のステップＳ１２８、Ｓ１３０に進む。
【０１２８】
また、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２の間で通信方式が異なる場合、デジタル処理回路５５は、必要に応じて、返信先のリーダライタ１の通信方式に合わせて、返信データのデータ構造を変更する（Ｓ１２８）。これにより、返信データの通信方式を、返信元の非接触ＩＣカード２が対応する通信方式（例えばＴｙｐｅＡ）から、返信先のリーダライタ１が対応する通信方式（例えばＦｅｌｉＣａ（登録商標））に変更できる。
【０１２９】
その後、信号処理装置１０の負荷変調回路５８は、上記Ｓ１２４でデジタル処理された返信データに基づいて、アンテナ３１のインピーダンス（負荷）を変える負荷変調を行うことによって（Ｓ１３０）、該アンテナ３１を用いて該返信データをリーダライタ１に返信する（Ｓ１３２）。このとき、アンテナ３１の背面側に磁性体３４及び金属体３３が存在しているので、上記と同様に、アンテナ３１は、アンテナ３２の発する第２のキャリアの磁界３７の影響を受けることなく、返信データをリーダライタ１に好適に送信することができる。
【０１３０】
この結果、リーダライタ１は、上記信号処理装置１０から、アンテナ３１の負荷変調により返信された返信データを、アンテナ１１を用いて受信し、当該アンテナ１１に流れる電流の微弱な変化を検波することで、信号処理装置１０からの返信データを検出する。そして、リーダライタ１は、該返信データに基づいて、所定の処理を実行し、非接触ＩＣカード２に別の送信データ（コマンド、サービスデータ等）を再送信する場合には、上記処理Ｓ１００〜１３２が繰り返される。
【０１３１】
［５．応用例］
次に、図７を参照して、本実施形態に係る信号処理装置１０の応用例について説明する。図７は、本実施形態に係る複数の信号処理装置１０をリーダライタ１に対して傾けて配置した通信システムを示す概要図である。
【０１３２】
上記特許文献１〜３に記載の従来のブースターアンテナでは、リーダライタ１の通信面５に対して水平な方向への通信距離の延長効果が低いという課題があった。リーダライタ１が発生させる磁界３６は、通信面に対して垂直方向に広がっているため、リーダライタ１のアンテナコイルの口径（ループ面の面積）を拡大することにより、通信面５に対して水平方向に磁界を広けることが可能である。しかし、リーダライタ１の物理的な大きさには制約がある。また、従来のブースターアンテナを用いても、リーダライタ１の通信面５に対して水平方向に延長される通信距離が、垂直方向に延長される通信距離よりも短いという課題もあった。
【０１３３】
そこで、かかる課題を解決するために、本実施形態では、図７に示すように、信号処理装置１０のアンテナ３１、３２の通信面６、７（ループ面）が、リーダライタ１のアンテナ１１の通信面５（ループ面）に対して傾斜するように、信号処理装置１０をリーダライタ１の通信面５に対して傾斜配置する。配置する信号処理装置１０は１つでも複数でも可能である。これにより、信号処理装置１０は、リーダライタ１の通信面５に対して傾斜した方向に発生する第１のキャリアの微弱な磁界４０を受信し、該磁界４０を増幅した第２のキャリアの大きな磁界４１を、非接触ＩＣカード２に再送信することができる。
【０１３４】
従って、図７に示すように、非接触ＩＣカード２がリーダライタ１の通信面５から遠い位置で、該通信面５に対して傾斜して配置された場合であっても、信号処理装置１０によりリーダライタ１と非接触ＩＣカード２間の通信を中継することで、非接触ＩＣカード２に十分な磁界強度の磁界４１と電力を供給することができる。
【０１３５】
よって、複数の信号処理装置１０を傾斜配置することにより、リーダライタ１周辺の通信エリアを拡大することができる。特に、リーダライタ１の通信面５に対して水平方向への通信距離も十分に延長することができ、リーダライタ１に非接触ＩＣカード２をかざすときの非接触ＩＣカード２の位置の自由度を向上できる。このように、本実施形態に係る信号処理装置１０によれば、従来方法より格段に通信距離が延長でき、かつ、技術的制約の検討が不要となり、信号処理装置１０を設置するだけで、容易に通信エリアを拡大することができる。また、アンテナを小型化することも可能であり、スペースが節約できる。
【０１３６】
［６．まとめ］
以上、本実施形態に係る信号処理装置１０とこれを用いた信号処理方法について詳述した。本実施形態に係る信号処理装置１０は、リーダライタ１と非接触ＩＣカード２それぞれに対応する２つのアンテナ３１、３２を具備している。さらに、これら２つのアンテナ３１、３３間に、磁界３６、３７の相互干渉を防止するための金属体３３と、各磁界３６、３７の減衰を軽減するための磁性体３４が配置されている。また、信号処理装置１０は外部電源４に接続されており、外部電源４から供給される外部電力を用いて、リーダライタ１から受信第１のキャリアを増幅するので、強い磁界強度の第２のキャリアを非接触ＩＣカード２に送信できる。そして、かかる信号処理装置１０は、アンテナ３１を用いて、リーダライタ１から第１のキャリア及び送信データを受信し、アンテナ３２を用いて、該第１のキャリアを増幅した第２のキャリア及び該送信データを非接触ＩＣカード２に再送信する。また、信号処理装置１０は、アンテナ３２を用いて、非接触ＩＣカード２から返信データを受信し、アンテナ３１を用いて、該返信データをリーダライタ１に再返信する。
【０１３７】
かかる構成により、本実施形態に係る信号処理装置１０は、従来のブースターアンテナの課題を解決し、リーダライタ１の通信距離を大幅に延長することができる。例えば、図１に示したように、入退室管理装置の既存のリーダライタ１の通信距離が５０ｍｍである場合でも、該既存のリーダライタ１に隣接して信号処理装置１０を設置することにより、通信距離を１００ｍｍ以上延長することができる。
【０１３８】
また、既存のリーダライタ１と非接触ＩＣカード２間で既に共振や結合現象が最大にまで調整されている場合であっても、信号処理装置１０を設置すれば、リーダライタ１の通信距離を延長することができ、実用的である。
【０１３９】
また、信号処理装置１０は、外部電源４を利用してキャリアを増幅する構造であり、非接触ＩＣカード２に送信するキャリアの磁界３７を十分に大きくできる。従って、外来の金属体やアンテナコイルの条件に起因して、リーダライタ１の通信距離が短縮することを防止できる。
【０１４０】
さらに、本実施形態に係る信号処理装置１０を既存のリーダライタ１の周辺に設置するだけで、容易に通信距離を延長することが可能である。このように、本実施形態に係る信号処理装置１０の設置は非常に簡単であり、既存のリーダライタ１を改造又は交換しなくとも、リーダライタ１の通信性能を改善できる。
【０１４１】
さらに、本実施形態に係る信号処理装置１０のアンテナ３１、３２の設計値（例えば、インダクタンス、キャパシタンス、結合係数、共振周波数等）を、信号処理装置１０単独で自由に決定することができる。従って、信号処理装置１０を設置するに当たり、既存のリーダライタ１のアンテナ１１や非接触ＩＣカード２のアンテナ２１の共振周波数やインダクタンス、キャパシタンス、アンテナ形状、結合度を測定した結果に基づき、信号処理装置１０の設計値を調整する必要がない。よって、設置作業が非常に簡単になり容易に信号処理装置１０を設置できる。
【０１４２】
また、本実施形態に係る信号処理装置１０によれば、リーダライタ１や非接触ＩＣカード２のインターフェースや内部の暗号／データフォーマットを変更せずに、互換を保ったまま、リーダライタ１の通信仕様（通信性能、通信方式等）や設置条件を容易に変更できる。従って、既存のリーダライタ１を仕様変更（例えば、通信方式の変更、通信距離の延長、磁界強度の増幅、受信性能の向上、通信不感帯の改善など）するために、本実施形態に係る信号処理装置１０を適用することもできる。特に、既存のリーダライタ１のコストが高価な場合（例えば、ＳＡＭチップやアプリケーションＣＰＵなどを搭載している場合）は、信号処理装置１０を使用することにより、リーダライタ１の仕様追加や変更を安価に行うことが可能となる。また、既存のリーダライタ１をそのまま利用できるので、上位制御装置３との通信インターフェースは互換のまま、非接触通信の仕様を変更できるというメリットもある。
【０１４３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１４４】
例えば、上記実施形態では、信号処理装置１０の２つのアンテナ３１、３２は、相互に平行に配置されたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、アンテナ３１に対してアンテナ３２を傾斜させて又は垂直に配置してもよい。これにより、アンテナ３１がリーダライタ１から受信する磁界３６の方向と、アンテナ３１が非接触ＩＣカード２に送信する磁界３７の方向とを異なる方向にすることができる。従って、信号処理装置１０は、リーダライタ１が発生する第１のキャリアの磁界３６の方向を、別の方向に変換して、非接触ＩＣカード２に伝達することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１    リーダライタ
２    非接触ＩＣカード
３    上位制御装置
４    外部電源
５、６、７    通信面
１０    信号処理装置
１１    アンテナ
１２    ＲＦ基板
２１    アンテナ
２２    ＩＣチップ
３１、３２    アンテナ
３３    金属体
３４、３５    磁性体
３６、４０    リーダライタからの磁界
３７、４１    信号処理装置からの磁界
３８    非接触ＩＣカードからの反磁界
３８    信号処理装置からの反磁界
４１    整流回路
４２    電力生成回路
５０    増幅回路
５１    キャリア検出回路
５２    ＰＬＬ回路
５３    検波回路
５４    増幅回路
５５    デジタル処理回路
５６    検波回路
５７    増幅回路
５８    負荷変調回路
５９    変調回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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