交通系ICカードのデータ伝送の仕組み

■問題

電源回路

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，SuicaやPASMOといった，交通系ICカード（以下ICカード）のデータを改札機のリーダ／ライタで読み取るようすを示した模式図です．ICカードのデータはリーダ／ライタによって非接触で読み取られています．このとき，使用されている技術の説明として正しいのは(a)～(d)のどれでしょうか．

図1　ICカードのデータをリーダ／ライタで読み取るようすを示した模式図
このとき使用されている通信技術は？

(a) Bluetooth LEを使用してデータ伝送を行っている
(b) 無線LANを使用してデータ伝送を行っている
(c) 赤外線通信によりデータ伝送を行っている
(d) 電磁結合を使用してデータ伝送を行っている

■ヒント

　ICカードは，読み取り機にかざすだけで使用できますが，カードの中には電池や充電式のバッテリは内蔵されていません．この点に着目すれば，答えは簡単に分かります．

■解答

(d) 電磁結合を使用してデータ伝送を行っている

　SuicaやPASMOといったICカードは，電源が内蔵されていないため，読み取り機から電力を供給されて動作します．電力の供給はコイルを使用した電磁結合で行います．このとき，同時に信号の伝送も行っています．

■解説

●ICカードは，コイル間の電磁結合で電力を得て動作する
　ICカードには，ソニーが開発した，FeliCaという技術が使われています．ICカードの内部には電源を持たず，リーダ／ライタから電磁結合により電力を供給します．そしてデータ伝送も電磁結合によって行われます．
　図2がICカードとリーダ／ライタの構造図です．リーダ／ライタとICカードの両者にアンテナとなるコイルが設けられています．この2つのコイルを近づけることで，トランスのように電力を伝えることができます．

図2　ICカードとリーダ／ライタの構造図
両者にアンテナとなるコイルが設けられている．

●ICカード・システムの概要
　図3は，簡略化したICカードのシステムのブロック図です．ICカードとリーダ／ライタは本来は双方向に通信できます．ただし，図3ではICカードからリーダ／ライタに向かって，一方向にデータを送信するように簡略化しています．

図3　簡略化したICカード・システムのブロック図

　リーダ／ライタのアンテナ・コイル(L₁)は，13.56MHzの信号が加わっています．ICカードのアンテナ・コイル(L₂)には，並列にコンデンサ(C₁)が接続されており，共振回路を構成しています．その共振周波数は，13.56MHzになるように，定数設定されています．
　L₂をL₁に近づけると，相互誘導作用により，L₂にも13.56MHzの信号が発生します．この信号を整流回路で直流電圧に変換し，ICカード内部のICチップの電源として使用します．ICカードからリーダ／ライタにデータを送信するときは，アンテナ・コイルに並列に接続されたスイッチ(S₁)を使用します．

●搬送波の振幅を変化させてデータ伝送を行う
　送信データを，後述するマンチェスタ(Manchester)方式で符号化した信号で,S₁をON/OFFさせます．S₁をONさせると，L₁とL₂から構成されるトランスの2次側の電流が増加し，1次側のL₁の電流も増加します．L₁の電流が増加すると，R₁の電圧降下により，A点の振幅が減少します．
　つまり，A点の振幅は，S₁のON/OFFに同期して変化します．このように搬送波の振幅を変化させてデータ伝送を行う変調方式のことをASK(Amplitude Shift Keying)と呼びます．FeliCaでは振幅を10%変化させてデータ伝送を行います．A点の振幅変化は，復調回路により，デジタルデータとして復元されます．

●マンチェスタ(Manchester)方式
　マンチェスタ方式は，データを伝送するときに，1および0のデータが連続しても，必ず信号変化があるように考えられた符号化方式です．信号の立ち下りで1を表し，信号の立ち上がりで0を表すように定義されています．
　図4は，マンチェスタ方式でデータを符号化する方法を表したものです．上段がクロック信号で，中段がデータです．下段が，マンチェスタ方式で符号化された信号になります．

図4　マンチェスタ方式でデータを符号化する方法

●ICカードシステムをLTspiceで確認する
　図5は，ICカード・システムの，動作の概要をシミュレーションするための回路です．実際に使用されている回路と同じではありませんが，電力とデータ伝送の仕組みを理解することができます．

図5　ICカード・システムの動作の概要を確認する回路
電力とデータ伝送の仕組みを理解することができる．

　V₁は，送信用の信号源で13.56MHzの正弦波信号を出力します．L₁がリーダ／ライタのアンテナ・コイルで，L₂がICカードのアンテナ・コイルです．両者の結合度合いは，結合係数(k1)で設定します．リーダ／ライタとICカードの距離が近いほど，結合係数を大きくします．
　ダイオード(D₁)は，ICカード内部の電源を作るための整流用ダイオードです．C₂と共にC点に直流電圧を発生させます．抵抗(R4)は，負荷抵抗で，ICカード内のICの動作電流を模擬します．
　V₂は，データ伝送用の符号化信号をイメージしたもので，400kHzの矩形波です．この矩形波信号で，電圧制御スイッチ(S₁)を駆動します．ダイオード(D₂)は，A点に発生するASK信号を検波し，振幅変調成分を取り出すためのものです．

●ICカードシステムの動作
　図6は，図5のシミュレーション結果です．上段がA点の波形です．13.56MHzの信号が出力されていますが，途中から振幅が変化しています．これがASK信号で，振幅成分にはICカード側で送信したデジタルデータが含まれています．
　中段がB点の波形とC点の波形です．L₁とL₂が結合することで，B点にも13.56MHz成分の信号が発生します．C点はB点の信号を整流したもので，直流電圧が得られていることが分かります．B点，C点ともに振幅が変化していますが，これは符号化信号を模擬した矩形波でスイッチ(S₁)をON/OFFしているためです．
　下段が，G点の波形（符号化信号を模擬した矩形波）と，A点の信号を検波したD点の波形です．D点にはICカードが送信した信号と同等の信号が得られていることが分かります．