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CN1969283B - 无接触的同步相位解调方法，以及相关的解调器和阅读器 - Google Patents

无接触的同步相位解调方法，以及相关的解调器和阅读器 Download PDF

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Abstract

从一个由无接触的转发器诱发的电磁场(H)中解调信号的方法，包含在给定的时间或者频率检测转发器信号的步骤。所述方法的特征在于检测的时间或者频率与所述电磁场在相位上同步。本发明还涉及相关的解调器和阅读器。

Description

无接触的同步相位解调方法,以及相关的解调器和阅读器
技术领域
本发明涉及无接触的转发器阅读器的解调方法和系统。更加具体而言，本发明涉及对一个阅读器和一个转发器之间的通信的改善。
背景技术
在下文中，转发器是指能够借助于电磁场受到检测或者通信的任何等同的装置。各种设备例如可以是包含一个有天线的通信界面的芯片卡或者无接触型电子标签。更加具体而言，本发明涉及包含一个连接到一个电容器或者连接到一个集成电路或者连接到其它电子装置的线圈的电磁转发器。
在下文中，阅读器是指设有一天线的一种发射/接收装置，所述天线产生一个给定频率的电磁场。所述装置的天线还使之能够调制电磁场并且能够测量电磁场的变化。所述阅读器天线总体上包含一个或者多个线圈。
根据所用转发器的类型，所述阅读器-转发器系统以或多或少复杂的方式工作。总体上的工作原理包含发射给定频率的电磁场。当一个转发器进入该电磁场中时，就向它供电，并且所述转发器进行反应。转发器的反应引起电磁场的一种变化，这种变化由所述阅读器检测。
对于较复杂的系统，例如所述转发器包含一个连接到一个线圈的集成电路，主要地由所述线圈和集成电路形成一个调谐的谐振电路。所述转发器位于所述电磁场中为所述集成电路供电，所述集成电路调制该电磁场以向所述阅读器表明它的出现。然后可以通过调制所述电磁场在所述转发器和所述阅读器之间进行对话。这些系统公知为无接触芯片卡或者电子标签并且有许多的应用。
阅读器(图1)一般包含一个固定频率的电流发生器或者电压发生器和一个例如由一个圆形扁平线圈实施的天线，所述圆形扁平线圈包含至少一匝。在此涉及的情况下(按照ISO/IEC 14443)标准的产品)该频率是13.56MHz。根据所考虑的技术领域不同，频率可以不同。
阅读天线可以等同于一个导体，当电流流过所述导体时产生一种磁场。该磁场的取向由电流流过的方向决定。当电流流经所述导体时由该导体形成的电流环路在一个面上有北极而在相反的面上有南极。
当一个转发器经受该阅读场时，由于其自己的线圈，它可以等同于一个在一个磁场中运动的导体。当一个导体在一个磁场中运动时，切割磁力线，在该导体中感生一个电动势。以同样的方式，如果磁通变化经过一个固定的回路时感生一个电动势电压。所有的情况下，该感应的电动势电压和磁通变化量的关系遵从法拉第定律：e＝-d phi/dt。
图2描绘出现有技术普遍使用的一个阅读系统。所述阅读系统包含一个旨在产生给定频率的电流的发生器1、一个连接电线2、一个阻抗匹配电路3和一个天线4。该发生器以它能够向一个匹配的阻抗负载供给的功率为特征。该阻抗通常具有50欧姆的值，这与发生器(1)的输出阻抗相符。需要匹配电路(3)向天线(4)中传送发生器(1)可以发出的最大功率。
根据所使用的转发器的类型，所述阅读器-转发器系统以或多或少复杂的方式工作。当一个转发器进入该电磁场中时，就向它供电，并且所述转发器进行反应。转发器的反应引起电磁场的一种变化，这种变化由所述阅读器检测。对于较简单的系统，例如所述转发器包含一个线圈和一个电容器，该组件形成一个调谐到所述电磁场的频率的谐振电路。所述转发器出现在所述电磁场中使该谐振电路谐振并且引起所述场的改变，这可以由所述阅读器检测。该系统非常地简单，通常用作商店中的防盗装置。
转发器和阅读器的系统的一个主要问题是以最大效率为转发器提供工作所需要的电能同时降低阅读器的辐射功率而不减少天线与转发器之间的传输距离。
对于集成电路转发器，该问题变得非常复杂，因为电磁场在一方面起为集成电路供电的作用，而另一方面起在转发器和阅读器之间建立单向或者双向通信的载波频率的作用。事实上把电磁场用于这两个用途变得不协调。
为了能够进行通信必须在频率和/或幅度上调制所述电磁场。然而本领域的普通技术人员公知当由天线发射的电磁场的功率过大时，阅读器就会对由于转发器诱发的负载变化引起的该场的幅度变化不灵敏。这是一种信号噪音比的问题。本领域的普通技术人员还公知电磁场的发射功率增加会造成集成电路中的发热，这会引起其局部的、临时的、全部的或者决定性的毁坏。
还公知当转发器线圈调谐到阅读器天线的相同频率(最好是发射频率以具有良好的发射效率)时，存在通信空洞。该重要的问题可以发生在整个正常的工作距离上而不是在设定的界限之外。这是由于，根据阅读转发器耦连，从阅读天线看来，由转发器在磁场上引起的负载变化不论是转发器是否作用在该电磁场上都可能相等。结果是阅读器不能够解码信息。取决于所使用的解调方法，这种阅读问题或较大或较小。
这是由于该“通信空洞”的问题是至关重要的并且由阅读器和转发器确定的系统的详细分析解释。
再次参阅图2的示意图，可以看到现有技术包含产生一个有固定频率(对于ISO/IEC14443是13.56MHz)的正弦波信号，在阻抗匹配以后该正弦波信号注入到一个天线中，所述天线总体上包含一个有一匝或者多匝的导体。如前文所讨论，流经该导体的电流产生一个有相同频率的磁场H。由于阅读天线的感性部分，该磁场将不与来自发生器的电流同相而是在相位上相反。
在阅读天线与一个转发器之间没有任何耦连时，上述相位差保持为固定。
然而，只要一个转发器一进入阅读天线发出的磁场H中，就出现耦连，并且从而改变阅读天线的电感特性。结果是场H与发生器产生的信号之间的相位差发生变化。
该相位差不再是恒定的。它取决于耦连并且因此取决于转发器相对于所述天线的位置，并且取决于天线上的损耗，所述损耗依据它进行的工作和组成所述天线的非线性元件而变化。
这些相位中变化引起阅读器/转发器通信的中断。在最好的情况下(解调器有双同步检测)，它们会引起从阅读器看的信号削弱。在最差的情况下(单同步检测或者直接解调)，从转发器发出的信号会对阅读器不可察觉。
当前阅读器使用几种解调方法解码转发器返回的信息。
最简单的方法是使用一个简单的非线性装置譬如一个与一个电阻(6)和一个滤波电容器(7)相连接的二极管(5)进行的直接解调(图3)；最复杂的方法使用双同步检测，称为I/Q，如图4所描述。
在直接解调(图3)的情况下，解调器对处于其输入端(Ve)的负载阻抗变化敏感。该阻抗由一个复数表示，所述复数包含两个部分：一个实部和一个虚部。此类解调器对该复数所代表的向量的模(长度)变化敏感。该长度变化与转发器返回的信息合拍。对于一个给定的耦连存在两个长度Z1和Z2。解调的信号的幅度对应于这两个向量的长度的差。
然而图5示出两个不同的向量可以有相等的长度。Z1和Z2的长度相等处的每个圆对应于一个“通信空洞”。这是因为，这两个长度相等，解调器看来转发器所取的两个逻辑状态之间没有任何差别。相位的影响表现为该不正常工作的一个参数。
在无接触转发器阅读器的范围内使用一个直接检测解调器根据阅读天线与转发器之间的耦连会造成通信的完全中断。
在如图4所描绘的最复杂的解调器(I/Q类型的双检测同步)的情况下，人们发现由转发器引起的相移可以引起解调了的信号的幅度衰减。该衰减可以达到相对最大信号的一个0.707的因数。
当磁场H的相位相对于从发生器发出的信号相位差π/4时就会达到该最大衰减。一个锁相环(PLL)能够用一种恒定的幅度恢复载波频率，另一方面在载波频率与恢复的频率之间保留一个相位差“phi”。
即使装备了大大改进的幅度解调装置，由于磁场H的相位相对于阅读器产生信号的改变，这样一种转发器阅读器也容易因解调了的信号的衰减而受到通信中断。
为了与ISO/IEC14443一致，ISO/10373-6确定了用于阅读器和转发器的测试方法。
按照对阅读器通信方面的标准，一个转发器必须产生一个反向调制信号，所述反向调制信号的边带幅度至少为30/H12(其中H是磁场的幅度)。至于阅读器，按照该标准，它必须能够与相位无关地解调至少该幅度的信号。
显然上述的方法都不能够达到这些条件。这是因为一个能够检测30/H1.2幅度的遵从ISO/IEC14443的阅读器，可能不能够检测一个转发器，然而按照ISP/IEC14443，如果转发器的影响引起对阅读器的灵敏度来说过大的衰减时也不能够检测一个转发器，尤其是有π/4的相位差时，这时所述衰减是最大的。
因此要解决的技术问题可以确触如下。
一方面无接触转发器阅读器的阅读灵敏度与使用的解调原理无关地受施加到阅读器天线上的电流为一方与得出的场为另一方之间的相位变化的影响。另一方面该相位差还依据转发器与阅读器天线之间的距离变化。结果是一个重要的问题：一个衰减甚至完全地抵削解调的信号的幅度，这会引起在转发器移动的过程中阅读器与转发器之间的通信中断。
发明内容
因此本发明旨在使之能够与转发器可能在阅读装置发生的场上引起的相位变化无关地解调从一个转发器发出的信号。
本发明的方法的原理包含使转发器信息的检测从动于发生的磁场的相位，或者从动于一个代表所述相位的值(电压、电流等等)。
解调器的检测器优选地使用一个从磁场发出的信号作为时钟信号以同步信息的检测。以此方式，由转发器引起的场相位的任何变化都会传输到解调装置。用此方法，不再像现有技术中那样用发生器的时钟信号作为解调器的相位参照，而是用磁场H发出的相同频率的信号作解调器的信号参照。
为此目的，本发明的目的首先是一种在一个由无接触的转发器诱发的电磁场(H)中解调信号的方法，包含在给定的时间或者频率检测转发器信号的步骤。其特征在于检测的时间或者频率与所述电磁场在相位上同步。
根据所述方法的其它特征或者变例：
-为了同步，由电磁场(H)引起的通量在一个附加的线圈中检出并且所述通量的相位用作一个同步的要素；
-为了同步，检出产生所述电磁场的电流的相位并且作一个同步的要素；
-在一个等于电磁场(H)的频率或者与电磁场(H)的频率同相位的一个采样频率检测转发器的信号；
-由从所述电磁场或者其产生的电流取得的相位来发生一个同步时钟并且该时钟用于定时信号检测时间。
本发明的另一个目的是一种无接触的转发器阅读器，所述无接触转发器阅读器包含一个主电磁场发射/接收天线、一个电磁信号解调器，所述电磁信号解调器包含以采样频率来对所述电磁信号进行采样的装置。
所述阅读器的特征在于它包含同步装置，所述同步装置能够以所述电磁场的相同方式定时和相位同步所述解调器的所述采样频率。
根据其它的特征或者实施方式：
-所述同步装置包含一个能够检出转发器使用的部分磁场(H)的附加的天线，和一个能够发生用于同步采样所述电磁场(H)的控制信号的采样控制电路；
-所述同步装置包含一个对电场(H)灵敏的天线；
-所述同步装置包含分流装置，所述分流装置能够取出部分流在形成阅读天线的导体中的电流并且能够从中提取用于同步所述采样的相位信息；
-所述附加的天线对主天线失谐；
-所述解调器是一种同步检测解调器。
最后，本发明的一个目的是一种对由无接触的转发器在电磁场(H)中诱发的信号的解调器，所述解调器包含一个在给定时间动作的信号检测器、使检测从动于所述电磁场的相位的装置；其特征在于，所述使从动装置连贯地提供相位同步。
附图说明
阅读下面的参照附图进行的具体实施例说明会明了本发明其它特征和优点，在附图中：
图1和图2(已经说明了)示出现有技术的一种无接触的阅读器；
图3(已经说明了)示出使用现有技术的直接解调的一种阅读器的电原理图；
图4和图5(已经说明了)示出现有技术的双同步检测解调I/Q的原理图；
图6示出根据本发明的阅读天线的一个实施方式；
图7示出本发明阅读器的一个相似的实施方式；
图8示出实施图7所示阅读器的处理工作的结果；
图9示出本发明所述的阅读器实施的一种数字实施方式。
具体实施方式
本发明的实施方式之一示于图6中。有利的是，所述使从动可以借助于一个附加的线圈或者天线8进行，所述线圈包含至少一匝，与转发器的相比较，其值对阅读器(1)的天线的耦连作用可以忽略不计。
该线圈定位得能够检出部分转发器使用的电磁场。具体而言，所述线圈可以附着在阅读天线上；优选的是，它将与所述阅读天线同心。连接接脚9将连接到所述阅读天线的阻抗匹配电路上，而接脚10将用于从场H向阅读器返回一种同步信号。
由场H的该附加的同步线圈产生的信号将用于以模拟方式或者数字的方式采样转发器信息。
图7和图9分别示出阅读装置17、18(天线、阅读器)的一个模拟实施方式和一个数字实施方式。在图7的原理图中，从阅读天线4发出的信息E注入到一个模拟的乘法器11中，所述模拟乘法器在其输出端产生一个信号S，从附加的线圈(8)发出的信号在电平匹配级13以后由一个可调节的通道移相器12(未示出)处理，旨在补偿相对检测链的相移的固定的部分。该信号用于启动称为Vc的斩波命令(采样)，所述斩波命令注入到场效应晶体管(FET)(M1)。该命令使得：
如果Vc＞0＝＞S＝+E
如果Vc＜0＝＞S＝-E
该量等效于由值＝+1/-1的一个方波信号C乘以E，并且有S(t)＝E(t)·C(t)。该运算的结果示于图8中。
该模拟乘法器功能追溯于同步检测的情况，Vc由附加的线圈8产生，与转发器所受到的场H同相地从动所述检测。本文中所说明的相位问题消失了。场同步进行的检测对转发器移动时由转发器引起的相位变化不敏感。
在图9中从阅读天线4发出的信息E注入在一个旨在采样信号E的模数转换器14的输入端。该转换器将选择得有检测所述信息的一个足够的动态范围(12位)。从附加的线圈(8)发出的信号在电平匹配级13以后也由一个可调节的通道移相器12(未示出)处理，旨在补偿相对检测链的相移的固定的部分。该信号用于触发模数转换器14以从所述场检出时钟的频率采样。由时钟输入的每次触发时所述转换器获得的采样以数字的形式提供在其输出总线15上，以由一个处理装置16处理。该处理装置例如可以是一个可编程的编码/解码单元(FPGA)或者是一个微处理器装置。
考虑到本发明所述的方法包含借助于由阅读天线产生的从磁场H发来的信息使解调从动，可以有利地使用其它的实施方式。这是因为由附加的线圈(图6-3)可以由其它的对磁场8不敏感但是对电场E灵敏的装置取代。在此情况下，表现为一个闭合轮廓的扁平线圈将由一个对电场灵敏的偶极子天线取代。在向解调级返回信号前需要一个匹配放大级。
另一个实施方式例如包括借助于一个小的负载(非常低值的一个电阻：0.2欧姆)提取部分流在形成阅读天线的导体(图6-1)中的电流并且在对解调级匹配以后返回该相位信息。这是由于流在所述导体中的电流与磁场H同相位，因为它是所述磁场的源。
从而如本发明所述的方法可以补充在ISO/IEC10373-6中关于测试无接触产品的为标准化一个解调的信号参照的说明。

Claims (11)

1.一种从由无接触的转发器诱发的电磁场中解调信号的方法，包括：
以等于电磁场的频率或者与电磁场的频率同相位的采样频率检测转发器信号的步骤，
由从所述电磁场或者其产生的电流取得的相位来发生同步时钟并且将该时钟用于定时信号检测时间的步骤。
2.如权利要求1所述的解调信号的方法，其中，为了进行同步，由电磁场(H)引起的通量在附加的线圈中检出并且所述通量的相位用作同步的要素。
3.如权利要求1所述的解调信号的方法，其中，为了进行同步，检出产生所述电磁场的电流的相位并且用作一个同步的要素。
4.一种无接触的转发器阅读器，包含一个用于发射/接收电磁场的主天线、电磁信号解调器，所述电磁信号解调器包含以采样频率采样所述电磁信号的装置，该转发器阅读器包含能够以与所述电磁场相位相同的方式进行定时和相位同步所述解调器的所述采样频率的同步装置。
5.如权利要求4所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述同步装置包含能够检出转发器使用的部分磁场的附加的天线，和能够发生用于控制所述电磁场的同步采样的信号的采样控制电路。
6.如权利要求4所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述同步装置包含对电场灵敏的天线。
7.如权利要求4所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述同步装置包含分流装置，所述分流装置能够取出部分流在形成阅读天线的导体中的电流并且能够从中提取用于同步所述采样的相位信息。
8.如权利要求5所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述附加的天线对主天线失谐。
9.如权利要求4所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述解调器是同步检测解调器。
10.如权利要求4所述的无接触的转发器阅读器，其中，所述同步检测是数字的。
11.一种用于无接触的转发器在电磁场中诱发的信号的解调器，所述解调器包含：
用于以等于电磁场的频率或者与电磁场的频率同相位的采样频率来检测转发器信号的装置，以及
用于由从所述电磁场或者其产生的电流取得的相位来发生同步时钟并且该时钟用于定时信号检测时间的装置。
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