CN100565565C

CN100565565C - 用于进行无接触通信的通信方设备的信号处理电路

Info

Publication number: CN100565565C
Application number: CNB2005800294926A
Authority: CN
Inventors: 皮特·瑞格; 亚瑟·梅林
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: KR20070028545A; US7783254B2; US20080119139A1; JP2008506177A; EP1766561B1; ATE440344T1; DE602005016117D1; EP1766561A1; CN101019139A; WO2006006103A1

Abstract

在一种用于进行无接触通信的通信方设备(1)的信号处理电路(3)中，设置有发射信号路径(9)和接收信号路径(10)，接收信号路径(10)从存在于发射信号路径(9)上的分支点(AP)处分支，在发射信号路径(9)上设置有滤波级(11)和连接在滤波级(11)下游的匹配级(12)，滤波级(11)具有在频率范围中的谐振频率，所述频率范围的中心频率与上边带频率相匹配，分支点(AP)位于滤波级(11)与匹配级(12)之间。

Description

用于进行无接触通信的通信方设备的信号处理电路

技术领域

本发明涉及一种用于进行无接触通信的通信方设备的信号处理电路，对于所述通信方设备，可兼有发射工作模式和接收工作模式，在接收模式中，对给定工作频率的载波信号进行至少一个给定调制频率上的调制，从而产生该工作频率上和周围的、具有上边带频率和下边带频率的频谱，所述信号处理电路具有至少一个发射信号输入、至少一个接收信号输出和至少一个传输线圈连接，所述信号处理电路具有所述至少一个发射信号输入与所述至少一个传输线圈连接之间的发射信号路径、以及所述至少一个传输线圈连接与所述接收信号输出之间的接收信号路径，所述接收信号路径从位于所述发射信号路径上的分支点处分支到所述接收信号输出，所述信号处理电路在所述发射信号路径上具有滤波级和匹配级，所述滤波级与所述发射信号输入相连并具有给定值的谐振频率，所述匹配级连接在所述滤波级的下游。

本发明还涉及一种通信方设备，所述通信方设备具有收发机电路、传输线圈、以及设置在收发机电路与传输线圈之间的信号处理电路，对于所述通信方设备，可兼有发射工作模式和接收工作模式。

背景技术

申请人已以多种不同设计将具有上述第一段中指定类型的信号处理电路的上述第二段中指定类型的通信方设备投放到市场上，因此，所述的设备和电路是已知的。在已知的通信方设备中，收发机电路由集成电路或IC形成，申请人也以类型编号MF RC500将所述IC投放到市场上。用作收发机电路的IC具有两个发射信号输出和一个接收信号输入。与两个发射信号输出中的每一个相连的是信号处理电路的发射信号输入。与IC的接收信号输入相连的是信号处理电路的接收信号输出。信号处理电路在其发射信号路径上包括滤波级，所述滤波级形成所谓的EMC滤波器，并且旨在确保由权威机构制订的电磁兼容性。与滤波级相连的是匹配级，所述匹配级包括两个串联电容器和两个并联电容器的组合，通过所述匹配级，可以将与信号处理路径相连的传输线圈的阻抗设为给定的所需值。与所述匹配级相连的是由两个电阻器形成的阻尼级，上述传输线圈与所述阻尼级相连。可以通过所述阻尼级将传输线圈的质量因子设为要求的所需值。

在已知设计中，对滤波级进行测定，从而所述滤波级在忽略容限时的谐振频率值，即谐振频率的标称值，与工作频率相对应，例如，所述工作频率是13.56MHz。此外，在已知设计中，分支点设置在匹配级与阻尼级之间，这表示在紧接阻尼级中电阻器的下游处拾取由传输线圈发射的、接收到的信号。

针对已知信号处理电路所描述的设计结果是，滤波级包含具有相对高电感的电感器，因此，必须设置相对大的电感器，以便能够获得大约1μH的足够高的电感。为了获得适合1μH电感的电容，并由此获得所需谐振频率值，必须设置两个并联的电容器，这构成了相对高的成本。此外，已知设计的问题在于，当陡峭信号边沿发生(发生在发射脉冲形成的信号时)时，临界过冲现象发生，这是不利的。另外必须提到的有关已知设计的问题在于，存在于接收模式中的频率特性是相对窄带的，这在许多应用中被证明是特别不利的。

发明内容

本发明的目的是使用简单装置和在结构上较简单的方式来解决已知设计中存在的困难和问题，并提供一种改进的信号处理电路和一种改进的通信方设备。

为了实现上述目的，根据本发明的信号处理电路中提供了根据本发明的特征，从而根据本发明的信号处理电路具有如下所述的特征，即：

信号处理电路，用于进行无接触通信的通信方设备，所述通信方设备兼有发射工作模式和接收工作模式，在接收模式中，另一通信方设备对给定工作频率的载波信号进行至少一个给定调制频率上的调制，从而产生所述工作频率上和周围的、具有上边带频率和下边带频率的频谱，所述信号处理电路具有至少一个发射信号输入、至少一个接收信号输出和至少一个传输线圈连接，所述信号处理电路具有所述至少一个发射信号输入与所述至少一个传输线圈连接之间的发射信号路径、以及所述至少一个传输线圈连接与所述接收信号输出之间的接收信号路径，所述接收信号路径从位于所述发射信号路径上的分支点处分支到所述接收信号输出，所述信号处理电路在所述发射信号路径上具有滤波级和匹配级，所述滤波级与所述发射信号输入相连并具有给定频率值的谐振频率，所述匹配级连接在所述滤波级的下游，其中滤波级的谐振频率值在其中心频率值由所述工作频率值与调制频率值之和限定的频率值范围中，所述频率值范围的上限值由所述中心频率值加实质上最高调制频率值的一半而限定，其下限值由所述中心频率减实质上最高调制频率值的一半而限定，其中存在于发射信号路径上的分支点位于发射信号路径的区域中，所述滤波级的至少一个组件将所述区域与所述滤波级的输入侧隔离，所述匹配级的至少一个组件将所述区域与所述匹配级的输出侧隔离。

为了实现上述目的，根据本发明的通信方设备中提供了根据本发明的特征，从而根据本发明的通信方设备具有如下所述的特征，即：

一种通信方设备，具有收发机电路、传输线圈、以及设置在收发机电路与传输线圈之间的信号处理电路，对于所述通信方设备，可兼有发射工作模式和接收工作模式，其中所述通信方设备包括如上特征化的根据本发明的信号处理电路。

通过提供根据本发明的特征，以结构上特别简单的方法以及在没有附加成本的情况下，解决了本文先前所述的解决方法中出现的困难和问题。还以有利方式实现的是在处于接收工作模式时确保宽带传输特性，这对于实现以高数据传输速率来进行数据传输是有利的。当处于发射工作模式时，还以有利方式实现的是传输线圈能够产生的磁场建立得特别快速，同时过冲特性良好，因此，这表示没有不希望的高过冲幅度，这对于实现尽可能快速和令人满意的数据传输同样是有利的。对于在本发明范围之内、滤波级谐振频率值所在的频率值范围中的仍可允许的下限，也应该提及，下限值沿工作频率值的方向，相对于上边带频率值移位，但是在频率方面与工作频率相隔一定距离，所述距离较大，从而虽然根据本发明的优点可能未起到最优程度的作用，但是仍然发挥着使本发明比已知解决方案有明显改进的作用。

在根据本发明的信号处理电路中，已证明，如果针对13.56MHz的工作频率、针对包括106kHz、212kHz、424kHz和848kHz的调制频率组中的至少一个调制频率、以及如果滤波级的谐振频率值在其两个界限值由中心频率值加500kHz和中心频率值减500kHz所限定的频率值范围中，则根据本发明的信号处理电路是有利的。已证明这种设计对于在符合标准ISO 18092的RFID通信系统中的使用是有利的。

在如前述段落中描述的根据本发明的信号处理电路中，已证明，如果滤波级的谐振频率值在其两个界限值由中心频率值加100kHz和中心频率值减100kHz所限定的频率值范围中，则根据本发明的信号处理电路是特别有利的。采用这种设计，特别是在接收情况下确保了宽带频率特性。所述设计在具有特别良好的过冲特性方面也是有利的。

应该提及，根据本发明的设计也可以进入其他无接触RFID通信系统中，当将本发明的设计进入时，获得了如上所述的优点。例如，这种RFID通信系统工作在125kHz或6.78MHz的工作频率上。

还应该提及，如果滤波级的谐振频率值实际上与上边带频率值相同，则是特别有利的。采用这种解决方案，特别显著地获得上述根据本发明的优点。但是，为了实现这些特别显著的优点，在用于滤波级的组件方面必须付出相对高的代价，这是因为没有标准的商业滤波组件可用于产生滤波级的这种谐振频率值，而必须制造专门适合该目的的组件。

本发明的这些和其他方案将从参考以下所述的实施例中明显可见，并得到阐述，但是本发明不限于这些实施例。

附图说明

图中：

图1部分示意性地以电路图形式示出了包括根据已知现有技术的信号处理电路的已知现有技术的通信方设备。

图2以类似图1的方式示出了根据本发明第一实施例的通信方设备，其包括根据本发明第一实施例的信号处理电路。

图3以类似图1和图2的方式示出了根据本发明第二实施例的通信方设备，其包括根据本发明第二实施例的信号处理电路。

图4是示出了在图2所示通信方设备的信号处理电路中发生的传输频率响应的图。

图5示出了根据本发明第三实施例的通信方设备的一部分，该通信方设备包括根据本发明第三实施例的信号处理电路，该信号处理电路是图3所示信号处理电路的变体。

图6示出了根据本发明第四实施例的通信方设备的一部分，该通信方设备包括根据本发明第四实施例的信号处理电路，该信号处理电路是图3和5所示信号处理电路的变体。

图7示出了根据本发明第五实施例的通信方设备的一部分，该通信方设备包括根据本发明第五实施例的信号处理电路，该信号处理电路是图3、5和6所示信号处理电路的变体。

具体实施方式

图1示出了符合已知现有技术的已知通信方设备1。通信方设备1旨在并配置来用于与其他通信方设备进行无接触通信。在这种情况下，另一通信方设备可以具有至少实质上与图1所示通信方设备相同的设计，但是另一通信方设备也可以具有相当不同的设计。对于通信方设备1，可兼有发射工作模式和接收工作模式。在发射模式中，通信方设备1向至少一个另一通信方设备发射数据。在接收模式中，通信方设备接收由至少一个其他通信方设备已发射的数据。

以业界早已知道的方式并已在例如标准ISO 14443、ISO 15693或ISO 18092等多种标准中规定，当通信方设备处于接收模式时，通过另一通信方设备对给定工作频率的载波信号进行至少一个给定调制频率上的幅度调制。该调制优选的是幅度调制(负载调制)，其中使用多种调制度。在本示例中，使用所谓的100％ASK。但是，公知的还有可以使用所谓的10％ASK。应该提及，不仅可以使用幅度调制，还可以使用频率调制或相位调制。由于以给定调制频率对给定工作频率的载波信号进行调制，所以产生工作频率上及其周围的频谱，该频谱具有上边带频率和下边带频率。当然，也出现其他边带，但是在本示例中，这是不重要的。

通信方设备1包含收发机电路2，在本示例中由模块示意性指示。收发机电路2实际上是集成电路(IC)，在本示例中，包括微处理器、密码电路、状态/控制电路、数据处理电路和模拟信号处理电路。本示例中设置为收发机电路2的是由申请人以类型号MF RC 500投放市场的IC。但是，在通信方设备1中还可以使用其他商业上可用的IC、以及在商业上还不可用、但申请人以着手开发的IC。

收发机电路2具有两个发射信号输出TX1和TX2、以及与两个发射信号输出TX1和TX2相关联的第一IC端口TVSS。收发机电路2还具有与第二IC端口VMID相关联的接收信号输入RX。

信号处理电路3连接在收发机电路2的下游。信号处理电路3旨在并配置来处理模拟信号。以下将更加精确地描述信号处理电路3的设计。与信号处理电路3相连的是传输线圈4。

传输线圈4具有第一线圈连接5、第二线圈连接6和第三线圈连接7。第三线圈连接7是所谓的接地端。在本示例中，传输线圈4是双侧的，并相对于第三线圈连接7对称，为此，传输线圈4设置有交叉点(crossover)8。使用传输线圈4，可以在发射模式中产生磁场。如果另一通信方设备的传输线圈与通信方设备1的传输线圈4处于或被设置为电感(即，变压器类型的)耦合，则导致在另一传输线中产生信号。这样，可以从通信方设备1向另一通信方设备传输数据。类似地，也可以沿另一方向，即通信方设备1处于接收模式时，传输数据。

在本示例中，信号处理电路3具有两个发射信号输入E1和E2、以及与两个发射信号输入E1和E2相关联的第一电路连接A1。两个发射信号输入E1和E2与收发机电路2的两个发射信号输出TX1和TX2相连。第一电路连接A1与收发机电路2的第一IC端口TVSS相连。信号处理电路3还具有接收信号输出K1、以及与接收信号输出K1相关联的第二电路连接A2。接收信号输出K1与收发机电路2的接收信号输入RX相连。第二电路连接A2与收发机电路2的第二IC端口VMID相连。信号处理电路3还具有第一传输线圈连接M1、第二传输线圈连接M2和第三传输线圈连接M3。三个传输线圈连接M1、M2和M3与三个线圈连接5、6和7相连。

在两个发射信号输入E1和E2、第一电路连接A1和三个传输线圈连接M1、M2和M3之间，信号处理电路3具有发射信号路径9。此外，在第一传输线圈连接M1、接收信号输出K1和第二电路连接A2之间，信号处理电路3具有接收信号路径10。在本示例中，接收信号路径10从位于发射信号路径9上的分支点AP分支到接收信号输出K1。

在发射信号路径9上，信号处理电路3包括滤波级11和匹配级12，滤波级11与发射信号输入E1和E2以及第一电路连接A1相连，并具有给定值的谐振频率，匹配级12连接在滤波级11的下游。在本情况下，分支点AP设置在匹配级12的下游。在发射信号路径9上所述点的下游设置有阻尼级13，所述阻尼级13连接在匹配级12的下游，并紧接三个传输线圈连接M1、M2和M3的上游而设置。

滤波级11包括两个串联的电感器L1和L1’、以及两个并联电容器配置，每个配置包括并联的两个电容器C1、C2以及C1’、C2’。对于它们的值，这样来选择滤波级11的组件，使得滤波级11具有与工作频率相对应的谐振频率。在本示例中，工作频率值选为13.56MHz。在本示例中，上述调制频率值是以下106kHz、212kHz、424kHz和848kHz的组中的一个。这些频率值符合标准ISO 18092。滤波级11是用作所谓的EMC级，简称EMC代表“电磁兼容性”。

匹配级12具有两个串联电容器C3和C3’、以及两个并联电容器C4和C4’。通过匹配级12实现的是，将传输线圈4的阻抗变换成在匹配级12的输入侧要求的给定的所需值，从而确保传输线圈4与信号处理电路3的匹配尽可能是近似最优的，由此能量的传输尽可能是近似最优的。

阻尼级13包含两个串联电阻器R1、R1’。通过两个串联电阻器R1、R1’将传输线圈4的质量因子减小到适当的所需值。在本情况下，选择值30作为所需值。

在接收信号路径10中，设置有串联电容器C5，串联电容器C5连接在分支点AP的下游，并旨在阻隔可能发生在分支点AP处的任何d.c.电压。连接在串联电容器C5下游的是分压器14。分压器14包括第一电阻器R2和第二电阻器R3，两者在连接点15处连接在一起。连接点15与接收信号输出K1相连。通过分压器14，在接收信号输出K1处以及由此在收发机电路2的接收信号输入RX处可以获得经调制的载波信号的所需电平。在另一连接点16处，并联电容器C6与分压器14的第二电阻器R3相连。连接点16与第二电路连接A2相连。并联电容器C6旨在捕获接收到的高频RF信号，以保持所述高频RF信号远离收发机电路12的第二IC端口VMID。

为了获得上述滤波级11的谐振频率，在信号处理电路3中需要各自具有大约1μH的相对较高电感的两个串联电感器L1和L1’，以提供足够高的质量因子，这表示这些串联电感器相对昂贵，而且相对大，这是不利的。滤波级11中还需要包括两个并联电容器的电容器配置，以提供所需的谐振频率值。

由于为滤波级选择的谐振频率以及为分支点AP选择的位置，当图1所示的通信方设备1处于接收模式时，它具有相对窄带的传输特性，因为频带狭窄，数据传输速率不可能提高，所以这是不利的。图4中以虚线示出了该传输特性。

图2示出了根据本发明的通信方设备1。根据本发明的通信方设备1具有根据本发明的信号处理电路3。根据本发明的信号处理电路3在结构上与现有技术的信号处理电路3相似，但是相比于符合已知现有技术的信号处理电路3，有两个非常本质的差别，这两个差别产生了根据本发明的优点。

第一个差别在于如下事实：信号处理电路3的滤波级11未调谐为在工作频率上谐振，而所述滤波级11具有给定值的谐振频率，滤波级11的谐振频率值在频率值周围的频率范围中，所述频率值与工作频率(即，载波信号频率)值和可能的调制频率之一的值之和相对应，或优选地与工作频率值和最高调制频率值之和相对应。在后一情况下，该和是13.56MHz+848kHz＝14.408MHz。在本示例中，该后一频率形成滤波级11的谐振频率所在的频率范围的中心频率。在这种情况下，用上限值和下限值设定滤波级11的谐振频率所在的频率范围的界限，其中上限值由上边带频率值加实质上调制频率值的一半而限定，下限值由上边带频率值减实质上调制频率值的一半而限定。上限值和下限值与上边带频率值之间的距离不需要精确地等于调制频率值的一半，而可以是调制频率值的一半±调制频率值一半的10％，这就是上述“实质上”所表示的意思。

图2所示的信号处理电路3中存在的第二个本质差别在于如下事实：在这种情况下，分支点AP位于滤波级11与匹配级12之间。因此，分支点AP位于发射信号路径9的区域中，滤波级11的电感器L1将所述区域与滤波级11的输入侧隔离，匹配级12的串联电容器C3将所述区域与匹配级12的输出侧隔离。

通过上述设置，即，特别是通过上述相比于符合已知现有技术的信号处理电路3、存在于根据本发明的信号处理电路3中的两个非常本质的差别，以非常简单的方式实现了：首先，用更少的组件构成滤波级11，这在成本方面是有利的，并节省空间；第二，在接收模式中获得了宽带传输特性，因为可以实现更高的数据传输速率而不会出现由于获得的宽带而引起的任何问题，所以这对于实现以高数据传输速率尽可能快速地传输数据是特别有利的；第三，即使在信号上升非常陡峭时，也只有适度(moderate)的过冲发生，这对于令人满意的无错数据传输是有利的。图4以实线形式示出了根据本发明而设计的信号处理电路3的传输特性。因此，从图4可看到，在根据本发明而设计的信号处理电路3中存在显著的更加宽带的传输特性。

图3示出了根据本发明的另一解决方案，该方案与图2所示设计的不同之处在于发射信号路径9只具有关于地电势的单侧配置，而图2所示的根据本发明的信号处理电路3具有关于地电势的双侧配置。因此，图3所示的解决方案中是非对称配置，而图2所示的解决方案中是对称配置。

图5示出了根据本发明的另一解决方案，该解决方案与图3所示的设计的不同之处在于，滤波级11中不只设置有一个并联电容器C1，而是除了并联电容器C1之外，还设置有与并联电容器C1串联的另一电容器CX。与图3所示设计中的另一不同之处存在于匹配级12中，匹配级12中不只设置有一个串联电容器C3，而是除了串联电容器C3之外，还设置有与串联电容器C3串联的另一电容器CY。因此，针对并联电容器C1和串联电容器C3，分别设置两个额外的电容器CX和CY，以提供在各自的情况下单独设置并联电容器C1和串联电容器C3时无法获得的电容值。在本示例中，两个额外的电容器CX和CY的电容值分别比并联电容器C1和串联电容器C3的电容值高得多。但是，因为两个额外的电容器CX和CY的电容值也可以与电容器C1和C3的电容值是相同量级的，所以这不是必要的。

在本示例中，如图3所示的设计，分支点AP位于滤波级11与匹配级12之间。因为，存在于发射信号路径9上的分支点AP位于发射信号路径9的区域中，滤波级11的电感器L1将所述区域与滤波级11的输入侧隔离，匹配级12的两个电容器C3和CY将所述区域与匹配级12的输出侧隔离。

图6示出了根据本发明的另一解决方案，该解决方案与图5所示的设计的不同之处在于，在这种情况下，分支点AP位于滤波级11的并联电容器C1与额外的电容器CX之间。因此，存在于发射信号路径9上的分支点AP位于发射信号路径9的区域中，电感器L1和额外的电容器CX将所述区域与滤波级11的输入侧隔离，匹配级12的串联电容器C3和额外的电容器CY、以及滤波级11的额外的电容器CX将所述区域与匹配级12的输出侧隔离。

图7示出了根据本发明的另一解决方案，该解决方案与图5和6所示的设计的不同之处在于，存在于发射信号路径9上的分支点AP位于匹配级12的串联电容器C3与额外的电容器CY之间。因此，在这种情况下，存在于发射信号路径9上的分支点AP位于区域中，滤波级11的电感器L1和匹配级12的额外的电容器CY将所述区域与滤波级11的输入侧隔离，匹配级12的串联电容器C3将所述区域与匹配级12的输出侧隔离。

图5、6和7中示出的根据本发明的解决方案也确保已参考图3所示设计而描述的优点存在并可以实现。

在具有根据本发明的信号处理电路的本发明通信方设备中，可以在滤波级中设置两个串联电感器，而不是只设置单个。通过将多个电容器并联和/或串联，可以获得滤波级中和匹配级中所需的电容值。同样，这也适用于获得滤波级中所需的电容值。

Claims

1.一种信号处理电路(3)，用于进行无接触通信的通信方设备(1)，所述通信方设备兼有发射工作模式和接收工作模式，在接收模式中，另一通信方设备将给定工作频率的载波信号在至少一个给定调制频率上进行调制，从而产生所述工作频率上和周围的、具有上边带频率和下边带频率的频谱；所述信号处理电路(3)具有至少一个发射信号输入(E1，E2)、至少一个接收信号输出(K1)和至少一个传输线圈连接(M1，M2，M3)；所述信号处理电路(3)具有在所述至少一个发射信号输入(E1，E2)与所述至少一个传输线圈连接(M1，M2，M3)之间的发射信号路径(9)、以及所述至少一个传输线圈连接(M1，M2，M3)与所述接收信号输出(K1)之间的接收信号路径(10)，所述接收信号路径(10)从位于所述发射信号路径(9)上的分支点(AP)处分支到所述接收信号输出(K1)；所述信号处理电路(3)在所述发射信号路径(9)上具有滤波级(11)和匹配级(12)，所述滤波级(11)与所述发射信号输入(E1，E2)相连并具有给定频率值的谐振频率，所述匹配级(12)连接在所述滤波级(11)的下游，其中滤波级(11)的谐振频率值在其中心频率值由所述工作频率值与调制频率值之和限定的频率值范围中，所述频率值范围的上限值由所述中心频率值加实质上最高调制频率值的一半而限定，其下限值由所述中心频率减实质上最高调制频率值的一半而限定，其中存在于发射信号路径(9)上的分支点(AP)位于发射信号路径(9)的区域中，所述滤波级(11)的至少一个组件(L1；L1，CX)将所述区域与所述滤波级(11)的输入侧隔离，所述匹配级(12)的至少一个组件(C3；C3，CY)将所述区域与所述匹配级(12)的输出侧隔离。

2.根据权利要求1所述的信号处理电路(3)，其中所述信号处理电路(3)是针对13.56MHz的工作频率、以及针对包括106kHz、212kHz、424kHz和848kHz的调制频率组中的至少一个调制频率而设计的，所述滤波级的谐振频率值在其两个界限值由所述中心频率值加500kHz和所述中心频率值减500kHz所限定的频率值的范围中。

3.根据权利要求1所述的信号处理电路(3)，所述滤波级的谐振频率值在其两个界限值由所述中心频率值加100kHz和所述中心频率值减100kHz所限定的频率值的范围中。

4.一种通信方设备(1)，具有收发机电路(2)、传输线圈(4)、以及设置在收发机电路(2)与传输线圈(4)之间的信号处理电路(3)，所述通信方设备(1)兼有发射工作模式和接收工作模式，其中所述通信方设备(1)包括根据权利要求1到3之一所述的信号处理电路(3)。