背景技术
包括非接触集成电路卡(Integrated Circuit Card,简称IC卡)在内的射频识别技术(Radio Frequency Identification,以下简称RFID)技术经过十多年的发展,已深入现代生活的各个角落,被广泛应用于公交、门禁、小额电子支付等领域。射频识别技术是自动识别技术的一种,射频识别系统的组成一般至少包括两个部分:(1)电子标签,英文名称为Tag;(2)阅读器,英文名称为Reader,电子标签中一般保存有约定格式的电子数据,在实际应用中,电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器又称为读出装置,可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。进一步,通过计算机及计算机网络,可实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。对大多数RFID系统而言,将采用一个固定的频率,并有一套标准协议与它相配套。
RFID领域广泛采用数字调制技术,如ASK、FSK和PSK调制。幅度键控(Amplitude Shift Keying,简称ASK)即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值,例如对应二进制0,载波振幅为0;对应二进制1,载波振幅为1。调幅技术实现起来简单,但容易受增益变化的影响。频移键控(Frequency Shift Keying,简称FSK)即按数字数据的值(如0或1)调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1,而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好,但占用带宽较大。相移键控(Phase Shift Keying,简称FSK)即按数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示1,用0相移表示0。这种调制技术抗干扰性能最好,且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟,并对传输速率起到加倍的作用。这几种调制方式都是现有的成熟调制技术,广泛应用于各通信系统中。
近年来,在轨道交通、物流管理、物品防伪、身份识别等需求推动下,RFID技术的不断进步,应用越来越普及,市场迫切需要各类RFID电子标签和识别设备。电子标签内部一般有一个电子钱包,持卡人预先在电子标签中存入一定的金额,交易时直接从储值账户中扣除交易金额。但单一功能电子标签也有一些缺点,比如:电子标签充值必须到专门的充值中心、比较大额的交易没有办法设置密码以及无法将RFID支付和移动支付结合起来等。
而与此同时,移动通信终端经历20多年的迅速发展,几乎已经成为消费者人手必备的随身装置,普及率非常高,并且有在移动终端上集成更多功能的趋势。利用手机本身的移动通信网络如GSM、CDMA等进行支付是现有的成熟技术,但将手机和电子标签有效结合起来,让手机像公交卡这样方便使用是目前射频识别的发展方向,也是设备提供商和移动运营商目前大力开拓的市场。
受日本和韩国手机支付的影响,小额支付是运营商一直期望进入的领域。由于能够非常好的为实时支付和现场支付提供解决方案,非接触式近距离射频识别具有极为广阔的应用前景,并将为目前发展缓慢的移动支付产业带来前所未有的机遇。而结合移动终端与RFID技术的一机多用或一卡多用将会是未来十年的新的发展方向。特别是在3G时代,无处不在的具有无线连接功能的RFID读写器与非接触式应用的RFID将是发展的重中之重。目前业界主要有两套基于非接触技术的解决方案:Combi SIM卡方案和近场通信(NFC)方案。
Combi SIM卡方案,又称双界面SIM卡方案,指用Combi SIM卡替换手机内部SIM卡,在保留原接触式界面的SIM卡功能基础上增加非接触IC卡应用界面。比较典型的做法有两种:一、非接触IC卡的非接触天线印刷在塑料薄膜上,再贴至SIM卡表面;二、非接触IC卡的非接触天线作为一个独立的部件附加在手机中,将天线引到手机的正面或反面,天线连接在SIM卡尚未使用的C4和C8两个接口上。但这两种方案的缺点是:天线贴到SIM卡表面或者引出到手机正面或反面,在安装过程中很容易造成天线断裂、损坏,并造成用户使用不方便,同时由于手机电池和电路板的屏蔽作用,双界面SIM卡能收到的阅读器的信号和反射给阅读器的信号都非常微弱。因此,双界面SIM卡和阅读器之间通信的质量非常差,阅读器几乎收不到双界面SIM卡返回的应答。
而NFC方案是近年由Nokia、Philips等公司提出有关射频识别的一种新的方案,基本的做法是在新设计的手机中加入用于支付的RFID模块,RFID模块和手机之间用专门的通信协议进行相互通信。这种方法可以比较好地解决利用手机进行射频识别的问题,但缺点是用户必须去改造现有的手机,甚至购买一个全新的手机,这在现阶段并不是所有用户都能接受的方法,而且对整个社会而言也是很大的资源浪费。
请参阅图1现有技术典型双界面IC卡的内部结构示意图和图2现有技术典型双界面IC卡的RF接口电路示意图。由Gemplus公司推出的典型的双界面IC卡芯片结构图如图1所示,接触式部分通信标准符合ISO/IEC7816标准,非接触式部分通信标准符合ISO/IEC 14443TYPEA/TYPEB标准。该典型的双界面IC卡芯片主要由射频(Radio Frequency,简称RF)接口、中央处理器(Central Processing Unit,以下简称CPU)、中断处理器、随机数发生器、只读存储器(简称ROM)、EEPROM(即可编程的电擦除只读存储器)、外部RAM(即随机存取存储器)、循环冗余校验(简称CRC)模块、时钟模块、ISO/IEC7816等模块组成。其中,RF接口是双界面IC卡和13.56MHz阅读器的通信接口;CPU是双界面IC卡的中央处理器,和内部软件一起主要用于手机通信的进行和13.56MHz阅读器交易的完成;中断处理器主要用于处理各种外设的中断;ROM用于存储内部的固件程序;EEPROM和外部RAM用于存储双界面IC卡的数据和中间变量等;CRC模块用于产生循环冗余校验码,保证通信过程中数据的完整性;时钟模块用于内部的时钟处理;ISO/IEC7816模块是手机和双界面IC卡的通信接口,且是手机提供电源给IC卡的通道。
如图2所示,RF接口主要由13.56MHz的非接触式天线、解调电路、数字量化电路和调制电路组成。
阅读器发到双界面IC卡的信号通过13.56MHz天线接收下来,由于阅读器发到双界面IC卡的信号是100%ASK的调制信号,双界面IC卡中解调电路采用二极管峰值包络检波的方式进行解调。检波输出后,信号将经过量化电路进行量化处理后变成逻辑电路所需的基带信号,再送CPU进行处理。
当双界面IC卡向阅读器应答信号时,由CPU完成编码,并送到调制电路进行调制,通过改变RF接口中调制电路里的负载电阻完成信号的应答反射。
由于手机电池和电路板的屏蔽作用,如果双界面IC卡替换现有的普通SIM卡应用到手机环境中,双界面IC卡将无法可靠收到阅读器发出的命令信号,同时双界面IC卡发出的信号经手机环境后将大幅衰减,如此小的应答信号无法由阅读器接收并区分出来。
具体实施方式
本发明具有射频识别功能的SIM芯片包括射频接口单元、CPU、中断处理器、随机数发生器、ROM、EEPROM、外部RAM、循环冗余校验模块、时钟模块、ISO/IEC7816模块及电源引脚、复位引脚、时钟引脚、第一天线引脚、第二天线引脚、IO引脚、备用引脚、接地引脚。
包括本发明具有射频识别功能的SIM芯片的双界面SIM卡用于RFID领域时,非接触式部分通信符合ISO/IEC 14443标准、ISO/IEC 15693标准或IS011784/IS011785标准。
结合图3a和图3b所示,所述双界面SIM卡的非接触式天线11直接内嵌在SIM卡基13内部,SIM卡芯片12与该非接触式天线11处于同一平面,该非接触式天线11的两端分别连接到该SIM卡芯片12的两个触点第一天线引脚和第二天线引脚上。
所述的SIM卡芯片12还包括若干根金线,SIM卡芯片12的各个引脚通过金线和接触式卡金属触点14的对应各个部分相连。所述双界面SIM卡的供电电源由移动通信设备(例如手机)提供,即SIM卡芯片12的供电电源由移动通信设备提供,电源、地线分别通过接触式卡金属触点14和金线151,152接到所述的电源引脚和接地引脚。
双界面SIM卡和移动通信设备之间的通讯接口包括SIM卡芯片12内的的复位引脚、时钟引脚和IO引脚。通信协议遵循ISO/IEC7816标准。移动通信设备通过复位引脚给双界面SIM卡提供复位信号;双界面SIM卡工作的时钟由移动通信设备通过时钟引脚提供;双界面SIM卡和移动通信设备之间串行通信的数据通过IO引脚进行。备用引脚在正常工作时一般不用。
参照图4所示,本发明具有射频识别功能的SIM卡芯片中的射频接口单元包括:接收放大电路20、解调电路21、数字量化电路22、调制电路25、发送功率放大电路26,其中,
接收放大电路20,用于将手机获得的通信信号放大并传输至解调电路21;
解调电路21,用于将经接收放大电路20放大后的通信信号进行解调;
数字量化电路22,用于将解调电路21解调后的通信信号转换为数字信号;
接收数字电路接口23,用于将数字量化电路22输出的数字信号根据所采用协议进行解码,并发送至SIM卡芯片中的CPU;
发送数字电路接口24,用于接收SIM卡芯片中CPU发出的数字信号,并根据所采用协议对该数字信号进行数字编码,并将编码后信号送到调制电路25;
调制电路25,用于将发送数字电路接口24传输的经编码后的手机待发送通信信号进行调制;
发送功率放大电路26,用于将经调制电路25调制的通信信号放大。
其中,所述接收放大电路20经由非接触式天线27获得信号,而发送功率放大电路26在将调制信号放大后,经由非接触式天线27发送。
下面通过一些举例说明对上述射频接口单元进一步说明。
由于SIM卡在各种手机中的安装位置、安装方式以及周围机械金属环境等不同,阅读器透过手机电池、电路板等传到双界面SIM卡的信号有不同的衰减,所以信号经由SIM卡非接触式天线27送到接收放大电路20的输入端有相当的不同。另一方面,接收放大电路20的输出端,即解调电路21的输入端,希望对不同手机环境都有一个稳定的待解调信号。因此,所述接收放大电路20经由非接触式天线27获得输入信号后,除了应能够实现输入信号的放大,也应能对所述输入信号进行处理,以使得即使输入信号变化幅度很大,所输出的经放大的信号的幅度也较小。从而,提供解调电路21一个稳定的待解调信号。
基于此,所述接收放大电路20可以为自动增益控制电路。参照图5a所示,所述自动增益控制电路的一种实施例可以包括:可控增益放大器201、控制信号产生电路202、比较器203、电平检测电路204。
其中,所述可控增益放大器201,用于根据控制信号产生电路202发送的增益控制信号确定相应的增益,并以该增益对所接收的交流输入信号进行放大后输出至解调电路;
所述电平检测电路204,用于将所述可控增益放大器201输出的交流输出信号转换为直流信号,并发送至比较器203;
所述比较器203,用于将电平检测电路204发送的直流信号与基准信号进行比较,并将相应比较结果发送至控制信号产生电路202;
所述控制信号产生电路202,用于根据比较器203发送的比较结果,产生并向所述可控增益放大器201发送相应的增益控制信号。
其中,所述直流信号与基准信号为直流电压。所述增益控制信号可以为控制电压。
以下对上述自动增益控制电路的工作过程进一步说明如下:
所述可控增益放大器201初始有一个预置的增益,其在获得非接触式天线27传送的交流输入信号后,会以该预置的增益对该交流输入信号进行放大。
而所述电平检测电路204则会将所述可控增大放大器201输出的放大后的交流信号转换为直流信号。此处将所述交流信号转换为直流信号是为了方便比较器203的比较。也就是说,在电平检测电路204将转换后的直流信号发送至比较器203后,所述比较器203就可以很方便地将所获得的直流信号与基准信号进行比较。
对于比较器203,例如,当直流信号和基准信号均为直流电压时,所述比较器203就可以进行电压的比较。具体地说,在直流信号对应的电压大于基准信号对应的电压时,输出直流信号大于基准信号的比较结果;在直流信号对应的电压小于基准信号对应的电压时,输出直流信号小于基准信号的比较结果;在直流信号对应的电压等于基准信号对应的电压时,输出直流信号等于基准信号的比较结果。
而所述控制信号产生电路202,在获得比较器203发送的比较结果后,就可以产生并向可控增益放大器201发送相应的增益控制信号。具体地说,在获得直流信号小于基准信号的比较结果时,产生增益增加的控制信号;在获得直流信号大于基准信号的比较结果时,产生增益减小的控制信号;在获得直流信号等于基准信号的比较结果时,产生维持增益不变的控制信号。所述增益控制信号可以控制电压的方式发送至可控增益放大器201,则所述可控增益放大器201在获得控制电压后,就可以相应增加增益、减小增益或维持增益不变,以使得对交流输入信号的放大产生相应改变。
根据以上对所述自动增益控制电路的说明可知,其可以根据所接收的交流输入信号的大小而相应改变增益,在交流输入信号较大时,通过减小增益来减小对于交流输入信号的放大系数;而在交流输入信号较小时,则通过增加增益来增加对于交流输入信号的放大系数。从而,使得在交流输入信号的变化幅度较大的情况下,所述可控增益放大器201仍能输出幅度变化较稳定的交流输出信号,使得位于所述接收放大电路20输出端的解调电路21能够获得一个稳定的信号输入。
参照图5b所示,所述自动增益控制电路的另一种实施例可以包括:可控增益放大器201、控制信号产生电路202、比较器203、电平检测电路204以及低通滤波器205。其中,所述低通滤波器205是为了滤除电平检测电路204转换后的直流信号中的干扰信号,从而提供比较器203一个更为准确的待比较直流信号,使得相应对增益的控制更加精确。其他例如增益放大器201、控制信号产生电路202、比较器203以及电平检测电路204的说明可参照上例,此处就不再赘述了。
在接收放大电路20将非接触式天线27接收的交流输入信号放大后,所述解调电路20就会将该放大的信号进行解调。所述解调电路20可以采用但不限于现有实现相干解调方法或不相干解调方法的解调电路。例如,对于非相干解调方法,可以采用二极管峰值包络解调、平均包络解调等非相干解调方法。现有技术可以实现相干或不相干解调方法的相应电路都可用作此处的解调电路20。
图6a所示为一种实现相干解调方法的电路的简易示意图。所述解调电路包括乘法器210、低通滤波器211,经接收放大电路20放大后的输入信号Vi,与本地载波信号经由乘法器210的运算后,由低通滤波器211滤波后,生成解调输出信号Vo。
图6b所示为一种实现二极管峰值包络解调的非相干解调方法的电路的简易示意图。所述解调电路包括检波二极管212、一端与检波二极管212负极相连的电容C以及一端与检波二极管212负极相连的电阻R,且所述电容C和电阻R并联。该解调电路在接收输入信号Vi后,进行二极管峰值包络解调的非相干解调,并输出解调输出信号Vo。
经解调电路20解调后的信号则经由数字量化电路22转换为数字信号。所述的数字量化电路22可以采用模数转换器(简称ADC)或比较器(即Comparator)电路将所述解调电路20输出的模拟信号转化为数字信号。
而在模数转换后,接收数字电路接口23就将数字信号根据所采用协议进行解码,并送到SIM卡芯片中CPU中。
而发送数字电路接口24在得到SIM卡芯片中CPU发出的数字信号后,将根据所采用协议进行数字编码,并将编码信号送到调制电路25。
在调制电路25经由发送数字电路接口24获得相应信号后,就会进行调制以获得符合通信要求的调制信号。所述调制电路25可以采用但不限于现有实现ASK或FSK或PSK的调制电路。此外,调制电路25因为采用数字调制技术,例如ASK或PSK或FSK,所以进行调制时,其就可直接接收发送数字电路接口24发送的数字信号。
而发送功率放大电路26,则用于将经调制电路25调制的通信信号放大。所述发送功率放大电路26可以采用C类或D类功放实现,也可采用其他相应的定制电路。
图7所示为一种发送功率放大电路的示意图。所示放大电路为一种高效率谐振功率放大器电路,包括:第一至第四反相器261~264,第一PNP管Q3、第二PNP管Q5,第一NPN管Q4、第二NPN管Q6,第一至第三电容C3~C5,第一电阻R11、第二电阻R12,第一天线负载端ANT1、第二天线负载端ANT2。
其中,第一反相器261的输入端接收第一已调制控制信号RFTXD1,输出端与第二NPN管Q6的基极相连。第二反相器262的输入端接收第二已调制控制信号RFTXD2,输出端与第二PNP管Q5的基极相连。第三反相器263的输入端接收第三已调制控制信号RFTXD3,输出端与第一PNP管Q3的基极相连。第四反相器264的输入端接收第四已调制控制信号RFTXD4,输出端与第一NPN管Q4的基极相连。
第二PNP管Q5的集电极接地,射极与第二NPN管Q6的射极相连。第二NPN管Q6的集电极经由第一电阻R11与VCC相连。第一PNP管Q3的集电极接地,射极与第一NPN管Q4的射极相连。第一NPN管Q4的集电极经由第二电阻R12与VCC相连。
第一电容C3的第一端与第二PNP管Q5的射极以及第二NPN管Q6的射极相连。第二电容C4的第一端与第一PNP管Q3的射极以及第一NPN管Q4的射极相连。第三电容C5的两端分别与第一电容C3以及第二电容C4的第二端相连。第三电容C5的两端分别与第一天线负载端ANT1、第二天线负载端ANT2相连。
上述放大电路通过RFTXD1、RFTXD2、RFTXD3、RFTXD4这四个已调制控制信号的开关控制,使得NPN管Q5、Q6,以及PNP管Q3、Q4交替打开/关闭,从而在对于调制信号放大的同时,也使得天线负载端发出符合频率要求的射频信号。而RFTXD1、RFTXD2、RFTXD3、RFTXD4这四个已调制控制信号由调制电路25产生,RFTXD1/RFTXD2与RFTXD3/RFTXD4为相位正好相反的信号对,RFTXD1与RFTXD2之间相位基本一致,RFTXD3与RFTXD4之间相位基本一致。
通过以上对射频接口单元的举例说明可以看到,在例如手机与阅读器的通信时,当阅读器向手机发送命令信号时,所述SIM卡芯片中的射频接口单元经由非接触式天线27获得命令信号,经接收放大电路20放大后,送至解调电路21解调,并在解调获得解调信号后由数字量化电路22将模拟的解调信号转换为数字信号,并经由接收数字电路接口23将所述数字信号发送至SIM卡芯片内部。由于接收放大电路20将接收的命令信号放大,补偿了手机电池和电路板的屏蔽对命令信号的衰减,使得手机能够正确获得阅读器发出的命令信号。
而当手机向阅读器应答信号时,该应答信号经过SIM卡芯片内的CPU编码后,经所述的调制电路25进行调制后送到所述的发送功率放大电路26进行功率放大,再通过所述的非接触式天线27发射。由于发送功率放大电路26将应答信号进行功率放大,补偿了手机电池和电路板的屏蔽对应答信号的功率衰减,改善了所述屏蔽对应答信号的衰减影响。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。