CN101561890B - 用于射频识别系统的信号增强器芯片及其信号增强器 - Google Patents

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Abstract

一种用于射频识别系统的信号增强器芯片及其信号增强器，其中信号增强器芯片包括：接收电路、发送电路和电源模块，接收电路包括解调放大模块和数字量化模块，发送电路包括逻辑控制模块和调制模块；解调放大模块，用于将双界面SIM卡发送的通信信号放大并解调；数字量化模块，用于将解调放大模块输出的模拟通信信号转化为数字通信信号；逻辑控制模块，用于处理数字量化模块输出的数字通信信号，产生返回至阅读器的副载波信号；调制模块，用于根据副载波信号形成待发送的通信信号。本发明的信号增强器及其芯片，作为双界面SIM卡和阅读器之间的中继设备，能将双界面SIM卡的应答信号进行增强，确保双界面SIM卡和阅读器之间的正常通信。

Description

用于射频识别系统的信号增强器芯片及其信号增强器
技术领域
本发明涉及涉及射频识别技术，特别涉及一种用于射频识别系统的信号增强器芯片及其信号增强器。
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的载波信号的频率为F1，而对应二进制1的载波信号的频率为F2。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。相移键控(PhaseShift Keying，简称PSK)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。由于能够非常好地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 14443 TYPEA/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/IEC 7816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。
发明内容
本发明解决现有技术双界面SIM卡应用到手机环境中时，其和阅读器之间的通信质量较差的问题。
为解决上述问题，本发明在一个方面提供一种用于射频识别系统的信号增强器芯片，包括：接收电路、发送电路和电源模块，所述接收电路包括解调放大模块和数字量化模块，所述发送电路包括逻辑控制模块和调制模块；其中，
解调放大模块，用于将接收到的双界面SIM卡发送的通信信号放大并解调，输出模拟通信信号；
数字量化模块，用于将解调放大模块所输出的模拟通信信号转化为数字通信信号；
逻辑控制模块，用于处理数字量化模块输出的数字通信信号，并产生返回至阅读器所需的副载波信号；
调制模块，用于根据所述副载波信号，形成待发送的通信信号。
本发明在另一方面提供一种包括有上述信号增强器芯片的信号增强器。
与现有技术相比，上述信号增强器芯片具有以下优点：通过接收双界面SIM卡发送的通信信号，并对其作信号增强处理，再将放大的通信信号发送至阅读器，以改善由于手机电池和电路板的屏蔽导致双界面SIM卡发出的通信信号衰减严重的情况，能够确保阅读器能接收到足够强度的通信信号并实现成功阅读。
附图说明
图1是现有技术典型双界面IC卡的内部结构示意图；
图2是现有技术典型双界面IC卡的RF接口电路示意图；
图3是应用本发明信号增强器的射频识别系统的结构示意图；
图4是本发明信号增强器的外部结构示意图；
图5是本发明信号增强器的内部结构示意图；
图6a是图5所示解调放大模块中一种实现相干解调方法的电路的简易示意图；
图6b是图5所示解调放大模块中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；
图7是图5所示解调放大模块中一种放大电路的电路示意图。
具体实施方式
发明人发现，在具有双界面SIM卡的射频识别系统中，由于手机电池和电路板的屏蔽作用，双界面SIM卡10发出的信号经手机环境后将大幅衰减，如果没有信号增强器2进行信号的增强，阅读器1就无法收到双界面SIM卡10返回的应答信号，也就无法实现双界面SIM卡10和阅读器1的正常通信。
有鉴于此，发明人提出在双界面SIM卡与阅读器之间设置用于对通信信号进行中继放大的信号增强器。
图3显示了应用了本发明信号增强器的射频识别系统的结构示意图。如图3所示，所述射频识别系统包括：阅读器1、后台系统3、阅读器1和后台系统3的通信接口4、移动通信设备9，该射频识别系统还包括双界面SIM卡10和信号增强器2。其中，双界面SIM卡10安装在移动通信设备9(例如为手机)上，信号增强器2设置在阅读器1上或者移动通信设备9上，用于增强双界面SIM卡10返回到阅读器1的应答信号。
在所述射频识别系统中，阅读器1主要进行交易命令的发送和响应的接收，双界面SIM卡10主要进行交易命令的接收并给出响应，而信号增强器2主要在双界面SIM卡10和阅读器1之间作通信信号的中继和增强。具体来讲，阅读器1发出的信号由移动通信设备9中的双界面SIM卡10直接接收；而双界面SIM卡10向所述的阅读器1应答的信号先以ASK、FSK或PSK调制方式发到所述的信号增强器2，完成信号增强后，再将增强后的信号返回给所述的阅读器1，供其进行阅读。
所述的信号增强器2粘贴到阅读器1上或者移动通信设备9上，用于增强所述的双界面SIM卡10返回所述的阅读器1的应答信号。
请同时参阅图4和图5。图4是本发明信号增强器的外部结构示意图；图5是本发明信号增强器的内部结构示意图。如图4所示，信号增强器2的信号收发由二个天线实现。具体包括：信号增强器2和双界面SIM卡10通信的接收天线8、对接收天线8接收的通信信号进行增强处理的信号增强器芯片5、信号增强器2和阅读器1通信的发送天线7。其中，信号增强器芯片5包括第一天线引脚51、第二天线引脚52、第三天线引脚53、第四天线引脚54。
所述的发送天线7通过导线连接到所述的信号增强器芯片5的第一天线引脚51、第二天线引脚52上；所述的接收天线8通过导线连接到所述的信号增强器芯片5的第三天线53、第四天线引脚54。
阅读器1发出的信号由移动通信设备9中的双界面SIM卡10直接接收，而双界面SIM卡10向所述的阅读器1应答的信号先发到所述的信号增强器2和双界面SIM卡10通信的接收天线8，经所述的信号增强器芯片5完成信号增强后，再以与所述的阅读器1相一致的频率协议通过发送天线7返回给所述的阅读器1。
在对应的射频识别系统中，双界面SIM卡10和信号增强器2通信的调制方式是ASK、FSK或PSK调制，其载波信号的频率可以是6.78MHz、13.56MHz或27.12MHz等。所述的信号增强器2应答到阅读器1的信号频率、协议与阅读器1通信的频率、协议一致，可以但不限于ISO/IEC 14443标准、ISO/IEC15693或ISO 11784/ISO 11785标准。
所述的信号增强器2工作时，通过所述的发送天线7直接取用阅读器1发出的载波能量。
请继续参阅图5，所述的信号增强器芯片5进一步包括接收电路、发送电路和电源模块506，所述的接收电路还包括滤波器501、解调放大模块502、数字量化模块503，所述的发送电路还包括逻辑控制模块504、调制模块505。
所述的接收天线8将所述的双界面SIM卡10发到信号增强器2的通信信号先传送至所述的滤波器501的输入端，经滤波器501滤波，获得要解调的干净调制信号。
所述的滤波器501由带通滤波器和带阻滤波器组成，所述的带通滤波器用于带通滤波双界面SIM卡发送到信号增强器2的调制波信号和载波信号，所述的带阻滤波器用于带阻滤去阅读器1发送到信号增强器2的调制波信号和载波信号，其中带通滤波器和带阻滤波器的中心频率是要与信号增强器2或阅读器1发到信号增强器2的载波信号的频率相一致。所述载波信号的频率的具体数值是根据信号增强器芯片5所采用的通信标准而定，如采用ISO/IEC 14443或ISO/IEC 15693标准时，载波信号的频率是13.56MHz；而采用ISO 11784/ISO 11785标准时，载波信号的频率是100kHz--150kHz，例如134.2KHz。所述的滤波器501中的带阻滤波器和带通滤波器可以采用但不限于切比雪夫滤波器。
所述的滤波器501的输出端与所述的解调放大模块502的输入端相连，解调放大模块502用于将滤波器501所输出的通信信号进行放大处理并解调，具体可以包括放大电路和解调电路。
图7所示为一种放大电路的电路示意图。如图7所示，所述的放大电路包括：第二PNP管Q2、第一PNP管Q1，第一、第二电容C1、C2，以及若干电阻R1～R8。
所述放大电路属于共发-共发的组合放大电路，其中，第二PNP管Q2的发射极和第一PNP管Q1的发射极接地，第二PNP管Q2的基极作为用于接收所述的解调电路输出的解调信号输入端，第一PNP管Q1的集电极作为输出端。
经过上述放大电路的信号增强处理后，所述通信信号将被传输至解调电路进行解调。
解调放大模块502的信号解调方法可以采用但不限于现有实现相干解调方法或非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。现有技术可以实现相干或非相干解调方法的相应电路都可用作此处的解调放大模块502。
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，经滤波器501滤波后并作放大处理的输入信号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。所述的解调电路在接收输入信号Vi后，进行二极管峰值包络解调，输出解调输出信号Vo。
经解调放大模块502增强和解调处理后的模拟通信信号输出至所述的数字量化模块503的输入端，供数字量化模块503进行量化处理。在本实施例中，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输出的模拟通信信号转化为数字通信信号，再将所述数字通信信号输出至所述的逻辑控制模块504的输入端。
所述的逻辑控制模块504用于处理数字量化模块503输入的数字通信信号，可以根据所述系统所采用的ISO/IEC 14443标准、ISO/IEC 15693或ISO11784/ISO 11785标准产生相应的控制逻辑，并产生返回给阅读器所需的副载波信号，输出至所述的调制模块505的输入端。
所述的逻辑控制模块504产生的副载波信号根据信号增强器芯片5所采用的ISO/IEC 14443标准、ISO/IEC 15693或ISO11784/ISO11785标准而定。如采用ISO/IEC 14443标准时，副载波信号频率是847kHz；采用ISO/IEC 15693标准时，副载波信号频率是423.75kHz或484.28kHz。
所述的调制模块505用于根据所述副载波信号，形成待发送的通信信号。所述调制模块的调制方法可以采用但不限于现有实现反射调制或负载调制的调制电路。如解调后的通信信号采用负载调制时可采用如下方法：使用一个副载波或者多个副载波调制到载波频率上形成已调制信号。其中，副载波的频率和数量由所采用的协议决定。
所述的调制模块505可以根据已调制信号发出高电平或低电平控制连接发送天线7两端的绝缘栅场效应管(简称MOS管)开关5051，从而改变加到所述的发送天线7的负载电流，产生副载波反射调制信号返回到所述的阅读器1。当调制模块505通过发出高电平时，MOS管开关5051导通，所述的发送天线7构成一个回路，这样就有负载电流流过，就产生副载波反射调制信号返回到所述的阅读器1；当调制模块505通过发出低电平时，MOS管开关5051截止，所述的发送天线7就不构成一个回路，这样就没有负载电流流过，也就不会产生副载波反射调制信号返回到所述的阅读器1。后续，阅读器1可以根据接收到的副载波反射调制信号，对其进行解调后得到由双界面SIM卡发送的应答信号，实现双方的通信，完成交易。
所述的信号增强器芯片5工作时，通过所述的发送天线7直接取用阅读器1发出的载波能量，所述的电源模块506利用桥式整流电路产生信号增强器芯片5工作所需的工作电源，供所述的信号增强器芯片5整个芯片使用。
所述信号增强器的发送天线7除了作为所述的阅读器1和信号增强器2的通信通道外，还将载波能量从所述的阅读器1传输到信号增强器2的信号增强器芯片5的电源模块506。因为所述载波能量的传输，信号增强器2可以脱离外接直流或交流电源，进行无源地工作。
本发明的信号增强器2利用信号增强器芯片5内部的各个模块有效解决了上述信号衰减的问题，实现了信号的增强，并且无需改造阅读器1和双界面SIM卡10所在的移动通信设备9，有效地拓展了系统的应用范围、降低系统研发的资金和时间投入。
虽然本发明己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。

Claims (12)

1.一种用于射频识别系统的信号增强器芯片，其特征在于，包括：接收电路、发送电路和电源模块，所述接收电路包括解调放大模块和数字量化模块，所述发送电路包括逻辑控制模块和调制模块；其中，
解调放大模块，用于将接收到的双界面SIM卡发送的通信信号放大并解调，输出模拟通信信号；
数字量化模块，用于将解调放大模块所输出的模拟通信信号转化为数字通信信号；
逻辑控制模块，用于处理数字量化模块输出的数字通信信号，并产生返回至阅读器所需的副载波信号；
调制模块，用于根据所述副载波信号，形成待发送的通信信号。
2.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，还包括滤波器，用于对双界面SIM卡发送的通信信号进行滤波处理，并将滤波后的通信信号输出至解调放大模块。
3.如权利要求2所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述滤波器包括：
带通滤波器，用于带通滤波双界面SIM卡发送的调制波信号和载波信号；
带阻滤波器，用于带阻滤去阅读器发送的调制波信号和载波信号；
其中，带通滤波器和带阻滤波器的中心频率和信号增强器或阅读器所发送的载波信号的频率相一致。
4.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述解调放大模块进一步包括：
解调电路，用于将接收到的双界面SIM卡发送的通信信号进行解调；
放大电路，用于对解调后的通信信号作增强处理。
5.如权利要求4所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述解调电路的解调方法为相干解调或非相干解调。
6.如权利要求5所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述非相干解调为二极管峰值包络解调或平均包络解调。
7.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述数字量化模块为模数转换器或比较器电路。
8.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述调制模块包括控制开关，在控制开关导通时，形成负载电流，并产生用于发送至阅读器的副载波反射调制信号。
9.如权利要求8所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述控制开关为绝缘栅场效应管。
10.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述形成待发送的通信信号的方法为反射调制或负载调制。
11.如权利要求1所述的信号增强器芯片，其特征在于，所述电源模块是利用桥式整流电路产生工作电源的。
12.一种包括如权利要求1至11中任一项所述的信号增强器芯片的信号增强器。
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