CN102468872A - 近场通信系统 - Google Patents

Abstract

一种近场通信系统，包括第一和第二天线线圈，布置第一和第二天线线圈以使其以组合方式产生具有正交分量的磁场，其中，系统被配置为针对第一和第二天线线圈分别产生第一和第二信号，第一和第二信号是异相的。

Description

近场通信系统

技术领域

本发明涉及一种近场通信系统和用于这种通信系统的天线。这种通信系统通常用于助听器和其它人体(body)局域网络设备。

背景技术

传统的磁感应通信系统包括发射机和接收机，其使用相应发射线圈和接收线圈之间的电感耦合。在这种装置中，即使当接收线圈接近发射线圈时，也还是存在接收线圈由于其相对于发射线圈的相对方向而不能接收足够能量的位置。因为当用户在周围移动时，其始终需要确保接收天线与发射天线保持较好地对齐，所以这些接收死区非常令端用户烦恼。

发射线圈在空间中的每个点产生的磁场的向量具有确定的固定方向。当使用(调制)载波来调制场时，向量的幅度将在载波的频率处振荡。然而，向量的方向将保持固定。可以如下描述线圈的芯中以频率f_c调制的磁场(为了清楚起见假定线圈位于X-Y平面的原点)：

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{tot}}\left(t\right)=H_x^o\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_x}$

其中，

是方向x的单位向量(假设x维与发射线圈所处平面的法线对齐)，

是线圈中心的磁场的幅度。

在空间中的任意位置n，发射线圈产生的场的向量相对于线圈中心的磁场旋转并衰减。则该场向量可以写为：

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{tot}}(t,n)=H_n^o\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_n}$

其中，是沿磁场向量的方向的单位向量，

是位置n处的场的幅度。

当接收线圈位于发射线圈产生的磁场中时，在接收线圈中感应电流。被解调以恢复所发射的信号的感应电流与在接收线圈的面积上积分的磁通量密度成正比。如果经过线圈表面的入通量与出通量相等，那么相应的感应电流为零。结果，接收机将不能够检测到调制信号。即使是非常接近于发射线圈时，也还会存在这种位置。这就导致产生上述的接收死区。

由于在便携式的应用(例如，助听器(hearing aid))中不能控制发射线圈相对于接收线圈的方向，这些接收死区会在甚至是距离发射机很短距离的情况下导致产生严重降低的接收质量。

一些现有技术已经使用了具备不同方向的多个发射线圈，这些不同方向被用于在连续的时隙中顺序地发射所需信号。然后，接收机不得不挑选出具有最高接收质量的时隙(即，具有最高感应耦合系数的发射线圈)。然而，当从每个发射线圈顺序地发射相同的数据时，这种方案将降低有效的数据吞吐量。当发射机需要多次发射相同的数据时，这种方法还增加了发射机的功耗。

另一种公知方法是，使接收机针对每个发射线圈测量接收质量，并且向发射机反馈具备最高耦合因子的线圈索引(index)。用于这种方案的较简单方法可以是当接收质量变得太低时，接收机通知发射机切换线圈。然而，这些方法需要从接收机到发射机的反馈路径。这只能可以在接收机还可以向发射机发回消息的对称链路中实现。然而，这需要接收机具有发送功能。此外，一些发射机设备典型地会由于电池的限制而产生比位于接收机设备中的发射机更大的发射功率。因此，发射机可能到达接收机，但是由于接收机有限的发射功率，其不可能建立反向路径。例如，当发射机位于具有大功率电池的附属设备(例如遥控器)中且接收机位于具有非常有限的可用功率的助听器中时，就是这种情况。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种近场通信系统，包括第一和第二天线线圈，布置所述第一和第二天线线圈以便以组合方式产生具备正交分量的磁场，其中，系统被配置为分别产生针对第一和第二天线线圈的第一和第二信号，第一和第二信号是异相的(out of phase)。

本发明提供了一种适合于近场通信的开环发射线圈分集方案。通过利用两个线圈产生磁场，所产生的磁场向量在平面中旋转。因此，由于当磁场向量旋转时，死区恒定地围绕磁场向量有效移动，所以实质上降低了上述死区的影响。因为用于产生旋转场的机制仅需要第一和第二信号之间的特定相移，所以这种机制非常简单。

本发明提供了这种接收质量的改善，而不需要额外的信道带宽或从接收机到发射机的反馈路径。此外，发射机所需的额外复杂度最小，并且不需要改变接收机。

可以将第一和第二天线线圈围绕汇集于一点或非平行的相应轴缠绕；重要地是：第一和第二线圈产生的磁场具有正交分量。典型地，围绕正交轴来缠绕第一和第二天线线圈，因为这是很有效的结构。

通常，系统被配置为：产生具有正交相位的第一和第二信号。

优选地，围绕相同的铁氧体磁芯来缠绕第一和第二线圈。

因为可以将相同的芯用于两个线圈，这会导致产生具有与使用单个发射线圈的现有技术相同体积(volumn)的系统。

可以选择第一和第二线圈中每个线圈的匝数，使得其具有相同的电感系数。

在一个实施例中，系统包括用于直接产生第一和第二信号的数字合成器。

在另一实施例中，系统包括移相器，用于将要发射的信号的相位移位优选是90°的预定量以产生第二信号，与第一线圈耦合并经由移相器与第二线圈耦合的发射机产生的所述要发射的信号。

在基于本发明的近场通信系统中，移相器可以是互逆(reciprocal)的，系统还可以包括与第一线圈耦合并且经由移相器与第二线圈耦合的接收机。

在基于本实施例的另一近场通信系统中，系统还可以包括接收机和将接收机与第二线圈耦合的第二移相器，第二移相器适于将所接收信号的相位移位优选是90°的预定量。

备选地，系统可以包括第一移相器和第二移相器，第一移相器用于将要发射的信号的相位移位优选是-45°的第一预定量以产生第一信号，第二移相器用于将要发射的信号的相位移位优选是45°的第二预定量以产生第二信号，分别经由第一移相器和第二移相器与第一线圈和第二线圈耦合的发射机产生要发射的信号。

在这种情况下，第一和第二移相器可以是互逆的，系统还可以包括接收机，所述接收机分别经由第一和第二移相器与第一线圈和第二线圈耦合。

作为另一备选，系统可以包括延迟线，用于将要发射的信号的延迟优选是其周期四分之一的预定量以产生第一信号，经由延迟线与第一线圈耦合并与第二线圈耦合的发射机产生要发射的信号。

在这种情况下，延迟线可以是互逆的，系统还可以包括接收机，所述接收机经由延迟线与第一线圈耦合，并与第二线圈耦合。

以上参考移相器使用的术语“互逆”和延迟线意为从移相器或延迟线的输入到输出的传递函数与从其输出到输入的传递函数相同。换句话说，移相器和延迟线是双向的。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据本发明第一方面的近场通信系统的天线，所述天线包括沿正交方向围绕铁氧体磁芯缠绕的第一和第二天线线圈。

根据本发明的另一方面，提供了一种人体局域网，包括合并了根据本发明第一方面的近场通信系统的一个或多个设备。

本发明上下文中的人体局域网是可佩戴在人体上的一个或多个设备的集合，其能够彼此通信。因此，本发明的近场通信系统非常适应于这种类型的应用。人体局域网使用的频率范围依赖于用于实现人体局域网的技术类型。然而，作为一个示例，Bluetooth

Low Energy基于2.4GHz载波。包括更低频率的其它频率范围也是可能的，例如高达20MHz的范围。可以构成人体局域网的一部分的设备示例是助听器重发射机(也被称作桥接器)，例如，其从诸如Bluetooth

或感应环之类的无线系统接收期望用于助听器的信号，然后将信号重发射到用户佩戴的助听器。可以构成人体局域网的一部分的另一设备示例是遥控器，遥控器可由用户使用来控制远程的助听器。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出了根据本发明的近场发射机系统的示意性视图；

图2示出了由图1的发射机产生的旋转磁场的快照；

图3a和3b示出了根据本发明的近场收发机的示意性视图；以及

图4a和4b示出了天线的实现。

具体实施方式

图1示出了一种近场发射机，其中，两个发射线圈1和2彼此正交设置。第一发射线圈1被发射机3驱动而没有任何相移，而第二发射线圈2经由移相器4被发射机3驱动。移相器4给要发射的信号引入了90°的相移。因此，第二线圈2不仅物理上与第一线圈1以90°对齐，而且还发射相对于第一线圈1移位90°的信号。

然后，可以如下描述发射线圈1和2的中心处的发射信号(假设线圈1和2正交设置，以原点为中心)：

$H_{\mathrm{tot}}^{\→}\left(t\right)=H_x^o\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_x}+H_y^o\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_y}$

其中，

是方向x的单位向量(假设方向x和与第一线圈1平行的平面的法线对齐)，

是方向y的单位向量(假设y方向和与第二线圈2平行的平面的法线对齐)，

是发射线圈1上的载波的幅度，

是发射线圈2上的载波的幅度。

在使用幅度调制的通信方案中，这些幅度与需要被发射的已调制信号H(t)相等。

对于相位调制或频率调制，可以描述为类似的等式：

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{tot}}\left(t\right)=H_x^o\cos (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{\φ}\left(t\right))\stackrel{\→}{e_x}+H_y^o\sin (2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{\φ}\left(t\right))\stackrel{\→}{e_y}$

现在已调制信号具有包括信息的时变相位φ(t)。实践中，典型地将尽可能地平衡

和

以在两个方向上均衡地传播能量。

图1中所示的双发射线圈方案产生了旋转磁场。图2中示出了这种旋转场在某一时刻的快照。场在图像的平面内以顺时针方向旋转(尽管在其它实施例中，可以使场以逆时针方向旋转，这正是有效的)，在位置n处所产生的场是两个线圈所产生场的时变向量之和，如以下等式中所示：

${\stackrel{\→}{H}}_{\mathrm{tot}}(t,n)=H_x^n\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_x^n}+H_y^n\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)\stackrel{\→}{e_y^n}$

是在位置n处沿第一发射线圈1所产生磁场向量的方向的单位向量，

是在位置n处沿第二发射线圈2所产生磁场向量的方向的单位向量，

是在位置n处第一发射线圈1所产生的场的幅度，

是在位置n处第二发射线圈2所产生的场的幅度。

只要和

是非共线(co-linear)的(这个条件对几乎所有的位置n都为真)，在载波的每个周期T_c＝1/f_c中，位置n处的磁场在由向量和

限定的平面内完成一个完整的旋转。在时刻t＝0，场等于发射线圈1产生的场。在时刻t＝T_c/4，场等于发射线圈2产生的场。

旋转场的优点在于：在单个线圈将导致接收死区的位置处，现在能够在主要由具有不同向量方向的另一个发射线圈确定场的时间段期间接收信号。因此，该方法通过两个发射线圈1和2同时进行发射提供的分集显著地降低了接收死区的效应。

使用诸如在f_c处具有90°相移的模拟滤波器之类的模拟电路可以实现移相器4。

在另一实施例中，可以通过其它方式实现流经发射线圈1和2的电流的90°相移，诸如随后被提供给两个独立线圈驱动器的两个正交信号的直接数字合成。备选地，通过使用模拟电路，要发射的信号可以相对于发射线圈1相移+45°，并相对于发射线圈2相移-45°。在另一备选中，通过使用模拟延迟线或当使用数字调制时使用数字延迟线，可以将针对发射线圈1的信号延迟T_c/4。当使用数字调制时，使用数字延迟线意味着针对两个线圈的比特转换(transition)将不再对齐，从而导致符号间的干扰。然而，由于符号间的干扰仅持续载波周期的四分之一，所产生的影响最小。

如果移相器4是互逆或双向的(即，从输入到输出的传递函数等于从输出到输入的传递函数)，则以上参考图1讨论的方案还用作接收天线分集的方案，而不用添加任何额外的组件。在图3a中示出了这种实现，除了图1中组件之外所述图3a还包括接收机5。

例如，如果使用无源模拟组件实现移相器4，则移相器4是互逆的，并且相同组件可以正好用于组合在线圈1和2上接收到的信号。因此，在发射期间组件按照发射分集方案进行操作，在接收期间按照接收分集方案进行操作。在两种情况下，减少了空间中的死区。

如果移相器4不是互逆的(即，从输出到输入的传递函数不产生所需的相移)，则需要额外的组件来产生接收分集方案。图3b示出了包括移相器6的实施例，移相器6将接收机5与第二线圈2耦合。

在图1的实施例中，使用两个发射线圈1和2确保了在空间中每个点处产生的磁场在由

和

限定的平面中旋转。但是，如果在用于接收所发射信号的装置中接收线圈的法线与

和

限定的平面正交，则不会接收到信号。这是由于图1的实施例不能将信号沿整个三维空间而仅能沿两维空间“传播”的原因。因此，与第三维对齐的接收线圈仍然可以位于接收死区。

因为对于特定频率来说余弦和正弦是唯一两个正交函数，在不使用针对第三线圈信号的另一载波频率的情况下，在数学上不可能扩展图1的实施例来使用三个发射线圈。但是，因为会增加复杂度和所使用的带宽量，从实践的角度来讲，使用附加的载波频率并非非常吸引人。

但是，一种消除所有接收死区的可能解决方案是在发射和接收侧使用图3a或图3b的收发机。按照这种方式，完全消除了接收死区的出现。这是因为：即使接收侧的线圈之一与磁场向量在其中旋转的平面正交，接收端的另一线圈也处于该平面中，并且能够成功地接收所发射的信号。换句话说，发射侧和接收侧使用针对发射和接收信号的两个维。因为仅存在三个空间维，在发射线圈限定的平面与接收线圈限定的平面之间总是存在交叉。因此，保证该方法能够完全消除任何的接收死区。因此，图3a和3b消除了接收死区点的存在，而无需考虑接收线圈的方向。

理想地，线圈1和2应该互相独立(即，不同线圈之间没有相互耦合)，原因在于这会限制线圈1和2之间的交叉，并且简化设计。但是，这并非是图1、2、3a和3b工作的必要条件。实现相互独立的一种方式是使用铁氧体制成的十字形(cross-shape)部件，其中在每个分支部分具有绕组。

在图4a中示出了另一种方式，其中，布置两个线圈1和2，使其以正交方向被缠绕。围绕铁氧体材料的立方体形磁芯7缠绕第一线圈1，以及以与第一线圈1正交的方式围绕磁芯7缠绕第二线圈2。因此，两个线圈1和2了立方体形磁芯7的两个相对面上交叉。

为了更好的满足端产品，可以缩短立方体形磁芯7的维度之一。可以通过提高围绕较短路径缠绕的线圈中的绕组的数目可以补偿该线圈中相应的电感损失。

备选地，可以使用在其上缠绕了线圈1和2的球形铁氧体材料。

图4b示出了制造两个线圈的另一种方式，其中使用了螺线管或棒形铁氧体成形器8。在这种情况下，以缠绕螺线管(即，沿着棒形成形器器8)的常规方式来缠绕第一线圈1。围绕棒形铁氧体磁芯8的端部以正交方向缠绕第二线圈2。这种结构在所占据的体积方面极其有效。事实上，因为相同的铁氧体磁芯用于线圈1和2，不需要增大设备的总体积以容纳线圈1和2。此外，可以容易地制造两个线圈以具有较低的相互耦合度(当使用两个独立的螺线管时，因为需要将螺线管相对于彼此精确地定位，难以实现较低的相互耦合度)。

通过学习附图、说明书和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践本发明时可以理解和实施相对于所公开实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，不定冠词“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所记载的若干项功能。在互不相同的从属权利要求中记载特定特征的唯一事实并不表示不可以有利地使用这些特征的组合。权利要求中的任何参考标记不应该解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种近场通信系统，包括第一和第二天线线圈，布置所述第一和第二天线线圈以使其以组合方式产生具有正交分量的磁场，其中，系统被配置为针对第一和第二天线线圈分别产生第一和第二信号，第一和第二信号是异相的。

2.根据权利要求1所述的近场通信系统，其中，围绕正交轴缠绕第一和第二天线线圈。

3.根据前述权利要求中任一项所述的近场通信系统，其中，系统被配置为产生具有正交相位的第一和第二信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的近场通信系统，其中，围绕相同的铁氧体磁芯缠绕第一和第二线圈。

5.根据前述权利要求中任一项所述的近场通信系统，其中，对第一和第二线圈中每个线圈的匝数进行选择，以使其具有相同的电感。

6.根据前述权利要求中任一项所述的近场通信系统，其中，系统包括用于直接产生第一和第二信号的数字合成器。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的近场通信系统，其中，系统包括移相器，用于将要发射的信号的相位移位优选是90°的预定量以产生第二信号，与第一线圈耦合并经由移相器与第二线圈耦合的发射机产生要发射的信号。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的近场通信系统，其中，系统包括第一移相器和第二移相器，所述第一移相器用于将要发射的信号的相位移位优选是-45°的第一预定量以产生第一信号，所述第二移相器用于将要发射的信号的相位移位优选是45°的第二预定量以产生第二信号，分别经由第一移相器和第二移相器与第一线圈和第二线圈耦合的发射机产生要发射的信号。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的近场通信系统，其中，系统包括延迟线，用于将要发射的信号的延迟优选是其周期的四分之一的预定量以产生第一信号，经由延迟线与第一线圈耦合并与第二线圈耦合的发射机产生所述要发射的信号。

10.根据权利要求7所述的近场通信系统，其中，移相器是互逆的，以及系统还包括接收机，所述接收机与第一线圈耦合并且经由移相器与第二线圈耦合。

11.根据权利要求8所述的近场通信系统，其中，第一和第二移相器是互逆的，以及系统还包括接收机，所述接收机分别经由第一和第二移相器与第一线圈和第二线圈耦合。

12.根据权利要求9所述的近场通信系统，其中，延迟线是互逆的，系统还包括接收机，所述接收机经由延迟线与第一线圈耦合，并与第二线圈耦合。

13.根据权利要求7所述的近场通信系统，还包括接收机和第二移相器，所述第二移相器将接收机与第二线圈耦合，所述第二移相器适于将所接收信号的相位移位优选是90°的预定量。

14.根据前述权利要求中任一项所述的近场通信系统，其中，天线包括以正交方向围绕铁氧体磁芯缠绕的第一和第二天线线圈。

15.一种人体局域网，包括并入根据权利要求1至13中任一项所述的近场通信系统中的一个或多个设备。

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