CN102484469B - 改进的调制和解调电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及调制和解调电路领域，诸如用于解调幅度调制(AM)信号和幅移键控(ASK)信号的包络检波器。通过将包括大小被审慎地确定的一个电阻器和两个电容器的模拟电路审慎地耦合至数字部件的端口，可以获得极其紧凑的包络检波器，该包络检波器实现了对二进制ASK信号的解调以用于直接耦合到数字输入端口中。因此，非常紧凑的包络检波器可以与提供诸如电感耦合、电容耦合或者辐射耦合的电磁耦合的附加部件相结合地有利地用在需要制造后数据传输的密封器件的数据接收部分中。这种器件的示例是信用卡大小的认证令牌，该认证令牌的电个性化发生在卡状外壳的生产之后。

Description

改进的调制和解调电路
技术领域
本发明涉及调制和解调电路领域，诸如用于解调幅度调制(AM)信号和幅移键控(ASK)信号的包络检波器。
相关申请
其全部内容通过引用合并的共同未决的第12/210,691号美国专利申请公开了一种用于去向和来自密封器件的制造后数据传输的方法。
背景技术
可以借助于包络检波器对调幅信号进行解调是无线电工程的普遍公知的原理。包络检波器是相对简单的电子电路，其基本部件是二极管、电容器和电阻器。电路被布局成使得电容器能够在输入信号的最多四分之一周期期间(例如载波循环的上升沿的正部分)通过正向极化二极管上的输入信号非常快速地充电，在此之后，电容器在该周期的其余时间在电阻器上更加缓慢地放电，其中，二极管的极性反接阻止了更加快速的放电。当幅度包络降低时，放电阶段持续直到电容器上的电压与输入信号的上升沿相交为止。
由此，电容器上的电压粗略地跟随输入信号的波峰，而纹波由电容器和电阻器的结合的时间常数特性来确定。该时间常数由τ＝RC给出，其中，R是电阻器的电阻而C是电容器的电容。
获得包络检波器的另一种具体的方法包括结合具有附加电容器和电阻器的钳位电路，以使得输入信号首先被“钳位”到某个非零偏置电平，在不丧失一般性的情况下可以假设该非零偏置电平为正，之后在具有平均效应的电容器上的电压近似地表示原始输入信号的包络。
幅移键控(ASK)是一种数字调制技术，其中，信息被编码成由正弦信号的具有不同幅度的突发(burst)表示的字母符号。在其最简单的形式中，二进制ASK每个符号对一比特进行编码，该符号由两个不同的幅度电平表示。各个幅度电平的比是设计选择。可选地，这些幅度电平之一是零；所得到的调制方案可以被描述为通/断信令。二进制ASK可以将比特值“1”和“0”直接编码成不同的幅度电平，或者可以使用更加复杂的编码方案，诸如曼彻斯特编码、游程编码以及现有技术中已知的其他可替选方案。
使用二进制ASK传输的无线数字传输系统的示例是非接触智能卡以及射频识别(RFID)系统。这些是高度小型化的系统。这些系统的一些部件是完全无源的，因为这些部件从由发射器发出的电磁场获取工作功率和要接收的信号。其他的部件具有其自己的工作电源。这些系统通常经由近场中的电感耦合从发射器接收ASK调制信号。
在通常的ASK接收电路中，包络检波器的输出通过模拟-数字转换器(ADC)并且馈送到对包含在接收信号中的二进制信息进行处理的数字电路或者部件中。
发明内容
技术问题
在具有无线射频通信能力的小型化器件的背景中要解决的普遍问题是提供非常小的、鲁棒的并且经济有效的射频信号接收和发送电路用于与数字处理电路或部件的互连。优选地，接收和发送电路包括少量的商用部件。优选地，在发送和接收电路之间有协作。
技术方案
为了简化对电子电路的综合和分析，通常在概念上将完整的电子电路划分成模拟部分和数字部分，其中，数字部分包括执行由数字术语规定的功能的互连部件。这种划分的目的是允许独立地对待两个部分，以使得可以在无需担心组成数字部分的部件的细节的情况下对模拟部分进行分析，并且使得可以在数字抽象级上分析数字部分同时忽略由电路的数字部分的各部分所产生的任何模拟效应。由于这种严格的概念划分，可以在数字抽象级上分析互连的数字部件的行为和相互作用，所述数字抽象级不在意组成数字电路的物理结构的任何模拟效应。
然而，包括有集成电路(IC)的数字电路是由的确具有可以用模拟术语描述的效应的元件制成的。本发明的目的是使用存在于器件的数字电路中的元件的模拟性质起到执行器件的模拟功能的作用，从而使得其余的模拟电路更加紧凑或简单、或既紧凑又简单。本发明由此放弃了对电路的模拟部分和数字部分的严格划分，以有利地利用通常被采用以执行由数字术语规定的功能的元件的模拟属性。
本发明基于以下认识：用于解调数字信号的ASK解调电路可以有利地使用数字部件(被设置成执行由数字术语规定的功能的部件)的端口的特性来消除对单独分立的二极管的需要。更具体地，本发明基于以下认识：数字部件的端口的模拟行为在一定的电压界限和电流界限内相当于二极管的模拟行为。
数字部件(诸如微处理器)的端口通常包括保护数字部件的逻辑电路免受可能会施加到输入的不安全电压损害的电路，这种不安全电压诸如无意识的静电放电。这样的不安全电压在数字部件的正常工作期间是不期望存在的，而且这样的不安全电压的例外出现通常不会被数字电路设计领域的技术人员考虑在内。一种典型的保护组件将端口经由第一二极管链接到系统地VGND，其中，第一二极管的阳极连接到系统地，并且该保护组件将端口经由第二二极管链接到系统电源电压VDD，其中，第二二极管的阴极连接到系统电源电压。
电子领域的技术人员会理解，这种类型的组件将端口上的电压大约限制于VGND-Vd与VDD+Vd之间的范围，其中，Vd是二极管的结的正向电位差，通常大约为0.6V至0.7V。组件的工作使得施加到端口的在所述范围之外的任何电压会意味着到参考点中的一个参考点的下述电流，该电流可能太大以至于不能被电压发生器承受。可以通过增加限流电阻器来改进该组件。
相似的结果可以通过将晶体管(诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))审慎地连接到端口和参考电压电平VGND和VDD来获得。
如果数字部件的端口展示出如上所述的二极管样的电压电流特性，则不论该端口的内部实施例是否实际上包括了任何二极管，这样的端口都可以有利地用于实现否则必须存在于相邻的模拟电路中的二极管的作用。这在模拟电路要求存在有其阳极会连接到VGND的二极管的情况下尤其如此。换言之，通过将电路简单地连接到端口，可以削减否则会被要求的二极管。
更具体地，用于二进制ASK解调的、其数字输出信号要由微处理器处理的包络检波器可以有利地连接到所述微处理器的否则是未使用的端口，以采用由该端口提供的虚拟的二极管到地端接，由此消除了对单独的外部二极管的需要。如果存在多个数字部件，则任何其他数字部件的未使用的端口可以用于提供虚拟的二极管到地端接。可选地，发送电路、接收电路以及包络检波器的结合的大小被确定成使得当连接到所述微处理器的数字输入端口时包络电压取得数字“1”和数字“0”的资格，以使得包络检波器还执行否则也会被要求的ADC的功能。这个结果基于以下认识：对于严格的二进制包络信号的检测，与阈值电平的单个比较对于每个符号是足够的，且可以使该阈值可以与数字输入端口的高/低检测阈值一致。
数字部件的输入保护电路由此成为包络检波器的一部分。以下将包络检波器的分立部分、即没有二极管的包络检波器电路称为“简化的包络检波器电路”。
在一种形式下，因为在单个电路节点级上不再遵守电路的模拟部分和数字部分之间的严格区分，所以本发明的优选实施例将自己尤其与现有技术区别开。更确切地，该实施例涉及通过依赖数字部件的间接模拟行为而采用数字部件(被设置成执行由数字术语规定的功能的部件)或者该数字部件的各个部分执行由模拟术语定义的系统功能。
应该注意，通常不期望用于提供二极管功能的数字端口对电路有任何其他影响。如果数字部件支持三态逻辑，则这种功能去耦可以通过将端口置于高阻抗状态(也被称为“Hi-Z”)来实现。
通过在解调电路的输入处添加电感器和电容器作为LC电路，可以实现近场中的电感耦合。针对电感器将由附近装置发出的变化磁通量转换成电流的能力而选择具有电感L的电感器。选择电容器以使得电路在选择的频率f处、即输入信号的载波频率处展示出电谐振，如果忽略杂散电阻的微小效应，则这需要电容C′＝1/(4π2f2L)。
由此解决了提供一种具有包络检波器的无线接收机的问题，本发明的另一个目的是提供一种无线发射器。本发明的无线发射器基于以下认识：根据“后向散射”概念，如上所述地与数字端口互连的以上描述的电路可以用作近场发射器。
对后向散射波的调制可以通过重复地修改LC电路的电抗来实现。因为本发明的装置的LC电路被感性耦合到近场源装置的发射电路，所以要由源装置的载波发生器克服的阻抗会作为本发明的装置所提供的电抗的函数而变化。该变化可以被源装置检测到，由此提供从本发明的装置回到源装置的通信信道。
如果LC电路精确调谐到入射波频率f0，则该LC电路的作为频率的函数的阻抗在f0处展示出全局最小值；这是朝向入射波的阻抗，为此LC电路是串联LC电路。如果并联LC电路在电感耦合范围之内，则本发明的装置的耦合LC电路以及源装置的调谐电路的合成阻抗在f0处展示出局部最小值。如果并联LC电路在电感耦合范围之内并且与入射波的频率失谐，则这会具有以下效应：将入射波频率处的阻抗变成与在局部最小值处的值不同的值——局部最小值移到了不同的频率；因此，使LC电路失谐向源装置呈现出可检测的阻抗改变。参照图6，尤其是通过在端口101处的参考点和系统地之间产生短路，可以任意失谐LC电路104，这具有如下效应：将电容器C1放置成与LC电路104并联从而消除R1和C2的影响。本发明通过将数字部件103的端口101切换到其“低”或“断开”状态，这接近或等同于系统地参考点，从而实现了短路的等效体。以这种方式使用端口101的优点在于可以通过数字部件直接控制对后向散射通道的调制，而不需要任何附加的数字-模拟转换电路。
有利效果
通过将包括大小审慎确定的一个电阻器和两个电容器的模拟电路审慎地耦合至数字部件的否则是未使用的端口(以下称为“二极管端口”)，可以获得极其紧凑的包络检波器，该包络检波器实现了对二进制ASK信号的解调以用于直接耦合到数字输入端口中。优选地，二极管端口和输入端口是同一数字部件的端口，由此减小了所需部件的总数目。
这种非常紧凑的包络检波器可以与提供电磁耦合(诸如电感耦合、电容耦合或者辐射耦合)的附加部件相结合有利地用在要求制造后数据传输的密封器件的数据接收部分中。这种器件的一个示例是信用卡大小的认证令牌，该认证令牌的电个性化发生在卡状外壳的生产之后。这种令牌通常被构造成叠层外壳中的嵌体(inlay)，由此外壳的外部缺乏与嵌体的部件的任何欧姆接触。
在本发明的另一方面中，通过将二极管端口的电压切换到系统地电平，二极管端口还另外用于调制后向散射波。以这种方式，装置有利地装备有无线双向半双工传输系统。
附图说明
根据以下对本发明的如附图所示的几个实施例的更具体的描述，本发明的前述和其他特征和优点将会明显。
图1示出了标准钳位电路的示意图；
图2示出了钳位电路和包络检波器的结合的示意图；
图3示出了根据现有技术的包括有包络检波器的示例性电路的示意图；
图4示出了本发明的实施例的示意图；
图5是在之前的附图的电路中的各个参考点处测量到的电压形式的信号的时序图；
图6示出了根据本发明的另一个实施例的示意图。
具体实施例
首先参照图1，该图示出了包括有电容器C1、二极管D以及电阻器R的标准钳位电路，该标准钳位电路将输入电压信号Vin变换成参考点处的被钳位的对应电压信号Vclamped。假设输入电压信号Vin是已调幅的(调制电路、传输信道和接收电路都未单独示出)。
图2示出了钳位电路和包络检波器的结合。在图2中，附加的电容器C2用于获得输入信号的包络Venvelope。假设输入电压信号Vin是已调幅的(调制电路、传输信道和接收电路都未单独示出)。
在图3中，IC1是对输入数字数据进行处理的数字部件。假设输入电压信号Vin以四进制ASK的方式进行了幅度调制(调制电路、传输信道和接收电路都未单独示出)。模拟包络检波电路检测幅度调制信号的包络并且将该包络传给模拟数字转换器IC2，该模拟数字转换器IC2在此被示出具有4比特输出。IC2的输出连接到IC1的输入。
参照图4，IC1是数字部件103，示出了其两个端口；第一端口101用作“二极管端口”，提供二极管到地端接，第二端口102是用于对由电路100提供的所接收到的解调信号进行处理的实际数字输入端口。假设输入电压信号Vin以二进制ASK的方式被幅度调制(调制电路、传输信道和接收电路都未单独示出)。
更具体地，在优选实施例中，用于处理电信号的装置包括简化的包络检波器电路100以及微处理器103，其中，所述简化的包络检波器电路的第一节点耦合到所述微处理器的第一端口102，在所述第一节点处的电压表示所述电信号的包络，以及其中，所述简化的包络检波器电路的第二节点耦合到所述微处理器的第二端口101，所述第二端口用于通过提供耦合到系统地参考点的二极管的电等效体而使所述简化的包络检波器电路完整，所述二极管的电等效体的阳极耦合到系统地参考电压而所述二极管的电等效体的阴极耦合到所述第二节点。
在特定实施例中，电路适于接收以1kHz调制的15MHz信号。在特定实施例中，装置适于通过电感耦合在1/5″(0.005m)远处接收信号。
在特定实施例中，装置通过近场电感耦合接收输入信号。优选地，装置包括调谐电路104。在一个实施例中，所述微处理器的所述第二端口101包括适于选择性地提供与系统地参考电压等效的输出电平的开关105，从而调制后向散射信号。所述开关105可以包括本领域技术人员公知的集成部件的任何组合以提供开关的功能，包括一个或更多个晶体管。
图5示出了有关的波形。第一信号Vin是在幅移键控(ASK)调制中承载二进制数据的示例性信号。第二信号Vclamped是在钳位电路的输出处测量到的信号。第三信号Venvelope是在包络检波器的输出处测量到的信号。如该图所示的每个符号的循环数目、调制深度以及解调信号的纹波是为了说明的目的而任意选取的，未必反映了优选的系统参数。
图6示出了另一个实施例。如图所示，IC1是数字部件103，示出了其两个端口；第一端口101用作“二极管端口”，提供二极管到地端接和传输调制开关105，第二端口102是用于对由电路100提供的所接收到的解调信号进行处理的实际数字输入端口。输入信号通过近场电感耦合被调谐电路104接收。输出信号也通过近场电感耦合被调谐电路104发出，输出信号包括被传输调制开关105调制的入射载波的后向散射版本。
实施本发明的一种或更多种方式
根据本发明的用于处理电信号的装置的一般实施例包括一个或更多个数字部件103以及用于解调所述信号的电路100，其中，所述电路100耦合到所述一个或更多个数字部件103中的一个数字部件的第一端口102，用于将来自所述电路的解调信号提供给所述数字部件，其中，所述电路还耦合到所述一个或更多个数字部件103中的一个数字部件的第二端口101，用于提供连接到参考电压的二极管的电等效体。
在本发明的装置的一个实施例中，所述电路100不包括与解调功能相关联的二极管。
在本发明的装置的另一个实施例中，所述第一端口102和所述第二端口101是同一数字部件103的端口。在本发明的装置的具体实施例中，所述数字部件103是微处理器。
在本发明的装置的又一个实施例中，以幅度调制的方式调制所述电信号。在本发明的装置的一个特定实施例中，以幅移键控的方式调制所述电信号。在本发明的装置的又一个特定实施例中，以二进制幅移键控的方式调制所述电信号。
在本发明的装置的另一个实施例中，所述参考电压是系统地电压。
在本发明的装置的再一个实施例中，所述参考电压是系统电源电压。
在本发明的装置的另一个实施例中，所述电路100是简化的包络检波器。
在一个实施例中，所述第二端口101包括适于选择性地提供与参考电压等效的输出电平的开关105，用于调制后向散射信号。
在一个实施例中，所述电信号具有大约16MHz的载波频率，而所述电信号以1kHz的速率被调制。
在一个实施例中，所述电信号经由电感耦合接收，其中，耦合距离大约是0.005米。
在一个实施例中，其中，数字电路的第二端口提供了二极管的电等效体，并且其中，所述电路采用电感耦合，采用调谐电路。在该实施例中，开关或开关组件用于调制所述调谐电路的电抗。在该实施例中，所述开关组件集成到所述第二端口中。
虽然以上描述了本发明的各种实施例，但是应该理解的是这些实施例仅作为示例而不是限制被呈现出来。由此，本发明的广度和范围不应该被以上所述的任何示例性实施例所限制，而是应该根据所附权利要求及其等价内容而限定。

Claims (16)

1.一种用于处理电信号的装置，包括一个或更多个数字部件以及用于解调所述信号的模拟电路，其中，所述模拟电路耦合到所述一个或更多个数字部件中的一个数字部件的第一端口，用于将来自所述模拟电路的解调信号提供给所述数字部件，其中，所述模拟电路还耦合到所述一个或更多个数字部件中的一个数字部件的第二端口，所述模拟电路到所述第二端口的耦合向所述模拟电路提供了连接到参考电压的二极管的电等效体其中，所述模拟电路没有与所述解调相关联的二极管。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一端口和所述第二端口是同一数字部件的端口。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述数字部件是微处理器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，以幅度调制的方式调制所述电信号。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，以幅移键控的方式调制所述电信号。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，以二进制幅移键控的方式调制所述电信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述参考电压是系统地电压。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述参考电压是系统电源电压。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模拟电路是简化的包络检波器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电信号具有16MHz的载波频率。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，以1kHz的波特率调制所述电信号。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，通过电感耦合接收所述电信号。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，耦合距离是0.005米。
14.根据权利要求12所述的装置，还包括用于实现所述电感耦合的调谐电路。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括用于调制所述调谐电路的电抗的开关组件。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述开关组件集成在所述第二端口中。
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