CN102761408B - 一种射频处理模块、射频卡片以及射频处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于射频识别技术领域，提供一种射频处理模块、射频卡片以及射频处理方法。其中，射频处理模块包括：用于接收并放大天线接收到的微小信号的接收放大单元；用于从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去的锁相环及时钟提取单元；用于校准所述锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号的相位的相位校准单元；用于将经校准的所述时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出的调制发射单元；用于将调制发射单元输出的负载调制信号进行放大，并输出给天线的放大发射单元。本发明采用主动负载调制技术，模拟出的负载调制信号幅度稳定、发射能量大，受环境因素干扰较小，而且制得的射频卡片体积小并与携带使用。

Description

一种射频处理模块、射频卡片以及射频处理方法

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，尤其涉及一种射频处理模块、射频卡片以及射频处理方法。

背景技术

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别即）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID已广泛应用于物流、手机移动支付、智能卡及生物识别等行业。RFID技术日益成熟，人们对RFID产品也有了更高的需求。其中，产品的体积小型化便是一大趋势。在RFID众多标准中，13.56MHz标准是目前应用最为广泛的标准之一。目前金融支付、手机移动支付、公交应用及门禁考勤大多采用13.56MHz标准。由于13.56MHz标准应用大多趋于民用，因此其卡片的体积小型化以改善用户体验益发重要。

传统被动式13.56MHz RFID卡片通过一个LC谐振天线进行负载调制来传输信号，若卡片的天线面积不够大，卡片天线与读卡器天线之间无法产生足够量的互感耦合，会导致负载调制信号的幅度过低，读卡器无法获取卡回数据，影响接收性能。由于卡片天线的面积无法减少到比较小，导致目前卡片体积无法小型化。

另外，卡片天线在金属材质物体的干扰下，其与读卡器天线的互感系数会大大降低，因此被动式13.56MHz RFID卡片也容易受到外界环境因素的影响，尤其是金属材质物体。

发明内容

本发明提供一种射频处理模块、射频卡片以及射频处理方法，旨在解决现有射频卡片体积无法减小，数据传输容易受到外界干扰的技术问题。

本发明是这样实现的，一种射频处理模块，该模块用于射频卡片，所述射频处理模块包括：

用于接收并放大天线接收到的微小信号的接收放大单元；

与所述接收放大单元的输出端连接，用于从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去的锁相环及时钟提取单元；

与所述锁相环及时钟提取单元的输出端连接，用于校准所述锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号的相位的相位校准单元；

与所述相位校准单元的输出端连接，用于将经校准的所述时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出的调制发射单元；

与所述调制发射单元的输出端连接，用于将调制发射单元输出的负载调制信号进行放大，并输出给天线的放大发射单元。

本发明另一目的是提供一种射频卡片，包括上述的射频处理模块，所述射频处理模块双向连接有天线，所述天线用于接收读卡器天线发射的射频信号以及发送经放大的负载调制信号，所述射频处理模块还双向连接有安全单元，所述安全单元用于接收并处理锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号和调制信号，并将需要发送的数据以数字信号形式输出到调制发射单元，所述射频处理模块还双向连接有用于控制所述射频处理模块工作的主控单元MCU。

本发明的再一目的是提供一种射频处理方法，包括下述步骤：

接收放大单元接收并放大天线接收到的微小信号；

锁相环及时钟提取单元从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去；

相位校准单元校准所述锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号的相位；

调制发射单元以所述经校准后的时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出；

放大发射单元接收并放大所述调制发射单元输出的负载调制信号，并输出给天线发送出去。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于射频卡片的射频处理模块，该射频处理模块采用主动负载调制技术，通过模拟出射频负载调制信号并通过天线主动发射给读卡器，实现射频卡片向读卡器回传数据，这种主动式模拟出的负载调制信号，其幅度稳定、发射能量大，不会随读卡器场强的变化而变化，增加了读写操作的稳定性，其信号质量不依赖于LC谐振天线的尺寸，受环境因素干扰较小，这样可以用微型天线完成信号传输以减小射频卡片的体积，使得射频卡片使用和携带更方便。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种射频处理模块的结构图；

图2是本发明第二实施例提供的一种射频卡片的结构图；

图3是本发明第三实施例提供的一种射频处理方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明第一实施例提供的一种射频处理模块的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例所述的射频处理模块用于射频卡片，如图1所示，所述射频处理模块包括：

用于接收并放大天线接收到的微小信号的接收放大单元11；

与所述接收放大单元11的输出端连接，用于从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去的锁相环及时钟提取单元12；

与所述锁相环及时钟提取单元12的输出端连接，用于校准所述锁相环及时钟提取单元12提取的时钟信号的相位的相位校准单元13；

与所述相位校准单元13的输出端连接，用于将经校准的所述时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出的调制发射单元14；

与所述调制发射单元14的输出端连接，用于将调制发射单元14输出的负载调制信号进行放大，并输出给天线的放大发射单元15。

在本发明实施例中，由于射频卡片的LC谐振天线的面积比较小，读卡器天线发送的射频信号耦合到射频卡片的天线中，信号比较微小，与所述LC谐振天线连接的接收放大单元11接收到该微小信号后进行放大，并输出到锁相环及时钟提取单元12进行处理。作为优选的实施方式，所述接收放大单元11的增益倍数可调，可以根据其接到的信号的强度灵活选取放大倍数，当读卡器天线发射的射频信号不是很强时，接收放大单元11亦可将接收到的信号放大至锁相环及时钟提取单元12能够处理的强度，这样间接增强了射频卡片信号接收灵敏度。

所述读卡器天线发射的射频信号由载波信号和调制信号组成，所述调制信号为读卡器需要向射频卡片发送的数据或者控制命令，比如，读卡器需要向射频卡片中写入一个数值，或者读卡器发送控制命令要求射频卡片返回一个数值，这里读卡器需要写入的数值和发送的控制命令就是所述的调制信号，并且该调制信号以数字信号形式表现出来，所述调制信号加载到载波信号中，生成了所述的射频信号，读卡器天线将所述射频信号耦合到射频卡片天线中，经放大后输出到锁相环及时钟提取单元12，所述锁相环及时钟提取单元12通过锁相环解调出所述调制信号，并且可以根据其中的载波频率提取出对应的时钟信号，该时钟信号的频率与读卡器天线发射的射频信号频率相同。所述锁相环及时钟提取单元12将提取出的时钟信号和调制信号输出到安全单元，安全单元根据所述调制信号所表示的数字或指令执行相应操作，比如改写射频卡片内的存储单元存储的数值，或者准备将存储单元存储的数值返回至所述射频处理模块。

由于经锁相环及时钟提取单元12提取出的时钟信号存在一定的相位偏差，时钟信号经相位校正单元13调整相位后，可以作为发射调制的本振信号输出至调制发射单元14，使得发射频率保持稳定。当射频卡片需要向读卡器回传数据时，调制发射单元14接收到安全单元输出的以数字信号形式存在的待输出数据，将该待输出数据调制到所述经相位校准的时钟信号上生成负载调制信号。本发明实施例中，所述调制发射单元14采用的调制方式满足ISO14443规范中对射频卡片负载调制的要求，包括ASK、BPSK等等，所述负载调制信号经放大发射单元15功率放大后，通过射频卡片的天线发射给读卡器，读卡器再相应解调出负载调制信号中的数据。进一步作为优选的实施方式，所述放大发射单元15的增益倍数可调，使得射频卡片天线发射的负载调制信号能够稳定在一个较大的功率值，由于负载调制信号的幅度稳定、动率大，不易受外界干扰。

通过本发明实施例提供的射频处理模块，可以模拟出现有射频卡片发射出的负载调制信号，而且发射的负载调制信号幅度更为稳定、功率更大，可以有效抵抗外接干扰，增加了读写操作的稳定性。

在具体实现时，本实施例所述的射频处理模块可以为各个器件单元组成的一个电路结构，也可以为能实现射频处理模块功能的一块集成芯片，或是作为一个处理单元集成在一块芯片中。

实施例二：

图2示出了本发明第二实施例提供的一种射频卡片的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

如图2所示，本实施例提供的射频卡片包括如实施例一所示的射频处理模块1，还包括与所述射频处理模块1双向连接的天线2、安全单元3、MCU4。其中，所述天线2用于接收读卡器天线发射的射频信号以及发送经放大的负载调制信号，所述安全单元3用于接收并处理锁相环及时钟提取单元12提取的时钟信号和调制信号，并将需要发送的数据以数字信号形式输出到调制发射单元14，所述MCU4用于控制射频处理模块1正常工作。

由于本发明实施例提供的射频卡片采用主动负载调制技术，可以模拟出足够大功率的负载调制信号，因此射频卡片中的天线2的面积可以做的比较小，减小了射频卡片的体积；由于读卡器天线发射的射频信号通过功率比较大，因此即使天线2的面积比较小，所述射频信号亦可耦合到所述射频卡片天线，虽然耦合信号比较微小，但经过接收放大单元11放大后，足以使得锁相环及时钟提取单元12提取出其中的时钟信号和调制信号，并发送给安全单元处理。所述解调出的调制信号为读卡器需要发出的写入数据或控制命令，以数字信号形式体现出来，所述安全单元根据所述调制信号执行相关操作，比如改写卡片内的数值或是输出一个数值到调制发射单元14。

本发明实施例提供的射频卡片为13.56MHz的射频卡片，读卡器发射的射频信号频率为13.56MHz，锁相环及时钟提取单元12提取出的时钟信号亦为13.56MHz，但是由于所述时钟信号与标准信号存在一定相位偏差，本实施例中，需要通过相位校正单元调整相位，使得时钟信号能够更为稳定和同步。所述经相位调制的时钟信号作为本振信号，调制发射单元14对安全单元3输出的数据进行调制，输出负载调制信号，负载调制信号经过放大发射单元15后，通过射频卡片的天线2发射到读卡器端。

作为优选的实施方式，所述放大发射单元15和接收放大单元11的增益倍数均可调，可以保证锁相环及时钟提取单元接收到的信号功率，以及天线2向读卡器发射的功率足够大和稳定，增加了系统读写操作的稳定性。

作为具体的实施方式，在本实施例中，锁相环及时钟提取单元12提取的时钟信号和调制信号通过SSC接口输出至所述安全单元3，所述MCU4通过SPI接口与射频处理模块1连接，当片选信号有效后，双方可以进行数据传输，MCU可以控制射频处理模块内的各个单元有效工作。

进一步为了保证数据安全，所述安全单元3接收到调制信号以及向调制发射单元14输出的数据均为加密数据，安全单元3首先将接收到的调制信号按照预定规则进行解密，再执行相应操作，在需要输出数据时，再加密数据输出到调制发射单元14，这样在读卡器天线发射的射频信号以及射频卡片天线发射的负载调制信号都是加密信号，保证了系统安全性。这里加密方式和解密方式不做具体限定。

实施例三：

图3示出了本发明第三实施例提供的一种射频处理方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

步骤S301、接收放大单元接收并放大天线接收到的微小信号。

在本步骤中，由于射频卡片天线的面积比较小，读卡器天线发送的射频信号耦合到射频卡片天线中，信号比较微小，放大单元接收到该微小信号后需要进行放大以便后续能够处理。这里作为优选，接收放大单元的放大倍数可调。

步骤S302、锁相环及时钟提取单元从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去。

锁相环及时钟提取单元接收到的微小信号中由载波信号和调制信号组成，所述调制信号为读卡器需要向射频卡片发送的数据或者控制命令，所述锁相环及时钟提取单元通过锁相环解调出所述调制信号，并且可以根据其中的载波频率提取出对应的时钟信号，该时钟信号的频率与读卡器天线发射的射频信号频率相同。

步骤S303、相位校准单元校准所述锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号的相位。

由于经锁相环及时钟提取单元提取出的时钟信号存在一定的相位偏差，需要通过相位校正单元进行相位调制，使得发射频率保持稳定。

步骤S304、调制发射单元以所述经校准后的时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出。

本发明实施例中，经相位校准后的时钟信号作为本振信号，将安全单元待输出的数据加载到本振信号中，生成负载调制信号并输出。具体采用的调制方式这里不做限定，只需满足ISO14443规范中对射频卡片负载调制的要求即可，包括但不限于ASK、BPSK。

步骤S305、放大发射单元接收并放大所述调制发射单元输出的负载调制信号，并输出给天线发送出去。

调制发射单元输出的负载调制信号功率较小，需要通过放大发射单元进行功率放大，再通过射频卡片的天线发射给读卡器。作为优选的，所述放大发射单元15的增益倍数可调，使得射频卡片天线发射的负载调制信号能够稳定在一个较大的功率值，不易受外界干扰。

进一步作为优选的实施方式，所述安全单元接收到调制信号以及向调制发射单元输出的数据均为加密数据，安全单元首先将接收到的调制信号按照预定规则进行解密，再执行相应操作，在需要输出数据时，再加密数据输出到调制发射单元14，这样在读卡器天线发射的射频信号以及射频卡片天线发射的负载调制信号都是加密信号，保证了系统安全性。

综上所述，本发明实施例采用主动负载调制技术，通过模拟出射频负载调制信号并通过天线主动发射给读卡器，实现射频卡片向读卡器回传数据，这种主动式模拟出的负载调制信号，其幅度稳定、发射能量大，不会随读卡器场强的变化而变化，增加了读写操作的稳定性，其信号质量不依赖于LC谐振天线的尺寸，受环境因素干扰较小，这样可以用微型天线完成信号传输以减小射频卡片的体积，使得射频卡片使用和携带更方便。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种射频处理模块，该模块用于射频卡片，其特征在于，所述射频处理模块包括：

用于接收并放大天线接收到的微小信号的接收放大单元(11)；

与所述接收放大单元(11)的输出端连接，用于从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去的锁相环及时钟提取单元(12)；

与所述锁相环及时钟提取单元(12)的输出端连接，用于校准所述锁相环及时钟提取单元(12)提取的时钟信号的相位的相位校准单元(13)；

与所述相位校准单元(13)的输出端连接，用于将经校准的所述时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出的调制发射单元(14)，所述安全单元输出的数字信号为根据预设需求射频卡片需要向读卡器回传的数据；

与所述调制发射单元(14)的输出端连接，用于将调制发射单元(14)输出的负载调制信号进行放大，并输出给天线的放大发射单元(15)。

2.如权利要求1所述的一种射频处理模块，其特征在于，所述调制发射单元(14)采取的调制方式符合非接触式IC卡标准协议对卡片负载调制信号的定义。

3.如权利要求1或2所述的一种射频处理模块，其特征在于，所述接收放大单元(11)和/或放大发射单元(15)的放大增益系数可调。

4.一种射频卡片，其特征在于，所述射频卡片包括如权利要求1-3任一项所述一种射频处理模块(1)，所述射频处理模块(1)双向连接有天线(2)，所述天线(2)用于接收读卡器天线发射的射频信号以及发送经放大的负载调制信号，所述射频处理模块(1)还双向连接有安全单元(3)，所述安全单元(3)用于接收并处理锁相环及时钟提取单元(12)提取的时钟信号和调制信号，并将需要发送的数据以数字信号形式输出到调制发射单元(14)，所述射频处理模块(1)还双向连接有用于控制所述射频处理模块(1)工作的主控单元MCU(4)。

5.如权利要求4所述的一种射频卡片，其特征在于，所述安全单元(3)将需要发送的数据经加密后以数字信号形式输出到调制发射单元(14)。

6.如权利要求5所述的一种射频卡片，其特征在于，所述射频卡片为13.56MHz射频卡片。

7.如权利要求4-6任一项所述的一种射频卡片，其特征在于，所述锁相环及时钟提取单元(12)提取的时钟信号和调制信号通过同步串行控制SSC接口输出所述安全单元(3)。

8.如权利要求4-6任一项所述的一种射频卡片，其特征在于，所述MCU(4)通过串行外设接口SPI控制射频处理模块(1)工作。

9.一种射频处理方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

接收放大单元接收并放大天线接收到的微小信号；

锁相环及时钟提取单元从所述微小信号中提取时钟信号及调制信号并发送出去；

相位校准单元校准所述锁相环及时钟提取单元提取的时钟信号的相位；

调制发射单元以所述经校准后的时钟信号作为本振信号，对安全单元输出的数字信号进行调制并输出，所述安全单元输出的数字信号为根据预设需求射频卡片需要向读卡器回传的数据；

放大发射单元接收并放大所述调制发射单元输出的负载调制信号，并输出给天线发送出去。

10.如权利要求9所述的一种射频处理方法，其特征在于，所述调制发射单元接收安全单元输出的数字信号为经过加密的数字信号。