CN103679104B - 磁条读取器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁条读取器，并尤其涉及一种使用简单的模拟和数字信号处理技术直接提取磁条中所嵌入的二进制信息的系统、设备和方法。一旦磁条中所存储的信息被磁条读取器作为F‑2F波形而提取，就对峰值、谷值以及每个连续的峰值与谷值之间的中间级变换点进行检测。直接得出峰值到峰值周期和平均时间，以确定对应的峰值到峰值变换是否与二进制位“1”或“0”相关联。该磁条读取器节省了对多位模数转换器(ADC)和大型存储器的需要，并且因此构成了一种可以以降低的功耗和改进的成本效率读出磁条上所存储的二进制信息的简单且独立的解决方案。

Description

磁条读取器
技术领域
本发明涉及一种磁条读取器，并尤其涉及一种使用简单的模拟和数字信号处理技术直接提取磁条中所嵌入的二进制信息的系统、设备和方法。该磁条读取器节省了对于多位模数转换器(ADC)和大型存储器的需要，并且因此构成了一种可以以有所降低的功耗和有所改进的成本效率读出磁条上的二进制信息的简单且独立的解决方案。
背景技术
磁条被广泛应用于承载与金融交易或个人身份相关的安全信息。安全信息根据国际标准或者与具体应用和行业相符的自定义协议而被编码到磁条上的磁轨中。典型的磁条包含三条平行磁轨，其具有每英寸75比特或每英寸210比特的记录密度。迄今为止，磁条已经被嵌入驾驶员执照、信用卡或借记卡、礼品卡或现金卡、优惠卡、电话卡、酒店钥匙卡、会员卡、食品卷、以及在各种应用中使用的许多其它卡片中。
通过与磁卡读取系统中所包括的读取磁头物理接触或刷过该读取磁头，来从磁条中提取安全信息。图1示出了常规磁卡读取系统的框图100，并且图2示出了由常规磁卡读取系统100恢复并处理的相关信号的时序图202-204。磁条102在磁性材料的带中存储多个比特的数据。当磁条102刷过读取磁头(MRH)104时，MRH104检测与磁条102相关联的磁场的变化。MRH104一般由以其寄生电感、电容和电阻为特征的线圈所制成。在现有技术中，MRH104在正常情况下与离散无源组件相耦合，以使得可以响应于该磁场而由MRH104适当感应电信号202。电信号202被称作双相或双频(F/2F)数据信号，即F-2F波形202，因为其在正负通量峰值之间交替变化，该正负通量峰值在时间上以两个特征周期T和T/2作为间隔。两个连续T/2周期208与数据位“1”相关联，而一个T周期与数据位“0”相关联。
电信号202在放大器106中被放大，并且在模数转换器(ADC)108中被进一步采样和转换为多位数字信号。该多位数字信号根据采样频率而对放大的F-2F波形的幅度进行追踪。该多位数字信号可以被临时存储在存储器110中，并且最终被软件或硬件解码模块112恢复为数字输出206。数字输出206形成与存储在磁条102内的多个比特的数据相一致的数据的二进制比特流。
F-2F波形202的振幅和频率这两者均可能发生多个幅度量级的变化。现有的磁卡读取器解决方案通过使用大量外部组件、使用更多功率或超裕度设计来应对这一挑战。现有解决方案能够大致被划分为模拟的或数字的。在所谓的模拟解决方案中，使用模拟功能对绝大多数所读取的F-2F波形进行连续处理和解码。这需要额外的无噪声电源(quietpower supply)、额外管脚以及相当大量的外部组件，从而导致了庞大、昂贵且高耗能的磁卡读取器系统。
另一方面，数字解决方案依赖数字信号处理(DSP)技术来处理和解码F-2F波形，而并不需要许多外部组件。图1示出了这样的数字解决方案的示例。然而，需要多位ADC来对模拟波形进行数字化，并且需要大型存储器设备来存储数字化波形。为了消除(accommodate)大的振幅变化，高分辨率的ADC被应用，并且该分辨率比在大多数情况下所实际需要得要高。ADC中的一个附加位增大了面积，使待处理和存储的数据加倍，并且使得由ADC108消耗的功率翻了四倍。数字解决方案从信号处理和功耗这两方面来看是低效的。
因此，尽管性能尚可接受，但是大多数常规的磁卡读取器被包括高成本、大型硬件覆盖区(footprint)和大功耗的许多问题所累。需要更好的解决方案来解决现有的磁卡读取器解决方案，并尤其是对于由电池供电的那些低功率应用而言所存在的包括成本、硬件覆盖区和功率在内的主要问题。
发明内容
本发明的各个实施例涉及一种磁条读取器，并尤其涉及一种使用简单的模拟和数字信号处理技术直接提取磁条中所嵌入的二进制信息的系统、设备和方法。该磁条读取器节省了对于多位模数转换器(ADC)和大型存储器的需要，并且因此构成了一种可以以降低的功耗和改进的成本效率读出磁条上的二进制信息的简单且独立的解决方案。
本发明的一个方面是一种磁条读取器，其将存储在磁卡中的二进制信息转换为数字数据流。条接口被耦合至磁卡以产生F-2F波形。过零检测器在该F-2F波形通过位于每个相邻的峰值和谷值对之间的中间级变换点时检测多个过零事件，并且峰值检测器在F-2F波形到达每个峰值和谷值时对其进行追踪。频率分析器对F-2F波形中的峰值和谷值进行标记，针对多个相邻的峰值和谷值对计算多个峰值到峰值周期，并且基于该多个峰值到峰值周期得出位时间(bit time)。位解码器根据多个峰值到峰值周期和位时间产生数字数据流。
本发明的另一方面是一种读取磁条的方法。从磁卡中所存储的二进制信息中提取F-2F波形。在该F-2F波形中检测过零事件、峰值和谷值。针对多个相邻的峰值和谷值对计算多个峰值到峰值周期，以使得基于该多个峰值到峰值周期得出并更新位时间。作为结果，根据多个峰值到峰值周期和位时间产生数字数据流。
本发明的另一方面是一种将F-2F波形转换为数字数据流的方法。该F-2F波形以包括第一频率和双倍于第一频率的第二频率的两个频率在峰值和谷值之间交替变化。在该F-2F波形中检测峰值和谷值。针对相邻的峰值和谷值对产生多个峰值到峰值周期，以使得基于该多个峰值到峰值周期得出位时间。根据该多个峰值到峰值周期和位时间产生数字数据流。特别地，在第一频率的峰值到峰值周期与位“0”相关联，并且在第二频率的两个连续峰值到峰值周期与位“1”相关联。
在该发明内容部分已经对本发明的某些特征和优点进行了总体描述；然而，另外的特征、优点和实施例在这里被给出或者由于其附图、说明书和权利要求而对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，应当理解的是，本发明的范围并不由该发明内容部分所公开的特定实施例进行限制。
附图说明
现在将参照本发明的实施例，其示例可以在附图中进行示出。这些附图意在说明性而非限制性的。虽然本发明在这些实施例的上下文中进行了总体描述，但是应当理解的是，并非意在将本发明的范围限制于这些特定实施例。
图1示出了常规磁卡读取系统的框图，并且图2示出了由常规磁卡读取系统恢复并处理的相关信号的时序图。
图3示出了根据本发明各个实施例的磁条读取器的示例性框图。
图4示出了根据本发明各个实施例的F-2F波形、过零信号和数字数据流的示例性时序图。
图5示出了根据本发明各个实施例的在其中应用磁滞来检测中间级变换点VMID的放大F-2F波形的示例性时序图。
图6A示出了根据本发明各个实施例的峰值检测器的示例性框图，并且图6B示出了在根据本发明各个实施例的峰值检测过程期间的对应信号的时序图。
图7示出了根据本发明各个实施例的频率分析器的示例性框图。
图8示出了根据本发明各个实施例的基于自动增益控制的F-2F波形的示例性时序图。
图9示出了根据本发明各个实施例的位解码器的示例性框图。
图10示出了根据本发明各个实施例的磁条读取的示例性方法。
具体实施方式
在以下描述中，出于说明的目的，给出了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明能够在没有这些细节的情况下进行实践。本领域技术人员将会认识到，以下所描述的本发明的实施例可以以各种方式以及使用各种手段来执行。本领域技术人员还将会认识到，如本发明能够提供实用性的另外领域那样，另外的修改、应用和实施例处于其范围之内。因此，以下所描述的实施例是本发明具体实施例的说明并且意在避免对本发明造成混淆。
说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”等并非必然全部指代相同的实施例。
此外，图中组件之间或方法步骤之间的连接并非被限制为直接实施的连接。相反，在不背离本发明的教导的情况下，图中在组件或方法步骤之间所示出的连接可以通过向其添加中间组件或方法步骤而进行修改或以其它方式进行改变。
本发明的各个实施例涉及一种磁条读取器，并尤其涉及一种使用简单的模拟和数字信号处理技术来直接提取磁条中所嵌入的二进制信息的系统、设备和方法。从磁条提取F-2F波形，并且针对F-2F中的每对相邻的峰值和谷值以及将每对分离的中间级变换点来识别位置。随后直接根据峰值、谷值和变换点的位置对二进制信息进行解码。这样的混合信号处理技术节省了对多位模数转换器(ADC)和大型存储器的需要，并且特别地，采用电流模式的技术方便地避免了需要额外的模拟电源管脚和外部组件。作为结果，本发明的磁条读取器构成了一种可以以降低的功耗和改进的成本效率来读出磁条上的二进制数据的简单且独立的解决方案。
图3示出了根据本发明各个实施例的磁条读取器的示例性框图300。磁条读取器300被耦合以读出嵌入在磁条350中的二进制数据，并且将该二进制数据转换为数字数据流。该磁条读取器300包括条接口302、放大器304、过零检测器306、峰值检测器308、频率分析器310、位解码器312和计时控制器314。在该磁条读取器300中，时序控制器314用作中央处理单元，其对峰值检测器308、频率分析器310以及可选地被用来控制放大器304的增益的AGC316的操作进行控制和同步。
图4示出了根据本发明各个实施例的F-2F波形402、过零信号404和数字数据流406的示例性时序图。条接口302被耦合至磁条350，并且根据以磁性格式存储在磁条350内的二进制数据产生模拟信号，即F-2F波形402。
F-2F波形402在峰值和谷值之间交替变化。在本发明的各个实施例中，相邻的峰值和谷值对包含了峰值(即，正通量峰值)和谷值(即，负通量峰值)。相邻的峰值和谷值对可以与峰值到谷值变换或谷值到峰值变换相关联。任一种类型的变换的变换时间通常被称作峰值到峰值周期。F-2F波形中的峰值到峰值周期实质上与两个频率(fHIGH和fLOW)相关联。高频fHIGH大约是低频fLOW的两倍。在频率fLOW下的峰值到谷值变换408A和谷值到峰值变换408B与“F”周期和数字位“0”相关联，而在频率fHIGH下的两个连续变换410则与两个“2F”周期和数字位“1”相关联。
F-2F波形402可以由放大器304进行放大。在特定实施例中，放大器304直接并入条接口302中。峰值检测器308进一步追踪F-2F波形以达到峰值和谷值，同时过零检测器306确定过零信号404。过零信号404的每个变换沿指示F-2F波形通过每一对相邻的峰值和谷值之间的中间级变换点时的过零事件。频率分析器310根据时钟信号对在F-2F波形中的峰值和谷值加以时间标记，对峰值到峰值周期进行追踪，并且对用来区分“F”和“2F”周期的位时间进行更新。位解码器312进一步基于由频率分析器310提供的所更新的位时间，从针对峰值和谷值的峰值到峰值周期来恢复数字数据流406。
F-2F波形402的振幅和频率可以在条、刷卡操作和条读取器之间发生明显改变。在一些实施例中，振幅水平以高达50倍发生改变，而频率变化则达到1000倍。大多数信号变化是由与磁条102的质量和物理状况相关联的磁场强度变化、各持卡人的刷卡速度和风格的变化、MRH的配置、不同轨道当中的数据速率以及来自例如开关、磁性材料和电源的各种来源的噪声所引起的。F-2F波形402的频率变化由频率分析器310中的实时频率分析进行方便地补偿。
在一些实施例中，振幅变化由允许可编程增益的放大器304所消除。F-2F波形402的峰值到峰值的幅度在正常情况下处于毫伏的级别，但是可能会发生两个幅度量级的变化。简单放大器304可以实现的目标为将F-2F波形放大至超出噪声水平的增强信号电平而同时处于整个磁条读取系统300的动态范围内。然而，一旦以大的增益进行放大，所放大的F-2F波形波形会在系统的余量(headroom)处发生饱和，并且被剪除。可以通过结合自动增益控制器(AGC)316来建立反馈，该自动增益控制器(AGC)316根据在放大器304的输出端的信号电平，来对放大器304的可编程增益进行调整。通过这种方式，磁条读取器300可以避免信号饱和并且处于合适的操作范围内。
在特定实施例中，基于电流模式方法而不是常规的电压模式方法来实施放大器304，从而增强对电压噪声的抗扰性。电流模式方法在正常情况下需要较少的芯片区，同时允许加法、减法、除法和滤波的简单实施方式。在电流模式配置中，F-2F波形402被示为差分电压信号，并且首先在放大器304内被转换为F-2F电流。F-2F电流在后续功能电路中被镜像并区别处理。例如，在峰值检测器306中，镜像的F-2F电流保持线性；然而在过零检测器308中，镜像的F-2F电流可以被微分或积分以便快速且准确地检测过零。此外，通过对信号延迟、除法、加法和减法使用简单电流镜像或者通过F-2F电流的傅里叶系数变换，可以以高效的方式拒绝切换噪声和磁条噪声。除了以上性能优点之外，这样采用的电流模式技术方便地避免了对额外模拟电源管脚和外部组件的需要。
图5示出了根据本发明各个实施例的应用磁滞来检测过零事件的放大F-2F波形的示例性时序图500。由于其在峰值和谷值之间交替变化，即在正负通量峰值之间交替变化，所以F-2F波形500必然通过基本上对相邻峰值和谷值的幅度进行平均的中间级变换点VMID。该中间级变换点VMID也被称作过零点。然而，F-2F波形500正常情况下在中间级变换点周围包含有噪声。过零检测器306将基于磁滞来考虑噪声，并且将处理点确定为F-2F波形500在相邻的正负通量峰值之间的切换(toggle)。
在本发明的各个实施例中，上限过零阈值VHIGH和下限过零阈值VLOW被确定用于基于磁滞的过零检测。具体而言，在中间级变换点周围的噪声被包络在上限和下限过零阈值之间。在上升沿，在从中间级变换点VMID上升了上限过零阈值VHIGH的电平VMID+VHIGH处选择变换点。在下降沿，在从中间级变换点VMID减小了下限过零阈值VLOW的电平VMID-VLOW处选择变换点。作为结果，即使在中间级变换点周围的噪声可能会导致多个过零事件，也能够在每个上升沿或下降沿确定单个变换点。
虽然过零时间的准确性并非关键所在，但是在过零信号404的每个边沿处的多个过零检测对于磁条读取器300而言是有害的。偏移中间级变换点将有效克服在中间级变换点周围的有害噪声，并且能够使得在过零检测器306的输出端的过零信号404是可靠的。在特定实施例中，该过零信号404在F-2F波形的上升沿切换到高，但是在随后的下降沿切换为低。
F-2F波形500常常在中间级变换点周围包含更多噪声。在特定实施例中，将电流模式信号处理技术与可配置的过零阈值相结合以避免在每个边沿处的多个检测。
图6A示出了根据本发明各个实施例的峰值检测器的示例性框图308，并且图6B示出了在根据本发明各个实施例的峰值检测过程期间的对应信号的时序图。峰值检测器308包括开关电容器602和采样比较器604，二者均耦合在放大器304的输出端。峰值检测器308由周期性采样控制606所控制，并产生峰值检测输出608。周期性采样控制606包括在频率fSAMPLE下计时的多个采样脉冲。峰值检测输出608在F-2F波形达到每个峰值和谷值时对其进行追踪，并且特别是在该实施例中，指示F-2F在每个山域(mountain domain)向着峰值上升并在每个谷域(valley domain)向着谷值下降。
开关电容器602由电容器复位610进行复位，并且被使能以保持用于确定每个对应的山域或谷域中的峰值或谷值的第一电压。电容器复位610与由过零检测器306提供的过零信号404的每个上升沿和下降沿同步，以使得F-2F波形可以根据过零信号404而被划分为山域612和谷域614。一旦复位事件被电容器复位610使能，则第一电压大致在中间级变换点处被初始化。在周期性采样控制606的每个采样脉冲中，第一电压可以被更新以保持电压电平随F-2F波形上升至峰值而上升，并且电压电平随F-2F波形下降至谷值而减小。该第一电压被比较器604用作基准，以与从所放大的F-2F波形进行采样的第二电压相比较，并确定是否达到峰值或谷值。
在F-2F波形的山域612中，峰值检测输出608在第二电压高于每个采样脉冲时的第一电压时保持高电压电平。当峰值检测输出608为高时，开关电容器602采用第二电压电平作为后续采样脉冲的第一电压电平。相反地，当第二电压低于第一电压时，峰值检测输出608切换至低电压并保持在该低电压。当峰值检测输出608为低时，开关电容器602对后续采样脉冲保持其之前的电压电平，即第一电压电平。因此，峰值检测输出608中的高电压电平与F-2F波形增大以达到峰值618的过程相关联，并且由开关电容器602保持的第一电压在上升沿增加并且保持峰值电压电平。
图6B中的该峰值检测方案有效地捕获了山域612的上升沿和下降沿上的毛刺，以使得这些毛刺可以与F-2F波形的实际峰值618相区别。首先，除了与毛刺618B相关的持续时间618A之外，峰值检测输出608在域612中的上升沿大部分为高。只有在F-2F波形与在峰值检测输出608在山域612中为高时的最后的采样脉冲相关联的情况下，该F-2F波形才被认为达到了峰值618。因此在上升沿的毛刺618B通过峰值检测输出608上的持续时间618A而与峰值618相区别。此外，在峰值618的电压被存储在开关电容器602中。由于在下降沿的任何采样F-2F电压都无法超过峰值618处的电压，因此峰值检测输出608保持为低，并且在下降沿的毛刺是看不到的。作为结果，在F-2F波形中的峰值618在不受毛刺(即二级峰值)干扰的情况下被可靠识别。
在F-2F波形的谷域614中，由于是对谷值而不是峰值进行搜索，所以必须将比较器的逻辑反转。相反地，峰值检测输出608在第二电压低于在开关电容器602保持的第一电压时保持为高电压，并且在第二电压高于第一电压时保持为低电压。在每个采样脉冲，开关电容器602在峰值检测输出608为高时利用当前第二电压更新其第一电压，并且在峰值检测输出608为低时保持第一电压。以类似方式，F-2F波形中的谷值可以在不受谷域614内的毛刺(即二级峰值)干扰的情况下被可靠识别。在谷域614中，峰值检测输出608的高电压电平与F-2F波形下降以达到谷值的过程相关联。开关电容器602所保持的第一电压在下降沿减小并且保持谷值电压电平。山域612和谷域614通过过零信号404的边沿和电平来区分。
图7示出了根据本发明各个实施例的频率分析器的示例性框图310。频率分析器310包括峰值时间标记单元702和移动平均值单元704。峰值标记单元310耦合至过零检测器306和峰值检测器308，并产生图6B中的峰值标记信号620以及峰值到峰值周期720。移动平均值单元704耦合至峰值时间标记单元702，对多个峰值到峰值变换上的峰值到峰值周期720进行平均，并产生半位(halfbit)平均值740。在本发明的各个实施例中，峰值到峰值周期720和半位平均值740在F-2F波形的过零点处(即在过零信号404的边沿处)进行计算和更新。
峰值时间标记单元702包括时钟产生器706、自由运行计数器708和峰值时间标记器(stamper)710。时钟产生器706产生也可以被提供至计时控制器314的系统时钟。在特定实施例中，周期性采样控制606根据该系统时钟进行配置。自由运行计数器708耦合至时钟产生器706，并且使用系统时钟对事件的绝对时间进行追踪，并特别是对峰值时间进行追踪。
峰值时间标记器710根据计时控制器314所提供的系统时钟对峰值或谷值加以时间标记。如图6B所示，峰值标记信号620由峰值时间标记器710间歇性地产生，并且识别在F-2F波形增大至山域612中的峰值618以及下降至其在谷域618中的谷值时的采样脉冲。第一峰值时间被标记在山域612内的峰值标记信号620的最后脉冲处，并且被认为是F-2F波形中的真实峰值。类似地，第二峰值时间被标记在后续谷域614内的最后脉冲处，并且被认为是真实谷值。第一和第二峰值时间由自由运行计数器706根据系统时钟进行追踪，并临时存储在峰值时间缓冲器712A和712B中。第一和第二时间之间的差值被计算为瞬时峰值到峰值周期720，以便进一步由位解码器312和内部移动平均值单元704使用。本领域技术人员将会看到，通过这种方式，任意两个相邻的峰值和谷值可以被标记、临时存储并用于实时计算峰值到峰值周期720。
移动平均值单元704通过计算移动平均值来对F-2F波形的频率变化进行补偿。平均运算根据半位时标来实施。单元704包括多个半时缓冲器714A-714C，其存储从之前的峰值到峰值变换所产生的多个半位平均值740。根据所存储的半位时间和当前捕捉的峰值到峰值周期720产生半位平均值740。该半位平均值740可以用作时间基础来识别用于位解码器转换的“F”周期和“2F”周期。在一些实施例中，半位平均值740也被用来对峰值检测器308的采样率进行调整。
在一些实施例中，根据位平均方法从峰值到峰值周期740、当前在输出端保持的半位平均值740、以及之前存储在缓冲器714A-714C中的半位平均值来计算半位平均值740。在一个实施例中，磁条所提供的二进制信息中的前几位必须根据具体形式(例如，0000)来明确表达。在另一实施例中，半位平均值740在对二进制信息进行任何处理之前以特定值来复位。无论如何，使用位平均方法将半位平均值740的值基本控制为“2F”周期，即1/fHIGH。
图8示出了根据本发明各个实施例的基于自动增益控制的F-2F波形的示例性时序图800。AGC316对放大的F-2F波形的峰值电压电平进行监视，并据此对放大器304的增益进行调整。AGC316确定包括最大振幅和低振幅阈值的多个基准电压电平。处于峰值和谷值时间的电压电平由AGC316记录，并用来确定中级变换点和F-2F波形的振幅。该振幅可以直接从F-2F波形的峰值和谷值电压进行确定，或者参照中间级变换点而从其相应水平进行确定。AGC316在振幅大于最大振幅时减小增益。类似地，在振幅下降至低振幅阈值以下时，AGC316增加增益并且提升信号电平。在特定实施例中，分别针对F-2F波形的峰值和谷值来定义最优上限范围和最优下限范围，并且AGC316对增益进行调整以使得峰值和谷值的电压电平处于相对应的范围中。
在本发明的各个实施例中，AGC316在F-2F波形通过中间级变换点时(即，在过零事件时)，对增益进行控制。具体来说，在低电压谷值点804之后，当F-2F波形在上升沿通过中间级变换点802时，增加增益。同样，在高电压峰值点808之后，当F-2F波形在下降沿通过中间级变换点806时，减小增益。
虽然可以根据分离且独立的电路来进行构造，但是可以根据峰值检测器308、过零检测器306和/或频率分析器310来配置AGC316。在峰值和谷值的电压电平被保持在峰值检测器308中的开关电容器602，并且也可以被重复用于AGC316中的增益控制。AGC316考虑到其预定的基准电压，来根据这些峰值和谷值电压电平确定合适的增益，并进一步在过零检测器306识别出过零点时使能该增益。作为结果，放大器304可以基于这样的自动增益控制来快速提供高质量的F-2F波形。
峰值检测和自动增益控制由计时控制器314所控制。计时控制器314耦合至频率分析器310，并接收周期性采样控制606。在特定实施例中，时钟产生器706可以包括在计时控制器314中，并且采样控制606被提供至频率分析器310以便由计数器708使用。计时控制器314进一步产生采样控制606、AGC控制和电容器复位610，并且这些信号根据采样控制606而被同步。采样控制606用在峰值检测器308中，来对F-2F波形的电压进行采样。AGC控制被应用于对增益控制进行使能，并且电容器复位610被用来在过零检测时对峰值检测器308中的开关电容器602进行复位。
在一个实施例中，峰值检测器308中包括的采样比较器604被可能导致错误峰值检测的比较器误差(offset)所影响。一旦过采样，两个连续采样之间的信号变化就可能不足以克服比较器误差，并且因此可能针对F-2F波形无法检测到峰值，或者检测到错误峰值。虽然误差在欠采样时的不利影响较小，但是比较器仍然会与不准确的峰值检测相关联。除了来自诸如磁条之类的其它来源的抖动噪声之外，这样的不准确性也不可避免地导致了峰值到峰值周期720中的抖动。当整体抖动超过了阈值抖动时，将导致位解码器312对数据比特流的错误解码。
图9示出了根据本发明各个实施例的位解码器312的示例性框图。位解码器312耦合至频率分析器310，并且接收峰值到峰值周期720和半位平均值740。半位平均值740在缩放器(scaler)902中进行缩放以提供阈值位时间。在优选实施例中，半位平均值740被缩放一倍半，以使得将阈值位时间设定在“F”周期和“2F”周期之间。本领域技术人员可以看到，该缩放器902可以与频率分析器310中的移动平均值单元704集成在一起，以使得阈值位时间被直接提供至位解码器来区分“F”和“2F”周期。
随后，每个峰值到峰值周期720在比较器904中与阈值位时间进行比较。当峰值到峰值周期720大于阈值位时间时，检测到“F”周期；否则，检测到“2F”周期。F2F解码器906通过由过零检测器306提供的过零信号404来控制。在F-2F波形的每个过零处，F2F解码器906在检测到一个“F”周期时输出高电压(二进制数据“0”)，并且在检测到两个连续的“2F”周期时输出低电压(二进制数据“1”)。作为结果，位解码器312产生根据磁条350中存储的数据来恢复的时间复用的数据流。
图10示出了根据本发明各个实施例的磁条读取的示例性方法1000。在步骤1002，根据存储在条上的二进制信息从磁条提取输入信号。在特定实施例中，输入信号已经通过可调整增益进行了放大，以使得放大信号被控制为优选范围。输入信号基本上以两个频率fHIGH和fLOW在峰值和谷值之间交替变化。高频率fHIGH大约为低频率fLOW的两倍。因此，输入信号或所放大的输入信号也被称作F-2F波形。
在步骤1004，在放大的F-2F波形中检测峰值、谷值、以及过零事件(即，中间级变换点)。在一些实施例中，应用周期性采样控制以对放大的F-2F波形的电平进行监视。在山域中，波形沿上升沿被加以时间标记，而在谷域中，其沿下降沿被加以时间标记。具体来说，为了加时间标记的目的，在周期性采样控制期间将峰值标记信号使能。在峰值标记信号中的在后续过零事件之前的任意最后脉冲被视为峰值或谷值。
在步骤1006，根据相邻峰值来计算并更新峰值到峰值时间。在步骤1008，通过对多个峰值到峰值时间进行处理来产生阈值位时间。这些峰值至峰值时间在各个时间与F-2F波形相关联并且存储在缓冲器中。这些峰值到峰值时间被平均并被缩放至阈值位时间，以使得将该位时间设定在“F”周期和“2F”周期之间。在步骤1010，将峰值到峰值时间与阈值位时间进行比较。在优选实施例中，在每个过零事件处，计算峰值到峰值时间和阈值位时间并进行比较。
在步骤1012A，针对峰值到峰值时间来确定在频率fLOW的“F”周期，并且输出二进制数据“1”。在步骤1012B，针对峰值到峰值时间来确定在频率fHIGH的两个“2F”周期，并且输出二进制数据“0”。作为结果，对二进制位的数据流进行时间复用，并基于从磁条恢复的F-2F波形来提供该二进制位的数据流。
本领域技术人员所知晓的是，峰值到峰值时间涉及峰值到谷值时间或谷值到峰值时间。F-2F波形的谷值可以被宽泛地视为负通量峰值，以使得峰值到峰值时间在本发明中可以被宽泛地用来描述峰值到谷值时间和谷值到峰值时间。
虽然本发明易于作出各种修改和可替换形式，但是其具体示例已经在附图中示出并且在这里进行了详细描述。然而，应当理解的是，本发明并不局限于所公开的特定形式，而是与之相反，本发明覆盖落入所附权利要求范围之内的所有修改形式、等同形式和替换形式。

Claims (20)

1.一种磁条读取器，包括：
条接口，其耦合至磁卡，所述条接口根据存储在所述磁卡中的二进制信息来产生F-2F波形；
过零检测器，其耦合至所述条接口，所述过零检测器在所述F-2F波形通过位于每个相邻的峰值和谷值对之间的中间级变换点时检测多个过零事件；
峰值检测器，其耦合至所述条接口，所述峰值检测器在所述F-2F波形达到每个峰值和谷值时产生峰值检测输出，以对所述F-2F波形进行追踪；
频率分析器，其耦合至所述过零检测器和所述峰值检测器，所述频率分析器针对多个相邻的峰值和谷值对来计算多个峰值到峰值周期，并且基于所述多个峰值到峰值周期得出位时间；以及
位解码器，其耦合至所述频率分析器，所述位解码器根据所述多个峰值到峰值周期和所述位时间来产生数字数据流。
2.根据权利要求1所述的磁条读取器，还包括：
计时控制器，其耦合至所述峰值检测器和所述频率分析器，所述计时控制器对所述峰值检测器、所述过零检测器和所述频率分析器进行同步。
3.根据权利要求1所述的磁条读取器，还包括：
放大器，其耦合至所述条接口，所述放大器在过零检测和峰值检测之前通过增益对所述F-2F波形进行放大。
4.根据权利要求3所述的磁条读取器，还包括：
自动增益控制器，其耦合至所述放大器，所述自动增益控制器在所述放大器的输出端接收所放大的F-2F波形，并且根据所放大的F-2F波形的电平来对所述增益进行控制。
5.根据权利要求3所述的磁条读取器，其中所述放大器、所述峰值检测器和所述过零检测器使用电流模式技术来实现。
6.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中所述F-2F波形以包括第一频率以及两倍于所述第一频率的第二频率的两个频率在峰值与谷值之间交替变化，并且其中在所述第一频率的峰值到峰值周期与位“1”相关联并且在所述第二频率的两个连续峰值到峰值周期与位“0”相关联。
7.根据权利要求6所述的磁条读取器，其中所述位时间根据位平均方法得出，以使得所述位时间可以被缩放为基本上小于与所述第一频率相关联的第一峰值到峰值时间并大于与所述第二频率相关联的第二峰值到峰值时间。
8.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中所述频率分析器针对对应的相邻峰值和谷值对，计算所述多个峰值到峰值周期中的每一个，并且在紧随所述对应的相邻峰值和谷值对之后的过零事件处对所述位时间进行更新。
9.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中所述峰值检测输出指示所述F-2F波形在山域中朝向峰值上升并且在谷域中朝向谷值下降，并且在所述F-2F波形的每个山域中将二级噪声峰值与所述峰值相应地区分开。
10.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中使用上限过零阈值和下限过零阈值、基于磁滞来对所述多个过零事件进行检测，以调整所述中间级变换点并且消除在所述中间级变换点周围的噪声，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点大所述上限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个上升沿检测所述多个过零事件的第一子集，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点小所述下限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个下降沿检测所述多个过零事件的第二子集。
11.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中所述频率分析器还包括：
时钟产生器，其产生时钟，所述时钟进一步被用于所述过零检测器中的采样控制，以及所述峰值检测器中的峰值采样和谷值采样；以及
自由运行计数器，其耦合至所述时钟产生器，所述自由运行计数器对所述F-2F波形中的峰值和谷值进行追踪，以计算所述多个峰值到峰值周期。
12.根据权利要求1所述的磁条读取器，其中所述过零检测器还包括：
比较器，其由周期性采样控制所控制，以将从所述F-2F波形采样的电压与试验性峰值数值进行比较；以及
开关电容器，其保持所述试验性峰值数值，并且根据在所述F-2F波形在每个山域中朝向峰值上升以及在每个谷域中朝向谷值下降时从所述F-2F波形采样的电压，来更新所述试验性峰值数值。
13.一种读取磁条的方法，包括步骤：
根据存储在磁卡中的二进制信息来提取F-2F波形；
在所述F-2F波形通过位于每个相邻的峰值和谷值对之间的中间级变换点时检测多个过零事件；
追踪所述F-2F波形中的多个峰值和谷值；
针对多个相邻的峰值和谷值对，计算多个峰值到峰值周期；
基于所述多个峰值到峰值周期得出位时间，所述位时间被用来区分位“1”和位“0”；以及
根据所述多个峰值到峰值周期和所述位时间来产生数字数据流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述F-2F波形以包括第一频率以及两倍于所述第一频率的第二频率的两个频率在峰值和谷值之间交替变化，并且其中在所述第一频率的峰值到峰值周期与位“1”相关联并且在所述第二频率的两个连续峰值到峰值周期与位“0”相关联。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在紧随每个相邻峰值和谷值对之后的过零事件处对所述位时间进行更新。
16.根据权利要求13所述的方法，其中追踪在所述F-2F波形中的多个峰值和谷值的步骤与峰值检测输出相关联，所述峰值检测输出指示所述F-2F波形在山域中朝向峰值上升以及在谷域中朝向谷值下降，并且在所述F-2F波形的每个山域中将二级噪声峰值与所述峰值区分开。
17.根据权利要求13所述的方法，其中使用上限过零阈值和下限过零阈值、基于磁滞来对所述多个过零事件进行检测，以调整中间级变换点并且消除在所述中间级变换点周围的噪声，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点大所述上限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个上升沿检测所述多个过零事件的第一子集，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点小所述下限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个下降沿检测所述多个过零事件的第二子集。
18.一种将F-2F波形转换为数字数据流的方法，包括步骤：
追踪在所述F-2F波形中的多个峰值和谷值，所述F-2F波形以包括第一频率以及两倍于所述第一频率的第二频率的两个频率在峰值和谷值之间交替变化；
针对多个相邻的峰值和谷值对，计算多个峰值到峰值周期；
基于所述多个峰值到峰值周期得出位时间，所述位时间被用来区分位“1”和位“0”；以及
根据所述多个峰值到峰值周期和所述位时间来产生所述数字数据流，其中在所述第一频率的峰值到峰值周期与位“1”相关联，并且在所述第二频率的两个连续峰值到峰值周期与位“0”相关联。
19.根据权利要求18所述的方法，其中追踪在所述F-2F波形中的多个峰值和谷值的步骤与峰值检测输出相关联，所述峰值检测输出指示所述F-2F波形在山域中朝向峰值上升以及在谷域中朝向谷值下降，并且在所述F-2F波形的每个山域中将二级噪声峰值与所述峰值区分开。
20.根据权利要求18所述的方法，其中基于磁滞在所述多个相邻的峰值和谷值对之间对多个过零事件进行检测，使用上限过零阈值和下限过零阈值以调整中间级变换点并且消除在所述中间级变换点周围的噪声，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点大所述上限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个上升沿检测所述多个过零事件的第一子集，在所述F-2F波形的电压比所述中间级变换点小所述下限过零阈值时，在所述F-2F波形的多个下降沿检测所述多个过零事件的第二子集。
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