CN104092472A - 一种正交负反馈实现载波消除的nfc接收机 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种正交负反馈实现载波消除的NFC接收机。本发明包括I/Q两路的下混频器，低通滤波器，积分器和上混频器；下混频器用于将输入信号进行向下的频率搬移，将强载波信号转换为直流信号；低通滤波器用于将下混频后的上边带信号滤除，得到基带信号；积分器实现仅仅对下混频后的直流信号的放大，从而实现仅仅对于载波信号的负反馈；上混频器将积分器放大后的直流信号频率搬移到载波频率处，实现与源信号的相减，完成载波的消除。本发明可以有效解决传统NFC通信过程中载波强度过大，进而影响接收机灵敏度的问题。

Description

一种正交负反馈实现载波消除的NFC接收机

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种利用正交负反馈实现载波消除的NFC接收机。

背景技术

NFC（Near Field Communication）技术是一种工作频率为13.56MHz，通信距离一般在10厘米以内的进场无线通信技术，更具体的说，它是一种可以提供移动设备，消费类电子产品，个人电脑和智能控件设备间进行近距离的非接触式识别和互联的无线通信标准。NFC接收机的工作模式可以简化为两种，一种是作为Target的接收机和在active模式作为Initiator的接收机，此种情况下，接收到的信号均是由对方自身能量供给产生的，因此信号强度较大；另一种是在passive模式下，作为Initiator的接收机接收来自Target的信号，此种情况下，接收到的信号是由Target依靠Initiator能量供给通过负载调制产生的，因而信号较弱。显然，作为passive模式下的接收机对于灵敏度有更高的要求，对于它的研究也是NFC技术中的重点与难点。

图1是一个现有的NFC接收机，此NFC接收机通过一个耦合电容连接到天线，从而获取能量，接收机通过电阻分压网络获取天线上的信号。之所以要用电阻分压连接到天线的原因是因为发射机信号经过功率放大后输出，然后通过匹配网络连接到天线，由于匹配网络阻抗变换的作用，此时天线上的载波信号一般在几十至一百伏特。如此大的电压早已经超出了芯片的安全工作电压范围，因此接收信号必须经过电阻分压后才能连接到接收机的输入端。

虽然输入电压满足了芯片的安全工作的要求，但是问题出现了，由于电阻分压网络其实是一个衰减网络，其并没有频率选择性，所以当其对天线载波进行衰减的同时，信号也相应被衰减了相同的倍数。可以假设接收机的灵敏度为-80dBm，分压网络衰减40dB以保证最强射频磁场下，输入电压维持在安全电压范围内，那么该接收机能检测到天线上的最小信号就只有-40dBm。如果衰减网络衰减20dBm,那能检测到的最小信号就是-60dBm，若不进行衰减，那就是-80dBm。显然，接收机灵敏度的瓶颈就被分压网络所限制。由于对载波的衰减是必须的，而对信号最好是不要衰减，那能不能设计一个具有频率选择性的衰减网络，只对载波进行衰减而不影响信号呢？加入陷波滤波器是一种解决方案，图2是加入陷波滤波器的NFC接收机，但是芯片外置器件的成本似乎是不能接受的，如果把陷波滤波器做到芯片内部，但是中心频率为13.56MHz的陷波滤波器需要的电感在uH级别，片上集成几乎不可能实现。因此，怎样在芯片内部实现一个具有频率选择性的衰减网络成为提高接收机灵敏度的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在芯片内部通过具有频率选择性衰减，实现对载波的衰减而对信号不进行衰减的NFC接收机。。

本发明采用正交负反馈的方式来实现对进入NFC接收机的载波信号的消除，从而提供一种正交负反馈实现载波消除的NFC接收机，其结构由I/Q两路正交信号的环路构成，具体包括两路下混频器，两路积分器，两路低通滤波器以及两路上混频器；其连接关系为：天线与两路下混频器输入端相连，两路下混频器的输出端分别与两路积分器的输入端相连，同时还与后面的两路低通滤波器的输入端相连，两路积分器的输出端与两路上混频器的输入端相连，两路上混频器的输出再反馈到系统的输入端进行相减，从而构成一个闭合的环路；其中：

所述的两路下混频器用于将输入信号进行向下的频率搬移，因为输入的信号的载波频率是13.56MHz，通过与13.56MHz的本振进行下混频，可以将载波信号搬移到直流处，这时直流信号的大小就反应了输入载波信号的大小。

所述的两路低通滤波器用于对下混频之后的上半边带的信号进行滤波，同时对基带信号进行放大，从而得到有用的基带信号。

所述的两路积分器用于放大直流信号，而衰减别的信号，因为系统所要反馈回去的信号仅仅是载波信号部分，而不希望将有用信号也反馈到输入，经过下混频器之后的信号既有载波信号部分，还有最重要的基带信号，积分器只对代表载波信号强弱的直流信号进行放大，对于基带信号部分则进行衰减，从而实现仅仅对载波信号进行反馈的选频作用。

所述的两路上混频器用于将积分器放大后的直流信号进行上混频，将直流信号变频到13.56MHz，再将其输出与输入的信号进行相减，从而实现仅仅对于载波信号的衰减。

本发明提出了一种新的方法在芯片内部实现一个具有频率选择性的衰减网络，从而提高传统NFC接收机的灵敏度；另外，本发明可以实现片上集成，大大降低实现载波消除的成本；同时载波衰减幅度可以受环路增益的控制，从而实现可控的载波衰减。

附图说明

图1、现有的NFC接收机结构。

图2、增加陷波滤波器的NFC接收机。

图3、接收机负反馈架构框图。

图4、本发明的正交负反馈实现载波消除的接收机框图。

图5、基于ADS的系统仿真模型。

图6、ADS仿真中输入求和节点在反馈回路断开时的电压值。

图7、ADS仿真中输入求和节点在反馈回路闭合时的电压值。

图8、ADS仿真中输入求和节点在反馈回路断开时的功率值。

图9、ADS仿真中输入求和节点在反馈回路闭合时的功率值。

具体实施方式

下面将结合本申请实例中的附图，对本发明技术方案进行进一步的描述。所述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外，所描述的实施例也仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种用于NFC接收机中载波消除的技术。本技术可以实现对于输入NFC接收机的信号进行具有频率选择性的衰减，从而提高整个接收机的灵敏度，并且此结构可以实现芯片上集成，从而极大的降低了成本，下面做详细的说明。

参见图3，示出了接收机负反馈架构框图，其中包括下混频器，低通滤波器，上混频器，它们之间的连接关系如图3所示。下面对这个系统进行具体的分析：

假定输入系统的信号V_i可以表示为：

              （式1）

式1中是载波频率*2π，经过下混频器，放大以及积分器之后，可得直流分量V_dc:

              (式2)

其中A为环路增益，此直流信号经过上混频器进行上混频之后，可以得到反馈信号V_f:

 （式3）

因为：

                    （式4）

其中，V_s是从天线过来的信号，经过推导可以得到：

       （式5）

从式5可知，输入信号V_i的幅度与相差θ有关，当θ=90°的时候，输入信号就等于源信号Vs,当相差θ=0°时，输入信号减小到零，这是因为增益无限大造成的。所以通过分析知道，只要存在相差，即使环路增益A无限大的情况下，输入载波也不会减小到零，所以在本发明中提出了正交负反馈载波消除接收机，正交负反馈载波消除接收机架构参见图4。整个正交载波消除环路由I/Q两路构成，两路组件完全相同，均由下混频器，积分器以及上混频器组成，且积分器增益可调，最终的基带信号在下混频器之后经过一个低通滤波器得到，各个模块的连接关系见图4。基于改进后的正交负反馈接收机架构，按照之前所述的假设和推导，可以得到：

    （式6）

由式6可知，当增益A>>1时，输入信号Vi将被衰减A/2的倍数。因此，设计中只需要调整增益A的大小，就可以实现对输入信号任意倍数的衰减。通过正交的结构可以有效消除相差的影响，保证无论相差是多少都能够实现对载波的有效消除。

通过分析可知，环路增益决定了接收机的载波消除能力，在实际的通信中，最差情况下，负载调制返回信号比载波信号强度小56dB左右，因此，可以设计整个系统的环路增益为56dB,为了留有余量，设计一个环路增益为70dB的实例，系统各个模块的指标如表1所示：

表1

为了验证此系统，下面采用系统仿真工具ADS对正交负反馈载波消除接收机系统进行仿真。基于ADS的系统仿真模型见图5。这个接收机模型主要由两部分组成，一部分是信号源产生模块，另一部分则是正交载波消除环路模块。信号源产生模块主要由13.56MHz的载波源，847.5KHz的负载调制信号源以及理想乘法器组成。而正交负反馈载波消除环路除了接收机的下混频器、积分器以及上混频器外，还外加了下混频器前的缓冲器，主要是因为ADS平台下的电路模块间阻抗通常是50Ω，因此为了隔离需要加上缓冲单元。上混频器的输出通过加法器求和，然后由跨导模块转换为电流，最终通过电阻分压电路与输入载波信号进行叠加，抵消。基带信号从下混频器取出后，同样是先通过缓冲单元，然后经过低通滤波器滤波后输出。模型中各个模块的参数可参考表1的参数。

图6，图7分别是输入求和节点在反馈回路断开与闭合情况下的电压值。可以看到，载波信号在反馈回路断开的情况下为5.48V左右，反馈回路闭合之后的电压值降到了50mv左右，载波大小衰减了40dB，并没有衰减理论上的70dB是因为上混频器的输出会有一些高频谐波影响到回路的衰减幅度。

图8，图9分别是输入求和节点在反馈回路断开与闭合情况下的功率值。可以看到13.56MHz的载波功率从环路闭合前的24.7dBm衰减到-44dBm，而对于频率为14.41MHz处的有用信号则几乎没有衰减，从而验证了此系统只针对载波进行衰减的频率选择性，而且衰减的大小可以由环路增益来决定。

Claims (1)

1. 一种正交负反馈实现载波消除的NFC接收机，其特征在于由I/Q两路正交信号的环路构成，具体包括两路下混频器、两路积分器、两路低通滤波器以及两路上混频器；其连接关系为：天线与两路下混频器输入端相连，两路下混频器的输出端分别与两路积分器的输入端相连，同时还与后面的两路低通滤波器的输入端相连，两路积分器的输出端与两路上混频器的输入端相连，两路上混频器的输出再反馈到系统的输入端进行相减，从而构成一个闭合的环路；其中：

所述的两路下混频器用于将输入信号进行向下的频率搬移，将载波信号搬移到直流处，这时直流信号的大小反应了输入载波信号的大小；

所述的两路低通滤波器用于对下混频之后的上半边带的信号进行滤波，同时对基带信号进行放大，从而得到有用的基带信号；

所述的两路积分器用于放大代表载波信号强弱的直流信号，衰减基带信号，从而实现仅仅对载波信号进行反馈的选频作用；

所述的两路上混频器用于将积分器放大后的直流信号进行上混频，将直流信号变频到13.56MHz，再将其输出与输入的信号进行相减，从而实现仅仅对于载波信号的衰减。