CN104579433B - 近场通讯系统及其操作方法 - Google Patents
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Classifications
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Abstract
本发明提供一种近场通讯系统，包含多个线圈、一多工器，电性连接至该线圈、以及至少一适应性网络，电性连接至该多工器。该线圈耦接至一可携式装置的一天线，其中每两个相邻的该线圈彼此部分重迭。该多工器可选择地致能至少一线圈以建立与该天线的通讯，其中受该多工器致能的线圈与该天线之间具有最佳耦合效应，且该受致能的线圈合并为一有效天线；该适应性网络用于调整该有效天线的输入及输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种近场通讯系统，尤其是指一种具有稳定数据传输的近场通讯系统。
背景技术
近场通讯系统(Near field communication,NFC)是一种无线且非接触式的通讯技术，其广泛地应用于多种电子设备及装置，例如智能卡、智能手机或平板计算机等。近场通讯系统在非常短的距离中利用磁场感应将数据自一个天线传输至另一个天线，而这个距离通常不超过数英吋。具体而言，引发装置通过天线产生电磁场(electro-magnetic(EM)field)，而当目标装置位于该电磁场所产生的“近场”区域时，则可通过目标装置的天线(如线圈)与引发装置的天线进行耦合，并通过彼此间的耦合传输数据。因此，仅需将引发装置与目标装置彼此靠近，便可通过近场通讯便利地进行数据传输。如今，越来越多的电子装置整合了近场通讯天线而具有近场通讯的功能。举例而言，使用者可将整合近场通讯天线的智能手机放置或靠近目标装置，则可让目标装置的信息通过近场通讯的传输显示在智能手机的屏幕上。
由于在近场通讯系统中，引发近场通讯装置内的天线必须正对于目标近场通讯装置的天线方可确保适当的电磁场耦合，而使两装置之间的数据传输保持稳定。然而，每家制造商于近场通讯装置中设置近场通讯天线的位置各有不同，且并未制式化。是以，如何在随机摆放近场通讯设备的位置时，又得以保持稳定的数据传输，将是需要克服的技术问题。
现有一种解决方案是使用大面积的天线来涵盖目标近场通讯装置，以与引发近场通讯装置之间保持适当的耦合。然而，由于两个近场通讯天线的尺寸差异甚大，反而会造成耦合效应的衰减，因此这种解决方案并不理想。另一种解决方案则是采用多线圈天线来取代前述的大面积天线，如图1所示，多个线圈310彼此部分重迭设置以形成一个多线圈天线，且每个线圈310连接至一多工器320。多工器320会选择性地致能多个线圈310中具有最佳耦合效应的其中一个线圈。在图1的例子中，由于在中央处的线圈与引发近场通讯装置330的天线331具有最佳的耦合效应，因此其会被多工器320所致能以与引发近场通讯装置330进行耦合，其中被致能的天线是以粗虚线方式描绘如图1所示。然而，此种解决方案仍具有一个缺点，亦即，若引发近场通讯装置330的天线331放置在多个线圈310中一个以上的线圈之间，但多工器320仍然只致能其中一个线圈以与引发近场通讯装置330进行通讯，其将会造成引发近场通讯装置330的天线331无法从被致能的线圈接收到完整的功率。是以，介于被致能线圈与引发近场通讯装置330的天线331之间的耦合效应强度并不足以保持稳定的通讯质量。此外，被致能的线圈所产生的电磁场功率可能会使周遭的其它金属制品或未被致能的线圈产生干扰耦合效应，而这类干扰耦合效应可能降低引发近场通讯装置330的天线331与多个线圈310中受致能线圈之间的耦合效应。
因此，如何在两个近场通讯天线之间建立稳定的数据传输，以确保数据传输的质量不会受到天线彼此相对位置的因素所干扰，实有改进的必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近场通讯系统及其操作方法，以克服上述先前技术的缺点。
本发明提供一种近场通讯系统，包含：多个线圈，用于耦接至一可携式装置的一天线，其中每两相邻的该线圈彼此部分重迭；一多工器，电性连接至该线圈的多工器，该多工器可选择地致能至少一线圈以建立与该天线的通讯，其中受该多工器致能的线圈与该天线之间具有最佳耦合效应，且该受致能的线圈合并为一有效天线；以及至少一适应性网络，电性连接至该多工器，用于调整该有效天线的输入及输出。
于一较佳实施例中，该有效天线的尺寸等同或近似于该可携式装置的天线。
于一较佳实施例中，该最佳耦合效应是根据由每一线圈与该可携式装置的天线耦合时感应的射频场强度所评定。
于一较佳实施例中，该最佳耦合效应是通过每一线圈对该可携式装置的天线传送一封包信息以测试一通讯波道，并检测接收该封包信息的响应正确性所评定。
于一较佳实施例中，该多工器致能两个以上彼此平行配置但互不重迭的线圈。
于一较佳实施例中，该多工器电性连接于该适应性网络以及该线圈之间。
于一较佳实施例中，该适应性网络电性连接于该多工器以及每一该线圈之间。
于一较佳实施例中，该系统进一步包含供该可携式装置放置的一平面，且该线圈覆盖该平面的全部区域。
于一较佳实施例中，该系统进一步包含一无线充电单元，其设有至少一充电线圈，该充电线圈可耦合于该可携式装置的天线以对该可携式装置进行无线充电。
本发明另一方面提供一种自动优化近场通讯耦合的方法，适用于一可携式装置的一天线以及一设有多个线圈的设备，其中每两相邻的线圈彼此部分重迭，所述方法包含：决定一线圈配置，使该线圈与该可携式装置的天线具有最佳耦合效应；依据该线圈配置，经由一多工器致能至少一该线圈以组成一有效天线；以及经由一适应性网络调整该有效天线的输入或输出。
于本发明方法中的一较佳实施例，该最佳耦合效应由以下步骤所决定：测量每一该线圈与该可携式装置的天线耦合所感应产生的一射频场强度；以及依据最强的射频场强度决定该线圈配置。
于本发明方法中的一较佳实施例，其中该最佳耦合效应由以下步骤所决定：通过每一该线圈传送一封包信息至该可携式装置的该天线；接收自该可携式装置的该天线所发出对该封包信息的响应；检测所接收的回应的正确性；以及依据正确性最高的配对以决定该线圈配置。
于本发明方法中的一较佳实施例，其中该多工器致能两个以上彼此平行配置但互不重迭的线圈。
于本发明方法中的一较佳实施例，其中该多工器电性连接于该适应性网络以及该线圈之间。
于本发明方法中的一较佳实施例，其中该适应性网络电性连接于该多工器以及每一该线圈之间。
于本发明方法中的一较佳实施例，其中该有效天线的尺寸等同或近似于该可携式装置的天线。
通过本发明的自动耦合优化近场通讯系统、装置及其操作方法，可携式装置可摆放在线圈所覆盖的任何位置，且多工器选择性地致能至少一个线圈以形成一有效天线，并通过适应性网络调整其输入及输出以使该有效天线与可携式装置的天线之间具有更佳的通讯。此外，因为多工器致能了与该天线具有最佳耦合效应的线圈，理论上代表着被致能的线圈(有效天线)具有与可携式装置的天线相近的尺寸，因为只有当两天线尺寸相近时方能产生最佳的耦合效应。是以，因为多工器所选择的线圈在位置上对应于可携式装置的天线，且该有效天线的尺寸是相等或近似于可携式装置的天线，且该适应性网络更进一步补偿了不同的天线配置及与其它金属制品产生的干扰性耦合效应，因此，本发明的系统、装置及其操作方法可达成在无论可携式装置天线的位置的前提下，仍维持与有效天线耦合效应稳定的目的。
为便于理解所揭示的发明，以及为改善上述问题所采用的技术、特性及其功效将以后述的实施例并参照附图的方式解释说明。
附图说明
图1为已知具有多线圈天线的近场通讯系统的示意图。
图2为本发明近场通讯系统的一种实施态样的示意图。
图3为图2所示的近场通讯系统的方块图。
图4为本发明近场通讯系统的通讯设备的第一实施态样示意图。
图5为本发明近场通讯系统的通讯设备的第二实施态样示意图。
图6为本发明近场通讯系统的操作方法流程图。
图7为本发明一实施例决定具有最佳耦合效应的线圈配置的方法流程图。
图8为本发明另一实施例决定具有最佳耦合效应的线圈配置的方法流程图。
[标号说明]
10 线圈 100 近场通讯系统
11 有效天线 110 通讯设备
20 多工器 200 操作方法
210～230 流程步骤 221A～222A 流程步骤
221B～224B 流程步骤 30 适应性网络
310 线圈 320 多工器
330 引发近场通讯装置 331 天线
40 处理器 50 可携式装置
51 天线 52 电磁场
60 无线充电单元 61 无线充电线圈
70 移动通讯模块 71 移动通讯天线
72 补偿器及/或放大器 73 远场天线
80 通讯平面
具体实施方式
请参照图2至图3。图2示意性地说明根据本发明的近场通讯系统100的其中一种实施态样，图3则为图2所示的近场通讯系统100的方块图。该近场通讯系统100包含有一通讯设备110以及一可携式装置50，该通讯设备110包含有：多个线圈10、一多工器20、一处理器40以及至少一适应性网络30。
在本发明实施例中，该可携式装置50具有一天线51用以耦合于该通讯设备110的该些线圈10中的至少其中之一，以通过彼此间的近场通讯收发数据。该数据可为一电子现金(e-cash)交易信息、对产品内容的询问信号、MP3声频串流或其它种类的数据。该通讯设备110更进一步包含有一射频模块(图中未示)用以将数据与载波混频以合成射频信号，或进行滤波将接收到的射频信号还原为数据。由于数据是由处理器40所提供的，该射频模块可安装于处理器40之后，或可安装于另一个数据源之后(例如包含在该通讯设备110中的储存单元)，在此不予以限制。该射频模块主要包含有混波器、滤波器、放大器等，由于射频模块的结构及元件组成皆是本领域技术人员所熟知的技术，在此不加以赘述。
在本发明实施例中，该通讯设备110更进一步包含有一通讯平面80用以摆放该可携式装置50，且该些线圈10所形成的面积可涵盖该通讯平面80的所有区域。于一实施态样中，该些线圈10中两两相邻的线圈10彼此部分重迭。在本发明中，该些线圈10的几何配置，例如图形、数量或形状等，仅用于说明解释，其并不对本发明的权利要求做任何的限制。在另一实施态样中，该些线圈10可依据另一个方向排列。
依据本发明应用方式所提供的近场通讯系统100可自动优化该通讯设备110与该可携式装置50之间的耦合效应。本发明提出的「自动优化耦合」意指该近场通讯系统100具有自适应能力，可在不同的条件下趋近最佳的传输效率。上述提到的条件例如为该可携式装置50中的天线51的摆放位置、天线51的尺寸及/或该天线51与线圈10之间的耦合效应等。在本发明实施例中，无论该天线51在该可携式装置50中的确切位置于何处，该可携式装置50可摆放在该通讯平面80的任何位置上而不需指定特定的位置。在本发明实施例中，该近场通讯系统100可通过多工器20及适应性网络30的控制与设计来自动增进天线51与线圈10之间的耦合效应，以提高数据传输的稳定性。
请参考图4，图4为本发明近场通讯系统的通讯设备110的第一实施态样示意图。在此一态样中，通讯设备110包含单一个适应性网络30，其电性连接于该多工器20与处理器40之间。以下将以此种实施态样说明本发明近场通讯系统100的运作方式。
当该可携式装置50摆放在该通讯设备110的通讯平面80上时，该可携式装置50中的天线51与该至少一个线圈10之间将产生一电磁场52，该电磁场52的强度/密度分布根据该天线51的不同而有不同的分布方式。在此一概念下，至少一线圈10可结合而组成一有效天线11，且其与该可携式装置50中的天线51具有相同或近似的尺寸以达到较佳的耦合效果。
在本发明实施例中，该多工器20具有多个通道电性连接于该线圈10，其中该等通道包含有两种状态：禁止存取以及可存取。当该通道处于禁止存取状态时，阻断该线圈10与该天线51之间的耦合；反之，当通道处于可存取状态时，线圈10与该天线51之间产生耦合，且由射频模块将数据转换后的射频信号可通过线圈10，并通过线圈10与可携式装置50中的天线51所建立的电磁场进行传输。
前述多工器20的通道状态是由处理器40所控制的，处理器40决定与该可携式装置50的天线51具有最佳耦合效应的线圈配置，并依据该线圈配置产生一相对应的控制信号提供给多工器20，使多工器20制能对应该线圈配置的线圈10。该控制信号是经由独立的线路经由处理器40传输给多工器20，或者该多工器20也可经由多条控制线(输入/输出)或通过如IIC、SPI、UART等通讯接口规格连接至处理器40，本发明并不予以限制。
在一实施例中，控制器40决定具有最佳耦合效应的线圈配置的方式，是通过评估每一线圈10与天线51之间所感应产生的射频场强度来决定如何的线圈10组合可产生最佳耦合效应，以设定为上述的线圈配置。在另一实施例中，控制器40则是藉由通过每一个线圈10传递封包信息至天线51，并检验其接收的响应是否正确来决定如何的线圈10组合可产生最佳耦合效应，以设定为上述的线圈配置。具体而言，通过每一线圈10传送封包信息以测试一通讯波道，并接收来自可携式装置50的天线51所回传的响应，且该处理器40评估该所接收的响应正确性，以决定具有最佳耦合效应的线圈配置并产生相应的控制信号。在上述两种实施例中，依据估量射频场强度决定线圈配置的方法是较测试通讯频道的方法更为省时，但，测试通讯频道的方法对找出具有最佳耦合效应的线圈配置有较高的准确性。本领域技术人员亦可通过其它方式评估其耦合效应，本发明在此并不限制于上述方法。
在图4的例子中，处理器40在检测出与天线51间有最佳耦合效应的线圈10后，决定第4线圈与第6线圈的结合所形成的线圈配置具有最佳的收发能力，且其产生一控制信号给多工器20以致能第4线圈及第6线圈，并禁能第1、2、3、5、7线圈。是以，第4线圈及第6线圈形成一有效天线11以与该天线51进行通讯。如图所示，第4线圈及第6线圈是平行排列的，且并未相互重迭。就图示而言，若选择第5线圈及第6线圈来组成有效天线11也可能组成与天线51尺寸相同或近似的有效天线11，然而，该有效天线11的磁场在两个线圈彼此重迭的情况下将会产生相互抵消的情形，是以，该有效天线由彼此不重迭的线圈所组成为佳。
再者，由于该有效天线11可能受周围的金属制品所干扰，例如受到未被致能的线圈10、或其它在可携式装置50的电路的干扰，而使有效天线11通讯频率产生频率移转，因而使耦合效应衰减。另外，当一个以上的线圈组成有效天线时，该等受致能的线圈彼此也会产生电磁场并干扰有效天线11与可携式装置的天线51之间的通讯。是以，本发明实施例提出的该通讯设备110更设有适应性网络30以降低上述各种干扰因素。该适应性网络是由种电路所组成的总成，其可用以匹配有效天线11与该通讯设备110之间的阻抗，是以，该适应性网络30是用以基于线圈10的输入及输出调整线圈10的特性，例如馈入功率、输入阻抗、输出阻抗等。该适应性网络30的主要目的是用以补偿不同的线圈配置配置，进一步平衡受致能线圈10彼此之间的耦合效应的差异，并补偿由周围其它金属制品所产生的干扰。是以，该有效天线11可通过适应性网络30动态地调整其配置。举例而言，该适应性网络30利用一调整信号以优化该有效天线11的电流及电压的输出/输入，故而该有效天线的阻抗也可藉此进移动态的控制。
请参照图5，为本发明近场通讯系统的通讯设备的第二实施态样示意图。
在本发明实施例中，该适应性网络30的数目是可依需求变更的。在图4的实施态样中，通讯设备110包含单一个适应性网络30电性连接于多工器20，且该适应性网络30对受多工器20致能的该有效天线11进行调整。换言之，该适应性网络30是连接于多工器20与处理器40之间。而在图5的实施态样中，通讯设备110包含多个适应性网络30，每个线圈10均电性连接于一适应性网络30，亦即该适应性网络30是连接于多工器20与每个线圈10之间。根据图5的设置方式，其可使适应性网络30对每个线圈10具有更佳的调校能力。
再回到图3，该通讯设备110更进一部包含有一无线充电单元60用以对该可携式装置50充电，其通过至少一无线充电线圈61耦合于该可携式装置50的天线51用以传输电磁功率，且该无线充电线圈61可与线圈10交错或设置在线圈10之下。在一实施例中，可携式装置50具有分离的近场通讯线圈与无线充电线圈。在其它的应用上，该通讯设备110更进一步包含有一移动通讯模块70，其具有一移动通讯天线71、一补偿器及/或一放大器72、以及一通过该补偿器及/或该放大器72耦合于该移动通讯天线71的远场天线73。该移动通讯天线71操作于全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications)、通用移动通讯系统(Universal Mobile Telecommunications System)、长期演进技术(Long TermEvolution)或全球定位系统(Global Positioning System)等频率，且该移动通讯天线71可被设置于该线圈10的旁边、上端或周围。该远场天线73可为设置于交通工具上的一车用天线、或是一盘状天线设置于建筑物上，在此并不予以限制。是以，射频信号可通过可携式装置50通过移动通讯天线71的天线耦合广播至其它射频接收器，其中在移动通讯天线71与远场天线73之间具有补偿器及/或放大器72用以馈入足够的功率让射频信号广播至较大的范围。
图6为本发明近场通讯系统的操作方法200流程图，且图7及8分别为本发明依据不同实施例决定具有最佳耦合效应的线圈配置的方法流程图。
请参照图6所示，该操作方法200是用以自动优化介于一可携式装置的天线与包含多个线圈的通讯设备间近场通讯的耦合，其中相邻的两两线圈之间彼此部分重迭。首先，于步骤210，一可携式装置靠近于一通讯设备以产生耦合而可受检测。步骤210的耦合将会触发下个步骤。于步骤220，处理器40决定该线圈与该可携式装置的天线之间具有最佳耦合效应的一线圈配置。于步骤230，处理器40依据该线圈配置产生一控制信号。于步骤240，在产生该控制信号后，将该控制信号传送给一多工器以依据该线圈配置致能至少一线圈，其中受多工器致能的线圈合并成一有效天线，且其尺寸等同或近似于该可携式装置的天线。接着，于步骤250，至少一适应性网络调整该有效天线的输入或输出。是以，该通讯设备可与该可携式装置的天线依循上述步骤进行通讯。
于步骤220中，本发明实施例提供两种示范方式以决定具有最佳耦合效应的线圈配置。如图7所示，决定具有最佳耦合效应的线圈配置包含下列步骤：测量每一该线圈与该可携式装置的天线由耦合所感应产生的一射频场强度(步骤221A)，并依据最强的射频场强度以决定该线圈配置(步骤222A)。
如图8所示，另一种示范方式包含有以下步骤：通过每一该线圈传送一封包信息至该可携式装置的该天线(步骤221B)，接收自该可携式装置的天线所发出的对该封包信息的响应(步骤222B)，检测所接收的回应的正确性(步骤223C)，以及依据正确性最高的配对以决定该线圈配置(步骤224B)。
综上所述，通过本发明的近场通讯系统、设备及其操作方法，因多工器可选择地且自动地致能至少一线圈以与可携式装置的天线产生最佳的耦合效应，并且，该适应性网络可调整有效天线的输入及输出以调整有效天线与可携式装置天线间的连结。因此，通过多工器及适应性网络的配置，该可携式装置可以摆放在该通讯设备平面上的任何一处而不受可携式设备内天线确切的位置的影响。是以，即便不同的可携式装置安装有不同尺寸、不同位置的天线，本发明的设备与系统依然能与这些不同的可携式设备保持稳定的通讯。
本发明的方法可应用于多种不同的工业，如汽车业、消费性电子业、家庭应用等等，例如该近场通讯系统可安装于车中，且该可携式装置可摆放于一限制的区域中(如移动电话槽)并对目标装置进行近场通讯，通过使用本发明的近场通讯系统，即使在移动电话因车体移动而变动位置时仍可保有稳定的通讯质量。
本发明已藉上述具体实施态样进行详细说明，惟本发明并不限定于上述所举例的实施态样，反之，其实施态样旨在涵盖各种等效修改与安排均在本发明权利要求的精神和范围之内。
Claims (15)
1.一种近场通讯系统，包含：
多个线圈，用于耦接至可携式装置的天线，其中所述多个线圈中的每两相邻的该线圈彼此部分重迭，所述多个线圈被设置为限定了通讯平面，用于在所述通讯平面上的多个位置处设置所述可携式装置；
多工器，电性连接至所述多个线圈，该多工器选择性地致能所述多个线圈中的至少两个线圈以建立与可携式装置的天线的通讯，其中受该多工器致能的至少两个线圈与可携式装置的天线之间具有多个线圈的可能组合的最佳耦合效应，且该受致能的线圈被合并为一有效天线，其中，所述有效天线配置为增强与可携式装置的天线之间的通讯，并且响应于所述多个线圈与可携式装置的天线的组合之间通讯的数据的比较来确定所述最佳耦合效应；以及
至少一个适应性网络，电性连接至该多工器，用于调整该有效天线的输入及输出，以便动态地控制有效天线的阻抗或电感，从而平衡对于与可携式装置的天线之间的耦合的干扰。
2.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中该有效天线的尺寸等同或近似于该可携式装置的该天线。
3.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中该最佳耦合效应是根据所述多个线圈中的每一个线圈与该可携式装置的该天线耦合感应的射频场强度所评定。
4.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中通过以下评定该最佳耦合效应：每一该线圈对该可携式装置的该天线传送封包信息以测试通讯信道，从该可携式装置的该天线接收返回信号，检测接收到的返回信号的正确性，并确定具有最高准确匹配的线圈的配置。
5.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中该多工器致能彼此平行配置但互不重迭的至少两个线圈。
6.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中该多工器电性连接于该适应性网络以及该多个线圈之间。
7.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中该适应性网络电性连接于该多工器以及多个线圈的每一个线圈之间。
8.如权利要求1所述的近场通讯系统，其中，所述多个线圈覆盖通讯平面的整个区域。
9.一种自动优化近场通讯耦合的方法，用于可携式装置的天线以及设有多个线圈的设备，其中多个线圈中的每两个相邻的线圈彼此部分重迭并被设置为限定了用于设置所述可携式装置的通讯平面，所述方法包括：
确定多个线圈的配置，使该线圈与该可携式装置的天线具有多个线圈的可能组合的最佳耦合效应，其中，响应于通过所述多个线圈的每一种可能组合发送到可携式装置的天线的数据的比较，来确定所述最佳耦合效应；
依据该线圈配置，经由多工器利用确定的与天线的最佳耦合效应致能多个线圈的配置以组成一有效天线，其中，所述有效天线配置为与可携式装置的天线的增强通讯；以及
经由一适应性网络调整该有效天线的输入或输出，以便动态地控制有效天线的阻抗或电感，从而平衡对于与可携式装置的天线之间的耦合的干扰。
10.如权利要求9所述的方法，其中由以下步骤确定该最佳耦合效应：
测量多个线圈中的每一个线圈与该可携式装置的该天线耦合所感应产生的射频场强度；以及
确定多个线圈中具有最强射频场强度的配置。
11.如权利要求9所述的方法，其中由以下步骤确定该最佳耦合效应：
通过多个线圈中的每一该线圈传送一封包信息至该可携式装置的该天线；
接收自该可携式装置的该天线所发出对该封包信息的一响应；
检测所接收的该响应的正确性；以及
依据正确性最高的配对决定该线圈配置。
12.如权利要求9所述的方法，其中该多工器致能两个以上彼此平行配置但互不重迭的线圈。
13.如权利要求9所述的方法，其中该多工器电性连接于该适应性网络以及多个线圈之间。
14.如权利要求9所述的方法，其中该适应性网络电性连接于该多工器以及多个线圈的每一个线圈之间。
15.如权利要求9所述的方法，其中该有效天线的尺寸等同或近似于该可携式装置的天线。
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