CN105653997A - 一种低频信号调理与解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子标签技术领域，尤其涉及一种低频信号调理与解调系统，该系统主要由模拟信号输入单元、模拟信号放大单元、模拟信号检波单元、检波泄放回路、模拟信号控制单元以及模拟信号采样单元和解码单元组成，其中通过模拟信号控制单元可以对系统模块进行优化控制，达到降低电量消耗、快速响应、可靠性检测低频信号的效果并配合软件解码算法，优化解码性能，大幅降低芯片使用成本，同时具有较强的适应能力特征。

Description

一种低频信号调理与解调系统

技术领域

本发明涉及电子标签技术领域，尤其涉及一种低频信号调理与解调系统。

背景技术

基于低频通讯的有源射频识别(RadioFrequencyIDentification，简称RFID)电子标签的应用越来越广泛，该电子标签的关键技术在于低频通讯机制，通过低频通讯机制可以启动电子标签相应的工作模式。

这一关键技术的实现以国外专用芯片为主，典型的有AS3933、MICROCHIP的MCP2030等专用低频信号处理芯片，这些专用芯片集成了信号放大、滤波、检波、信号解调以及逻辑控制等功能。

然而这些专用芯片存在的缺陷有：技术垄断、价格昂贵、低频唤醒不可靠、信号处理不可控、使用不灵活，芯片内部工作机制不可控等。因此对于用户而言只能去适应芯片的工作方式，对于特殊的应用，这些芯片有时就无法胜任。同时，为了找到合适的专用芯片需要耗费大量的时间和人力去测试、验证，大大降低了工作效率。

因此，针对如何解决上述问题缺陷，日益成为本领域技术人员致力于研究的方向。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种低频信号调理与解调系统，以加强低频触发功能在有源RFID使用中的可靠性，提高使用灵活性，大幅降低芯片使用成本，同时具有较强的适应能力等特点。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：

一种低频信号调理与解调系统，其中，应用于有源RFID电子标签的低频通讯中，所述系统包括：

模拟信号放大单元，具有信号输入端，以通过该信号输入端耦合待处理模拟信号，并对耦合后的所述待处理模拟信号进行放大，以产生并输出低频放大信号；

模拟信号检波单元，与所述模拟信号放大单元连接，以接收所述低频放大信号，并对该低频放大信号进行检波处理后，产生并输出检波信号；

检波泄放回路，与所述模拟信号检波单元连接，以对所述模拟信号检波单元进行放电，使其稳定输出所述检波信号；

模拟信号采样单元，与所述模拟信号检波单元连接，接收并对所述检波信号进行采样后，将采样获取的检波信号由模拟信号转换为数字信号；

解码单元，预存储有信号解码算法，且该解码单元与所述模拟信号采样单元连接，以接收所述数字信号并利用所述信号解码算法对该数字信号进行解码操作；

模拟信号控制单元，分别连接所述模拟信号放大单元、所述检波泄放回路和所述模拟信号采样单元，以输出控制指令驱动所述模拟信号放大单元、所述检波泄放回路和所述模拟信号采样单元进行上电工作，并对工作状态进行优化控制。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述系统还包括模拟信号输入单元；

所述模拟信号输入单元连接所述模拟信号放大单元的信号输入端，用于产生所述待处理模拟信号，并通过该信号输入端将该待处理模拟信号耦合进所述模拟信号放大单元。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号控制单元输出第一控制指令至所述模拟信号放大单元中，以使所述模拟信号放大单元处于预启动的工作状态；

所述模拟信号控制单元输出第二控制指令至所述模拟信号放大单元中，使所述模拟信号放大单元处于上电工作状态，以对所述待处理模拟信号进行放大，相应产生并输出所述低频放大信号。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号检波单元包括第一模拟信号检波电路和第二信号模拟检波电路；

所述检波泄放回路包括第一检波泄放回路和第二检波泄放回路；

其中，所述第一检波泄放回路连接所述第一模拟信号检波电路，以对所述第一模拟信号检波电路进行放电；

所述第二检波泄放回路连接所述第二模拟信号检波电路，以对所述第二模拟信号检波电路进行放电。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路均为二极管检波电路。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号控制单元分别连接所述第一检波泄放回路和所述第二检波泄放回路；

其中，所述模拟信号控制单元输出第三控制指令至所述第一检波泄放回路，以通过所述第一检波泄放回路对所述第一模拟信号检波电路进行放电；

所述模拟信号控制单元输出第四控制指令至所述第二检波泄放回路，以通过所述第二检波泄放回路对所述第二模拟信号检波电路进行放电。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号采样单元分别连接所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路，以对所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路输出的检波信号进行接收并采样。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号控制单元输出第五控制指令至所述模拟信号采样单元中，以使所述模拟信号采样单元处于预启动的工作状态；

所述模拟信号控制单元输出第六控制指令至所述模拟信号采样单元中，所述模拟信号采样单元处于上电工作状态，以接收所述第一模拟信号检波电路以及所述第二模拟信号检波电路输出的检波信号，并进行采样。

较佳的，上述的低频信号调理与解调系统，其中，所述模拟信号放大单元为运算放大器构成的四级放大电路。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明公开了一种低频信号调理与解调系统，具有加强低频触发功能在有源RFID使用中的可靠性，提高使用灵活性，大幅降低芯片使用成本，同时具有较强的适应能力等有益效果。

具体附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明中低频信号调理与解调系统的结构示意图；

图2是本发明中低频信号调理与解调系统的实现方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。

为解决现有技术中的芯片存在技术垄断、价格昂贵、低频唤醒不可靠、信号处理不可控、使用不灵活等诸多缺陷，本发明提供了一种低频信号调理与解调系统，该系统主要由模拟信号输入单元、模拟信号放大单元、模拟信号检波单元、检波泄回路、模拟信号控制单元以及模拟信号采样单元和解码单元组成，其中通过模拟信号控制单元可以对上述某些系统模块进行优化控制，达到降低电量消耗、快速响应、可靠性检测低频信号的效果。

具体的，如图1所示，该低频信号调理与解调系统包括有：

模拟信号输入单元，此单元用于产生一个待处理模拟信号(低频信号)。

模拟信号放大单元，具有信号输入端，连接于模拟信号输入单元，此放大单元由低功耗的运算放大器组成一个四级放大电路，可以将耦合进来的待处理模拟信号进行放大，以发送出一个低频放大信号，并对外部干扰信号进行抑制。该放大单元的启动、关闭、快速稳定等功能的工作状态均受控于模拟信号控制单元，当模拟信号放大单元稳定后各控制信号恢复为初始状态。该模拟信号放大单元通过该信号输入端耦合待处理模拟信号，具体的，该信号输入端和模拟信号输入单元连接，该信号输入端可以将该待处理模拟信号耦合进模拟信号放大单元。

模拟信号检波单元，接收低频放大信号；该电路主要包括有第一模拟信号检波电路和第二模拟信号检波电路，且均连接模拟信号放大单元；此两检波电路均由二极管检波电路组成，可以实现对低频放大信号进行检波后，发送检波信号。

检波泄放回路，包括有第一检波泄放回路和第二检波泄放回路，且第一检波泄放回路连接第一模拟信号检波电路，实现控制对第一模拟信号检波电路进行放电，第二检波泄放回路连接第二模拟信号检波电路，实现控制对第二模拟信号检波电路进行放电，以达到稳定输出检波信号的效果。

模拟信号采样单元，该采样单元分别连接第一模拟信号检波电路和第二模拟信号检波电路；其中该模拟信号采样单元通过模拟信号控制单元实现采样电路快速启动、稳定工作状态。该采样单元稳定后开始接收来自各模拟信号检波电路输出的检波信号后，将采样获取的检波信号由模拟信号转换为数字信号。

解码单元，预存储有信号解码算法，且该解码单元与模拟信号采样单元连接，以接收数字信号并利用该信号解码算法对该数字信号进行解码操作。

模拟信号控制单元，该模拟信号控制单元分别连接上述模拟信号放大单元、各检波泄放回路和模拟信号采样单元，以对模拟信号放大单元、检波泄放回路和模拟信号采样单元的工作状态进行优化控制。

其中，该模拟信号控制单元由一块MCU来实现，控制信号(或控制指令)均通过该MCU的输入输出口实现，并且通过该MCU上集成的解码单元(内存储有相应的信号的软件解码算法，且可根据情况进行解码算法的优化或修改)来实现低频信号的解码，另外，模拟信号采样单元由集成在MCU内的ADC采样电路实现。

例如，该模拟信号控制单元输出第一控制指令(即指令1)至模拟信号放大单元之中，使其处于预启动的工作状态；并输出第二控制指令(即指令2)至该模拟信号放大单元中，使其处于上电工作状态，实现其对待处理模拟信号的放大，并输出一个低频放大信号。

例如，该模拟信号控制单元均连接第一检波泄放回路和第二检波泄放回路，其中，模拟信号控制单元输出第三控制指令(即指令3)至第一检波泄放回路，以通过第一检波泄放回路对第一模拟信号检波电路进行放电；模拟信号控制单元输出第四控制指令(即指令4)至第二检波泄放回路，以通过第二检波泄放回路对第二模拟信号检波电路进行放电。

例如，模拟信号控制单元输出第五控制指令(即指令5)至模拟信号采样单元中，以使模拟信号采样单元处于预启动的工作状态；模拟信号控制单元输出第六控制指令(即指令6)至模拟信号采样单元中，模拟信号采样单元处于上电工作状态，以接收第一模拟信号检波电路和第二模拟信号检波电路将低频放大信号检波后，以输出的检波信号，并进行相应的数字信号转换。其中，在该过程中，因模拟信号采样单元还具有预判断功能，用以判断数字信号是否满足解码要求，若是，则解码单元对该数字信号进行解码操作，否则，解码单元将该数字信号进行反馈至模拟信号控制单元中，还需进行再次放大、检波，转换等工作。

下面，就针对上述的低频信号调理与解调系统的一个具体的工作过程进行具体阐述。

具体的，如图2所示的低频信号调理与解调系统的实现方法，包括：

在初始阶段，模拟信号放大单元初始状态为掉电状态，且为由低功耗运算放大器组成四级放大电路。由于上电的瞬间各级放大电路输出处于非稳定状态，外部非常小的干扰信号经由模拟信号放大单元处理后，其输出的信号为失真信号，所需的低频信号被淹没在其中，无法给后续电路处理。因此为了减少模拟信号放大单元的稳定所需时间，模拟信号控制单元(MCU)输出第一控制指令至模拟信号放大单元的第二级放大电路的输入端，使模拟信号放大单元处于一种“预启动”状态，使放大电路的各级输出信号能固定，避免放大电路输出不确定的状态。

延时后，模拟信号控制单元输出第二控制指令，该第二控制指令接入一个MOS开关，该MOS开关受到该控制指令的驱动之下，将电源接通至模拟信号放大单元中，驱动该放大单元上电并进行工作，以接收并放大模拟信号输入电路发送的待处理模拟信号，相应发送一低频放大信号。因此模拟信号放大单元稳定输出信号所需时间可以大大减少，直接减少了模拟信号放大单元的上电时间，从而降低了模拟信号放大单元的电量消耗，并且快速的启动也提升高了模拟信号放大单元的信号响应时间。

模拟信号放大单元稳定工作后，第二级放大电路的信号输出至第一模拟信号检波电路，第四级放大电路的信号输出至第二模拟信号检波电路。当各放大电路的信号输入到对应的检波电路时，放大电路输出的短时间的失真大信号，会给检波电路中的电容快速充电，使信号失真。由于各检波电路的放电时间慢，依靠其自身的放电机制将失真信号完全泄放需要很长的时间，这段时间内模拟信号放大单元需要一直供电，直接增加了系统的电量消耗。因此，在各检波电路的输出端对应接入各检波泄放回路(具体接入方式如图1)，能快速完成失真信号的泄放，使各模拟信号检波电路接收并检波低频放大信号之后，能快速输出正确检波信号。在此，模拟信号控制单元输出第三控制指令(低电平或高电平)和第四控制指令(低电平或高电平)，对应发送至到第一检波泄放回路和第二检波泄放回路。

优选的，第一检波泄放回路和第二检波泄放回路可由电阻或者电容等分立元器件来实现。

延时后，模拟信号控制单元将第一控制指令配置为输入状态，完成对模拟信号放大单元的“预启动”，模拟信号放大单元进入正常工作状态。延时后，而后模拟信号控制单元将第三控制指令和第四控制指令分别配置为输入状态，完成对各模拟信号检波电路的泄放工作，模拟信号检波电路进入正常工作状态，完成检波信号的发送。

延时后，模拟信号控制单元输出第五控制指令和第六控制指令将集成在MCU内的ADC采样电路分别对应的预启动和上电工作(如果使用外部ADC采样电路则需要对ADC进行上电，预先启动ADC采样电路内的电路，使其进入正常工作状态)。由于ADC采样电路启动并上电稳定工作需要一定时间，启动过程中会引起信号失真，实际有用的检波信号会被失真信号淹没。此时启动ADC采样电路毫无意义，而且由于ADC采样时消耗的电量大，导致电量浪费。因此，在ADC采样之前，预先开启ADC采样电路的功能，避免因ADC采样电路启动引起的信号失真以及因此带来的时间和电量的消耗。

延时后，启动ADC采样电路的采样功能，第一模拟信号检波电路和第二模拟信号检波电路的检波信号输入至ADC，MCU启动解码单元进行相应的解码操作。

当然，解码单元中的信号解码算法优先第二模拟信号检波电路，对应为模拟信号放大单元中第四级放大电路的输出信号，若模拟信号采样单元判断经检波信号转换后的数字信号满足解码要求，则进行对数字信号进行解码。若不满足解码要求(例如，采样到的信号过大，放大电路输出信号饱和，无法正确解码)，解码切换至对第一模拟信号检波电路开始对检波信号进行采样。之后启动解码算法且预先判断检波信号转换后的数字信号是否符合解码要求，若此数字信号满足解码要求，则进行对数字信号进行解码，若不满足解码要求(如采样到的信号过小)则模拟信号采样单元将其反馈至模拟信号控制单元，重新进入初始阶段，并重复上述流程。

另外，本发明通过运算放大器实现对低频的信号进行前端放大，通过外部的控制指令使其达到快速稳定状态，提高响应速度，缩短工作时间，降低其电量消耗。相比现有芯片，运算放大器的可靠性非常高，并且设计的放大电路状态可控，通讯距离的远近也可通过放大电路来调节，整个电路的可靠性和灵活性大大提升。另一方面，本发明解调算法调试方便，实现过程中的每个中间环节都可以监控，而且用户可以根据实际情况修改软件解码算法，满足特定环境使用。

综上所述，本发明公开了一种低频信号调理与解调系统，该系统主要由模拟信号输入单元、模拟信号放大单元、模拟信号检波单元、检波泄回路、模拟信号控制单元以及模拟信号采样单元和解码单元组成，其中通过模拟信号控制单元可以对上述系统模块进行优化控制，达到降低电量消耗、快速响应、可靠性检测低频信号的效果并配合软件解码算法，优化解码性能，大幅降低芯片使用成本，同时具有较强的适应能力特征。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种低频信号调理与解调系统，其特征在于，应用于有源RFID电子标签的低频通讯中，所述系统包括：

模拟信号放大单元，具有信号输入端，以通过该信号输入端耦合待处理模拟信号，并对耦合后的所述待处理模拟信号进行放大，以产生并输出低频放大信号；

模拟信号检波单元，与所述模拟信号放大单元连接，以接收所述低频放大信号，并对该低频放大信号进行检波处理后，产生并输出检波信号；

检波泄放回路，与所述模拟信号检波单元连接，以对所述模拟信号检波单元进行放电，使其稳定输出所述检波信号；

模拟信号采样单元，与所述模拟信号检波单元连接，接收并对所述检波信号进行采样后，将采样获取的检波信号由模拟信号转换为数字信号；

解码单元，预存储有信号解码算法，且该解码单元与所述模拟信号采样单元连接，以接收所述数字信号并利用所述信号解码算法对该数字信号进行解码操作；

模拟信号控制单元，分别连接所述模拟信号放大单元、所述检波泄放回路和所述模拟信号采样单元，以输出控制指令驱动所述模拟信号放大单元、所述检波泄放回路和所述模拟信号采样单元进行上电工作，并对工作状态进行优化控制。

2.如权利要求1所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，所述系统还包括模拟信号输入单元；

所述模拟信号输入单元连接所述模拟信号放大单元的信号输入端，用于产生所述待处理模拟信号，并通过该信号输入端将该待处理模拟信号耦合进所述模拟信号放大单元。

3.如权利要求1所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，

所述模拟信号控制单元输出第一控制指令至所述模拟信号放大单元中，以使所述模拟信号放大单元处于预启动的工作状态；

所述模拟信号控制单元输出第二控制指令至所述模拟信号放大单元中，使所述模拟信号放大单元处于上电工作状态，以对所述待处理模拟信号进行放大，相应产生并输出所述低频放大信号。

4.如权利要求1所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，

所述模拟信号检波单元包括第一模拟信号检波电路和第二信号模拟检波电路；

所述检波泄放回路包括第一检波泄放回路和第二检波泄放回路；

其中，所述第一检波泄放回路连接所述第一模拟信号检波电路，以对所述第一模拟信号检波电路进行放电；

所述第二检波泄放回路连接所述第二模拟信号检波电路，以对所述第二模拟信号检波电路进行放电。

5.如权利要求4所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路均为二极管检波电路。

6.如权利要求4所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，

所述模拟信号控制单元分别连接所述第一检波泄放回路和所述第二检波泄放回路；

其中，所述模拟信号控制单元输出第三控制指令至所述第一检波泄放回路，以通过所述第一检波泄放回路对所述第一模拟信号检波电路进行放电；

所述模拟信号控制单元输出第四控制指令至所述第二检波泄放回路，以通过所述第二检波泄放回路对所述第二模拟信号检波电路进行放电。

7.如权利要求4所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，

所述模拟信号采样单元分别连接所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路，以对所述第一模拟信号检波电路和所述第二模拟信号检波电路输出的检波信号进行接收并采样。

8.如权利要求7所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，

所述模拟信号控制单元输出第五控制指令至所述模拟信号采样单元中，以使所述模拟信号采样单元处于预启动的工作状态；

所述模拟信号控制单元输出第六控制指令至所述模拟信号采样单元中，所述模拟信号采样单元处于上电工作状态，以接收所述第一模拟信号检波电路以及所述第二模拟信号检波电路输出的检波信号，并进行采样。

9.如权利要求1所述的低频信号调理与解调系统，其特征在于，所述模拟信号放大单元为运算放大器构成的四级放大电路。