CN106817153B - 用于nfc和rfid应用的功率适应性双模式卡片仿真系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种NFC装置内的适应性双模式卡片仿真系统(卡片仿真模式或PICC设计)，以解决强场功率传送问题，并且还实现了较长的通信范围。NFC装置可以是以卡片仿真模式操作的NFC标签或电子装置(例如，智能电话)。NFC装置包括用于无线通信的天线。适应性双模式卡片仿真系统包括无源负载调制(PLM)模块、有源负载调制(ALM)模块和自动功率控制(APC)模块。APC模块耦合到ALM和PLM模块两者，并且取决于接收到的从NFC读取器发送的载波信号的强度来选择性地启用ALM或PLM模块。

Description

用于NFC和RFID应用的功率适应性双模式卡片仿真系统
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§ 119(e)请求由发明人Cheng-Hsien Hung、Shiau ChwunGeorge Pwu、Thomas Michael Maguire以及Haiyu Huang于2015年12月1日提交的名称为“POWER ADAPTIVE DUAL MODE CARD EMULATION SYSTEM FOR NFC AND RFID APPLICATION”的临时专利申请No.62/261,713的权益，该申请的主题以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明总体上涉及物联网(IOT)，并且更具体而言，涉及近场通信(NFC)和射频集成电路(RFIC)通信。
背景技术
物联网(IOT)是物理对象或“物”的网络，该物理对象或“物”嵌入有电子设备、软件、传感器以及使对象能够与产品、操作者和/或其它被连接的装置交换数据的连接性。IOT允许跨现有网络基础设施远程地感测和控制对象，为物理世界与基于计算机的系统之间更直接的集成创造了机会，并且产生了提高的效率、准确性和经济效益。
在IOT应用中，当TX传送1/0信号时，功率放大器广泛应用于发射器(TX)电路中以从卡片(仿真的)生成信号脉冲来增大载波振幅从而增强读取器接收器(RX)接收到的幅度调制。
在PICC和卡片仿真电路中，无源负载调制(PLM)方案或有源负载调制(ALM)方案可以用于传输。在PLM方案中，加载邻近耦合装置(PCD)或读取器的输出级的耦合阻抗是可变的以实现对读取器的幅度调制(AM)。在ALM方案中，从标签/PICC装置发送(并与场中的载波同步)信号以模拟无源负载调制(对读取器的建设性/破坏性干扰)的行为来延长通信距离。
PLM具有以下优点：当PICC接近PCD(强场)时借助于其调节器和限制器电路泄露掉大部分功率来保护电路免受来自读取器或PCD的高功率载波输入的影响。然而，当通信距离很长时，PLM变得不足以传送信号。在长距离的情况下，ALM可以通过发送经调制的信号以干扰空气(弱场)中的PCD载波来实现TX信号传送。然而，在短距离的情况下，由ALM传送的功率会被其保护电路浪费。
期望具有一种机制以便处理近场通信(NFC)和射频集成电路(RFIC)应用的卡片仿真模式或标签(PICC)设计中的功率保护和信号传送问题。
发明内容
本发明的实施例涉及使用用于NFC/RFIC应用的适应性双模式卡片仿真系统的方法及其实施方法。
在各实施例中，公开了一种NFC装置内的适应性双模式卡片仿真系统(卡片仿真模式或PICC设计)，来解决强场功率传送问题并且还实现了较长的通信距离。NFC装置可以是以卡片仿真模式操作的NFC标签或电子装置(例如，智能手机)。NFC装置包括用于无线通信的天线。通常，天线可以用于信号接收和信号发射两者。适应性双模式卡片仿真系统包括无源负载调制(PLM)模块、有源负载调制(ALM)模块和自动功率控制(APC)模块。APC模块耦合到ALM和PLM模块两者，并且取决于接收到的由读取器发送的载波信号的强度来选择性地启用ALM或PLM模块。
在一些实施例中，APC模块检测接收到的由读取器(或PCD)发送的载波信号的功率电平，并且连同对NFC装置内的天线的不同阻抗/功率设置一起来选择性地启用ALM模块或PLM模块。当接收到的载波信号具有高于预定阈值的信号强度时选择PLM模块，并且当接收到的载波信号具有低于预定阈值的信号强度时选择ALM模块。
在一些实施例中，功率放大器(PA)被包含在ALM模块内以传送与载波信号同步的经放大的信号从而将消息传送回读取器(PCD)。放大等级根据APC模块检测到的接收到的功率电平是可调整的。
在一些实施例中，适应性双模式卡片仿真系统还包括耦合在天线与ALM/PLM模块之间的电压限制模块。电压限制模块还耦合到APC模块，以接收来自APC模块的控制信号。电压限制模块具有触发电压，该电压用于启用电压限制模块以在天线两端的电压高于触发电压时使过大电压分流。触发电压可以是预定的值或者对相应于对ALM或PLM模块的选择而被动态调整。在一些实施例中，当接入ALM模块时，增大触发电压以允许具有较高功率的信号从天线被发射出去。
在一些实施例中，APC模块包括场检测块和功率控制块。场检测块耦合到天线并且向功率控制块发送场检测结果。功率控制块耦合到ALM模块、PLM模块和电压限制模块。至少基于场检测结果，功率控制块针对期望的操作模式而选择性地启用ALM模块或PLM模块。
附图说明
将参考在附图中示出的本发明的示例性实施例。这些附图旨在是说明性的而非限制性的。尽管本发明总体上在这些实施例的上下文中被描述，但是这并非旨在通过这样做将本发明的范围限制到所示出和描述的实施例的具体特征。
图1是示出了具有传统的无源负载调制(PLM)的NFC标签与读取器之间的耦合的示意图。
图2是读取器载波信号和读取器从使用PLM调制的NFC标签接收的信号的示例性信号波形。
图3是读取器载波信号和读取器从使用ALM调制的NFC标签接收的信号的示例性信号波形。
图4是示出了仅具有传统无源负载调制(PLM)的NFC标签所需的最小功率的示例性图。
图5是示出了仅具有传统有源负载调制(ALM)的NFC标签所需的最小功率的示例性图。
图6是根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签的示意图。
图7是示出了根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签所需的最小功率的示例性图。
图8是示出了根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签所需的最小功率的另一个示例性图。
图9是根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签内的电压限制模块的示例性图。
本领域技术人员将意识到，本发明的各实施方式和实施例可以根据说明书来实践。旨在将所有这些实施方式和实施例包括在本发明的范围内。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，可以在不具有这些细节中的一些或全部细节的情况下实施本发明。下文中描述的本发明的实施例可以并入大量不同的电子部件、电路、装置和系统中。框图中示出的结构和装置是对本发明的示例性实施例的例示，并且不被用作混淆本发明的宽泛教导的借口。附图内部件之间的连接并非旨在限于直接连接。确切地说，部件之间的连接可以被修改、重整、或者由中间部件更改。
当说明书引用“一个实施例”或“实施例”时，旨在意味着结合所讨论的实施例描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个设想实施例中。因此，在说明书中的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不构成对本发明的单个实施例的多次引用。
本发明的各实施例涉及NFC装置内的适应性双模式卡片仿真系统(在卡片仿真模式或PICC设计中)。NFC装置可以是以卡片仿真模式操作的NFC标签或电子装置(例如，智能电话)。适应性双模式卡片仿真系统包括无源负载调制(PLM)模块、有源负载调制(ALM)模块和自动功率控制(APC)模块。APC模块耦合到ALM和PLM模块两者，并且取决于发送自读取器的接收到的载波信号的强度来选择性地启用ALM或PLM模块。
图1示出了一示意图，该示意图示出了仅具有无源负载调制(PLM)的NFC标签(或RFID标签)100与NFC读取器(或PCD)200之间的耦合。NFC标签100包括数字基带(DBB)110、PLM模块130和发射器天线140。读取器200包括读取器电路220和读取器天线240。NFC标签100和读取器200经由发射器天线140与读取器天线240之间的耦合而彼此通信。发射器(TX)110和读取器200能够同时接收和发射数据。因此，如果接收到的信号频率与发射的信号的频率不匹配，则它们可以检查潜在的冲突。数字基带110可以包含存储单元(例如，非易失性存储器)以存储数据，例如发射器识别信息、个人识别码、联系等。通常，数据是只读的，但也可以是可重写的。
图2示出了读取器载波信号和读取器从使用PLM调制的NFC标签接收的信号的示例性信号波形。在操作中，读取器200通过读取器天线240发射载波信号222。载波222通常处于13.56MHz的频率。NFC标签100可以是无源发射器，从载波222的电磁场汲取其操作功率。数字基带110还可以接收从载波信号222提取的恢复时钟信号以同步NFC标签输出和载波。数字基带110输出包括二进制位的信号，该信号由PLM模块130调制。PLM模块130输出经调制的信号132，该信号通过发射器天线140被发射并由读取器接收(示出为读取器接收器信号242)。
图3是读取器载波信号和读取器从使用ALM调制的NFC标签接收的信号的示例性信号波形。在ALM调制的情形下，NFC标签100是有源发射器，包括具有独立电源而不需要从载波222的电磁场汲取其操作功率的功率放大器。在操作中，读取器200通过读取器天线240发射载波信号222。数字基带110输出包括二进制位的信号312，该信号由功率放大器放大。功率放大器输出经放大的信号310，该信号通过发射器天线140发射。读取器接收信号320，该信号是载波信号222和从NFC标签发送的经放大的信号310的组合。
图4是示出了仅具有传统的无源负载调制(PLM)的NFC标签所需的最小功率的示例性图。当NFC标签靠近NFC读取器时，仅具有PLM调制的NFC标签具有最小功率需求。然而，当标签与读取器之间的距离很大(超过距离阈值)时，NFC标签可能未从来自读取器的载波信号提取足够的功率并且因此不能够进行通信。因此，对于仅具有PLM调制的NFC标签，存在死区410。
图5是示出了仅具有有源负载调制(ALM)的NFC标签所需的最小功率的示例性图。具有ALM的NFC标签可以通过向NFC读取器发射经调制的信号来实现长距离的TX信号传送。然而，当NFC标签与NFC读取器相距短距离时，由ALM传送的功率在短距离内被浪费。
图6示出了根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统602的NFC标签600的示意图。在图6中，适应性功率控制系统602包括ALM模块610、PLM模块620以及耦合到ALM模块610和PLM模块620两者的适应性功率控制(APC)模块630。APC模块630检测在NFC天线640处接收的载波信号(发送自读取器200)的功率电平，并且连同对天线640的不同阻抗/功率设置一起选择性地启用ALM模块610或者PLM模块620。当接收到的载波信号具有大于预定阈值的信号强度时，选择PLM模块620，并且当接收到载波信号具有小于预定阈值的信号强度时，选择ALM模块610。
在一些实施例中，适应性双模式卡片仿真系统602还包括耦合在天线640与ALM/PLM模块之间的电压限制模块650。电压限制模块650还耦合到APC模块630，以接收来自APC模块的控制信号。电压限制模块650具有触发电压，该触发电压用于在天线两端的电压大于触发电压时启用电压限制模块来修整过大的电压。触发电压可以是预定值或者对应于ALM或者PLM模块的选择而被动态调整。在一些实施例中，当ALM模块接入时，触发电压被配置为增大以允许具有较高功率的信号从天线向读取器200被发射出去。
在一些实施例中，ALM模块610包括时钟恢复块612、频率合成器614、功率放大器(PA)616和调制器618。时钟恢复块612从载波提取恢复时钟信号613并且将恢复时钟信号613馈入调制器618(经由频率合成器614)。调制器618还从数字基带110(图6中未示出)接收包括二进制位的TX信号615，并且输出经调制的信号619，该信号经过用于放大的功率放大器130、电压限制模块650并且最后经过用于发射的发射器天线140。
在一些实施例中，APC模块630包括场检测块632和功率控制块634。场检测块630耦合到天线640(直接地或经由电压限制模块650)，并且向功率控制块634发送场检测结果633。功率控制块634耦合到ALM模块610(更具体地是耦合到功率放大器616)、PLM模块620和电压限制模块615。至少基于场检测结果，功率控制块针对期望的操作模式而选择性地启用ALM模块610或PLM模块620。在一些实施例中，当启用ALM模块610时，电压限制模块615的触发电压被配置为增大以允许具有较高功率的信号从天线向读取器200被发射出去。
图7是示出了根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签所需的最小功率的示例性图。如图7中所示，当场检测结果(PAIR)高于预定阈值时，选择PLM模块；当接收到的载波信号(PAIR)具有小于预定阈值的信号强度时，启用ALM模块610。更具体地，功率放大器616被配置为使NFC标签以随着接收到的载波信号强度的增大而降低的发射功率来发射信号。
图8是示出了根据本发明的各实施例的具有适应性功率控制系统的NFC标签所需的最小功率的另一个示例性图。当场检测结果(PAIR)高于预定阈值时，选择PLM模块；当接收到的载波信号(PAIR)具有小于预定阈值的信号强度时，启用ALM模块610。另外，功率放大器616被配置为使NFC标签以ALM调制以恒定的发射功率来发射信号。
图9是根据本发明的各实施例的适应性功率控制系统内的电压限制模块的示例性电路图。电压限制模块900耦合到ALM模块610和PLM模块620两者。适应性功率控制系统的缺省设置为PLM调制。当电压限制模块900确定安全切换到ALM调制并且场检测器632检测到具有小于预定阈值的信号强度的载波信号时，适应性功率控制块634通过启用ALM模块610并且禁用PLM模块620以切换至ALM调制。一旦已经启用ALM，电压限制模块900结合场检测器632还确定是否以及何时有必要切换回PLM调制。
在一些实施例中，电压限制模块900包括整流级910和电压调节级920。整流级910耦合到RF输入TXP和TXM，其还连接到功率放大器616(图9中未示出)以将RF输入整流成DC信号(VDDRF)。电压调节级920接收DC信号并且将DC信号与触发电压(示出为VREF 922)进行比较以用于场变化确定以及过大电压修整。触发电压可以是预定的或动态确定的。整流级910和电压调节级920两者接收控制信号902(ALM_EN)以用于操作控制。例如，当整流级910接收ALM_EN(ALM调制启用)信号时，它将RF输入TXP和TXM两者耦合到地。
尽管图9示出了电压限制电路的示例性示意图，但是本领域技术人员将意识到，可以实践电压限制模块的各种修改及实施例。修改可以包括附加部件，例如整流级中的附加滤波器、不同的信号处理顺序安排等。
已经出于清楚和理解的目的描述了本发明的上述说明。这并非旨在将本发明限于所公开的确切形式。在本申请的范围及等效形式内，各种修改是可能的。

Claims (17)

1.一种近场通信装置，包括：
天线，所述天线用于从邻近耦合装置接收载波信号；
无源负载调制模块；
有源负载调制模块，所述有源负载调制模块包括功率放大器以将与所述载波信号同步的经放大的输出信号传送回所述邻近耦合装置，所述经放大的输出信号具有能够根据接收到的载波信号的信号强度进行调整的放大等级；以及
自动功率控制模块，所述自动功率控制模块耦合到所述天线、所述有源负载调制模块和所述无源负载调制模块，所述自动功率控制模块取决于所述接收到的载波信号的信号强度来选择性地启用所述有源负载调制模块或所述无源负载调制模块。
2.根据权利要求1所述的近场通信装置，其中，当所述信号强度高于预定阈值时启用所述无源负载调制模块，当所述信号强度低于所述预定阈值时启用所述有源负载调制模块。
3.根据权利要求1所述的近场通信装置，其中，所述邻近耦合装置包括读取器。
4.根据权利要求1所述的近场通信装置，其中，所述近场通信装置还包括耦合到所述自动功率控制模块的电压限制模块，当所述天线两端的电压高于触发电压时启用所述电压限制模块以使过大电压分流。
5.根据权利要求4所述的近场通信装置，其中，所述触发电压能够对应于对所述有源负载调制模块或所述无源负载调制模块的选择来进行调整。
6.根据权利要求5所述的近场通信装置，其中，当选择所述有源负载调制模块时，增大所述触发电压以允许来自所述天线的较高发射功率。
7.根据权利要求5所述的近场通信装置，其中，所述自动功率控制模块包括场检测块和功率控制块，所述场检测块耦合到所述天线并且向所述功率控制块发送场检测结果，所述功率控制块至少基于所述场检测结果来选择性地启用所述有源负载调制模块或所述无源负载调制模块。
8.一种用于近场通信的方法，所述方法包括：
在近场通信装置内的天线处，从邻近耦合装置接收载波信号；
当所述天线两端的电压高于触发电压时启用电压限制模块以使过大电压分流，所述触发电压能够对应于对有源负载调制模块或无源负载调制模块的选择来进行调整；
检测所述载波信号的信号强度；以及
至少基于检测到的信号强度来选择性地启用所述近场通信装置内的有源负载调制模块或无源负载调制模块。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述信号强度高于预定阈值时启用所述无源负载调制模块，当所述信号强度低于所述预定阈值时启用所述有源负载调制模块。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括：
如果所述有源负载调制模块被启用，则将与所述载波信号同步的经放大的输出信号发射回所述邻近耦合装置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述经放大的输出信号以恒定发射功率被发射。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述经放大的输出信号具有能够根据所述载波信号的所述信号强度进行调整的放大等级。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述经放大的输出信号以随着接收到的载波信号强度的增大而降低的发射功率被发射。
14.一种近场通信装置，包括：
天线，所述天线用于从读取器接收载波信号；
自动功率控制模块，所述自动功率控制模块耦合到所述天线以检测接收到的载波信号的信号强度；
调制器，所述调制器接收来自基带的包括二进制位的发射信号、从所述接收到的载波信号提取的恢复时钟信号，所述调制器至少基于所述发射信号和所述恢复时钟信号来输出经调制的信号；
功率放大器，所述功率放大器用于放大所述经调制的信号以用于从所述天线进行发射，当检测到的信号强度低于阈值时启用所述功率放大器，其中，经放大的输出信号具有能够根据所述接收到的载波信号的所述信号强度进行调整的放大等级；以及
电压限制模块，所述电压限制模块耦合到所述功率放大器和所述自动功率控制模块，当经放大的所述经调制的信号高于触发电压时启用所述电压限制模块以修整过大电压。
15.根据权利要求14所述的近场通信装置，还包括耦合到所述自动功率控制模块的无源负载调制模块，当所述检测到的信号强度高于所述阈值时启用所述无源负载调制。
16.根据权利要求14所述的近场通信装置，其中，当所述检测到的信号强度低于所述阈值时，以恒定的发射功率启用所述功率放大器。
17.根据权利要求14所述的近场通信装置，其中，当所述检测到的信号强度低于所述阈值时，以随着所述接收到的载波信号的检测到的信号强度的增大而降低的发射功率来启用所述功率放大器。
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