CN107070564B - 一种能自适应载波波形的调制解调系统 - Google Patents

一种能自适应载波波形的调制解调系统 Download PDF

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Abstract

一种能自适应载波波形的调制解调系统方案,涉及NFC技术和移动互联网技术领域。所述的调制解调系统方案,采用FPGA实现,包括调制链路和解调链路。调制链路包括载波恢复模块、帧封装模块和编码模块。解调链路包括方波化模块、信号自动识别模块、载波频率测量模块和字节封装模块。本发明基于FPGA改进了传统的数学运算的解调方式,改为同步采样的方式,FPGA内部不同逻辑块并行执行,可同时处理不同事务,具有很高的执行效率,可负责大量的数据运算及实时处理,减小了因载波波形差异和噪声等因素对该测试仪表准确性的影响,解决了现有测试仪表的兼容与匹配问题。

Description

一种能自适应载波波形的调制解调系统
技术领域
本发明涉及NFC(Near Field Communication,近距离无线通信)技术和移动互联网技术领域,具体涉及一种能自适应载波波形的调制解调系统。
背景技术
NFC技术,最早是在2002年由荷兰飞利浦和日本索尼公司共同开发,由诺基亚和索尼等著名厂商联合主推的一种近距离非接触式识别和互联技术,由原有的13.56MHz非接触式射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术和无线互联技术整合RFID读写器、RFID标签和点对点通信功能演变而来,能与兼容设备在短距离内进行识别和数据交换。
近年来,移动互联网发展迅猛,以智能手机为代表的移动设备,因其携带方便,应用扩展灵活多样等特点,成为人们越来越重要的信息终端。移动设备对近距离互联技术的需求使得NFC技术找到了它适合的应用平台。
NFC技术在国外已经被炒得火热,尽管很多手机已经集成了NFC功能,但是并没有经过完善的测试,这就导致在使用过程中有很多的不确定性,NFC微小的差异在实际应用中会产生较大的性能偏差。而许多厂商的不测试、不完善测试导致了实际应用推广的难度。而且由于应用场景不同,生产厂家、生产技术的参差不齐和技术标准不同等原因,现在流通的NFC标签并不能达到统一的标准,其中最明显的即各类NFC标签进行数据调制的载波波形不一,据试验测试,以正弦波、方波两种最为常见。
这些问题直接导致了现有的NFC测试仪器有与某些NFC标签的不兼容、不匹配、终端标准不一等问题,以至于无法进行正确的测试。
发明内容
为了解决现有的NFC测试仪器无法正确测试的问题,本发明基于FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)提出了一种能自适应载波波形的调制解调系统。
本发明提供的调制解调系统,采用FPGA实现,包括调制链路和解调链路。
所述调制链路包括:载波恢复模块、帧封装模块和编码模块。
场上的载波输入FPGA,经过载波恢复模块得到与载波同频同相的时钟信号,之后把时钟信号传给编码模块;FPGA将ARM(Advanced RISC Machines,精简指令芯片)传来的数据通过帧封装模块封装成帧后传给编码模块;编码模块得到时钟和成帧的数据后完成编码,编码后的波形经过乘法器和载波调制到一起。
所述解调链路包括:方波化模块、信号自动识别模块、载波频率测量模块和字节封装模块。
模拟信号经过采样后得到离散的数字信号,离散的数字信号进入FPGA之后进入方波化模块,经过判决,将离散的数字信号转化为连续的数字信号输出;连续的数字信号进入信号自动识别模块,识别出信号的制式、速率和通信的方向,之后改写相应的寄存器,再把输入寄存器的值输出给字节封装模块。
同时,进入FPGA的离散的数字信号进入载波频率测量模块,测量出数字信号的频率,之后改写相应的寄存器,然后把输入寄存器的值输出给字节封装模块。
字节封装模块整合两路输入寄存器的值,再将两路输入寄存器的值重新整合封装成既定的4个字节形式。
ARM等主控设备和模拟前端等设备与本发明所述的一种可自适应载波波形的调制解调系统采用接口连接,能更好的实现各部分之间的独立性。
本发明的优点与积极效果在于:
1)本发明基于FPGA改进了传统的依赖数学运算的解调方式,因FPGA内部不同逻辑块可并行执行,可同时处理不同事务,具有很高的执行效率的优点,可负责大量的数据运算及实时处理,所以本发明采用同步采样的方式进行数据解调,减小了因载波波形差异和噪声等因素对该测试仪表准确性的影响。
2)本发明实现的一个可用于自适应NFC测试仪表的调制解调系统及其方法,确保了测试仪表可用来测试现有的各类NFC标签,如公交卡、手机内嵌入的NFC标签等的物理性能。
3)本发明实现了NFC模拟射频性能测试技术,为解决不同NFC终端和POS机之间的兼容性问题了提供测试平台,从而有效地解决了现有测试仪表的兼容与匹配问题。
附图说明
图1是14443-A协议下调制链路发送数据链路的设计方案示意图;
图2是14443-A协议下传统的解调方式示意图;
图3是本发明在14443-A协议下改进后的解调方式示意图;
图4是本发明调制解调系统的功能设计框图;
图5是载波为正弦波时传统的解调系统的解调结果;
图6是载波为方波时传统的解调系统的解调结果;
图7是应用本发明的解调链路方案对载波的解调结果。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出的一种能自适应载波波形的调制解调系统,按功能可分为调制链路与解调链路两部分,调制链路由FPGA编码调制与前端模拟调制电路组成;解调链路由FPGA编码解调与前端模拟解调电路组成。本发明中对前端模拟电路的设计方案不作详细介绍。
调制链路一方面接收控制指令,将控制指令映射成具体的可被前端模拟调制电路识别的指令;另一方面接收数据,将接收的具体数据按照相应的协议进行调制。本调制链路采用FPGA实现,具体包括:载波恢复模块、帧封装模块和编码模块。
实现原理为:场上的载波输入FPGA,经过载波恢复模块得到与载波同频同相的时钟信号,之后把时钟信号传给编码模块;FPGA收到ARM传来的数据后,通过帧封装模块封装成帧后也传给编码模块;编码模块得到时钟信号和成帧的数据后完成编码,编码后的波形经过乘法器和载波调制到一起。
解调链路的主要功能是接收前端模拟解调电路传来的信号,将其解调并存储转发至逻辑控制部分进行后续的处理。解调链路采用FPGA实现,具体包括:方波化模块,信号自动识别模块,载波频率测量模块和字节封装模块。
实现原理为:前端模拟电路输出的模拟信号经过采样后得到离散的数字信号,离散的数字信号进入FPGA,一方面首先进入方波化模块,经过判决,将离散的数字信号转化为连续的数字信号输出;之后进入信号自动识别模块,识别出是何种制式、何种速率、通信的方向,之后改写相应的寄存器,在寄存器中输入信号的制式、速率和通信方向的值,再把输入寄存器的值输出给字节封装模块。另一方面,进入FPGA的数字信号进入载波频率测量模块,测量出数字信号频率,之后改写相应的寄存器,在寄存器中输入数字信号频率的值,然后将输入寄存器的值输出给字节封装模块。字节封装模块整合两路输入寄存器的值再重新整合封装成既定的4个字节形式。
下面将以NFC协议中的ISO/IEC I4443-A协议为例,基于FPGA的控制设计,对本发明的技术方案进行详细的说明。
以ISO/IEC I4443-A协议为例,在调制链路中,PCD(Proximity Coupling Device,近程耦合设备)发送的数据为ASK(幅移键控)调制,载波频率为fc,编码方式为修正的米勒码(Modified Miller)编码。
在调制链路中发送数据链路的设计方案,如图1所示,具体为:ARM发送数据部分分为两路控制载波产生,其中一路为ARM发送控制指令,选择相应的脉冲映射机制,映射机制从控制指令选择出具体的指令,然后发送到DDS(Direct Digital Synthesizer,直接数字式频率合成器)配置电磁场,产生载波。
另一路为ARM发送具体的数据信息,经过奇偶校验保证具体数据的传输正确,发送的串行数据经过串并转换得到10位的并行数据,将并行数据存储到FIFO(First In FirstOut,先入先出队列)中,将数据封装成帧,封装成帧的数据传输到编码模块。
在编码模块中对时钟和封装成帧的数据进行Modified Miller编码,输入到DAC(Digital toAnalog Converter,模数转换器)后生成基带信号。最终将产生的基带信号输入乘法器和载波进行调制,调制后得到的输出信号发送至模拟发射部分。
完成上述调制过程后,PCD接收数据链路的主要功能为将PICC(Proximity Cardor Object,近程卡片)返回的数据根据其协议进行解析,将协议解析后的数据交给ARM进行后续处理。
PCD接收数据链路的工作原理为:将ADC(Analog to Digital Converter,数模转换器)采集的数据经包络检波后,使用中值判决的方法进行初步判决,经过ADC转换、同步采样、解调及解码、校验、成帧和存储,最后将该数据传送到ARM做后续处理。
以ISO/IEC14443-A协议为例,当前端模拟电路发出的数据速率为fc/128时,PICC接收到此数据信号后,PICC返回的发送数据为副载波调制,调制方式为OOK(On-OffKeying,二进制启闭键控调制),副载波频率为fc/16,编码方式为曼彻斯特(Manchester)编码,对解码后的数据交给ARM进行后续处理。
传统的解调方式如图2所示,将前端模拟电路输出的模拟信号经过高通滤波器得到副载波,对此副载波进行Hilbert变换,然后求绝对值取平均,最后进行判决和位同步。完成解调后对发出的数据信号进行校验,然后继续协议解析和数据存储转发。
经实验可知传统的解调方式对副载波波形要求较高,当副载波为正弦波,且噪声比较小,波形失真小时,解调效果最佳。
而实际测试可知,现存的PICC的调制方式的载波波形并不统一,副载波波形有正弦波和方波两种方式,而且当噪声比较大时,波形会严重失真,这种情况下,传统的解调方式的解调正确率非常低。因此,本发明的调制解调系统方案对传统的解调方式进行了改进,以同步采样判决的方式代替数学运算,使解调的成功率在极大程度上有了提高,解决了波形失真及波形为非正弦波情况下解调效果不好的问题。
如图3所示,在本发明改进的解调方法下,解调的过程为:对前端模拟电路输出的模拟信号进行判决,通过载波同步得到与模拟信号同频同相的时钟信号。前端模拟电路输出的模拟信号通过包络检波得到包络信号,然后对包络信号进行采样,得到离散的数字信号及数据信息,FPGA将采样后得到的数据存入固定长度为M的移位寄存器,移位寄存器中只保留最新得到的M个数据,较早的数据移出移位寄存器;然后,计算移位寄存器里的M个数据的均值Av,将Av作为判决门限对采样的包络信号进行判决,判决完之后即可得到0/1比特流数据。对比特流数据利用时钟信号进行位同步,再进行解码,得到解调之后的基带信号。对得到的基带信号进行校验,若没有出错则进行协议解析。协议解析之后得到的有效数据存入FIFO,通过串口发送给下一级。
本发明改进的解调方法中,将数学运算改为同步采样的方式,首先,将模拟前端发出的模拟信号进行模数转换,将数据位数降低,不仅可以大大缩减运算量,而且摆脱了波形不定及波形失真的影响。其次,采用同步采样的方式,不仅可以简略解调步骤,而且可以打破解调与解码的界限,实现解调的同时也完成解码。
本发明调制解调系统主要完成射频信号的收发,确保无线信号的传输性能,其性能直接影响到该调制解调系统的性能。天线按照NFC所采用的无线频段专门设计,可以适配12.56M到13.56M的无线信号。
本发明的一种能自适应载波波形的调制解调系统的功能设施框图,如图4所示,调制解调系统的工作流程为:FPGA一方面将控制指令进行映射并配置电磁场,完成对载波的配置;另一方面将要传输的数据进行转换,完成对数据的基带编码,生成基带信号。在模拟乘法器模块,完成基带信号的ASK调制;然后,将调制后的信号通过一级放大以及功放驱动的进一步放大后,通过天线发送出去。
将从天线取下来的模拟信号通过包络检波之后,获取包络信号,然后,通过ADC以某频率进行采样,采样后送到FPGA进行解调。
采用传统的调制解调方式下当载波波形为正弦波时,仿真结果如图5所示。采用传统的调制解调方式下当载波波形为方波时,仿真结果如图6所示。其中,mod_data信号为解调部分输入信号,hilbert_RQ与hilbert_IQ为希尔伯特变换后的信号,out_abs为求绝对值加和后数据,out_lpf为低通滤波后数据,result_judge为解调后数据。由图5和图6的比较可知,当载波波形不确定,或者由于干扰载波有比较大的偏差时,传统的解调系统并不能进行准确解调。
采用本发明的同步采样的方式进行解调,得到的解调结果如图7所示。其中,input_data是输入信号,jude是判决后的信号,result_fulbit是解调得到的基带信号,mch_code是曼彻斯特解码后的信号。由于采用同步采样和平均求取判决值,因此执行效率明显提高,屏蔽了载波波形的干扰,有效地解决了现有测试仪表的兼容与匹配问题,提高了测试仪表的准确性。

Claims (2)

1.一种能自适应载波波形的调制解调系统,基于FPGA实现,包括调制链路和解调链路;其特征在于,所述解调链路包括:方波化模块、信号自动识别模块、载波频率测量模块和字节封装模块;
所述解调链路对前端模拟电路发出的模拟信号进行判决,通过载波同步得到与模拟信号同频同相的时钟信号;
所述解调链路还将前端模拟电路发出的模拟信号输入方波化模块进行判决;所述方波化模块进行判决的方法是:前端模拟电路输出的模拟信号通过包络检波得到包络信号,对包络信号进行采样,得到离散的数字信号及数据信息,将得到的数据存入固定长度为M的移位寄存器,计算移位寄存器里的M个数据的均值Av,将Av作为判决门限对采样的包络信号进行判决,判决完之后得到0/1比特流数据;
所述的比特流数据利用所述时钟信号进行位同步,再进行解码,得到解调之后的基带信号,对得到的基带信号进行校验,若没有出错则进行协议解析;
所述比特流数据进入信号自动识别模块,识别出信号的制式、速率和通信的方向,之后改写相应的寄存器,再把输入寄存器的值输出给字节封装模块;
同时,所述离散的数字信号进入载波频率测量模块,测量出数字信号的频率,之后改写相应的寄存器,然后把输入寄存器的值输出给字节封装模块;
最后,字节封装模块整合两路输入寄存器的值,再将两路输入寄存器的值重新整合封装成既定的4个字节形式。
2.根据权利要求1所述的一种能自适应载波波形的调制解调系统,其特征在于,所述调制链路包括:载波恢复模块、帧封装模块和编码模块;场上的载波输入FPGA,经过载波恢复模块得到与载波同频同相的时钟信号,之后把时钟信号传给编码模块;FPGA收到ARM传来的数据通过帧封装模块封装成帧后传给编码模块;编码模块得到时钟信号和成帧的数据后完成编码,编码后的波形经过乘法器和载波调制到一起。
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