CN107547113A - 天线线圈调谐机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于近场无线电的集成电路，所述集成电路包括：振荡器，其被配置成输出载波频率；电感器电容器(LC)槽天线电路，其被配置成在谐振频率处谐振；频率测量电路，其被配置成测量所述LC槽天线电路的所述谐振频率，且比较所述谐振频率与所述载波频率；和控制器，其用以将所述LC槽天线电路的所述频率调整为所述载波频率。

Description

天线线圈调谐机制
技术领域
本文中所描述的实施例通常涉及用于调谐天线线圈的设备和方法。
背景技术
调谐天线线圈设备和方法可用于各种通信系统，所述通信系统包括使用磁场进行通信(例如近场磁感应(NFMI))的那些通信系统。NFMI可用于真正无线的入耳式头戴式耳机、助听器仪器以及关键任务通信
发明内容
各种实施例的简要概述在下文呈现。在以下概述中可以做出一些简化和省略，所述概述意图突出且引入各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。在稍后的章节中将描述足以让本领域的一般技术人员获得且使用发明概念的实施例的详细描述。
各种示例性实施例涉及用于近场无线电的集成电路，其包括被配置成输出载波频率的振荡器、被配置成在谐振频率处谐振的电感器电容器(LC)槽天线电路、被配置成测量LC槽天线电路的谐振频率并比较谐振频率与载波频率的频率测量电路，以及被配置成将LC槽天线电路的频率调整为载波频率的控制器。
LC槽天线电路可通过电感线圈发射信号以诱发磁感应。
可变电容器可被配置成调谐近场无线电的发射频率。可变电阻器可被配置成调整近场无线电的品质因数。
LC槽天线电路可包括可编程电阻器、可编程电容器和天线线圈。
频率测量电路可包括锁频回路。锁频回路可包括多个计数器以比较载波频率与谐振频率。
频率测量电路可包括锁相回路(PLL)。PLL的控制电压指示LC槽天线电路的谐振频率。
反馈电路可被配置成导致LC槽天线电路振荡。
各种示例性实施例也涉及调谐近场无线电的方法，所述方法包括：输出近场无线电的载波频率；在谐振频率处振荡LC槽天线电路；测量谐振频率并比较谐振频率与载波频率，且将LC槽天线电路的谐振频率调整为近场无线电的载波频率。
所述方法可包括通过在LC槽天线电路上施加正反馈使得LC槽天线电路在谐振频率处谐振，使得LC槽天线电路发生振荡。
施加正反馈可包括测量输入到反馈电路使得电路发生振荡的电流电平。反馈电路可包括运算放大器。电流电平可用以测量LC槽天线电路的品质因数。
所述方法可包括调整LC槽天线电路的电阻器以调谐LC槽天线电路的带宽。
所述方法可包括使用锁频回路来测量谐振频率与载波频率之间的频率偏移。
所述方法可包括使用锁相回路来测量谐振频率与载波频率之间的频率偏移。而且，LC槽天线电路的电容器可调整LC槽天线电路频率。
所述方法可包括将谐振频率信号转换成待输入到频率测量电路的方波。
附图说明
结合附图本发明的额外目标和特征将从以下详细描述和所附权利要求书更加显而易见。尽管示出且描述若干实施例，但在每个附图中相同附图标记识别相同的零件，在附图中：
图1示出根据本文所述的实施例的近场布置中的天线线圈的磁耦合；
图2示出根据本文所述的实施例的无线电收发器；
图3示出根据本文所述的实施例的LC槽天线电路谐振频率测量；和
图4示出根据本文所述的实施例的无线电收发器。
具体实施方式
应理解，图式仅仅是示意性的并且不按比例绘制。还应理解，所有图式中使用的相同参考标号指示相同或类似的部件。
描述和图式示出各种示例性实施例的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或示出所述布置，但其体现本发明的原理且包括于其范围内。另外，本文中所叙述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以辅助读者理解本发明的原理和由发明人提供的概念，从而深化本领域，且所有例子不应解释为限于此类特定所叙述例子和条件。另外，除非另外指明(例如，“否则”或“或在替代方案中”)，否则如本文中所使用的术语“或”指非独占的“或”(即，“和/或”)。另外，本文所描述的各种实施例未必相互排斥，因为一些实施例可以与一个或多个其它实施例组合以形成新的实施例。如本文中所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词不意图限制所论述元件的次序，且用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。
近场磁感应(NFMI)技术为新兴的技术，其用于代替或有时结合蓝牙射频(RF)。对于短距离，NFMI比RF更节能。与RF相比，NFMI信号强度随着距离的陡降级会增加私密性，且减少干扰方面的问题。干扰方面问题变少意味着鲁棒性的增加。NFMI传播通过人体且吸收率极低，但是RF并非如此。
举例来说，在体育和健身活动期间，当今的入耳式头戴式耳机(被称为耳机、耳塞等)的线确实不方便，且可能不安全。真正无线入耳式头戴式耳机包括耳到耳的无线音频流式传输，从而在进行体育活动时且一般来说，在不需要、不想要线或线的存在会干扰到用户的所有情形中，提供大幅度增加的用户舒适度。
现有耳塞具有耳到耳的有线连接。这主要是由于如下事实：在当今的2.4GHz技术中，向两个相异耳塞发送立体声音频流是具有挑战性的。仅支持点到点连接的标准蓝牙A2DP配置文件并不支持这一使用范例。使用2.4GHz技术，使用合理的功率电平将高质量音频流从一只耳朵转发到另一只是非常困难的，这是因为人体组织吸收了大部分信号。
用以实现真正无线耳塞的无线技术是基于近场磁感应(NFMI)。NFMI的特征在于如下特性：例如超低功率消耗以及在人体中和周围形成极可靠的网络，在小距离(＜1m)范围内既支持高质量音频，又支持数据流式传输。而且，额外的集成优点是它需要很少的外部组件。NFMI为短程技术，并且因此也形成私网，使得与2.4GHz收发器相比，NFMI不太会受到干扰的影响。
调谐器电路可包括并联连接的电感器和电容器，其中将电容器或电感器制成可变的。这种配置可形成谐振电路，所述谐振电路在一个频率处对交流电作出响应。
图1示出根据本文所述的实施例的近场布置100中的天线线圈的磁耦合。例如NFMI无线电或近场通信(NFC)等磁通信利用发射器天线线圈110和接收器天线线圈120，所述线圈相互磁耦合，且因此实现通信。从外部源130接收的数据或音频被输入到发射器电路140，所述发射器电路包括发射处理组件以及线圈驱动器。语音或数据可经调制到载波频率上，且通过发射器天线线圈110传播。在接收侧处，接收器天线线圈120在邻近于发射器天线线圈110放置时将激励且接收经调制载波信号。接收器电路150可包括低噪声放大器以放大接收到的信号的电平，且包括其它接收处理组件来解调制接收到的信号，并输出数据160以供进一步使用。
图2示出根据本文所述的实施例的无线电收发器200。NFMI无线电收发器200可包括LC槽电路205。为了增加通信范围，使用例如具有电感L的天线线圈210等谐振线圈，其中使用可编程电容器组230将正确的电容量C添加到线圈(并联或串联)，从而确保在载波频率处的谐振。此外，控制所得LC槽电路205的品质因数(Q)以获得正确的带宽量，从而进行通信。如果LC槽电路205的带宽太窄，那么所发射的信号将失真，导致符号间干扰(ISI)。如果LC槽电路205的带宽太宽，那么Q过低，且能实现的范围将相应地下降，这是由于例如噪声和干扰的增加。
天线线圈210可在无线电收发器IC 220的外部或内部，且它的电感L和Q皆可能由于生产容限以及由于附近金属物体而发生变化。NFMI无线电收发器200可由控制器215控制，所述控制器在无线电收发器IC 220的内部或外部。在使用根据本文所述的实施例的NFMI无线电的设计中，可存在并联、可编程的电容器组230来调谐天线线圈210的谐振频率，以使得谐振频率与载波频率对准(NFMI为10MHz，且NFC为13.56MHz)。此外，包括可编程的电阻器组240，其可用以控制LC槽天线电路205的Q。
为了确定添加至LC槽天线电路205的正确电容量和电阻量，使用线圈测量和调谐算法。在现有线圈调谐算法中，由控制器215产生且从发射器250输出三个连续的频调。
具有载波频率的频调可以由f0表示。这个频调通过将未调制的载波发送到发射器250产生。进一步产生较低频率f1＝f0-fs/2，其中fs等于基带符号率。这个频调可通过FSK调制一系列0位产生。进一步产生较高频率f2＝f0+fs/2，其中fs等于基带符号率。这个频调可通过FSK调制一系列1位产生。
虽然通过发射器250对LC槽天线电路205连续施加每一频调，但是接收器260对接收信号强度(RSSI)进行测量。这个RSSI测量是对LC槽天线电路205在所施加的频调处的频率响应的直接测量。
图3示出根据本文所述的实施例的LC槽天线电路谐振频率测量300。通过比较三个频调f0、f1和f2的频率响应测量值，如图3中所示出，可估计出载波频率相对于图2的LC槽天线电路205谐振频率的偏移。可根据这个偏移估计，导出并应用对图2的可编程电容器组230的校正。
在某一时间周期内按顺序应用三个频调f0、f1和f2，所述时间周期包括LC槽天线电路205稳定地对每一频率作出平衡响应的时间以及进行准确RSSI测量的时间。在电压、LC槽天线电路205上接收到的振幅方面测量LC槽天线电路205响应。在调谐良好时，载波频率f0应在中间，且较低频率f1和较高频率f2应偏移，且其测量的RSSI应低于f0处的RSSI。在f1和f2处的测量的RSSI相等时，品质因数Q可通过在f0和f2处的RSSI之间的差或在f0和f1处的RSSI之间的差来确定，其可用以确定LC槽天线电路205的带宽。根据三个测量值，可确定LC槽天线电路205是向左偏移还是向右偏移(频率过高或过低)。
总的来说，应用三个连续频调的现有调谐算法意味着调谐LC槽天线电路205花费大量时间，且可能降低系统的有效数据速率(在调谐通信不可能期间)，且需要额外电流，因为可在整个周期期间驱动LC槽天线电路205。
3个频调的频率跨度限于fs，即基带符号率。如果LC槽天线电路205谐振频率在这个频率跨度之外，那么算法难以辨别谐振频率是高于还是低于载波频率。接着可搜索谐振频率，从而进一步增加调谐接收器的时间。
图4示出根据本文所述的实施例的无线电收发器400。无线电收发器400可包括控制器405、无线电收发器集成电路(IC)420和LC槽天线电路405。无线电收发器IC 420可包括发射器450和接收器460。控制器415可在无线电收发器IC 420内部或外部。在无线电启动时，控制器415可决定对LC槽天线电路405施加大量正反馈，从而开始LC槽天线电路405的自然振荡。
LC槽天线电路405包括天线线圈410、可编程电容器430和可编程电阻器440。在启动之后，LC槽天线电路405自动在对应于天线线圈410和可编程电容器430的值的谐振频率处振荡，而非使用离散频率探测LC槽天线电路205来确定谐振频率。由正反馈回路驱动继续振荡。
无线电控制器IC 420还包括振荡器480、频率测量电路470和削波器490。使用频率测量电路470，测量LC槽天线电路405谐振频率，且将其与来自振荡器480的载波频率输出进行比较。测量谐振频率以确定谐振频率与载波频率之间的偏移，以使得谐振频率可与载波频率的预定容限内的载波频率匹配。振荡的频率可由计数器或其它元件测量。在检测到偏移之后，控制器415可调整可编程电容器430以将谐振频率调整为载波频率的预定范围内的载波频率。
来自LC槽天线电路405的能量可使用增益电路485放大，且被馈送回到LC槽天线电路405，从而继续LC槽天线电路405的振荡。
各种频率测量电路470可用以测量谐振频率并提供反馈。一个例子可为使用锁频回路(FLL)，所述FLL包括两个计数器。第一计数器在载波频率f0处运行，所述载波频率可由芯片上振荡器480产生。第二计数器的时钟为来自LC槽天线电路405信号的削波器490的硬削波型号。削波器490从LC槽天线电路405接收谐振频率信号，所述谐振频率信号可为正弦波。为了产生FLL的第二计数器可以操控的输入，削波器490可包括施密特触发器、比较器、模/数转换器(ADC)或将正弦波转换成方波的其它电路。
在特定时间周期内运行FLL的两个计数器，从而比较各自所产生的循环数目。振荡器480可提供时钟周期的循环参考数目，例如10,000个循环、16,000个循环等等。在特定的时间周期到期之后，测量从LC槽天线电路405接收的循环数目，且将其与参考数目进行比较，且两个计数器之间的差将指示参考振荡器480与LC槽天线电路405的谐振频率之间的频率差。可调整可变电容器430，以使得LC槽天线电路405频率可匹配载波频率的预定范围内的载波频率f0。在使用FLL时，锁定范围和分辨率可通过以下操作而增加：增加计数器的深度和执行测量的周期。此外，包括可编程的电阻器组440，其可用以控制LC槽天线电路405的品质因数。
模拟或数字锁相回路(PLL)也可被用作测量谐振频率的频率测量电路470。PLL的参考信号也将为削波器490的输出，且控制振荡器480以改变其频率，直到所述频率匹配谐振频率为止。一旦PLL稳定下来，振荡器480的输入处的电压(其可由ADC测量)提供LC槽天线电路405频率与振荡器频率之间的频率偏移的直接指示。提出的方案具有极宽的锁定范围和高准确性。在模拟PLL的状况下，锁定范围取决于振荡器的锁定范围，所述振荡器可为压控振荡器(VCO)。在此状况下，分辨率由ADC确定，所述ADC测量VCO的控制电压。
通过使用LC槽天线电路405与振荡器480、频率测量电路470和削波器490的组合，LC槽天线电路405的频率测量的速度以及LC槽天线电路405的调谐可能增加，因为LC槽天线电路405可能仅稳定一次。这导致功率消耗的降低，且对系统吞吐量的影响较小。
为了保持LC槽天线电路405中的振荡，应代替每一次振荡中的能量损失，并且还应将这些振荡的振幅维持在恒定水平处。因此，替换的能量可等于在每一次循环期间损失的能量，且由槽的品质因数Q确定。通过测量提供到槽来维持振荡的能量，有可能直接测量品质因数，且使可编程的电阻器适用于调谐槽带宽。举例来说，这种情形通过测量流向运算放大器485的电流来实现，所述电流提供正反馈以维持振荡，其中假定运算放大器485依据固定电压供应器操作。测量电流是一种在电压固定的情况下通过测量电流来测量进入运算放大器485的功率的方式。测量此能量的其它方式是可能的。
本文中所述的实施例可用于基于NFMI的无线电收发器中，声音可通过所述基于NFMI的无线电收发器在耳朵之间无线地流式传输。使用这个技术的装置的消耗可能少到1.5mW，支持约596Kbps的最大位速率。在两个耳机之间建立小的微型网络，其与蓝牙连接相比，不太会受干扰的影响。围绕NFMI网络，至多15个装置连接在一起。
本文中所描述的实施例可用于可听空间中的NFMI无线电，且用于依赖于谐振线圈进行通信或电力传输的其它磁性系统。例子包括所有NFC系统以及例如A4WP等电力传输标准。
尽管已经特定参考各种示例性实施例的特定示例性方面详细地描述所述各种示例性实施例，但应理解，本发明能够容许其它实施例且其细节能够容许各种显而易见的方面的修改。如对本领域的技术人员显而易见的，可以实现变化和修改，同时保持在本发明的精神和范围内。因此，上述公开内容、描述和图式仅出于说明性目的并且并不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种用于近场无线电的集成电路，其特征在于，所述集成电路包括：
振荡器，其被配置成输出载波频率；
电感器电容器(LC)槽天线电路，其被配置成在谐振频率处谐振；
频率测量电路，其被配置成测量所述LC槽天线电路的所述谐振频率，且比较所述谐振频率与所述载波频率；和
控制器，其被配置成将所述LC槽天线电路的所述频率调整为所述载波频率。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述LC槽天线电路通过电感线圈发射信号以诱发磁感应。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，包括可变电容器，所述可变电容器被配置成调谐所述近场无线电的发射频率。
4.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，包括可变电阻器，所述可变电阻器被配置成调整所述近场无线电的品质因数。
5.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述LC槽天线电路包括可编程电阻器、可编程电容器和天线线圈。
6.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述频率测量电路包括锁频回路；
所述锁频回路包括多个计数器以比较所述载波频率与所述谐振频率。
7.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述频率测量电路包括锁相回路(PLL)；
所述PLL的控制电压指示所述LC槽天线电路的所述谐振频率。
8.一种调谐近场无线电的方法，其特征在于，所述方法包括：
输出所述近场无线电的载波频率；
在谐振频率处振荡所述LC槽天线电路；
测量所述谐振频率，且比较所述谐振频率与所述载波频率；和
将所述LC槽天线电路的所述谐振频率调整为所述近场无线电的所述载波频率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括通过在所述LC槽天线电路上施加正反馈使得所述LC槽天线电路在所述谐振频率处谐振，使得所述LC槽天线电路发生振荡。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，施加所述正反馈包括测量输入到反馈电路使得所述电路发生振荡的电流电平。
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