CN108933614B - 使用信道声音信号的nfmi天线调谐 - Google Patents

Abstract

公开一种用于近场无线电的集成电路，包括：电感‑电容(LC)槽路天线电路，设计为以预定的载波频率操作，所述LC槽路天线电路包括可变电容器和天线元件；发射器，被配置成输出信道声音信号(CSS)到所述LC槽路天线电路；接收器，从所述LC槽路天线电路接收所述CSS和槽路响应；槽路响应估测器，用于通过从所述接收到的信号移除所述CSS且确定所述LC槽路天线电路的振荡频率来提取所述LC槽路天线电路的所述槽路响应；以及控制器，用于调整所述LC槽路天线电路的电抗以使所述LC槽路天线电路谐振且将所述振荡频率改变到所述预定的载波频率。

Description

使用信道声音信号的NFMI天线调谐

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。这样的设备和方法可用于不同通信系统，包括使用磁场通信的通信系统，例如近场磁感应(NFMI)或近场通信(NFC)。NFMI可用于真正无线的入耳式头戴耳机、助听仪器以及关键任务通信。

背景技术

近场磁感应(NFMI)技术是用于代替或有时结合蓝牙射频(RF)使用的新兴技术。对于较短距离，NFMI比RF更具功率高效性。与RF相比，NFMI信号强度的随距离而变的急剧劣化增加保密性且减小干扰问题。较少干扰问题意味着增加的稳定性。NFMI传播通过人体且吸收率极低，而RF并不如此。

举例来说，在体育和健身活动期间，当今的入耳式头戴耳机(称为耳机、耳塞等)的导线确实不方便，且可能潜在地不安全。真正的无线入耳式头戴耳机包括从耳到耳的无线音频流式传输，从而对于体育活动以及总的来说在用户不需要、不想要以及不乐意使用导线的所有情况下，提供显著增加的用户舒适度。

现有耳塞具有从耳到耳的有线连接。这在很大程度上是因为这一事实：对当今的2.4GHz技术来说，向两个不同的耳塞发送立体音频流具有挑战性。仅支持点到点连接的标准蓝牙A2DP模式并不支持这种使用情况。使用2.4GHz技术，很难用合理的功率级将高质量音频流从一个耳朵转发到另一个，这是因为信号的大部分会被人体组织吸收。

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介绍各种实施例的一些方面，但不限制本发明的范围。在稍后的章节中将详细地描述足以让本领域的普通技术人员能制造和使用本发明概念的实施例。

各种实施例包括用于近场无线电的集成电路，包括：电感-电容(LC)槽路天线电路，设计为以预定的载波频率操作，所述LC槽路天线电路包括可变电容器和天线元件；发射器，被配置成输出信道声音声音信号(CSS)到所述LC槽路天线电路；接收器，从所述LC槽路天线电路接收所述CSS和槽路响应；槽路响应估测器，用于通过从接收到的信号移除所述CSS且确定所述LC槽路天线电路的振荡频率来提取所述LC槽路天线电路的所述槽路响应；以及控制器，用于调整所述LC槽路天线电路的电抗以使所述LC槽路天线电路谐振且将所述振荡频率改变到预定的载波频率。

CSS参数可存储在存储器元件的查询表中以允许产生CSS。

CSS可具有在预定的载波频率周围的带宽。

CSS可以是正交频分多路复用(OFDM)信号。CSS可以是啁啾序列。CSS可以是组合的正交频分多路复用(OFDM)信号和啁啾序列。

槽路响应估测器可确定天线线圈的相对振荡频率偏移。

LC天线电路的电抗可以是可变电容器。所述LC天线电路的电抗可以是天线的电感。

各种实施例可包括调谐具有预定的载波频率的天线线圈的方法，所述方法包括：使单个信道声音声音信号(CSS)发送通过具有电感和电容组件的电感-电容(LC)槽路天线电路来估计槽路响应；从LC槽路天线电路接收包括CSS和槽路响应的接收到的信号；通过从接收到的信号移除CSS来提取LC槽路天线电路的槽路响应；使用槽路响应以确定LC槽路天线电路的振荡频率；以及调整LC槽路天线电路的电抗来使LC槽路天线电路以预定的载波频率谐振。

所述方法可包括在发送所述CSS信号通过所述LC槽路天线电路之前，从存储器元件读取所述CSS信号。

CSS参数可存储在存储器元件的查询表中以允许产生CSS。

CSS可具有在预定的载波频率周围的带宽。

所述方法可包括调整LC槽路天线电路的电阻器以调谐LC槽路天线电路的带宽。

所述方法可包括确定天线线圈的相对振荡频率偏移。

所述方法的CSS可为正交频分多路复用(OFDM)信号。所述方法的CSS是啁啾序列。所述方法的CSS可以是组合的正交频分多路复用(OFDM)信号和啁啾序列。

调整所述电抗可包括调整所述可变电容器的电容。调整所述电抗可包括调整所述天线的电感。

附图说明

当结合附图时，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显而易见。虽然示出并描述了几个实施例，但在每个图中，相同的附图标记标识相同的部件，其中：

图1示出根据本文所描述的实施例的近场布置中的天线线圈的磁耦合；

图2示出根据本文所描述的实施例的无线电收发器；

图3示出根据本文所描述的实施例的LC槽路天线电路谐振频率测量；以及

图4示出根据本文所描述的实施例的无线电收发器；

具体实施方式

应理解，附图仅为示意性的并且未按比例绘制。还应理解，贯穿附图使用相同附图标号表示相同或类似的部件。

描述和附图示出各种示例实施例的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计尽管未在本文中明确地描述或示出但体现本发明的原理且包括在本发明范围内的各种布置。此外，本文中所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所提供的概念，从而深化本领域，且所有例子不应解释为限于此类特定陈述例子和条件。此外，如本文所用，词语“或”指非排它性的或(即，和/或)，除非另外指明(例如，“否则”或“或在替代例中”)。并且，本文所描述的各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与一个或多个其它实施例组合以形成新的实施例。如本文所使用，除非另外指明，否则词语“上下文”和“上下文对象”应理解成同义。例如“第一”、“第二”、“第三”等描述词并非意在限制所论述元件的次序，而是用于区分一个元件与下一元件，且通常可互换。

用于实现真正的无线耳塞的无线技术基于近场磁感应(NFMI)。NFMI具有例如超低功耗的特性和能够在人体中和周围产生非常可靠的网络的特性，其中在较小距离(＜1m)上支持高质量音频和数据流式传输这两者。而且，额外的整合优势是其需要很少的外部组件。NFMI是短程技术，并且因此还产生专用网络，使得其比2.4GHz收发器更不容易受到干扰。

图1示出根据本文所描述的实施例的近场布置100中的天线线圈的磁耦合。调谐器电路可包括并联连接的电感器和电容器，其中使得电容器或电感器为可变式。这种配置可产生以一个频率响应交流电的谐振槽路电路，所述一个频率即载波频率。在制造之后，电感天线等槽路电路组件的值可能已变化。本文中所描述的实施例的一个目的是确定槽路电路频率，以及调整可变电容器的设定来产生与天线在发射器和接收器的预定的载波频率下的谐振。可变电阻器还可以被调整以确定所要的带宽。另一方法是不调整槽路响应，而是改变发射载波频率来与槽路的振荡频率对齐。以此方式，可能不使用可变电容器。

NFMI无线电或近场通信(NFC)等磁性通信利用发射器天线线圈110和接收器天线线圈120，发射器天线线圈110和接收器天线线圈120彼此磁耦合且由此实现通信。从外部源130接收的数据或音频被输入到包括发射处理组件和线圈驱动器的发射器电路140。语音或数据可被调制到载波频率上，且通过发射器天线线圈110发射。在NFC的接收侧，接收器天线线圈120在靠近发射器天线线圈110放置时将激励和接收调制的载波信号。接收器电路150可包括低噪声放大器来放大接收到的信号的电平，以及包括其它接收处理组件以解调接收到的信号且输出数据160以供进一步使用。

图2示出根据本文所描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槽路电路205。为了增大通信范围，使用谐振线圈，例如具有电感L的天线线圈210，其中使用可编程电容器组230将正确量的电容C加入线圈(并联或串联)以确保载波频率下的谐振。此外，控制所得LC槽路电路205的品质因数(Q)以实现通信带宽的正确量。如果LC槽路电路205的带宽太窄，那么发射信号将失真，导致符号间干扰(ISI)。如果LC槽路电路205的带宽太宽，那么品质因数Q过低，且可实现的范围将例如因增大的噪声和干扰而相应地下降。

天线线圈210可在无线电收发器IC 220外部或内部，且天线线圈210的电感L和Q均可因生产公差和因附近金属物体而导致不同。NFMI无线电收发器200可通过无线电收发器IC 220内部或外部的控制器215来控制。在根据本文所描述的实施例使用NFMI无线电的设计中，可能存在并联的可编程电容器组230以调谐天线线圈210的谐振频率，使得谐振频率与载波频率对准(对于NFMI为10MHz，对于NFC为13.56MHz)。此外，包括可编程电阻器组240，其可用于控制LC槽路天线电路205的Q。

为确定加入LC槽路天线电路205的电容和电阻的正确量，使用线圈测量和调谐算法。在现有线圈调谐算法中，三个连续的频调由控制器215产生且从发射器250输出。

具有载波频率的频调可以由f0表示。这一频调通过将未调制的载波发送到发射器250而产生。另外产生较低频率f1＝f0-fs/2，其中fs等于基带符号速率。这一频调可通过FSK调制一系列0位来产生。另外产生较高频率f2＝f0+fs/2，其中fs等于基带符号速率。这一频调可通过FSK调制一系列1位来产生。

在各频调通过发射器250被连续应用到LC槽路天线电路205时，接收器255进行接收信号强度(RSSI)的测量。这种RSSI测量是对LC槽路天线电路205在应用的频调下的频率响应的直接测量。

或者，代替将槽路电路205的谐振频率与载波频率匹配，本文中所描述的实施例可改变发射线路的载波频率以与槽路205的振荡频率对齐。在此配置中，不需要调整可变电容器230来调整槽路205的频率。

图3示出根据现有调谐算法的LC槽路天线电路谐振频率测量300，在所述算法中应用三个连续频调。通过比较如图3中所示的三个频调f0、f1和f2的频率响应测量值，可估计载波频率相对于图2的LC槽路天线电路205谐振频率的偏移。根据这一偏移估计，可导出和应用对图2的可编程电容器组230的校正。

三个频调f0、f1和f2循序应用某一时段，所述时段包括LC槽路天线电路205稳定到各频率的平衡响应所用的时间以及用于作出精确RSSI测量的时间。在电压方面测量LC槽路天线电路205响应，所述电压即LC槽路天线电路205上接收的振幅。当如由中间的图表所示得以较好调谐时，载波频率f0应在中间，且较低频率f1和较高频率f2应偏移，且较低频率f1和较高频率f2的测量的RSSI应低于f0处的RSSI。当f1和f2处的测量的RSSI相等时，可通过f0处与f2处的RSSI之间的差值或f0与f1处的RSSI之间的差值来确定品质因数Q，所述品质因数Q可用于确定LC槽路天线电路205的带宽。从三个测量值可确定LC槽路天线电路205是向左还是向右偏移，频率过高或是过低。

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槽路天线电路205花费大量时间，且可能降低系统的有效数据速率(因为在调谐期间不可能进行通信)，且需要额外电流，因为可能在整个时段期间驱动LC槽路天线电路205。

3个频调的频率跨段限于fs，即基带符号速率。如果LC槽路天线电路205谐振频率在这一频率跨段外，算法就很难辨别谐振频率是高于还是低于载波频率。随后可能搜索谐振频率，从而进一步增加调谐接收器的时间。

图4示出根据本文所描述的实施例的无线电收发器400。无线电收发器400可包括具有天线线圈410、可编程电容器组430和可编程电阻器组440的LC槽路电路405。无线电收发器400还可包括发射器电路系统450以及接收器电路系统455。发射器电路系统450和接收器电路系统455可以是包括许多其它组件(未示出)的较大芯片420上的元件。

无线电收发器400可包括信道声音声音序列(CSS)存储器元件460来存储和回放用于电路谐振确定的CSS。CSS可以是与数据信号组合的信号的前同步码或非序列，且被用于估计发射器电路系统450与接收器电路系统455之间的所要信道。无线电收发器400可包括数据产生电路465以产生经由发射器发射的音频和其它数据。由CSS存储器460输出的CSS和数据产生电路465所产生的数据信号可通过多路复用器470进行多路复用且循序输出到发射器电路系统450。CSS发射信号将被存储在CSS存储器460中，且从中输出。CSS信号可离线产生且加载到CSS存储器460中，且在需要时使用。

根据本文所描述的实施例，代替发送三个连续正弦波来估计三个不同频率下的信道响应，一种调谐天线线圈410的方法可使用CSS存储器460来产生和发送单个CSS，所述单个CSS可用于估计LC槽路电路405在所关注的整个频带上的完整槽路响应。这个可被配置成具有在载波频率fc附近的带宽的单个CSS使用发射器电路系统450。发射器电路系统450可将CSS向上转换到所要频率，并将所述CSS应用到LC槽路电路405。在发射通过LC槽路电路405之后，CSS可受到LC槽路电路405作用，从而拾取LC槽路电路405的响应和槽路噪声。在接收侧上，接收器电路系统455可用于接收所得信号且将其转换回基带。基带信号被输出到将基带信号解复用成修改的CSS信号的解复用器475。修改的CSS信号可被输出到槽路响应估测器480。从另一装置接收的数据可输出到数据接收器485。

基于从接收器电路系统455接收的基带信号，槽路响应估测器485可通过从接收到的信号移除已知的CSS信号来提取LC槽路405的响应，所述基带信号是已知CSS序列与具有附加的槽路噪声的槽路响应的卷积。由此可确定槽路电路的振荡频率，且可调整可编程电容器组430的值来将振荡频率更改成与预定的载波频率相同。并且，可调整电感天线410的值以将振荡频率更改成与预定的载波频率相同。换句话说，通过调整可变电容器430或电感天线410，可调整LC槽路天线电路405的电抗。任何已知发射序列在理论是可能的，但优选地，选择CSS序列以使得槽路响应估测器485可很容易地从接收到的信号移除CSS信号来提取LC槽路响应。槽路响应估测器485可实施于数字信号处理器(DSP)中。

可考虑用于此类信道声音信号(CSS)的各种方法。一个选项是结合已知参考信号使用正交频分多路复用(OFDM)信号。通过使用OFDM，输入信号且所述信号或多个信号的部分被置于不同频率载波上，且在频域中分开。为获取较高频谱效率，频率载波的频率响应重叠和正交。为产生所述基于载波的信号，采用调制信号的反向FFT。由于发射器电路系统450发送和接收单个已知序列(CSS)，因此OFDM信号产生和解调可被显著地简化，使得不需要一般的OFDM调制解调器。此外，可通过在不对槽路响应估计准确度产生任何影响的情况下优化不同子载波上的参考信号来优化基于OFDM的CSS序列到不同目标(峰值平均值、CSS产生器复杂度、槽路响应估测器复杂度。)

CSS的另一版本可以是实施频率扫描的啁啾序列，且响应是取决于时间而给出。或者，OFDM和啁啾序列的组合可被用作CSS，且还可以使用其它信道声音信号。

通过选择性地设计信道声音信号CSS，可以不同方式得到槽路响应估测器485。在时域中，接收到的信号是所发射的CSS信号与具有附加噪声的槽路响应的卷积。将CSS和噪声减除来获得槽路响应是具有挑战性的。在频域中，接收器电路系统455接收乘以CSS频率且加上噪声的槽路响应。当在频域中执行槽路响应估计时，可通过CSS频率除法来获取槽路响应的最小平方(LS)估计。或者，可应用最小均方误差(MMSE)估计滤波器来估计槽路响应。

为实现这些结果，槽路响应估测器485可以是数字化组件，例如具有较低复杂度和较高准确度的估测器。举例来说，一维(1D)槽路响应估测器485可用于接收OFDM信号。槽路响应估计器485的两个类型包括块型和梳型，其中参考信号分别沿频率方向和时间方向插入。块型导频布置的估计可基于最小平方(LS)、最小均方误差(MMSE)，和修改的MMSE。梳型布置的估计包括具有1D插值的LS估测器，最大似然(ML)估测器，和基于参数化信道建模(PCMB)估测器。

本文中所描述的实施例具有许多特性。提出的方案具有非常广泛的锁定范围。可使CSS的带宽如所需要的那么宽，从而涵盖未调谐的LC槽路的可能的振荡频率的全部范围(如天线电感的变化和容限所限制)。CSS的带宽可与实际数据发射方案的带宽不同，这给出更多的设计灵活性。

提出的方案具有较高的准确度。使用CSS，可在一个步骤中而非以三个离散频率测量整个信道响应。容许非常准确地估计LC槽路的实际振荡频率。依据槽路响应估测器需要的信噪比(SNR)比率、槽路的噪声电平和发射器电路系统450的驱动电平，可针对或多或少的噪音平均化来调谐CSS的的长度。

根据本文中所描述的实施例，快速槽路测量和调谐是可能的。现有方法需要三次连续测量，其中槽路需要稳定三次。如本文中所描述，槽路稳定一次。这种结构和方法使功耗降低且对系统吞吐量影响较少。通过在一个步骤中结合选择CSS的正确带宽来测量整个信道响应，可立即从槽路响应估计中识别出LC槽路的振荡频率，且不需要迭代。

CSS产生器460和槽路响应估测器480具有较小面积和功率影响。这些电路可以是纯粹的数字电路，且可在很大程度上优化。因此，它们需要极少的额外面积负担。CSS产生器460和槽路响应估测器480两者可在正常数据通信期间完全断开。因此功率负担是可忽略的。

本文中所描述的实施例的方面中的一个是数字化方法，其中CSS存储器460包括预定义查找发射信号。在经由接收器电路系统455接收回信号之后，可将卷积的接收到的信号以高效方式输入到待处理的数字域中。无线电收发器400的校准可在安装有所述无线电收发器400的装置的最初调谐期间执行。

使用CSS允许测试电路与无线电电路的实际数据发射分开地执行动作。这允许测试或调谐电路使用比实际发射方案宽得多的带宽。

无线电收发器电路400的组件可具有较高准确度，这是因为它们是完全数字化的。在接收操作期间移除CSS信号之后，可提取电路的振荡频率。使用OFDM方法执行测定，可获取整个频率响应，取决于使用的快速傅里叶变换(FFT)的长度约为512点。可看到整个响应，且通过使用槽路响应估测器485，可提取振荡频率以及带宽。由于在基于噪声电平以产生更佳的SNR的CSS长度与电路400的驱动电平之间存在权衡，因此还可以获取较高准确度。

当CSS信号在频域被移除时，仍保持槽路电路的槽路频率响应。已知线圈410的测量，槽路电路405的实际振荡频率被保持，而可变电容器430或天线线圈410的参数可被改变以匹配载波频率。可变电阻器440的参数还可以被改变以获取规定的带宽。

本文中所描述的实施例可在可听式装置(Hearables)空间中的NFMI无线电装置中使用，以及用于依赖于谐振线圈进行通信抑或电力传递的其它磁性系统。例子包括所有NFC系统以及例如A4WP的电力传递标准。

从前述描述中将显而易见的是，可以在硬件中实施本发明的各种示例性实施例。此外，各种示例性实施例可实施为存储在例如易失性或非易失性存储器的非暂时性机器可读存储媒体上的指令，所述指令可以通过至少一个处理器读取和执行，从而执行本文中详细地描述的操作。非暂时性机器可读存储媒体可包括用于以机器可读形式存储信息的任何机构，例如，个人计算机或笔记本电脑、服务器或其它计算装置。因此，非暂时性机器可读存储媒体可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、闪存存储器装置，以及类似的存储媒体，并且不包括瞬时性信号。

尽管已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各种示例性实施例，但应理解，本发明容许其它实施例，且容许在各种显而易见的方面修改本发明的细节。如对于本领域的技术人员显而易见，可以实现变型和修改，同时保持在本发明的精神和范围内。因此，前述公开内容、描述和附图仅出于说明性目的并且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，包括：

电感-电容(LC)槽路天线电路，被设计成以预定的载波频率操作，所述LC槽路天线电路包括可变电容器和天线元件；

发射器，被配置成输出信道声音信号(CSS)到所述LC槽路天线电路；

接收器，用以从所述LC槽路天线电路接收所述CSS和槽路响应；

槽路响应估测器，用以通过从接收到的信号移除所述CSS和确定所述LC槽路天线电路的振荡频率来提取所述LC槽路天线电路的所述槽路响应；以及

控制器，用以调整所述LC槽路天线电路的电抗以使所述LC槽路天线电路谐振且将所述振荡频率改变到所述预定的载波频率。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，CSS参数被存储在存储器元件的查询表中以允许产生所述CSS。

3.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述CSS具有在所述预定的载波频率周围的带宽。

4.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述CSS是正交频分多路复用(OFDM)信号。

5.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述CSS是啁啾序列。

6.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述CSS是组合的正交频分多路复用(OFDM)信号和啁啾序列。

7.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述槽路响应估测器确定天线线圈的相对振荡频率偏移。

8.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述LC槽路天线电路的电抗是可变电容器。

9.根据权利要求1所述的集成电路，其特征在于，所述LC槽路天线电路的电抗是电感。

10.一种调谐具有预定的载波频率的天线线圈的方法，其特征在于，包括：

通过具有电感和电容组件的电感-电容(LC)槽路天线电路发送单个信道声音信号(CSS)以估计槽路响应；

从所述LC槽路天线电路接收包括所述CSS和槽路响应的接收到的信号；

通过从所述接收到的信号移除所述CSS来提取所述LC槽路天线电路的所述槽路响应；

使用所述槽路响应以确定所述LC槽路天线电路的振荡频率；以及

调整所述LC槽路天线电路的电抗来使所述LC槽路天线电路以所述预定的载波频率谐振。

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