CN110784426B - 一种ask信号滤波方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电领域，尤其是用于解调ASK调制信号的滤波方法及无线充电设备。该滤波方法步骤包括：接收所述ASK信号，自上一个bit解调结束起，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0，循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间，每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1，如果所述电平跳变次数为大于等于1的奇数时根据所述电平累计时间给当前bit赋值；如果所述电平累计时间大于第一阈值，或所述电平跳变次数大于1且当前电平持续时间大于第二阈值时，跳出循环，流程结束。本发明在主流解调逻辑上添加更优秀的滤波方法，使得解调能力有了显著的提高。

Description

一种ASK信号滤波方法及设备

技术领域

本发明涉及电子电力技术和无线充电领域，尤其是一种用于解调 ASK调制信号的滤波方法及无线充电设备。

背景技术

无线充电作为一种有望取代有线的新型技术，市场对其的需求也越来越大。无线充电联盟(WPC，Wireless Power Consortium)制定的QI 协议规定，RX必须使用ASK对电压和电流进行调制，TX从线圈耦合的载波上获得ASK包络信号并对其进行解调，这使得ASK解调是成为无线充电的关键技术。在从110Khz-200Khz的载波中筛选出调制信号时，由于地弹或者调制深度不够甚至AC本身的毛刺干扰导致调制包络与纹波差异不大，使得正常的调制信号发生畸变，TX解调断续甚至无法解调导致通信中断影响客户体验。要解决这个问题传统做法是用硬件滤波，但使用硬件滤波不但增加成本，而且一致性还不能保证。

发明内容

为了解决无线充电TX端软件解调太过依赖硬件的问题，本发明提供了一种滤波方法，该方法可使用软件方法实现，不依赖硬件实现，对调制深度不够甚至AC波形畸变时产生的高频和尖峰干扰进行滤波降噪，从杂乱的信号中筛选还原出RX发送的ASK数据包，以降低解调对硬件的依赖，使得解调能力有了显著的提高，并提高了无线充电的充电距离，以及增大无线充电的充电面积。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：本发明提供的 ASK滤波方法包括如下步骤：接收所述ASK信号，自上一个bit解调结束起，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0，循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间，每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1，如果所述电平跳变次数为大于等于1的奇数时根据所述电平累计时间给当前bit赋值；如果所述电平累计时间大于第一阈值，或所述电平跳变次数大于1且当前电平持续时间大于第二阈值时，跳出循环，流程结束。

在上述方案的基础上，其中所述第一阈值可预设为600us，所述第二阈值可预设为140us。在执行所述ASK信号滤波方法之前还可以进行阈值调整，所述阈值调整具体包括：连续采集前N个bit的占空比，并根据所述占空比确定所述第二阈值，所述N可取值为6。所述根据所述占空比确定所述第二阈值具体为采用如下公式进行调整：第二阈值＝(占空比/0.5)*第二阈值预设值。

基于同样构思的，本发明还提供一种ASK滤波方法，包括如下步骤：接收所述ASK信号，自上一个bit解调结束起，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0，循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间，每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1，当所述电平跳变次数为大于1的奇数时，根据所述电平累计时间给当前bit赋值，当所述电平跳变次数为大于0的偶数时，记当前电平持续时间为尖峰电平时间；如果所述电平累计时间大于第三阈值，或所述尖峰电平时间大于第四阈值时，跳出循环，流程结束。

在上述方案的基础上，所述第三阈值可预设为600us，所述第四阈值可预设为20us。所述电平累计时间给当前bit赋值具体为：当所述电平累计时间位于第一范围时给当前bit赋值为half bit1，当所述电平累计时间位于第二范围时给当前bit赋值为bit0，其中所述第一范围上限小于所述第二范围下限。所述第一范围可设为为大于等于140us小于370us，所述第二范围为可设为大于等于370us小于等于750us。

同样构思的，本发明还提供一种ASK滤波方法，包括如下步骤：接收所述ASK信号，连续出现M个bit1后，自上一个bit解调结束起进行初始化步骤，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0，循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间，每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1，当所述电平跳变次数为奇数时，判断所述电平累计时间是否符合第三范围，如果符合，给当前bit赋值为half bit1，并跳转至所述初始化步骤，当所述电平跳变次数为偶数时，判断所述电平累计时间是否大于第五阈值，如果大于则跳出循环，结束流程。

在上述方案的基础上，所述M可设为2，所述第三范围可设为 140us-370us，所述第五阈值可设为370us。所述ASK信号滤波方法之前还可以进行阈值调整，所述阈值调整具体包括：连续采集前N个bit的占空比，并根据所述占空比确定所述第五阈值，所述N可设为6。所述根据所述占空比确定所述第五阈值具体为采用如下公式进行调整：第五阈值＝(占空比/0.5)*第五阈值预设值。

本发明还提供一种存储介质，存储实现上述方法的计算机程序。

本发明还提供一种无线充电装置，使用如上述方法进行滤波。

本发明解决无线充电TX端软件解调太过依赖硬件的问题，在主流解调逻辑上添加了更加优秀的滤波处理方法，使得解调能力有了显著的提高，实际应用时不仅提高了无线充电的充电距离，还增大了无线充电的充电面积。在匹配市面上多款无线充电RX模组和手机时，数据包的漏包和解调失败的概率大大降低，既提高了无线充TX端的兼容性，更降低了成本，可谓一举两得。

附图说明

图1为RX使用的差分双相位编码；

图2为Byte结构示例；

图3为ASK数据数据包示例；

图4为bit1解调失败示例；

图5为bit0解调失败示例；

图6为累加求和bit0解调修正示例；

图7为尖峰毛刺bit0示例；

图8为尖峰毛刺bit1示例；

图9为去尖峰毛刺bit0示例；

图10为占空比30％示例；

图11特殊bit分布；

图12特殊处理preamble。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

根据QI协议，RX使用幅移键控调制方式与TX通信，RX将调制电容串联入LC谐振环路以修改谐振点，引起TX线圈幅值变化，TX通过检测线圈电流或电压的包络，运放放大和去噪后得到RX发送的ASK信号。 RX使用差分双相编码将数据位调制到功率信号上。为此，RX应将每个数据位与内部时钟信号Tclk对齐，使得数据位的开始与时钟信号的边沿一致。该内部时钟信号的频率clk应为2±4％kHz。

如图1所示，一个bit需要持续500us，调制信号中250us发生一次电平翻转是对Bit1进行编码，功率信号中500us发生一次电平翻转是对Bit0进行编码。

RX使用11位异步串行格式传输数据字节。此格式由起始位、字节的8个数据位、奇偶校验位和停止位组成。起始位是bit0，停止位是 bit1。数据位的顺序是LSB优先，如果数据字节包含奇数个bit1这意味着RX校验位应设置为bit0，如果数据字节包含偶数个bit1则RX校验位应设置为bit1。如图2所示，显示了数据字节格式，以值0x35为例，对每一位进行差分双相编码。

RX与TX通信都是使用数据包的方式，数据包由4部分组成，即前导码、包头、内容和校验和。前导码由至少11位和最多25位组成，全部设置为bit1，前导码使TX能够有时间处理和确定数据包的起始位，以增强抗干扰能力。

如图3所示，RX发送的ASK数据包分别由preamble、header、 message、checksum组成。一个最简单的数据包包括一组preamble，一个11bit的header，一个11bit的message,一个11bit的checksum组成。其中preamble由至少11位和最多25位bit1组成，其余11bit的部分start位、由LSB优先的byte、奇偶校验位、结束位构成。

当TX给线圈通电后，RX由于线圈的电磁感应获得能量按照协议规定的时序向TX调制通信数据包，TX通过调制解调电路滤波去噪并放大后得到包络信号，这些包络信号再经由比较器处理便可得到如图3所示的输出信号。此时可利用单片机的捕获功能，根据跳变沿确定高低电平的持续时间用以区分bit0和bit1，从而分别得到数据包中的byte，组成特定功能的数据包。

由于250us的half bit是一个理想值，从110k～200k的交流信号中获取调制信号需要有足够的余量，因此一般设定Bit0对应电平持续的时间为370us～750us，half bit1对应140us到370us，需要连续两次满足半周期时间规范才是bit1编码。当TX通过线圈向外发射能量后，在90ms以内一直处于解析数据包的状态，当解析到3个连续的bit1认为收到数据包的Preamble，此时继续计数bit1并等待起始位bit0的出现，如果bit1计数超过了25个或者出现了电平持续时间>750us的状态，则清除当前数据并继续监测Preamble，如果检测到了起始位bit0，则进入header包的解调。数据包是LSB优先，如图3为无线充电协议中第一个收到的数据包Singal Strength，其header为0x03、message为 0x5A、checksum为0x59。Byte中的checksum和bit1的个数相关，偶数个bit1对应checksum为bit1，奇数个则为bit0。Package中的 checksum是通过header和message作异或运算得到，再和收到的 checksum做对比，如果匹配则解调数据包完成，根据QI完成相应的动作并继续保持功率发送和协议通信。其中任何时刻如果出现了电平持续时间>750us或者奇偶检验不通过，则清除当前数据并继续监测 Preamble，直到90ms等待时间结束。

由于在110KHz～200KHz载波中解析出2k～4k的数据包存在大量高频干扰甚至波形畸变，且无线充电至少前3个数据包只有一次解调的机会，错过了或者解析出错都会导致当前协议沟通失败从而引起反复充电中断，严重影响客户体验。其中对preamble检测最为基本，这决定是否对后期不断变化的包络信号进行解调的标志，header是一次通信的指令，他规定了当前TX应该怎么运作，不同的header也对应了不同长度的message，一旦出错可能会导致message和checksum错位，甚至产生安全事故，message反应具体的参数或者TX的响应强度，checksum是最后对header和message把关，能拦截大部分解调异常的情况。但还有很多问题需要考虑，比如电平维持时间0～140us应该舍弃还是累加， bit0中出现了一个尖峰毛刺应该如何判断，占空比不为50％应该如何处理等要保证每个bit都要解析正确，在不增加成本的基础上增强软件解调能力尤为重要。

如图4和图5所示，在保持原有包络的情况下产生了一个尖峰，从而出现电平持续时间<140us。在图4中，解调时两个连续的half bit1 构成一个bit1，所以波形理论值是两个bit1，但是出现尖峰后，按照基础解调方法bit1会在尖峰位置就确认一个bit解调结束，很可能导致后面的half bit1>370us，解调为bit0，从而失败导致整个数据包无效。同样的在图5中，如果bit0在尖峰位置就确认bit解调结束，那么bit0也会由于电平持续时间<370us误判为half bit1。

从图4和图5的两个波形图来看，在去掉尖峰毛刺后数据包和理想轮廓是一致的，此处可以用bit边沿连续翻转累加来修正，定义用 levelTime表明电平持续时间，当电平持续时间<140us时用一个新的变量名为jitterTime来保存电平累计时间，用jitterTimeCnt来记录电平跳变次数。当上一个bit解调结束后产生的第一个跳变沿时赋值jitterTimeCnt＝1，第二次产生跳变沿且levelTime<140us时， jitterTimeCnt计数加1，并且jitterTime+＝levelTime，在 levelTimeCnt为>＝1的奇数时，判断jitterTime给当前bit赋值，直到jitterTime>600us或levelTime>140us终止。

用图6结合实际数字来举例说明本方法逻辑：假如jitterTimeCnt＝1 时，jitterTime＝350us,判定当前bit为half bit1，当jitterTimeCnt＝2 时，jitterTime+＝30us＝380us，当jitterTimeCnt＝3时， jitterTime+＝80us＝460us，此时判断阈值满足bit0则立刻改写当前bit 为bit0，当jitterTimeCnt＝4时，jitterTime+＝200us＝660us停止。对图4也可以用同样的方式处理，还原出理想的电平持续时间。

如图7和图8所示，同样的在保持理想趋势的情况下产生了尖峰毛刺，与图4和图5的区别在于此处的尖峰持续时间很短不超过20us，已经将一个完整的bit分崩离析，如果按照基础解调方式会因为多次 levelTime<140us被舍弃，导致过多的有效时间丢失，从而破坏了数据包的完整性。即使使用bit边沿连续翻转累加的方法，也会因为中间出现的levelTime>140us持续时间而导致提前终止解调，同样导致数据包错位而失效。

由此基于以上两种情况有个很明显的特征是尖峰持续的时间很短，需要使用尖峰毛刺去噪来解决，方法中添加一个新变量sharkTime用于累加时间，用一个新变量sharkTimeCnt计数尖峰个数。当上个bit解调完成后的第一个跳变沿出现时赋值sharkTimeCnt＝1并根据电平持续时间判断此时bit的状态，当出现另一个levelTime<20us的尖峰时赋值sharkTimeCnt＝2，累计持续时间并判断bit状态，再出现另一个尖峰时，重新赋值sharkTimeCnt＝1判断bit状态，如此每当sharkTimeCnt＝2 时完成一次循坏。

用图9实际数据举例：当出现第一个尖峰时初始化数据 sharkTimeCnt＝1，sharkTime＝80，此时bit无状态，当另一个跳变沿出现时sharkTimeCnt＝2，sharkTime+＝10＝90，符合尖峰毛刺的特征，但此时bit仍无状态，开始下一个循环。当新的跳变沿出现时，重新赋值 sharkTimeCnt＝1，sharkTime+＝240us＝330us此时bit判断为half bit1，继续等待直到sharkTimeCnt＝2，sharkTime+＝15＝345us，bit状态仍然是half bit1，再次跳变沿到来时sharkTimeCnt＝1， sharkTime+＝180＝525us，此时bit状态修正为为bit0，继续等待跳变沿并判定bit状态，直到阈值超过sharkTime>600us或levelTime>20us 则终止，保留上次bit结果，因此确定此时状态为bit0。

另外，在主流的应用中，RX端调制ASK波形的占空比都是50％，但是如果RX放置在远离TX线圈中央等特定位置时，比如支持无线充电的手机放在发射板边沿位置给手机充电，线圈上包络信号的占空比就会发生较大变化，通常占空比会变小，如图10所示。当出现这种情况，基础解调或许连preamble都识别不了更别说能解调出数据包，因此基础解调的持续时间阈值需要修改，例如可以按占空比的比例进行修改。

当出现这种情况时，能确定短时间内不会变化，也就意味着整个数据包的占空比近乎一致，preamble作为解调缓冲阶段有着连续的bit1 非常适用于识别这种情况。由于preamble由至少11位和最多25位bit1 组成，因此可以连续采集bit1的占空比看趋势，如果存在连续6个bit 占空比几乎一致，当出现bit0时立即根据占空比修改bit1的解调阈值，并持续根据preamble阶段的数据微调占空比系数，直到一次充电阶段结束。

如图11所示，特殊bit是数据包中特定位置其bit值是固定不变的，比如preamble全是1，起始位全是0，结束位全是1。因此这些位置可以有意的为解调出确定位而筛选包络信号。

在preamble阶段当出现连续两个bit1后，表明正处于preamble 阶段，用新变量preTimeCnt指代翻转次数，新变量preTime用于累加持续时间，当累加到preTimeCnt为奇数且满足half bit1的阈值范围时，就认可half bit1解调成功,然后返回继续进行判断，当累积到偶数时，判断阈值是否已经超过half bit1阈值，超过则认为当前波形不是调制信号，清除所有记录信息。

通过图12配合实际数据举例说明：前一个bit波形很完整，当出现跳变沿时preTimeCnt＝1，preTime＝80us，等待第二次跳变沿 preTime+＝130＝210us没有超过当前half bit1的阈值，当preTimeCnt＝3 时preTime+＝135us＝345us满足half bit1持续时间阈值，最终解调成功，同理在处理起始位和结束位同样适用。

另外，本发明还提供一种存储介质，其存储实现如上述实施方式所述的计算机程序。

另外，本发明还提供一种电子设备，尤其是一种无线充电设备，其使用如上述实施方式所述的方法进行滤波。

需要说明的是，上述实施例提供的方法在进行操作时，仅以上述各步骤进行举例说明，在实际应用中，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对上述各实施例及步骤进行的组合、拆分、调序和润饰，都视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术员公知的现有技术。

Claims (15)

1.一种ASK信号滤波方法，其特征在于：

接收所述ASK信号；

自上一个bit解调结束起，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0；

循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间；

每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1；

如果所述电平跳变次数为大于等于1的奇数时根据所述电平累计时间给当前bit赋值；

如果:所述电平累计时间大于第一阈值，或,所述电平跳变次数大于1且当前电平持续时间大于第二阈值时，跳出循环，流程结束；

根据所述电平累计时间给当前bit赋值具体为：当所述电平累计时间大于等于140us小于370us时给当前bit赋值为half bit1；当所述电平累计时间大于等于370us小于等于750us时给当前bit赋值为bit0；

所述half bit1对应140us到370us，需要连续两次满足半周期时间规范才是bit1编码；

所述bit0为11位异步串行格式传输数据字节的起始位。

2.如权利要求1所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第一阈值预设为600us。

3.如权利要求1所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第二阈值预设为140us。

4.如权利要求1-3任意一项所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：执行所述ASK信号滤波方法之前进行阈值调整，所述阈值调整具体包括：连续采集前N个bit的占空比，并根据所述占空比确定所述第二阈值。

5.如权利要求4所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述根据所述占空比确定所述第二阈值具体为采用如下公式进行调整：

第二阈值=（占空比/0.5）* 第二阈值预设值。

6.一种ASK信号滤波方法，其特征在于：

接收所述ASK信号；

自上一个bit解调结束起，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0；

循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间；

每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1；

当所述电平跳变次数为大于1的奇数时，根据所述电平累计时间给当前bit赋值；

当所述电平跳变次数为大于0的偶数时，记当前电平持续时间为尖峰电平时间；

如果：所述电平累计时间大于第三阈值，或，所述尖峰电平时间大于第四阈值时，跳出循环，流程结束；

根据所述电平累计时间给当前bit赋值具体为：当所述电平累计时间大于等于140us小于370us时给当前bit赋值为half bit1；当所述电平累计时间大于等于370us小于等于750us时给当前bit赋值为bit0；

所述half bit1对应140us到370us，需要连续两次满足半周期时间规范才是bit1编码；

所述bit0为11位异步串行格式传输数据字节的起始位。

7.如权利要求6所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第三阈值预设为600us。

8.如权利要求6所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第四阈值预设为20us。

9.一种ASK信号滤波方法，其特征在于：

接收所述ASK信号；

连续出现M个bit1后；

自上一个bit解调结束起进行初始化步骤，初始化电平累计时间为0，初始化获电平跳变次数为0；

循环获取电平持续时间，所述电平持续时间为两次跳转之间的电平时间；

每次获取到电平持续时间时，将其累加至所述电平累计时间，将所述电平跳变次数加1；

当所述电平跳变次数为奇数时，判断所述电平累计时间是否符合第三范围，如果符合，给当前bit赋值为half bit1，并跳转至所述初始化步骤；

所述bit1为11位异步串行格式传输数据字节的停止位；所述half bit1对应140us到370us，需要连续两次满足半周期时间规范才是bit1编码；

当所述电平跳变次数为偶数时，判断所述电平累计时间是否大于第五阈值，如果大于则跳出循环，结束流程。

10.如权利要求9所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第三范围为140us-370us。

11.如权利要求9所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述第五阈值为370us。

12.如权利要求9-11任意一项所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：执行所述ASK信号滤波方法之前进行阈值调整，所述阈值调整具体包括：连续采集前N个bit的占空比，并根据所述占空比确定所述第五阈值。

13.如权利要求12所述的ASK信号滤波方法，其特征在于：所述根据所述占空比确定所述第五阈值具体为采用如下公式进行调整：

第五阈值=（占空比/0.5）* 第五阈值预设值。

14.一种存储介质，其特征在于：存储实现如权利要求1-13任意一项所述方法的计算机程序代码。

15.一种无线充电设备，其特征在于：使用如权利要求1-13任意一项所述方法进行滤波。

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