CN111010215A - 通信设备和用于运行天线振荡回路的方法 - Google Patents

通信设备和用于运行天线振荡回路的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信设备和用于运行天线振荡回路的方法。根据一个实施例描述一种通信设备，所述通信设备具有：天线振荡回路；天线驱动器，所述天线驱动器设计用于给天线振荡回路输送载波振荡；和控制装置，所述控制装置设计用于检测同步期即将来临并且设计用于控制天线驱动器，使得所述天线驱动器给天线振荡回路输送反相的载波振荡。

Description

通信设备和用于运行天线振荡回路的方法
技术领域
实施例大体上涉及通信设备和用于运行天线振荡回路的方法。
背景技术
现代电子设备如移动电话和芯片卡常常配备有用于近场通信(NFC，英语：NearField Communication)的辅助装置，例如实现无现金支付。在此，典型的要求是，借助于尽可能小的天线就可胜任，而尽管如此数据通信仍应高效且稳健地进行。相应地，如下方法途径是所期望的，所述方法途径实现有效地使用天线来进行近场通信。
发明内容
根据一个实施例，提供一种通信设备，所述通信设备具有天线振荡回路、天线驱动器和控制装置，所述天线驱动器设计用于给天线振荡回路输送载波振荡，所述控制装置设计用于检测同步期即将来临，并且所述控制装置设计用于控制天线驱动器，使得所述天线驱动器将反相的载波振荡输送给天线振荡回路。
根据另一实施例，提供一种用于运行根据上述通信设备的天线振荡回路的方法。
附图说明
附图并不反映实际的比例关系而是用于图解说明不同的实施例的原理。在下文中参照附图描述不同的实施例。
图1示出具有无源的NFC通信设备的通信装置。
图2示出具有有源的NFC通信设备的通信装置。
图3示出具有前端和连接在其上的天线的装置。
图4示出在无衰减的情况、具有无源衰减的情况和具有有源衰减的情况之间的比较。
图5图解说明在三阶段XOR调制中的有源衰减。
图6示出根据一个实施方式的通信设备。
图7示出流程图，所述流程图阐明根据一个实施方式的用于运行天线振荡回路的方法。
具体实施方式
下述详细描述涉及附图，附图示出细节和实施例。这些实施例得到详细地描述，使得本领域技术人员能够实施本发明。其它实施方式也是可行的并且所述实施例能够在结构、逻辑和电学方面改变，而不脱离本发明的主题。不同的实施例不一定相互排斥而是能够将不同的实施方式彼此组合，使得产生新的实施方式。在本说明书的范畴中，术语“连接”、“连上”以及“耦合”用于描述直接和间接的连接、直接或间接的连上以及直接或间接的耦合。
图1示出具有无源的NFC通信设备101的通信装置100。
NFC近场通信设备101与NFC读取器设备102通信，所述NFC读取器设备也称为PCD(proximity coupling device(邻近耦合设备))。
NFC读取器设备102经由读取器天线103发射读取器场，所述读取器场利用NFC天线105调制用于与NFC通信设备101非接触通信的前端。所述调制就其而言由NFC读取器设备102感测。NFC通信设备101的集成电路106控制所述调制，使得以这种方式能够将数据从NFC通信设备101传输给NFC读取器设备102。前端104例如是集成电路106的一部分。
图2示出具有有源的NFC通信设备102的通信装置200。
类似于在图1中那样，NFC通信设备201与NFC读取器设备202通信。
然而，在该实例中，NFC通信设备201是有源的通信设备：其具有有源的模拟升压器前端203以非接触地通信202。升压器前端203经由接口206例如经由ACLB(ActiveContactless Bridge(有源非接触桥))与集成电路204连接，所述集成电路具有非接触前端205。集成电路204能够经由接口206与升压器前端203交换数据。升压器前端203与NFC通信设备201的NFC天线207耦合并且经由NFC天线207将无线电信号发送给读取器设备202，所述读取器设备202借助于读取器天线208接收所述无线电信号，或者由读取器设备202借助于NFC天线207接收所述无线电信号，所述读取器设备202借助于读取器天线208发出所述无线电信号。
为了将数据传输给读取器设备202，NFC通信设备201(例如升压器前端203)调制载波信号。具有某一载波频率的相应的载波振荡由频率发生器209提供，所述频率发生器通常为振荡器。
集成电路和升压器前端是有源组件并且具有电压供给，如通过端子Vcc(表示供给电压)和GND(表示地电势)表示。
无源的通信设备101例如是如下设备，所述设备不具有自己的能量供给(即不具有电池)，例如呈典型的卡片形式(例如食堂卡、身份证或者用于在公共近途交通中进行支付的卡)的芯片卡(例如智能卡)。然而也存在如下设备，所述设备具有能量供给(通常为蓄电池)并且辅助NFC通信，例如用于无现金支付。这种设备例如对应于有源的通信设备201。这种通信设备的实例是移动电话、表(智能手表)或者其它可携带的辅助NFC的设备(“wearable devices(可穿戴设备)”)。
有源的通信设备201在该实例中根据升压的NFC构架来设计。该升压的NFC构架尤其实现：与在具有NFC天线105的无源的通信设备101的这种情况中相比使用更小的NFC天线207。
然而，在现代的通信设备中针对NFC天线所设置的面积达到小于100mm2的值，而尽管如此还是需要专用的传输模式，以便在调制无线电信号时提高对于读取器设备202可见的幅值。用于此的一种可行性在于XOR传输(异或)或者BPSK(Binary Phase Shift Keying(二进制移相键控))调制。
为了将数据传输给读取器设备202，如XOR或者BPSK传输，NFC通信设备201(例如升压器前端203)将其振荡器209与由读取器设备202放射的无线电信号(也称为读取器场)的频率同步，所述无线电信号能够视为用于NFC通信设备201的基准信号。
振荡器例如是PLL(phase locked loop(锁相环))、DLL(delay locked loop(延迟锁相环)或者混合系统的一部分，并且升压器前端203将振荡器209和从而将其发送频率即用于进行发送的载波信号与由读取器设备202放射的无线电信号的频率和相位同步。为此，在发送期之间需要短暂的间隙，以便NFC通信设备201能够接收由读取器设备202放射的无线电信号，所述发送期即如下时间间隔，在所述时间间隔中NFC通信设备201进行发送，所述无线电信号在下文中也称为基准信号。
然而，在具有高品质的NFC天线207的情况下，需要的是，在NFC天线207接收读取器场之前，(至少大部分地)去除包含在天线振荡回路中的能量(其指的是电磁能量，所述电磁能量在振荡回路中在电容和电感之间往返)，升压器前端203为了上述传输将所述能量已经馈入到天线振荡回路中。
图3示出具有(升压器)前端301和连接在其上的天线302的装置。
前端201例如对应于升压器前端203并且天线302例如对应于NFC天线207。
天线302与前端301的输出端305和309以及电容303、304、308共同形成天线振荡回路。
第一端子313经由电容306与前端301的第一输入端307耦合。
天线302的第二端子314经由电容308与前端301的第二输出端309耦合并且经由电容310与前端301的第二输入端311耦合。
此外，前端301具有接地端子312。
去除包含在天线振荡回路中的能量的一种可行性是，将电阻与天线302并联，例如并联到输入端307、311之间，使得在发送暂停中(通过放电)衰减(即减少)天线振荡回路的能量。然而，这种方法途径对于具有高品质或者高电感的天线302而言是成问题的，因为在天线振荡回路上的电压在这种情况下会超过在前端301的输入端子311、312上的最大允许的工作电压。使用外部的解耦电容(第三电容306和第五电容310)虽然实现在天线振荡回路和输入端子311、312之间的分压，但是导致：通过并联的电阻实现的无源衰减不再有效，因为这种衰减电路与天线振荡回路通过解耦电容306、310切断。在这种情况下，通常例如无法辅助根据ISO/IEC 14443具有高比特率的A型、B型和Felica的调制方案的XOR调制。
根据不同的实施方式，使用有源衰减，所述有源衰减即使对于具有高品质和高电感的天线302而言也实现在同步暂停之前去除(或者至少大部分地降低)包含在天线振荡回路中的能量。
图4示出在无衰减(在第一图表401中)的情况、具有无源衰减(在第二图表402中)的情况和具有有源衰减(在第三图表403中)的情况之间的比较。
时间在图表401、402、403之间从左向右推移(即沿着x方向)并且不同的信号电平沿着y方向示出。
在图表401、402、403中，相应的第一曲线404示出在输入端307和311之间的电压的变化曲线，相应的第二曲线405示出在输入端307和311之间的衰减电阻的可能的接通，相应的第三曲线406示出施加到第一输出端305上的电势而相应的第四曲线407示出施加到第二输出端309上的电势。
在无衰减的情况下(第一图表401)不使用衰减电阻，并且相应地，第二曲线405恒定地处于低电平上。在发送暂停408中，这两个输出端305、309处于恒定的电势(例如相同的电势，例如地电势)上，并且在输入节点307、311之间振荡的并且反映包含在天线振荡回路中的能量的电压的幅值相对缓慢地下降。
在具有无源衰减的情况下(第二图表402)在衰减期409中在发送暂停开始时在输入端307、311之间接有衰减电阻。这两个输出端305、309被置于恒定的电势上。在输入节点307、311之间振荡并且反映包含在天线振荡回路中的能量的电压的幅值在衰减期409中相对快地下降，并且发送暂停的接下来的同步期410能够用于与读取器场同步。
然而，如在上文中阐述的那样，衰减电阻的使用在一些情况下是不期望的或者是无效的或者需要天线与输入端的低欧姆耦合(内部耦合)。
在具有有源衰减的情况下(第三图表403)，如根据不同的实施方式所提出的那样，不使用衰减电阻，并且相应地，第二曲线405恒定地处于低电平上。
在衰减期409中在发送暂停开始时，将输出端子上的电势反相。换言之，将输出端子上的电势相移180度，在时间点411可见，在所述时间点处由于相移而使在输出端305、309上的当前脉冲的长度加倍。
由此，被输送给天线振荡回路的振荡相对于存在于天线振荡回路中的振荡是反相的。
在输入节点307、311之间振荡的并且反映包含在天线振荡回路中的能量的电压的幅值因此在衰减期409中相对快地下降，并且前端301能够使用发送暂停的接下来的同步期410来使振荡器209与读取器场同步。
有源衰减能够在内部耦合或者外部耦合时使用。这实现针对用于天线结构的所有调制方案和比特率使用XOR调制，如在图3中所示出的那样。
沿着相反的方向(即在反相的载波振荡的情况下)有源地驱动输出端子305、309，如根据不同的实施方式在有源衰减中所提出的那样，消除天线振荡回路中的能量并且打开如下窗口，在所述窗口中存在读取器场，能够被天线振荡回路接收并且能够被NFC通信设备201用于使振荡器209与读取器场同步。前端203能够根据天线302的参数(例如电感和品质因数)来设定被反相的载波振荡的持续时间和电平。
而在无衰减的情况下，如第一图表401所图解说明的那样，天线振荡回路中的能量(即使在发送暂停中切断载波振荡之后也)是过高的，这破坏同步期。
根据不同的实施方式的有源衰减例如能够用于具有高质量和/或高电感的天线的三阶段-XOR调制，以进行具有较高比特率的ISO/IEC 14443 A型传输、具有标准波特率和更高比特率的ISO/IEC 14443B型传输以及用于Felica 212kBit/s和424kBit/s。其允许NFC通信设备201在距读取器设备202距离较远时运行并且产生对于使用者而言更好的互通性和操作者友好性。
图5图解说明在三阶段XOR调制中的有源衰减。
如在图4中那样，在图5中时间从左向右(即沿着x方向)推移并且不同的信号电平沿着y方向示出。
第一曲线501图解说明子载波。信号传输根据在该实例中所使用的XOR调制通信协议通过相继排列的子载波进行。所示出的子载波501例如用于将单比特从NFC通信设备201传输给读取器设备202。具有所示出的相的子载波例如表示二进制1或者二进制0。
第二曲线502示出在输入端307和311之间的电压的变化曲线，即天线振荡回路中的有效电压，其幅值表示包含在天线振荡回路中的能量。
在发送期503、504中(如根据所使用的通信协议所提出的那样)，前端301经由输出端305、309将正常的(即未反相的)载波振荡输送给天线302。子载波501的上升沿在此通过MS2发送期503和MS1发送期504之间的相位偏移来传输。在MS1发送期504之后跟随着衰减期505，在所述衰减期中前端301将(相对于之前的MS1发送期504)反相的载波振荡输送给天线302(或天线振荡回路)。输入端子311、312之间的电压的幅值在此快速下降并且紧接着由读取器场激励天线振荡回路，在接下来的闭锁期506中前端301使用这来将振荡器209(例如PLL)设定到读取器场的频率和相位上，也就是说，将振荡器209与读取器场同步。
如所阐述的那样，有源衰减通过输送反相的载波振荡来实现，即换言之通过由前端301将反相的载波发送给输出端子305，309来实现。前端能够单独地设定反相的载波的发送强度并且动态地匹配于未反相的载波的当前的信号强度。根据一个实施方式，前端301能够以半载波周期的步长确定衰减持续时间。
总的来说，根据不同的实施方式提供一种通信设备，如在图6中所示出的那样。
图6示出根据一个实施方式的通信设备600。
通信设备600具有天线振荡回路601和天线驱动器602，所述天线驱动器设计用于给天线振荡回路601输送载波振荡。
通信设备600还具有控制装置603，所述控制装置设计用于检测同步期即将来临并且设计用于控制天线驱动器602，使得所述天线驱动器给天线振荡回路601输送反相的载波振荡。
换言之，天线驱动器在正常运行中例如在发送运行中给天线振荡回路供给载波振荡。如果同步期即将来临，换言之，如果即将来临如下时间间隔，在所述时间间隔之前要从天线振荡回路中提取能量，那么控制装置控制天线驱动器，使得所述天线驱动器给天线振荡回路输送反相的载波。例如，天线驱动器在一定持续时间期间给天线振荡回路输送载波振荡(具有特定的频率和相位)，并且如果控制装置检测到同步期即将来临，那么控制装置控制天线驱动器，使得所述天线驱动器给天线振荡回路输送具有180度相移的载波振荡(和从而输送相对于之前输送的载波振荡反相的载波振荡)。
控制装置能够根据所使用的通信协议例如根据通信协议的帧结构确定(即检测)同步期即将来临，例如作为发送暂停的一部分，在所述发送暂停中通信设备根据通信协议不进行发送。也就是说，天线驱动器输送给天线振荡回路的反相的载波振荡尤其不用于进行数据传输，其例如没有调制(例如幅度或相位调制)或者至少没有根据待传输的数据的调制。
在充分的衰减之后，天线驱动器例如停止向天线输送反相的载波振荡并且既不将载波振荡也不将反相的载波振荡输送给天线，以便使得天线振荡回路能够与读取器场同步，也就是说，由读取器场激励并且与读取器场同步地振荡。
有源衰减实现快速地去除储存在天线振荡回路中的能量。与之相应地，(与无衰减或者无源衰减相比)有更多的时间可供使用，使得例如能够缩短发送暂停(例如能够更晚开始)并且能够将更多时间用于发送。由此例如能够提高数据传输的冗余(例如通过传输子载波的更大的部分)，这又提高了数据传输的鲁棒性。
控制装置能够设计用于控制天线驱动器使得所述天线驱动器给天线振荡回路输送反相的载波振荡，直至包含在天线振荡回路中的能量低于预设的阈值。相应的持续时间能够事先估计或者通过对一种或多种典型的情况的仿真来求出。反相的载波振荡例如至少数个时钟周期长地被输送给天线振荡回路。
图7示出流程图700，所述流程图图解说明根据一个实施方式的用于运行天线振荡回路的方法。
在701中，给天线振荡回路输送载波振荡。
在702中，检测同步期即将来临。
在703中，给天线振荡回路输送反相的载波振荡。
接下来说明不同的实施例。
实施例1是通信设备，如在图6中所示出的那样。
实施例2是根据实施例1的通信设备，还具有发送装置，所述发送装置设计用于基于载波振荡发送数据。
实施例3是根据实施例2的通信设备，其中发送装置设计用于，根据通信协议传送数据，其中根据通信协议，同步期即将来临。
实施例4是根据实施例3的通信设备，其中控制装置设计用于，基于通信协议检测同步期即将来临。
实施例5是根据实施例3或4的通信设备，其中天线驱动器设计用于，给天线振荡回路输送载波振荡，以在发送期中根据通信协议发送数据，并且同步期是发送暂停的如下部分，在所述部分中发送装置根据通信协议不发送数据。
实施例6是根据实施例1至5中任一项的通信设备，其中同步阶段是用于使该通信设备与另一通信设备的频率和相位同步的阶段。
实施例7是根据实施例1至6中任一项的通信设备，其中控制装置设计用于控制天线驱动器使得所述天线驱动器给天线振荡回路输送反相的载波振荡，直至包含在天线振荡回路中的能量低于预设的阈值。
实施例8是根据实施例1至7中任一项的通信设备，其中控制装置设计用于控制天线驱动器，使得在将反相的载波振荡输送给天线振荡回路时在天线驱动器和天线振荡回路之间产生阻抗匹配。
实施例9是根据实施例1至8中任一项的通信设备，具有频率发生器，所述频率发生器设计用于产生载波振荡。
实施例10是根据实施例9的通信设备，具有接收器，所述接收器设计用于在同步期中接收基准载波信号并且设计用于使频率发生器与载波振荡同步。
实施例11是用于运行天线振荡回路的方法，如在图7中所描述的那样。
实施例12是根据实施例11的方法，还包括：基于载波振荡发送数据。
实施例13是根据实施例12的方法，包括：根据通信协议传送数据，其中根据通信协议，同步期即将来临。
实施例14是根据实施例13的方法，包括：基于通信协议检测同步期即将来临。
实施例15是根据实施例13或14的方法，包括：将载波振荡输送给天线振荡回路，以在发送期中根据通信协议发送数据，其中同步期是发送暂停的如下部分，在所述部分中发送装置根据通信协议不发送数据。
实施例16是根据实施例11至15中任一项的方法，其中同步阶段是用于使一个通信设备与另一通信设备的频率和相位同步的阶段。
实施例17是根据实施例11至16中任一项的方法，包括：给天线振荡回路输送反相的载波振荡，直至包含在天线振荡回路中的能量低于预设的阈值。
实施例18是根据实施例11至17中任一项的方法，包括：借助于天线驱动器给天线振荡回路输送反相的载波振荡，使得在给天线振荡回路输送反相的载波振荡时在天线驱动器和天线振荡回路之间产生阻抗匹配。
实施例19是根据实施例11至18中任一项的方法，包括：借助于频率发生器产生载波振荡。
实施例20是根据实施例19的方法，包括：在同步期中接收基准载波信号并且使频率发生器与载波振荡同步。
根据另一实施例，提供一种发送设备，所述发送设备具有：用于提供载波频率的时钟发生器；驱动器装置，所述驱动器装置设计用于在发送期中基于载波频率给天线馈电并且所述驱动器装置设计用于接着发送期之后基于倒置的载波频率给天线馈电。
虽然本发明尤其参照特定的实施方式示出和描述，但是熟悉本领域的技术人员应理解的是，能够进行关于设计方案和细节的大量改变，而不脱离本发明的本质和范围，如通过后续的权利要求所限定的那样。本发明的范围因此通过所附的权利要求确定，并且需注意的是，包括所有落入权利要求的措辞或者等价范围中的改型。
附图标记列表
100 通信装置
101 NFC通信设备
102 NFC读取器设备
103 读取器天线
104 前端
105 NFC天线
106 集成电路
200 通信装置
201 NFC通信设备
202 NFC读取器设备
203 升压器前端
204 集成电路
205 前端
206 接口
207 NFC天线
208 读取器天线
209 频率发生器
301 前端
302 天线
303 电容
304 电容
305 输出端子
306 电容
307 输入端子
308 电容
309 输出端子
310 电容
311 输入端子
312 接地端子
313 天线端子
314 天线端子
401 图表(无衰减)
402 图表(无源衰减)
403 图表(有源衰减)
404 电压变化曲线
405 衰减电阻作用
406 被输送的电势
407 被输送的电势
408 发送暂停
409 衰减期
410 同步期
411 时间点
501 子载波
502 电压变化曲线
503 MS2发送期
504 MS1发送期
505 衰减期
506 闭锁期
600 通信设备
601 天线振荡电路
602 天线驱动器
603 控制装置
700 流程图
701 流程步骤
702 流程步骤
703 流程步骤

Claims (11)

1.一种通信设备(600)，具有：
天线振荡回路(601)；
天线驱动器(603)，所述天线驱动器设计用于给所述天线振荡回路(601)输送载波振荡；
控制装置(602)，所述控制装置设计用于检测同步期即将来临并且设计用于控制所述天线驱动器(603)，使得所述天线驱动器给所述天线振荡回路(601)输送反相的载波振荡。
2.根据权利要求1所述的通信设备(600)，还具有发送装置，所述发送装置设计用于基于所述载波振荡发送数据。
3.根据权利要求2所述的通信设备(600)，其中所述发送装置设计用于，根据通信协议传送所述数据，其中根据所述通信协议，所述同步期即将来临。
4.根据权利要求3所述的通信设备(600)，其中所述控制装置(602)设计用于基于所述通信协议检测同步期即将来临。
5.根据权利要求3或4所述的通信设备(600)，其中所述天线驱动器(603)设计用于，给所述天线振荡回路(601)输送所述载波振荡，以在发送期中根据所述通信协议发送数据，并且所述同步期是发送暂停的如下部分，在所述部分中所述发送装置根据所述通信协议不发送数据。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的通信设备(600)，其中所述同步阶段是用于使所述通信设备(600)与另一通信设备(600)的频率和相位同步的阶段。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的通信设备(600)，其中所述控制装置(602)设计用于控制所述天线驱动器(603)使得所述天线驱动器给所述天线振荡回路(601)输送所述反相的载波振荡，直至包含在所述天线振荡回路中的能量低于预设的阈值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的通信设备(600)，其中所述控制装置(602)设计用于，控制所述天线驱动器(603)，使得在给所述天线振荡回路(601)输送所述反相的载波振荡时在所述天线驱动器(603)和所述天线振荡回路(601)之间产生阻抗匹配。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的通信设备(600)，具有频率发生器，所述频率发生器设计用于产生所述载波振荡。
10.根据权利要求9所述的通信设备(600)，具有接收器，所述接收器设计用于在所述同步期中接收基准载波信号并且设计用于使所述频率发生器与所述载波振荡同步。
11.一种用于运行天线振荡回路(601)的方法，所述方法包括：
给天线振荡回路(601)输送载波振荡；
检测同步期即将来临；并且
给所述天线振荡回路(601)输送所述反相的载波振荡。
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