CN115708327A - 近场发射器和调谐无线电发射器的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及近场发射器和调谐无线电发射器的方法。近场发射器包括：功率放大器，具有用于接收通信信号的输入和用于提供差分输出信号的输出；谐振网络，耦合到功率放大器的输出并具有由调谐信号调谐的能够调谐的电抗元件；包络检测器，耦合到功率放大器的输出以响应于差分输出信号而提供包络信号；天线调谐电路，响应于包络信号而调整该调谐信号。调谐无线电发射器的方法包括：在载波频率下形成通信信号。放大该通信信号的功率并且响应于放大而形成差分输出信号。将差分输出信号提供到具有能够调谐的电抗元件的谐振网络。对差分输出信号进行整流以提供整流信号。确定整流信号的水平。将能够调谐的电抗元件的值调整到整流信号的最佳振幅。

Description

近场发射器和调谐无线电发射器的方法

技术领域

本公开总体上涉及射频(RF)发射器，并且更具体地涉及可用于如近场磁感应(NFMI)无线电系统等通信系统的近场发射器和调谐无线电发射器的方法。

背景技术

近场磁感应(NFMI)技术非常适于在短距离内以低功率和低延迟无线地交换如音频等高带宽内容。NFMI广泛用于短程应用，如音频流和通信数据交换，以支持用于助听器的高端定向算法。与电场通信相比，由于更好的人类组织穿透性，NFMI通信在这些应用中提供优异的性能。另外，与电场信号相比，磁场信号也随着距离而衰减得更快，并且NFMI更好地避免对周围设备产生干扰。NFMI技术也用于连接一些便携式无线耳塞以支持立体音频流。

为了改善两个助听器之间的通信，重要的是要将天线电路系统调整到精确的载波频率，使得天线谐振频率与载波频率紧密匹配。然而，助听器可用于在耳朵之间产生不同距离的许多不同的头部形态。由于环境因素，如温度、电池电压等，载波频率可在操作期间改变。此外，在不停止助听器的操作的情况下难以在操作期间确定确切的共振频率，这可影响用户体验。

附图说明

通过参照附图可更好地理解本公开，并且本公开的多个特征和优点对于本领域的技术人员为显而易见的，在附图中：

图1展示了根据本公开的各个实施方案的用于无线电调谐电路和方法的应用环境的框图；

图2以部分框图和部分示意图展示了根据本公开的实施方案的近场发射器；

图3展示了与图2的包络检测器相关联的各种信号的时序图；

图4展示了图2的天线调谐电路的操作图；并且

图5展示了根据本公开的各个实施方案的示出调谐由图2的天线调谐电路使用的天线的方法的流程图。

在不同附图中使用相同的参考符号来指示相同或类似的元件。除非另有说明，否则字词“耦接”以及其相关联的动词形式包括直接连接以及通过本领域已知的方式的间接电连接两者；并且除非另有说明，否则对直接连接的任一描述也暗示使用合适形式的间接电连接的替代实施方案。

具体实施方式

图1展示了根据本公开的各个实施方案的用于无线电调谐电路和方法的应用环境100的框图。应用环境100示出了具有右音频设备120和对应的左音频设备130的用户110。右音频设备120和左音频设备130可以是例如双耳助听器、入耳式立体声音频扬声器(“耳塞”)等。在这种情况下，音频设备120和130之一使用蓝牙标准定义的链路与移动电话140或另一种类似的便携式或手持计算设备配对。移动电话140具有生成音频内容以及控制信息的应用，如数字流服务、MP3播放器、web浏览器、移动电话接收器等。移动电话140使用符合蓝牙标准或类似标准的无线电链路与右音频设备120进行通信。移动电话140仅与音频设备之一进行通信，例如图1的示例中的右音频设备120，并且右音频设备120进而使用NFMI链路160与左音频设备130进行通信。例如，右音频设备120可通过NMFI链路160将接收到的和解码的音频内容转发到左音频设备130。

由于良好的人体组织穿透性，NMFI技术非常适合这些实施方案，这要归功于其相对低频的操作。为了改善音频设备120与130之间的通信链路预算，同时覆盖不同的头部形态(即，两只耳朵之间的距离)，需要将天线电路的谐振频率调整到目标载波频率。特别地，由于环境变化，谐振频率可在操作期间改变。然而，停止音频设备的操作以执行复杂重新校准过程还可影响音频质量和用户体验。

为了解决这个问题，发明人已经开发了在操作期间连续调整天线滤波器的谐振频率的微调技术。架构简单，并且发射器电路连续执行校准。此外，它利用已经用于校准过程中的其它目的的现有部件。

图2以部分框图和部分示意图展示了根据本公开的实施方案的近场发射器200。近场发射器200通常包括调制器210、标记为“PA”的功率放大器220、谐振电路230、包络检测器240和天线调谐电路250。

调制器210具有用于接收音频信号的输入和用于提供差分调制信号的输出。调制器210可执行例如脉冲代码调制(PCM)和偏移正交相移键控(OQPSK)调制的组合。

功率放大器220具有连接到调制器210的差分输出的差分输入和差分输出。功率放大器220驱动提供足够功率的近场辐射以被接收的负载，作为用于所有人头部形态和预期操作条件的另一音频设备。

谐振电路230包括电容器231和232、能够调谐的电容器233、能够调谐的电阻器234和电感器235。电容器231具有连接到用于功率放大器220的差分输出的第一输出端子的第一端子和第二端子。电容器232具有连接到用于功率放大器220的差分输出的第二输出端子的第一端子和第二端子。能够调谐的电容器233具有连接到电容器231的第二端子的第一端子、连接到电容器232的第二端子的第二端子和调谐输入端子。能够调谐的电阻器234具有连接到电容器231的第二端子的第一端子、连接到电容器232的第二端子的第二端子和调谐输入端子。电感器235具有通过第一集成电路端子连接到电容器231的第二端子的第一端子以及通过第二集成电路端子连接到电容器232的第二端子的第二端子。

包络检测器240包括桥式整流器241和静电放电(ESD)保护钳位。桥式整流器241包括PN结二极管242-245。PN结二极管242具有连接到电容器231的第二端子的阳极以及连接到传导包络信号的节点的阴极。PN结二极管243具有连接到电容器232的第二端子的阳极以及连接到PN结二极管243的阴极的阴极。PN结二极管244具有连接到地的阳极以及连接到电容器231的第二端子的阴极。PN结二极管245具有连接到地的阳极以及连接到电容器232的第二端子的阴极。ESD钳位器246具有连接到二极管242和243的阴极的第一端子以及连接到地的第二端子。

天线调谐电路250包括分压器251、标记为“ADC”的模数转换器254和数字状态机255。分压器251包括电阻器252和253。电阻器252具有连接到二极管242和243的阴极的第一端子以及第二端子。电阻器253具有连接到电阻器252的第二端子的第一端子以及连接到地的第二端子。模数转换器254具有连接到电阻器252的第二端子的输入和输出。数字状态机255具有连接到模数转换器254的输出的输入、连接到能够调谐的电容器233的调谐输入的第一输出和连接到能够调谐的电阻器254的调谐输入的第二输出。

在操作中，调制器210基于音频输入信号生成调制的NFMI信号。在一个示例中，音频输入可以是由助听器的麦克风接收的数字音频信号。在另一个示例中，音频输入信号可以是从移动电话140的麦克风接收的音频流。调制器210首先执行PCM编码，该PCM编码是基于其对宽范围音频数据进行对数编码的能力广泛使用的用于音频信号的技术。然后，使用偏移正交相移键控(OQPSK)调制来调制PCM编码的数据。

功率放大器220放大PCM编码、OQPSK调制的音频信号以支持适合由接收器接收的功率电平，如在最坏情况头部形态下用户另一只耳朵处的助听器中的接收器。近场传输使用磁场而不是电场来辐射信号。磁场具有其场强随着发射器与接收器之间的距离的6次方而减小的特性。因此，在自由空间中，NFMI信号在比对应的电场信号显著短的距离处衰减。磁场也更适合在人体附近传输，因为磁场能够通过人体组织传播。

放大的信号通过电容器231和232AC耦合到电感器235，该电感器形成系统的输出电感器/天线。能够调谐的电容器233和能够调谐的电阻器234与电感器235一起形成RLC谐振网络，其谐振可调谐到载波频率。下文将更详细地描述调谐技术。

包络检测器240检测信号的包络并且在谐振天线电路调谐到载波频率时具有最大值。整流器241用作全波整流器，使得在PN结二极管242和243的阴极处的包络信号交替地反射两个异相正弦波的正半周期。ESD钳位电路246防止静电放电事件损坏NFMI发射器200中的电路系统并且为包络检测器240提供滤波。在本文所描述的实施方案中，PN结二极管242-246是已经存在的二极管，用于为互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路提供ESD放电路径，保护其免受ESD损坏，因此近场发射器200利用现有部件来使调谐电路大小变小。

分压器251降低包络检测器的电压以在ADC 254的输入范围内变化。ADC 254响应于降低的电压而向数字状态机255输出数字信号。数字状态机255进而基于ADC 254的输出将谐振网络230的谐振频率调谐到载波频率。数字状态机通过改变电抗元件的值来实现，在这种情况下电抗元件是能够调谐的电容器233。在其它实施方案中，电抗元件可以是能够调谐的电感器。电抗元件还设置能够调谐的电阻器234的值以设置谐振网络230的阻尼。由于阻尼因数不影响经受漂移的谐振频率，因此在公开的实施方案中，数字状态机255在启动时设置阻尼因数，但在操作期间不再改变它。

图3展示了与图2的包络检测器240相关联的各种信号的时序图300。在图3中，横轴以纳秒(ns)为单位表示时间，而纵轴以伏特(V)为单位表示振幅。在时序图300中，功率放大器220的输出的正分量310被示出并且被添加到功率放大器220的输出的负分量320。整流器240阻断每个正弦波的负半周期，并且结果是仅具有非常少量纹波的信号330，这要归功于ESD钳位器提供的滤波，并且其平均或“DC”电压表示通过谐振网络230传输到输出电感器/天线235的能量。数字状态机255控制谐振网络230以连续增加信号330的DC电压。

图4展示了图2的天线调谐电路250的操作的曲线图400。在图4中，横轴表示被称为“微调代码”的调谐信号的值，而纵轴表示以V为单位的振幅。波形410示出了针对微调代码的各种值的包络检测器240的输出电压。如图4所示，波形410具有示出为“最佳电压点”的点，天线调谐电路250试图通过改变微调代码的值来找到该点。由于微调代码不同于与最佳电压点相邻的离散值，因此包络信号的电压会降低。

图5展示了根据本公开的各个实施方案的示出调谐由图2的天线调谐电路250使用的天线的方法500的流程图。当在动作框510中启用NFMI电路块时方法500开始。

天线调谐电路250在子流程520中被初始化。在动作框521中，数字状态机255通过将微调代码设置为存储在查找表中的默认微调代码来设置能够调谐的电阻器234的电阻。在示例性实施方案中，此后能够调谐的电阻器234的电阻在操作期间保持在其默认值，因为该电阻的最佳值在操作期间不会显著变化。数字状态机255还根据微调代码的中间范围值设置能够调谐的电容器233的初始电容。在动作框522中，数字状态机255测量ADC 254输出处的电压作为值V(t₀)，其中t₀是微调代码在其范围中间处的值。在动作框523中，数字状态机255将微调代码增加一个增量，例如二进制1。在动作框524中，数字状态机255测量ADC254输出处的电压作为值V(t0+1)，其中t0+1是微调代码的值加上一个增量。

然后，决策框530评估V(t0+1)是否大于V(t0)。此评估确定微调代码沿图4的波形410的位置。

如果V(t0+1)不大于V(t0)，则微调代码将包络信号的电压沿图4的波形410置于最佳电压点的右侧，并且流程进行到子流程540。在动作框541中，微调代码被重置为中间范围值。然后在动作框542中，微调代码减少了预定的停止大小，如将微调代码减少1个二进制。在动作框543中，数字状态机255测量ADC 254输出处的值，即V(n-1)的值。然后，决策框544评估V(n-1)是否大于V(n)。如果是，则微调代码仍然将包络信号的电压置于最佳微调代码的右侧，并且流程返回到带有542的动作框，其中n递减预定量，如二进制1。然而，如果不是，则在动作框545中，确定V(n)的值以将包络信号置于最佳电压电平处，并且将V(n)的值存储在数字状态机255的调谐寄存器中，并且流程进行到动作框560。

如果V(t0+1)大于V(t0)，则微调代码将包络信号的电压沿图4的波形410置于最佳电压点的左侧，并且流程进行到子流程550。在动作框551中，V(n)设置为V(t0+1)，微调代码增加增量值。然后在动作框552中，数字状态机255测量ADC 254输出处的值，即V(n+1)的值。然后，决策框553评估V(n+1)是否大于V(n)。如果是，则微调代码仍然将包络信号的电压置于最佳电压电平的左侧，并且流程返回到带有551的动作框，其中微调代码递增预定量，如二进制1。然而，如果不是，则在动作框545中，确定V(n)的值以将包络信号置于最佳电压电平处，并且将V(n)的值存储在数字状态机255的调谐寄存器中，并且流程进行到动作框560。

在动作框560中，通过在动作框522处恢复，电压测量和调整流程继续进行另一次迭代，其中V(t0)被设置为等于V(n)的当前值。此过程在操作期间连续重复而不影响通信。

上文所公开的主题应被视为示例性的而非限制性的，并且所附权利要求书旨在涵盖落在权利要求书的真实范围内的所有此类修改、增强和其他实施方案。例如，近场发射器和方法可用于NFMI信号对其有利的各种产品，包括助听器、入耳式音频设备等。除了公开的PCM和OQPSK之外，近场发射器和方法可与各种调制方案一起使用。在所公开的实施方案中，能够编程的电抗元件是能够调谐的电容器，但在其它实施方案中，可使用能够调谐的电感器。包络检测器可使用如PN结二极管等专用部件来实施或者可利用现有部件来检测NFMI信号的包络。此外，找到微调代码的最佳值的方法可不同于本文所公开的方法。

在一种形式中，近场发射器包括功率放大器，该功率放大器具有用于接收通信信号的输入和用于提供差分输出信号的输出；谐振网络，该谐振网络耦合到该功率放大器的该输出并且具有由调谐信号调谐的能够调谐的电抗元件；包络检测器，该包络检测器耦合到该功率放大器的该输出以响应于该差分输出信号而提供包络信号；以及天线调谐电路，该天线调谐电路用于响应于该包络信号而调整该调谐信号。

根据一方面，能够调谐的电抗元件包括能够调谐的电容器，该能够调谐的电容器具有耦合到该功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到该功率放大器的第二输出的第二端子和用于接收该调谐信号的第一分量的调谐输入，并且谐振网络进一步包括电感器，该电感器具有耦合到功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到功率放大器的第二输出的第二端子。根据此方面，谐振网络进一步包括能够调谐的电阻器，该能够调谐的电阻器具有耦合到功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到功率放大器的第二输出的第二端子和用于接收调谐信号的第二分量的调谐输入。

根据另一方面，天线调谐电路包括数字状态机，该数字状态机具有耦合到包络检测器的输出的输入和耦合到能够调谐的电抗元件的调谐输入的输出，其中数字状态机连续地调整输出以使包络信号最大化。根据一方面，数字状态机通过分压器和模数转换器耦合到包络检测器的输出，该模数转换器耦合到分压器以向数字状态机的输入提供表示包络信号电压的数字信号。

根据又另一方面，通信信号包括音频信息。

根据仍另一方面，使用脉冲编码调制(PCM)调制通信信号。在这种情况下，可使用偏移正交相移键控(OQPSK)调制来进一步调制通信信号。

在另一种形式中，用于使用近场通信发射信号的近场发射器包括调制器，该调制器具有用于接收通信信号的输入和用于向第一集成电路端子和第二集成电路端子提供差分输出信号的输出；功率放大器，该功率放大器具有耦合到调制器的输出的输入和适于耦合到电感器的用于提供差分输出信号的第一输出和第二输出；能够调谐的电抗元件，该能够调谐的电抗元件耦合在功率放大器的第一输出与第二输出之间，该功率放大器的电抗由调谐信号调谐；包络检测器，该包络检测器耦合到功率放大器的输出以响应于差分输出信号而提供包络信号；以及天线调谐电路，该天线调谐电路用于响应于包络信号而调整调谐信号。

根据一方面，通信信号包括音频信息。

根据另一方面，使用脉冲编码调制(PCM)调制通信信号。在这种情况下，可使用偏移正交相移键控(OQPSK)调制来进一步调制通信信号。

根据又另一方面，近场发射器进一步包括能够调谐的电阻器，该能够调谐的电阻器具有耦合到功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到功率放大器的第二输出的第二端子和用于接收调谐信号的第二分量的调谐输入。

因此，在法律所允许的最大范围上，本发明的范围将由对所附权利要求及它们的等同物的最广泛的可允许的解释来确定，并且不应受到前文详细描述约束或限制。

Claims (10)

1.一种近场发射器，所述近场发射器包括：

功率放大器，所述功率放大器具有用于接收通信信号的输入和用于提供差分输出信号的输出；

谐振网络，所述谐振网络耦合到所述功率放大器的输出并且具有由调谐信号调谐的能够调谐的电抗元件；

包络检测器，所述包络检测器耦合到所述功率放大器的输出以响应于所述差分输出信号而提供包络信号；以及

天线调谐电路，所述天线调谐电路用于响应于所述包络信号而调整所述调谐信号。

2.根据权利要求1所述的近场发射器，其中所述谐振网络包括：

所述能够调谐的电抗元件包括能够调谐的电容器，所述能够调谐的电容器具有耦合到所述功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到所述功率放大器的第二输出的第二端子和用于接收所述调谐信号的第一分量的调谐输入；以及

电感器，所述电感器具有耦合到所述功率放大器的第一输出的第一端子、耦合到所述功率放大器的第二输出的第二端子。

3.根据权利要求2所述的近场发射器，其中所述天线调谐电路包括：

数字状态机，所述数字状态机具有耦合到所述包络检测器的输出的输入和耦合到所述能够调谐的电抗元件的调谐输入的输出，其中所述数字状态机连续地调整输出以使所述包络信号最大化。

4.根据权利要求1所述的近场发射器，其中所述包络检测器包括：

整流器，所述整流器具有耦合到所述功率放大器的输出的输入和用于提供所述包络信号的输出；以及

钳位器，所述钳位器耦合到所述整流器的输出，以钳位所述整流器的输出上的电压，

其中所述整流器由多个静电放电保护二极管形成。

5.一种近场发射器，用于使用近场通信发射信号，所述近场发射器包括：

调制器，所述调制器具有用于接收通信信号的输入和用于向第一集成电路端子和第二集成电路端子提供差分输出信号的输出；

功率放大器，所述功率放大器具有耦合到所述调制器的输出的输入和适于耦合到电感器的用于提供差分输出信号的第一输出和第二输出；

能够调谐的电抗元件，所述能够调谐的电抗元件耦合在所述功率放大器的所述第一输出与所述第二输出之间，所述功率放大器的电抗由调谐信号调谐；

包络检测器，所述包络检测器耦合到所述功率放大器的所述输出以响应于所述差分输出信号而提供包络信号；以及

天线调谐电路，所述天线调谐电路用于响应于所述包络信号而调整所述调谐信号。

6.根据权利要求5所述的近场发射器，其中：

所述调制器、所述功率放大器、所述能够调谐的电抗元件、所述包络检测器和所述天线调谐电路组合在单片集成电路上，并且所述电感器在所述单片集成电路的外部。

7.一种调谐无线电发射器的方法，所述方法包括：

在载波频率下形成通信信号；

放大所述通信信号的功率，并且响应于所述放大而形成差分输出信号；

向具有能够调谐的电抗元件的谐振网络提供所述差分输出信号；

对所述差分输出信号进行整流以提供整流信号；

确定所述整流信号的水平；以及

将所述能够调谐的电抗元件的值调整到所述整流信号的最佳振幅。

8.根据权利要求7所述的方法，其中对所述能够调谐的电抗元件的值的调整包括：

将所述值设置为初始量；

测量所述整流信号的初始电压；

将所述值增大到第二量；以及

测量所述整流信号的后续电压；

将所述后续电压与所述初始电压进行比较；以及

响应于所述比较而确定最佳值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中如果所述后续电压小于所述初始电压，则对所述能够调谐的电抗元件的值的调整进一步包括：

重复地减小所述能够调谐的电抗元件的值，直到所述整流信号的下一电压小于所述整流信号的当前电压为止；以及

将所述值设置为对应于所述整流信号的所述当前电压的量。

10.根据权利要求8所述的方法，其中如果所述后续电压大于所述初始电压，则对所述能够调谐的电抗元件的值的调整进一步包括：

重复地增大所述能够调谐的电抗元件的值，直到所述整流信号的下一电压小于所述整流信号的当前电压为止；以及

将所述值设置为对应于所述整流信号的所述当前电压的量。

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