CN1200213A - 使用电源信号采样的无线供电通信装置和方法 - Google Patents

Abstract

通过从该电源线圈(18)得到一个时钟信号,然后按照得到的采样时钟频率对该数据线圈(20)信号进行采样,一个在无线供电的通信装置中用于数据恢复的电路(34)避免了在现有技术诸装置中对价格昂贵的电源滤波器的需求。从该电源信号得到一个时钟信号的步骤使得呈现于该数据信号之上的该电源信号成分被当作直流成分,很容易通过一个低阶的高通或带通滤波器(38)把它滤除。而且,该数据信号可以被放大到一个所需的电平,以便适于用一个具有迟滞的简单的比较器电路(40)来进行幅度鉴别。使用一个数字解调器(32)就能很容易地完成该数据信号的解调。

Description

使用电源信号采样的无线供电通信装置和方法

本发明一般地涉及无线供电通信装置，特别地涉及将电源信号采样用于数据采样的无线供电通信装置。

智能卡，从外观上和感觉上来说很像通常的信用卡，含有用于传送、处理和存储信息的电路。智能卡有许多用途，但主要地应用于金融交易。智能卡存储了一个随着每一笔交易而记入贷方/借方的资金平衡表。智能卡的其他用途还有用于雇员的身份证，等等。

为了在智能卡与读卡器之间提供通信功能，各种智能卡都在其表面上贴上金属化的边条，用以在卡内电路与读卡器之间提供一条直接的连接通路。用这样的安排去作一笔交易，该卡被插入到读卡器的受纳槽中，一般使读卡器的探头跟金属化的边带相接触。读卡器经由该金属化边带向该智能卡提供一个受控的和经过滤波的电源以及数据信号。

向该智能卡提供金属化边带的好处是可以向该智能卡传送非常纯净的、经过滤波和分离的电源与数据诸信号。这就保证了良好的工作。然而，存在的一个缺点是，该卡必须跟该读卡器发生接触，即：该金属化边带必须跟读卡器的探头发生接触。在一种改进的安排中，对该智能卡作了修改，使其以一种“无接触”方式进行工作。

无接触式智能卡已经成功地被提出和实现。通过读卡器对无接触式智能卡进行远隔供电和通信。典型地，通过一个高频信号向该智能卡供电，并通过另一个频率，最好是直接从该电源信号分频得到的频率，提供数据载频信号。采用这样的安排，用户只要简单地将该智能卡放到靠近读卡器的位置就能进行一笔交易。只需将该卡放到离读卡器10或15厘米(cm)的范围以内。使用两个已调谐的谐振电路，以电感方式将电源与数据诸信号从该读卡器耦合到该卡。该电源耦合频率最好是未经调制的并且在频谱上是纯净的，以免对工作于邻近频带的任何电子设备产生电气干扰。该数据载频频率是该电源耦合频率的一个约数，并且用一种适当的调制技术，例如幅移键控(ASK)，加以调制。在该卡和该读卡器双方，都用一个电感器或线圈将该数据载频耦合到该卡。此外为了避免干扰，要将该数据载频信号电平保持在一个很低的电平上。

各种无接触式智能卡存在的一个问题就是如何从该数据载频中恢复该数据信号。因为电源信号跟数据信号相比，在数值上要大很多，所以，有一个显著的电源信号成分呈现于该数据线圈之上。为了精确地恢复该数据信号，必须去除这个电源信号成分。而且，通过对该电源信号进行整流和滤波来产生电源供应，必然导致在该电源上出现实质上的电源信号频率成分，这就需要一个具有良好的电源频率抑制能力的数据载频恢复电路。

一个先前提出的对这个问题的解决方案需要使用一个高阶滤波器，由于该电源与数据诸信号在频率上彼此靠近，所以，为了恢复该数据信号，需要多个极点的滤波以及高的滤波器增益。在这个方案中，首先对该数据载频信号进行滤波，以去除干扰的电源信号。然后，对该数据载频信号进行限幅，以便检出该数据。还有，为了获得必要的信号抑制和增益，这个方案需要昂贵的精密模拟元件以实施滤波以及多级的滤波和放大。而且，因元件数目较多，要消耗相当可观的功率，这就缩短了该装置能有效使用的离开读卡器的距离。其结果是，所提出的解决方案在各种智能卡装置中并不适用。

已提出的另一个解决方案使用混频器，用以将该输入信号跟处于该数据载频频率的一个时钟信号进行混频。然后对该混频信号进行滤波和放大以恢复该数据。这个方法通过降低所需的滤波衰减度，在使用多极点滤波器以及多级放大器方面作了改进。但着眼于在固有的电源信号噪声(的背景)下如何精确地恢复该数据信号，仍然需要对这个问题提出一个有效的解决方案，而在智能卡技术中，这个问题是很容易解决的。

图1是表示根据本发明的一个优选实施例的一个无线供电通信装置以及一个无线供电通信装置读出器的方框图。

图2是根据本发明的一个优选实施例的一个采样电路的方框图。

图3是图2所示的采样电路的传递函数表示。

图4是说明图2的采样电路的频率响应特性的曲线图。

本发明通过从该电源信号中得到一个时钟信号，随后用该得到的采样时钟信号对该数据信号进行采样，避免了对现有技术中价格昂贵的电源滤波器的需求。从该电源信号得到一个时钟信号的步骤使得呈现于该数据信号之上的该电源信号成分被当作直流成分，用一个低阶高通或带通滤波器就能很容易地把它滤除。而且，该数据信号可以被放大到所需电平，以便适于用一个具有迟滞的简单的比较器电路来进行幅度鉴别。该数据信号很容易地在数字域中完成解调。

本发明按照一个优选实施例来加以说明，该优选实施例适于在一个用于无线供电通信装置的单片低功率数据恢复电路中实现。人们不难理解，本文所述的优选实施例是为了用于说明而不是作为一种限制，此外，本发明还可以应用于其他方面。

参考图1，该图以方框图的形式示出了一个无线供电通信装置10以及相邻的装置读出器12。装置读出器12具有常见的设计和功能，它包括一个电源线圈14以及一个数据线圈16，用于向装置10提供一个电源载频信号以及一个数据载频信号。装置10包括电源线圈18和数据线圈20，用以分别地接收该电源和数据载频信号。装置10还包括一个电源电路22，后者具有一个整流器24和一个电压调整器26，以便向装置10提供直流电压源28。跟电源线圈18连接的是一个时钟发生器/分频器电路30，它把一个时钟信号输出到数字解调电路32以及数据载频恢复电路34。时钟电路30适于从电源信号中恢复时钟信号。最好通过用一个倒相器简单地对电源线圈18的输出进行缓冲，以产生采样时钟信号44。然而，在某些实例中，首先对该电源线圈输出频率进行分频，然后用该电源信号的分频产物对该数据线圈的输出进行采样，这可能是更有利的。这样一来，可以进一步地降低功耗。

数据恢复电路34包括采样电路36，它被连接到滤波与放大电路38以及比较器40。采样电路36、滤波器38以及比较器40中的每一个都接收该时钟输出信号。比较器40的输出被连接到数字解调电路32，后者提供原始的已恢复的数据信号42的输出。

该电源信号在读卡器里面产生，并且通过线圈18以电感方式耦合到该装置10。在线圈18上的电源信号经过整流器24进行全波整流，然后由调整器26调整到供电电压28。如上所述，通过时钟电路30从线圈18所接收到的电源信号中产生一个采样时钟频率44，并把它传送到采样电路36、滤波器38以及比较器40。采样电路36按照时钟频率44对处于该电源信号频率的该数据信号进行采样。由于该数据信号的采样频率来源于该电源信号，所以呈现于数据线圈20所接收到的数据信号之上的电源信号成分被当作直流成分，并且用滤波器就能很容易地把它滤除。因此，滤波器38最好是一个低阶的高通滤波器或带通滤波器。

该采样电路36的一个有效实施例示于图2。该电路包括诸放大器210和212，它们跟开关电容网络214互连，以便产生双二阶带通响应。开关电容网络214包括诸电容器216-234以及诸开关236-266。采样电路36的等效的S域传递函数以方框图的形式示于图3，即： $\mathrm{Out}=\mathrm{In}\left[\frac{\mathrm{sA}}{s^2+\mathrm{BAs}+\mathrm{CA}}\right]$

图2所示的该电路的Z域传递函数为： $T\left(z\right)=\frac{(-\mathrm{DJ}+{\mathrm{DJz}}^{-1})}{[D(F+B)+{(\mathrm{JC}-\mathrm{DF}-2\mathrm{DB})z}^{2-1}+\mathrm{DB}{z}^{-2}]}$

在采用优选的元件数值的条件下，该传递函数为： $T\left(z\right)=\left(\frac{{-1.6487+1.6487z}^{-1}}{1+{7.66838z}^2}\right)$ 采样电路36实际上对该电源信号成分提供完全的抑制作用，同时也对有用的数据信号提供放大作用。该电路对直流成分提供的传输系数为零，并且产生一个直流成分为零的输出电压。一个完全差动的信号处理电路被用来使该电路对电源频率的抑制能力最大化，并且充分地抑制可能在调整器26中出现的任何残留的电源信号成分。

开关电容器的元件数值被这样选择，以便产生一个以该载频频率为中心的二阶带通滤波器响应。3分贝带宽被设置为等于该数据速率的4倍，以便产生一个等于6的Q值，并且向该数据载频提供大约20分贝的放大。该电路的增益响应示于图4。在构成该带通拓朴时，既要使施加于该有用数据信号的增益最大化，又要使输出的直流电平最小化或变为零。因此，该带通滤波器结构提供了这样一种能力，即：跟使用高通滤波器响应时相比，它能更有效地提供增益。由于带通滤波器响应能抑制高频噪声，所以这也是它受到优选的原因。

进一步地参考图2，在该采样时钟的一个相位内，该数据线圈所接收到的信号首先被采样到诸输入电容器216和218。图2所示的诸开关代表由一个具有相位1(1)和相位2(2)的二相时钟驱动的扳钮开关。在一个优选实施例中，使用了专业人士所熟知的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。因为该采样时钟信号44来源于该电源信号，所以该采样时钟同步于出现在该数据信号之上的电源信号成分。因而，每一个采样点都是在该电源信号成分的每一个周期的同一相位处采集的。其结果是，输入的电源信号成分被转换为一个恒定的直流电平，并通过滤波器38进行滤波。对许多应用来说，采样电路36的性能跟该采样时钟与出现在该数据线圈输出端的该电源信号成分之间的相位关系无关。然而，为了在甚高速应用中实现最优的性能，人们可以随意地引入一个相位调整电路，用以调整该采样时钟的相位，使得诸采样点都是在该电源信号成分的锯齿波处于最低点时获得的。而且，人们还可以调整该采样时种的相位，以便选择在该电源信号对该电压28的干扰为最小时去获得采样点。请注意在图2所示的配置中，当在该数据线圈输出端对该信号进行采样时，在输入采样路径中并没有安置放大器。这就有利地降低了该电路所使用的放大器的带宽要求。

在已经完成对该数据信号的采样之后，该采样的数据信号被传送到积分放大器210进行放大。像人们所看到的那样，放大器210被设计成在其输出端产生一个零直流成分。通过将放大器210的输出连接到自调零积分放大器212，就能产生一个零直流成分的输出。在1989年1月31日公布的共同转让的美国专利号4802236中，展现和描述了一个积分放大器的自调零结构，该专利所公开的内容已作为参考文献被收入本文。在稳态工作时，输送到积分放大器212输入端的平均直流电平必须等于零。由于积分放大器212唯一的直流输入就是放大器210的输出，所以放大器210的平均直流输出电平也必须等于零。

经过信号处理之后，已进行ASK调制，即：按照该二进制数据的状态，在开和关两种状态之间对载频幅度进行切换，的数据信号，由比较器40进行幅度鉴别。在一个优选实施例中，用载频信号的存在代表二进制1，而用载频信号的缺失代表二进制0。比较器40被设计成具有一个预定的迟滞(hysteresis)电平，该电平被设置为介于该噪声电平与该载频幅度电平之间。当接收到一个已调制的二进制1时，比较器40的输出将按照数据载频的速率发生反转，当接收到一个二进制0时，它将停止反转。正如专业人士熟知的那样，所得到的结果信号在数字解调器32中很容易地被数字解调，以便恢复原始的源数据流。若使该迟滞电平变为可编程的，通过提供自动增益控制以进一步地增加装置10的工作范围，这可能是更胜一筹的。在已经讨论过ASK调制之后，应当明白，本发明也适用于任何的调制类型。

本发明的一个优选实施例已经在以上的详细描述中作了说明，并且在附图中作了图解，但本发明并不局限于此，它仅由所附的权利要求书的范围和精神实质加以限定。

Claims (10)

1.一个无线供电的通信装置，其中一个接收设备向该装置以第一频率提供一个电源信号，以第二频率提供一个数据信号，该装置被调适以接收这些信号，从该数据信号中恢复数据的方法包括下列诸步骤：

按照从第一频率得到的用以提供一个采样信号的一个采样频率对该数据信号进行采样。

对该采样信号进行滤波，以提供一个滤波信号；以及

对该滤波信号进行解调，以提供一个输出数据信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中按照该采样频率对该数据信号进行采样的步骤包括：

从该第一频率产生一个时钟信号；以及

按照该时钟信号的频率对该数据信号进行采样，以提供该采样信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其中对该数据信号进行采样的步骤包括：

将该数据信号传送到一个同步于该时钟频率的采样电路。

4.一个无线供电的通信装置，包括：

接收一个电源信号并由此产生一个电源的装置；

连接该电源信号以产生一个时钟信号的装置，时钟信号的频率由该电源信号得到；

接收一个数据信号的装置；

按照该时钟信号频率对该数据信号进行采样以产生一个采样信号的装置；以及

从该采样信号中恢复数据的装置。

5.根据权利要求9所述装置，其中对数据信号进行采样的装置还包括对该采样信号进行滤波和放大的装置。

6.根据权利要求9所述装置，其中对该采样信号进行采样的装置包括一个开关电容采样电路。

7.一个无线供电的通信装置包括：

一个适于接收电源信号的电源线圈，该电源线圈被连接到一个整流器和一个调整器，以提供一个直流电源；

一个连接于该电源线圈的时钟电路，该时钟电路适于按照从该电源信号得到的频率提供一个时钟信号；

一个适于接收数据信号的数据线圈；

一个采样电路，它被连接到该数据线圈以及该时钟电路，并且具有一个输出；

一个滤波器，它被连接到该采样电路的输出以及该时钟电路，并且具有一个输出；

一个幅度鉴别器电路，它被连接到该滤波器的输出端，并且具有一个输出；以及

一个数字解调器，它被连接到该幅度鉴别器电路的输出端以及该时钟电路，并且具有一个输出。

8.根据权利要求17所述装置，其中该采样电路包括一个开关电容采样电路。

9.根据权利要求20所述装置，其中该开关电容采样电路包括至少一个自动调零放大器部件。

10.在一个适于接收具有电源信号频率的电源信号以及具有数据信号频率的数据信号的无线供电的通信装置中，一个从该数据信号中恢复数据的电路包括：

一个适于接收该数据信号的数据线圈；

一个连接于该数据线圈以及从该电源信号所产生的时钟信号的采样电路，并且其采样频率跟该电源信号频率有关，该采样电路具有一个输出；

一个连接于该采样电路输出端以及该时钟信号的滤波器。该滤波器具有一个输出；以及

一个连接于该滤波器输出端的解调电路。

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