CN1834983A

CN1834983A - 用于非接触智能卡的定量调制技术及电路实现

Info

Publication number: CN1834983A
Application number: CN 200510053852
Authority: CN
Inventors: 周建锁; 刘华茂
Original assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Current assignee: Beijing CEC Huada Electronic Design Co Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-20

Abstract

本发明提出了应用于非接触智能卡的一种定量调制技术，然后给出了电路实现形式。非接触智能卡与读写设备之间通信时，卡片内部需要发生负载调制，调制信号的强弱反映了卡片发出信号的质量。当卡片在不同强度的磁场中工作时，为了保证读卡机具能够正确接收卡片发出的信号，对卡片调制信号的最小幅值要求会有所不同，在弱场强下对调制深度的幅值要求要大。本发明提出的方法在基于定量设计的基础上达到定量调制的目的，也就是说所设计的调制深度值只要在远场情况下符合要求，那么在近场情况下也会符合要求，这将使得非接触智能卡的调制电路设计更为简单。

Description

用于非接触智能卡的定量调制技术及电路实现

技术领域

本发明是一种用于非接触智能卡调制器设计的技术，其特点是调制深度具有定量的性质，其实现电路有多种。定量设计方法使得设计更加容易，在工作场强范围内，只需保证远场调制深度满足正常通信要求，那么近场调制深度一定会满足要求。

背景技术

非接触智能卡在人们生活中已经得到了大量应用，并将得到更广泛应用。非接触卡工作时所需的电源是通过其天线线圈与读卡器天线线圈耦合感应到能量，并进行整流和稳压实现的。非接触智能卡的射频模块的主要功能有：电源模块、时钟模块、解调模块、调制模块，以及上电复位和掉电保护模块。非接触智能卡的调制模块的功能是：在卡片接收到读卡机具发出的指令后，进行相应的操作，并将操作结果信息发送给读卡机具。在卡片向读卡机具返回信息时，需要对返回信息以某种副载波方式进行编码，然后对读卡器天线发出的通信用载波信号进行调制。调制动作发生后，卡片线圈两端的电压信号和电流信号会发生变化，读卡机具天线会感应到这种变化，并将其解调出来，恢复卡片返回的信息。在卡片调制过程中，其线圈两端的电压信号中的副载波频率点上信号的峰值，称之为副载波调制深度幅值，它可以通过利用示波器测量线圈两端电压信号并进行相应的FFT变换得到，对于封装好的卡片，也可以通过间接的感应方式测量和计算得到(比如ISO/IEC 10373-6叙述的方法)。

副载波调制深度的大小，将影响读卡机具接收信号的质量。一般来说，对于不同的工作场强，读卡机具能够接收到卡片发出信号所需的最小副载波调制深度与工作场强成反比，例如，ISO/IEC 14443-2的Type A和Type B协议规定卡片的最小调制深度幅值为30/H^1.2mVpeak，也就是说，卡片在远场工作情况下所需要的最小调制深度幅值最大。这样，对于提出的定量调制方法，在设计时，只要保证满足远场调制深度幅值要求，那么在有效的工作场强内，其调制深度幅值都会满足要求，保证通信质量，从而简化了设计。

发明内容

本发明的目的是研究一种设计简单、保证通信质量的用于非接触智能卡的定量调制技术。利用该技术，只需定量地设计满足远场工作场强临界点要求的调制深度值，那么在从远场到近场的整个工作场强范围内，卡片的调制深度都会满足通信要求。

本发明中提到的调制深度指的是：

d＝|(V_pp1-V_pp2)|/2 (1)

其中，d为调制深度，单位为伏特(V)；V_pp1为卡片在读卡器天线发射的磁场中工作但没有调制情况下线圈L_A和L_B两端的电压信号峰峰值，单位为V；V_pp2为卡片在读卡器天线发射的磁场中工作并且有调制情况下线圈L_A和L_B两端的电压信号峰峰值，单位为V。V_pp2或者小于，或者大于V_pp1，因此在公式(1)中取了绝对值。

利用本发明设计出的非接触智能卡，在工作场强H范围内(从远场到近场)，其调制深度d的理论值是不变的。

电路实现

利用电路实现本发明提出的定量调制技术，至少需要利用一个调制电路和一个调制深度定量控制电路(见图1～2)，其中后者由调制深度检测电路、电压比较电路和调制深度调节电路构成，如图3所示。调制电路的作用是利用编码后的副载波对载波信号进行负载调制，从而将卡片信息发送出去；调制深度定量控制电路的功能是，检测调制前后卡片天线两端L_A和L_B的电压信号幅值，并进行比较，如果超出设定值d，则通过直接或者间接改变调制负载的方式进行调制深度调节，从而使得卡片在有效的工作场强范围内的调制深度值d保持在设定值上。

调制电路的实现有4种方式，分别叙述如下：

a).采用电阻负载进行调制，电阻位于L_A和L_B端，与谐振电容并联(见图1)。这种方式通过增大或减小电阻负载值，改变卡片的品质因数，从而改变L_A和L_B端的电压信号，最终达到调制的目的。这种调制方式下，L_A和L_B端电压对调制动作的响应速度快，L_A和L_B端的副载波调制轮廓信号接近于理想的方波，但是可能有一定的上升和下降时间；

b).采用电阻负载进行调制，电阻位于V和GND端，与储能电容并联(见图2)。其工作原理与a)相同，但是L_A和L_B端电压对调制电路的响应速度较慢，副载波调制轮廓信号的上升时间和下降时间较长，甚至能够接近正弦波信号；

c).采用电容负载进行调制，电容位于L_A和L_B端，与谐振电容C并联，且位于芯片内部。这种方式通过增大或减小电容值，改变卡片的谐振频率，从而改变L_A和L_B端的电压信号，最终达到调制的目的。这种方式的响应速度较快，L_A和L_B端的副载波调制轮廓信号与a)相似；

d).采用电感负载进行调制，电感位于L_A和L_B端，与谐振电感L串联，并且在芯片的外边。这种方式通过增大或减小电感值，改变卡片的谐振频率，从而改变L_A和L_B端的电压信号，最终达到调制的目的。这种方式的响应速度较快，L_A和L_B端的副载波调制轮廓信号与a)相似。

几点说明

1.本发明的关键点体现在“定量”上，由于利用了调制深度定量控制电路，使得设计简单，性能能够得到保证；

2.上面叙述的4种电路实现方式都是可行的，但是对于调制电路，一般选用电阻或者电容负载调制；

3.调制前后的L_A和L_B端的副载波调制轮廓信号可能为方波，也可能为具有一定上升和下降时间的方波信号，如果响应速度慢的话，也可能出现类似正弦波的信号，但是调制深度值d应该是一定的；

4.由于调制前后负载的变化不同，L_A和L_B端的调制深度可能是向里凹的，也可能是向外凸的；

5.本发明的主要特征是所设计的调制深度值d在有效的工作场强范围内是一个定值，但实际测量值会在一定范围内波动。主要原因如下：

a).对于同一张卡片，在不同的工作场强下，芯片寄生电路的影响会有所不同，调制深度定量控制电路的特性也会发生一些变化，因此在不同的场强下同一张卡片的调制深度实际测量值会在一个范围内波动；

b).采用相同工艺和相同电路的不同卡片，由于用到的元器件参数会在一个范围内变化，因此在相同的工作场强下，不同的卡片的调制深度测量值会在一个范围内波动；

c).当卡片在不同的温度下工作时，也会影响电路器件参数，从而影响调制深度值；

d).尽管调制深度d的实际测量值会在一个范围内波动，但波动范围一般不超出(1±10％)d。而不采用定量调制技术的非接触智能卡的调制深度在有效的工作场强范围内会在很大范围内波动。

6.如果定量调制要达到良好的效果，还需要非接触智能卡内部其它部分电路与之相协调，尤其是要有良好的稳压电路，以及芯片内部功耗均衡技术。

附图说明

图1～2是具有定量调制技术的非接触智能卡电路简图。图中模块II中定量调制电路模块是实现本发明的关键；此外，模块I是谐振电路；模块III是整流桥电路；模块IV是稳压滤波电路；模块V是完成一个非接触卡功能需要的其它电路部分，包括时钟提取及处理电路、解调电路、复位电路、编码解码电路、数字电路、存储器(ROM，RAM和/或EEPROM)等电路模块，本专利只涉及模块II。图中，器件L表示卡片线圈电感，R表示调整谐振电路Q值的电阻，其中包括电感线圈电阻，C表示用于与L一起构成谐振电路的电容，Z表示电压调节电路，C1表示电源上的储能电路；信号L_A和L_B表示谐振电容两端节点，V和GND分别表示整流桥输出的电压和地节点，MOD表示数字电路输出的调制信号。

图3是调制深度定量控制电路结构简图，包括调制深度检测电路、电压比较电路和调制深度调节电路三部分。

图4～9是采用不同的调制电路情况下卡片L_A和L_B端电压可能的波形，其共同特征是调制深度d相同，不同的特征是L_A和L_B端电压信号对调制动作的响应速度不同，因此导致调制后的副载波调制轮廓信号形状有很大差别。需要说明的是，图4～9中，副载波调制信号频率是载波信号频率的1/16，也可能是1/8，或者是1/4。

Claims

1.本发明是一种用于非接触智能卡的调制技术，其特征是调制深度d在理论上是定量的，即在有效的工作场强范围内，d为常值；

2.根据权利要求1所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是在卡内有一个调制电路和一个调制深度定量控制电路；

3.根据权利要求2所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是它的调制电路负载可以是1)电阻负载，2)用于调整谐振频率的电容负载，3)用于调整谐振频率的线圈电感负载；

4.根据权利要求2所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是它的调制深度定量控制电路主要由一个调制深度检测电路、一个电压比较电路和一个调制深度调节电路构成；

5.根据权利要求1～3所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是电阻负载与调制控制开关电路串联，之后或者与用作谐振的电容并联，或者在整流桥电路后面与电源储能用的电容并联；

6.根据权利要求1～3所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是负载调制用电容与调制控制开关电路串联，之后与用作谐振的电容并联；

7.根据权利要求1～3所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是用作调制的电感与用作谐振的电感串联，调制控制开关电路与用作调制的电感并联，并且用作调制的电感与用作谐振的电感均在芯片的外部，调制控制开关电路在芯片内部；

8.根据权利要求1～7所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是在有效的工作场强范围内，卡片谐振电容两端电压波形在调制前后的轮廓为方波、或者正弦波、或者介于方波与正弦波之间，这由调制电路的响应速度及其对谐振电路品质因数Q(对应于权利要求5的负载调制)或者电路谐振频率(对应于权利要求6和7的负载调制)的影响速度决定。轮廓介于方波与正弦波之间的调制电路容易实现；

9.根据权利要求1～7所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是在有效的工作场强范围内，卡片谐振电容两端电压峰峰值在调制时可以低于没有调制时的电压峰峰值，也可以高于没有调制时的电压峰峰值，也就是具有凹入或者凸出特征；

10.权利要求1～9所述的用于非接触智能卡的定量调制技术，其特征是所设计的调制深度理论值d是一定的，但由于工艺偏差、温度变化、芯片结构及功能差异等因素影响，其实际测量值会在一定范围内波动。