TWI487309B - 具鎖相迴路控制之主動負載調製的近場通訊裝置、系統及其方法 - Google Patents

具鎖相迴路控制之主動負載調製的近場通訊裝置、系統及其方法 Download PDF

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Description

具鎖相迴路控制之主動負載調製的近場通訊裝置、系統及其方法
本公開總體上涉及近場無線通訊(NFC)，並且更具體地涉及用於進行使用鎖相環(PLL)控制的主動負載調製的NFC裝置。
以行動裝置為例，近場無線通訊(NFC)裝置正被結合進通訊裝置以方便使用這些通訊裝置進行日常交易。例如，不同於攜帶許多信用卡，這些信用卡所提供的信用訊息可以儲存在NFC裝置上。該NFC裝置簡單地輕觸信用卡終端，從而傳達信用訊息到該終端以完成交易。如另一示例，開票系統(諸如在公車或火車終端上使用的那些)可以簡單地將票價訊息寫入NFC裝置而非將票提供給旅客。旅客可以簡單地把NFC裝置輕觸閱讀器以搭乘公車或火車而不需要使用紙質票。
通常，NFC要求NFC裝置彼此存在於較近的距離內，以便他們相應的磁場可以交換訊息。典型地，第一NFC裝置發送或產生調製有諸如信用訊息或票價訊息的訊息的磁場。該磁場將該訊息感應地耦合到離第一NFC裝置鄰近的第二NFC裝置，這些訊息通過第二NFC裝置的天線接收。第二NFC裝置可以通過將它的相應訊息感應地耦合到第一NFC裝置的天線上來響應第一NFC裝置。
然而，在NFC領域中，產品越來越具有多樣性，尤其是在天線有效面積的方面。特別地，存在雖使用更小天線的解決方案的強烈需求。因此，儘管人們普遍希望與通常具有較大天線的傳統 裝置交互並且通過以這些較大天線定義的測試規格，但是NFC裝置被實現為具有越來越小的天線。
天線尺寸的差異通常導致小和大天線之間弱的磁場耦合，這抑制了從一個天線向另一個天線傳送能量的能力。當具有小天線的裝置嘗試使用負載調製發送時，該能量轉移問題在弱磁場中變得複雜。
另外，與響應訊號關聯的電壓可以根據第一和第二NFC裝置之間的距離而變化，這反過來改變這些NFC裝置之間的磁耦合。裝置之間大的距離通常引起所接收的響應訊號具有小的電壓，並且因此會在裝置之間引起弱的磁耦合。
當NFC裝置經歷弱的磁耦合時通常出現幾個問題。例如，當從第一NFC裝置發送的能量僅有一小部分被第二NFC裝置實際接收時，第二裝置變得難以從磁場中對自身供電。另外，弱磁場耦合會抑制NFC裝置進行負載調製的能力，這是因為第二NFC裝置可能只能夠影響由第一NFC裝置實際發送的總能量的一小部分。因此，第一NFC裝置識別的返回的淨有效能量可能較小。
因此，存在對即使在弱磁耦合存在的情況下也能夠彼此通訊的NFC裝置的需求。
本發明提供了一種無線通訊裝置，該無線通訊裝置包括：天線，被配置為接收磁場；恢復裝置，被配置為從磁場恢復時鐘；多工器，被配置為接收所恢復的時鐘和參考時鐘，並且基於無線通訊裝置的當前操作狀態輸出所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個；並聯調節器，被配置為通過主動地調製無線通訊裝置的阻抗來產生主動負載調製；鎖相環，被配置為接收所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個並且利用所接收的時鐘來控制主動負載調製；以及驅動器，被配置為通過調整天線兩端電壓的幅度來貢獻於主動負載調製。
優選地，該無線通訊裝置是目標近場通訊裝置。
優選地，該並聯調節器還被配置為基於與天線相關聯的負載來改變阻抗。
優選地，該並聯調節器還被配置為使用反饋機制增加負載以維持天線上的安全電壓電平。
優選地，該多工器被配置為在無線通訊裝置的當前操作狀態是目標的操作狀態時輸出所恢復的時鐘。
優選地，該多工器被配置為在無線通訊裝置的當前操作狀態是啟動器的操作狀態時輸出參考時鐘。
優選地，該鎖相環還被配置為在訊息包的發送和接收之間進行鎖定狀態和記憶模式之間的轉變。
優選地，該鎖相環在主動負載調製的發送期間工作在記憶模式，並且在所有其他時間工作在鎖定狀態。
優選地，該無線通訊裝置是目標射頻識別裝置。
本發明提供了一種無線通訊系統，該無線通訊系統包括：具有啟動器電路的第一無線通訊裝置，被配置為驅動第一天線以創造第一磁場；以及具有目標電路的第二無線通訊裝置，被配置為在第二天線接收第一磁場，從而從第一磁場恢復時鐘、基於所恢復的時鐘進行主動負載調製並且基於主動負載調製來驅動第二天線以創造第二磁場，其中第一無線通訊裝置還被配置為接收第二磁場和使用解調技術解調第二磁場。
優選地，該啟動器電路包括：解調器，被配置為解調第二磁場；第一鎖相環，被配置為合成正弦波；以及第一驅動器，被配置為將所合成的正弦波驅動到第一天線上以創造第一磁場，並且目標電路包括：恢復裝置，被配置為從第二磁場恢復時鐘；多工器，被配置為基於第二無線通訊裝置的當前操作狀態來輸出所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個；並聯調節器，被配置為通過主動地調製第二無線通訊裝置的阻抗來產生主動負載調製；第二鎖相 環，被配置為接收所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個並且利用所恢復的時鐘來控制主動負載調製；以及第二驅動器，被配置為通過調整第二天線兩端電壓的幅度來貢獻於主動負載調製。
優選地，該第一無線信裝置和該第二無線通訊裝置形成變換器。
優選地，該第一無線通訊裝置被配置為通過調整正弦波的電壓來創造第一磁場。
優選地，該第一無線通訊裝置被配置為使用電流感應功能來解調第二磁場。
優選地，該第一無線通訊裝置和該第二無線通訊裝置被配置為在存在強磁場和弱磁場的情況下使用主動負載調製進行通訊。
優選地，該第一無線通訊裝置和該第二無線通訊裝置具有弱磁耦合。
本發明提供了一種進行主動負載調製的方法，該方法包括：在無線通訊裝置接收磁場；從磁場恢復時鐘；基於無線通訊裝置的操作狀態將所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個輸入到位於無線通訊裝置內的鎖相環；基於無線通訊裝置的操作狀態將鎖相環置於鎖定狀態和記憶模式中的一個；調整由無線通訊裝置產生的電壓向量的至少一個特徵；基於所調整的電壓向量創造調製的磁場；以及貢獻於調製的磁場的驅動。
優選地，將鎖相環置於鎖定狀態和記憶模式中的一個包括：在調製的磁場的發送期間，通過使鎖相環開路來將鎖相環置於記憶模式；以及在其他時間將鎖相環置於鎖定狀態，使得鎖相環鎖定到所恢復的時鐘，其中鎖相環被配置為在處於記憶模式時記住所恢復的時鐘的相位和頻率。
優選地，該方法還包括通過反饋機制來加載位於無線通訊裝置上的天線以維持天線兩端的安全電壓電平，其中在磁場強時進行加載。
優選地，該方法還包括：將調製的磁場從無線通訊裝置發送至第二無線通訊裝置；以及在第二無線通訊裝置內使用電流感應功能來解調調製的磁場。
110‧‧‧第一NFC裝置
111‧‧‧第一訊息通訊
121‧‧‧第二訊息通訊
120‧‧‧第二NFC裝置
100‧‧‧NFC環境
200‧‧‧啟動器NFC裝置
218‧‧‧參考時鐘
202‧‧‧PLL
204‧‧‧DAC
206‧‧‧解調器
236‧‧‧啟動器發送訊號
238‧‧‧啟動器接收訊號
210‧‧‧負載調製器電阻
214‧‧‧恢復裝置
212‧‧‧聯調節器
208‧‧‧驅動器
216‧‧‧天線
234‧‧‧磁場
300‧‧‧調製向量
302‧‧‧未調製電流
304‧‧‧調製的電流
240‧‧‧天線
232‧‧‧驅動器
228‧‧‧解調器
226‧‧‧DAC
222‧‧‧PLL
230‧‧‧MUX
248‧‧‧參考時鐘
246‧‧‧目標恢復時鐘
224‧‧‧恢復裝置
242‧‧‧聯調節器
220‧‧‧目標NFC裝置
420‧‧‧鑒頻鑒相器
430‧‧‧電荷泵
440‧‧‧環路濾波器
450‧‧‧振盪器
460‧‧‧輸出訊號
400‧‧‧PLL
500‧‧‧方法
502~524‧‧‧步驟
參考附圖描述本公開的實施方式。在附圖中，相同參考數字指示相同或功能相似的元件。另外，參考數字最左邊的數位指示第一次出現該參考數字的附圖。
圖1示出了根據本公開的示例性實施方式的NFC環境的框圖。
圖2A示出了根據本公開的示例性實施方式的實現為NFC環境的一部的啟動器NFC裝置的框圖。
圖2B示出了根據本公開的示例性實施方式的實現為NFC環境的一部分的目標NFC裝置的框圖。
圖3示出了根據本公開的示例性實施方式的受限於主動負載調製的調製向量的圖形表示。
圖4示出了根據本公開的示例性實施方式的實現為NFC裝置的一部分的鎖相環(PLL)的框圖。
圖5是根據本公開的示例性實施方式的進行主動負載調製的示例性操作步驟的流程圖。
現將參考附圖描述本公開的實施方式。在附圖中，相似參考數字通常表示相同、功能相似和/或結構相似的要素。要素第一次出現的附圖由該參考數字中最左邊的數字指示。
下面的具體描述參考附圖來示出與本公開一致的示例性實施方式。在具體實施方式部分中對“一個示例性實施方式”、“示例性實施方式”、“實例示例性實施方式”的提及表示所描述的示例性實施方式可以包括特定的特徵、結構或特點，但是每個示例性實施方式可以不必包括該特徵、結構或特點。另外，這些短語不必指示相同的示例性實施方式。還有，當結合示例性實施方式描述特定的特徵、結構或特點時，不論是否明確描述，可使這些特徵、結構或特點與其他示例性實施方式相結合，這在相關領域的技術人員的知識範圍內。
本文中描述的示例性實施方式為了說明的目的提供，而非在於限制。其他示例性實施方式是可能的，並且在本公開的實質和範圍內可以對示例性實施方式做出修改。因此，所述具體實施方式部分不意味著限制本公開。而是，本公開範圍的定義僅依照所附申請專利範圍和其等同物。
本公開的實施方式可以通過硬體、固件、軟體或任何它們的組合來實現。本公開的實施方式也可以作為儲存在機器可讀介質中的指令來實現，這些指令可以被一個或多個處理器讀取和執行。機器可讀介質可以包括任何以可由機器(例如，計算裝置)讀取的形式來儲存或傳輸訊息的機制。例如，機器可讀介質可以包括只讀儲存器(ROM)；隨機存取儲存器(RAM)；磁碟儲存介質；光學儲存介質；閃速儲存器裝置；電學、光學、聲學或其他形式的傳播訊號(例如，載波、紅外訊號、數位訊號等)，以及其他。另外，固件、軟體、例行程序、指令在本文中可以被描述為進行特定動作。然而，應該理解的是這些描述只是為了方便，並且事實上該動作是計算裝置、處理器、控制器或其他裝置執行所述固件、軟體、例行程序、指令等的結果。
下面本公開的具體實現部分將全面展示本公開的一般性，以至於其他人在不做過量的實驗、不偏離本公開的實質和範圍的條件下可以通過應用相關領域技術人員的知識對不同的應用改變和/或調整這些示例性實施方式。因此，這些調整和變型傾向於在基於本文中提出的教導和指導的示例性實施方式的意義和多個等同物的範圍內。應該理解，本文中的措辭或用語為了描述而非限制的目的，從而本說明書的措辭或用語通過本文中的教導可以由相關領域的技術人員理解。
儘管本公開的描述將在近場通訊(NFC)方面描述，但是相關領域的技術人員將意識到在不偏離本公開的實質與範圍的條件下，本公開可以應用於使用近場和/或遠場的其他通訊。例如，儘管本公開將使用NFC功能通訊裝置來描述，但是相關領域的技術人員將意識到在不偏離本公開的實質與範圍的條件下，這些NFC功能通訊裝置的功能能夠應用於使用近場和/或遠場的其他通訊裝置。
示例性近場無線通訊(NFC)環境
圖1示出了根據本公開的示例性實施方式的NFC環境的框圖。NFC環境100在彼此足夠接近的第一NFC裝置110和第二NFC裝置120之間提供諸如一個或多個命令和/或數據的訊息的無線通訊。第一NFC裝置110和/或第二NFC裝置120可以實現為獨立或分立裝置，或者可以併入或耦合到另一電子裝置或主機裝置，這些裝置諸如：行動電話，便攜式計算裝置，諸如個人數位助理、便攜式計算機或臺式計算機的另一計算裝置，諸如打印機、便攜式音頻和/或視頻播放器、支付系統的計算機周邊產品，諸如停車票系統、公車售票系統、鐵路售票系統或門票售票系統(提供一些示例)的開票系統，或者讀票系統，玩具，遊戲，海報，包裝，廣告材料，產品清單檢查系統和/或任何其他適合的電子裝 置，這些裝置在不偏離本公開的實質和範圍的條件下對於相關領域技術人員是顯而易見的。
第一NFC裝置110和第二NFC裝置120以對等(P2P)通訊模式或讀/寫(R/W)通訊模式彼此交互從而交換訊息。在P2P通訊模式中，第一NFC裝置110和第二NFC裝置120被配置為根據主動通訊模式和/或被動通訊模式操作。第一NFC裝置110將其相應訊息調製到第一載波上，這稱為調製訊息通訊，並且通過將調製訊息通訊應用到第一天線來產生第一磁場從而提供第一訊息通訊111。在主動通訊模式中，第一NFC裝置110將其相應訊息發送到第二NFC裝置120後停止產生第一磁場。可選地，在被動通訊模式中，第一NFC裝置110繼續應用沒有相應訊息的第一載波(稱為未調製訊息通訊)從而在該訊息被傳送到第二NFC裝置120時繼續提供第一訊息通訊111。
第一NFC裝置110足夠接近第二NFC裝置120使得第一訊息通訊111感應地耦合至第二NFC裝置120的第二天線上。第二NFC裝置120解調第一訊息通訊111以恢復訊息。在主動通訊模式中，第二NFC裝置120可以通過將其相應訊息調製在第二載波上並且通過將該調製訊息通訊施加到第二天線產生第二磁場從而提供第二訊息通訊121來響應於該訊息。可選地，在被動通訊模式中，第二NFC裝置120可以通過以它的訊息調製第二天線從而調製第一載波以提供第二訊息通訊121來響應該訊息。
在R/W通訊模式中，第一NFC裝置110被配置為以啟動器或閱讀器的操作模式來操作並且第二NFC裝置120被配置為以目標或標簽的操作模式來操作。然而，該示例不受限制。在不偏離本公開的實質和範圍的條件下依照本文中的教導，相關領域的技術人員將意識到第一NFC裝置110可以被配置為以標簽模式操作並且第二NFC裝置120可以被配置為以閱讀器模式操作。第一NFC裝置110將它的相應訊息調製到第一載波上並且通過將調製訊息 通訊應用到第一天線來產生第一磁場從而提供第一訊息通訊111。該第一NFC裝置110繼續應用沒有其相應訊息的第一載波從而在該訊息被傳輸到第二NFC裝置120時繼續提供第一訊息通訊111。第一通訊裝置110足夠接近第二NFC裝置120使得第一訊息通訊111感應地耦合到第二NFC裝置120的第二天線上。
第二NFC裝置120從第一訊息通訊111中得到或收穫功率，以恢復和/或處理所接收的訊息和/或以提供對該訊息的響應。第二NFC裝置120解調第一訊息通訊111以恢復和/或以處理該訊息。第二NFC裝置120可以通過以其相應訊息調製第二天線來調製第一載波從而提供第二訊息通訊121來響應該訊息。
第一NFC裝置110和/或第二NFC裝置120的其他操作可以在下面的公開中描述：International Standard ISO/IE 18092：2004(E)：“Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Near Field Communication-Interface and Protocol(NFCIP-1)”，其在2004年4月1日出版；International Standard ISO/IE 21481：2005(E)：“Information Technology-Telecommunications and Information Exchange Between Systems-Near Field Communication-Interface and Protocol-2(NFCIP-2)”，其在2005年1月15日出版，它們的每一篇的全部內容都通過引用結合於此。
示例性啟動器NFC裝置和目標NFC裝置
圖2A示出了根據本公開的示例性實施方式的實現為NFC環境100的一部分的啟動器NFC裝置200的框圖。圖2B示出了根據本公開的示例性實施方式的實現為NFC環境100的一部分實現的目標NFC裝置220的框圖。啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220可以分別表示第一NFC裝置110和第二NFC裝置120的示例性實施方式。
圖2A中所示的啟動器NFC裝置200和圖2B中所示的目標NFC裝置220可以是NFC對等(NFC peers)。NFC是不對稱的介面，這意味著NFC裝置的一個將總會被分配創造磁場234的任務，而NFC裝置的另一個將總會被配置為接收磁場234。然而，當製造NFC裝置時，沒有定義哪個NFC進行哪個功能。因此，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220可以各自具有雙重功能(例如可以起到啟動器NFC和目標NFC兩者的功能)。在圖2A中，啟動器NFC裝置200起到啟動器的作用，並且因此啟動器NFC裝置200的目標電路(負載調製器電阻210、並聯調節器212和恢復裝置214)是不活動的並且因此用虛線示出。相似地，在圖2B中，目標NFC裝置220起到目標的作用，並且因此目標NFC裝置220的啟動器電路(解調器228)被假設為高阻並且因此也用虛線示出。
如上面討論的，幾個因素可以潛在地導致啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220之間的弱磁耦合(例如，每個NFC裝置天線尺寸的不同和/或兩天線之間相對大的距離)，該弱磁耦合可以抑制在啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220之間傳遞能量的能力。如上面所討論的，當NFC裝置中的一個嘗試使用負載調製(例如，目標裝置220嘗試改變正被發送的能量)發送時，該能量傳遞問題在弱磁場中最嚴重。
為了在啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220之間產生耦合，啟動器NFC裝置200(或目標NFC裝置220)使交流電通過天線216(或天線240)。這導致交流磁場234(或磁場234’)。當目標NFC裝置220(或啟動器NFC 200)放置在交流磁場234(或磁場234’)內時，在天線240(或天線216)兩端將出現交流電壓。然後該電壓可以被整流並且耦合到並聯調節器242(或並聯調節器212)使得電荷庫(a reservoir of charge)積累，目標NFC裝置220(或啟動器NFC裝置200)然後可以用該電荷庫進行負載調製。特別地，通過調製如啟動器NFC裝置200(或目標NFC裝置220) 所見的目標NFC裝置220(或啟動器NFC裝置200)的阻抗來實現負載調製。在一些實施方式中，可以通過允許並聯調節器242(或並聯調節器212)主動調製目標NFC裝置220(或啟動器NFC裝置200)的阻抗來進行負載調製。
在實施方式中，因為目標NFC裝置220(或啟動器NFC裝置200)可使用希望的負載調製技術將數據送回啟動器NFC裝置200(或目標NFC裝置220)，所以經由負載調製來實現在NFC裝置之間的成功通訊。經由負載調製的在NFC裝置間的通訊可以實現是因為從天線240(或天線216)中抽取的電流將引起它的相對小的磁場，該磁場會反作用於啟動器NFC裝置200的(或目標NFC裝置220的)場。隨著通過解調電路206(或解調電路228)檢測的流經天線216(或天線240)電流的較小的上升或下降，天線216(或天線240)可以檢測到磁場中的這種小變化。然後該電流將與應用到天線240(或天線216)的負載成比例。在實施方式中，即使在存在弱磁場的情況下，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220也各自被配置為使用負載調製通訊。
啟動器NFC裝置200的啟動器電路包括鎖相環(PLL)202、數位類比轉換器(DAC)204、解調器206、驅動器208和天線216(例如，電感)。
PLL 202被配置為接收參考時鐘218，並且輸出訊號到DAC 204。在一些實施方式中，除了其他功能以外，PLL 202可以實現為由可變頻率振盪器和鑒相器組成的電子電路。PLL 202將在下面參考圖4更詳細地討論。
DAC 204被配置為進行啟動器發送訊號236和從PLL 202接收的訊號的數位類比轉換，以便使用驅動器208來濾波並且驅動作為結果的模擬訊號。在一些實施方式中，啟動器發送訊號236可以表示數位位元形式的正弦波或方波，並且從DAC 204輸出的 模擬訊號輸出在模擬域中可以表示為調製正弦波。因此，驅動器208可以是調製的正弦驅動器和/或可變增益放大器。
在啟動器NFC裝置200接收負載調製期間，啟動器NFC裝置200被配置為驅動天線216以創造磁場234。特別地，在正弦波進入驅動器208之前，啟動器NFC裝置200可以使用PLL 202和DAC 204合成該正弦波。然後驅動器208可以對正弦波濾波並且將該正弦波驅動到天線上。
在正弦波從驅動器208輸出後，然後該正弦波可以表示啟動器電壓(V initiator (φ ))。然後該正弦波在到達天線216之前傳播通過匹配介面，在那裡該正弦波表現為跨天線216的引腳的電壓(V initiator (φ ))。因此，正弦波被配置為創造流經天線216的電流，該電流然後轉化為磁場234。
如上所述，可以通過調製如啟動器NFC裝置200所見的目標NFC裝置220的阻抗(Z T arget )來實現負載調製，並且可以通過允許並聯調節器242主動調製Z T arget 來進行負載調製。因此當NFC裝置使用負載調製通訊時，解調器206可被配置為解調可以由並聯調節器242的Z T arget 的主動調製引起的通過天線216的電流的變化。解調器206還被配置為輸出啟動器NFC裝置200的啟動器接收訊號238，該啟動器接收訊號238表示由目標NFC裝置220引起的阻抗變化。
隨著自天線216的磁場234的發送，也可以在位於目標NFC裝置220的天線240接收磁場234。然後該接收的磁場234可以在天線240兩端誘發相應的電壓。然後該電壓在由目標NFC裝置220的目標電路處理前傳播通過另一個匹配介面。從啟動器NFC裝置200的磁場234的發送和由目標NFC裝置的磁場234的接收可以形成變換器。例如，根據耦合的量，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220可以形成其間具有不同程度耦合的變換器。
與啟動器NFC裝置200相似，目標NFC裝置220的目標電路包括鎖相環(PLL)222、數位類比轉換器(DAC)226、驅動器232和天線240。目標NFC裝置220的目標電路還包括恢復裝置224、並聯調節器242和多工器(MUX)230。PLL 222、DAC 226和驅動器232被配置為分別起到基本類似PLL 202、DAC 204和驅動器208的功能。例如，DAC 226被配置為進行啟動器/目標發送訊號224和從PLL 222輸出的訊號的數位類比轉換，以便可以使用驅動器232來濾波和驅動作為結果的模擬訊號。在一些實施方式中，啟動器/目標發送訊號244可以表示數位位元形式的正弦波或方波，並且從DAC 226輸出的模擬訊號在模擬域中可以表示為調製正弦波。因此，驅動器232可以是調製正弦驅動器，和/或可變增益放大器。PLL 222的功能也將在下面參考圖4更詳細地討論。
在一些實施方式中，在目標NFC裝置220內實現驅動器232可以允許從目標NFC裝置220中省略一些傳統功能。例如，通過再使用驅動器232以幫助磁場234的調製和解調，可以在沒有可變電阻、負載調製電阻和其他負載調製器裝置的情況下實現目標NFC裝置220。另外，驅動器232還可以起到放大器的作用，並且可以被配置為主動向磁場234驅動能量。
如上所述，並聯調節器242可以被配置為主動調製Z T arget 以便負載調製可以進行。另外，並聯調節器242被配置為維持目標NFC裝置220內的安全電壓電平。例如，並聯調節器242被配置為根據與目標NFC裝置220相關聯的負載改變它的阻抗，這可以允許目標NFC裝置220得出電壓(V t arget (θ ))。在一些實施方式中，當使用並聯調節器242進行被動負載調製時，V t arget (θ )可以從V initiator (φ )變換，並且因此將得出V t arget (θ )。當使用主動負載調製時該結果可以不同，因為當使用主動負載調製時V t arget (θ )是被輸出(而不是得出)。另外，在一些實施方式中，並聯調節器242在啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220之間的主動通訊階段期間可以是靜態的。另 外，並聯調節器242可以是金屬氧化半導體場效應晶體管(MOSFET)。並聯調節器242還可以包括鉗位器(clamp)。
恢復裝置224被配置為當在天線240接收磁場234時從磁場234恢復時鐘(例如，目標恢復時鐘246)，並且然後將目標恢復時鐘246輸出到MUX 230。恢復裝置224還可以被配置為輸出目標恢復時鐘246以便從目標NFC裝置220輸出目標恢復時鐘246。在一些實施方式中，恢復裝置224可以是差分訊號比較器。另外，目標NFC裝置220還可以包括被配置為提供輸入訊號V t arget (θ )的峰值電壓電平的指示的整流器(圖2B中未示出)。從該峰值電平減去參考電平，並且起到誤差放大器的功能的該峰值電平控制並聯調節器242開啟的強度。
MUX 230被配置為接收目標恢復時鐘246和參考時鐘248。MUX 230還被配置為根據目標NFC裝置220的當前操作狀態來選擇目標恢復時鐘246或參考時鐘248，並且然後將所選中的時鐘(例如目標恢復時鐘246或參考時鐘248)輸出到PLL 222。
在一些實施方式中，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220被配置為在相反的方向上操作。例如，目標NFC裝置220被配置為將磁場234’發送回啟動器NFC裝置200。在使用驅動器232來驅動之前，目標NFC裝置220也可以通過使用調製訊號244調製由PLL 222和DAC 226產生的正弦波來這樣做。
根據多種不同的技術，啟動器NFC裝置200可以被配置為解調從目標NFC裝置220接收的磁場234’。例如，啟動器NFC裝置200可以包括電流感應功能。特別地，如果啟動器NFC裝置200提供具有基本恒定幅度的電壓(V initiator (φ ))，那麼驅動電流(I D )=V initiator (φ )/(Load_Resistance)。因此，如果Load_Resistance改變，則驅動電流(I D )中的相應變化可以由啟動器NFC裝置200檢測到。在實施方式中，驅動器208可以是線性驅動器，在這種情況下，驅動電流(I D )可被再生並反饋至解調器206中。因此，通 過在啟動器NFC裝置200內包括該電流感應功能，可以減少植入天線216的引腳的數量(例如從6個引腳到2個引腳)，並且還可以減少外部組件的數量。
在一些實施方式中，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220被配置為在存在強磁場的情況下以及如上所述的在存在弱磁場的情況下進行負載調製，其中在強磁場中可以存在強耦合。
當存在強磁場時，在天線240的電壓會持續增加並且最終可能變得過高。因此，並聯調節器242可以被配置為通過反饋機制來裝載天線240的引腳直到天線240兩端的電壓達到安全電平。 為了維持天線240兩端的安全電壓電平，目標NFC裝置220被配置為首先測量天線240各個引腳上的電壓。例如，可以整流或包絡檢測天線240的引腳以測量天線240兩端的電壓。根據所測量的天線240兩端的電壓，並聯調節器242然後被配置為在天線240的引腳之間分流相應的電流直到跨天線240的引腳的電壓達到安全電平。
在示例性實施方式中，啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220可以由啟動器射頻識別(RFID)裝置和目標RFID代替。該啟動器RFID裝置和目標RFID裝置被配置為起到與啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220基本相似的作用；然而，RFID裝置可以不包括雙重功能。例如，啟動器RFID裝置可以僅包括啟動器電路，並且目標RFID裝置可以僅包括目標電路。
示例性調製向量
圖3示出了根據本公開的示例性實施方式的受限於主動負載調製的調製向量300的圖形表示。
如上所述，啟動器NFC裝置200可以被配置為發送調製的磁場234，並且在由目標NFC裝置220接收到調製的磁場234時，目標NFC裝置220可以被配置為解調磁場234，和/或將調製的磁場234’發送回啟動器NFC裝置200。
在實施方式中，啟動器NFC裝置200被配置為通過解調調製向量300來進行磁場234’的解調。調製向量300表示未調製啟動輸出電流(未調製電流)302和調製的啟動輸出電流(調製的電流)304之間的偏移。未調製電流302表示當目標NFC裝置220不進行負載調製時，從啟動器NFC裝置200輸出的電流的幅度和相位。相反地，調製的電流304表示當目標NFC裝置220當前在進行負載調製時，從啟動器NFC裝置200輸出的電流的幅度和相位。在一些實施方式中，未調製電流302可以與未調製的磁場234直接成比例，同時調製的電流304可以與調製的磁場234’直接成比例。
為了合適地解調調製向量300而計算調製向量300的幅度。 僅為了簡單和說明的目的，可以由V t aget (θ )/Z t arget 的模數(例如，幅度|V t arget (θ )/Z t arget )表示調製向量的幅度。V t arget (θ )和Z t arget 分別表示在啟動器NFC裝置200發送磁場234時，在目標NFC裝置220接收的電壓和存在的阻抗。調製向量300的幅度的函數表示是暫時忽略並聯調節器242的影響的簡化的函數。因此，當使用並聯調節器242被動地進行負載調製時，V t arget (θ )與V initiator (φ )和啟動器NFC裝置200與目標NFC裝置220之間耦合的積近似成比例。因此，如果啟動器NFC裝置200與目標NFC裝置220之間的耦合減少，那麼V t arget (θ )和調製向量300的幅度也會減少。然而，當使用MUX 230、PLL 222、DAC 226和驅動器232進行主動負載調製時，V t arget (θ )可以與磁場234的強度、NFC裝置之間的耦合和V initiator (φ )無關。
為了在啟動器NFC裝置200與目標NFC裝置220之間合適地發送和接收的調製的磁場234和234’，目標NFC裝置200被配置為增加調製向量300的幅度。還有，通過增加調製向量300的幅度，目標NFC裝置220可以滿足關於負載調製的寬範圍的通訊標準，這些通訊標準包括但不限於ISO/IEC 18092/ECMA-340(近場通訊介面和協議-1(NFCIP-1))、ISO/IEC 21481/ECMA-352(近場 通訊介面和協議-2(NFCIP-2))、ISO/IEC 14443和NFC數據交換格式(NDEF)。附加或可選地，可以增加調製向量300的幅度以改進啟動器NFC裝置200和目標NFC裝置220與其他裝置(例如，具有大和小天線兩者的裝置)的互操作性。
在一些實施方式中，目標NFC裝置220被配置為通過進行主動負載調製來增加超過啟動器NFC裝置200貢獻的調製向量300的幅度。例如，目標NFC裝置220能夠使用主動負載調製來主動地驅動V t arget (θ )，其結果是對調製向量300的幅度做出貢獻。使用傳統的被動調製框架的目標NFC裝置220早先不可能對調製向量300的幅度作出貢獻。附加或可選地，主動負載調製允許目標NFC裝置220對磁場234的驅動做出貢獻，並且因此目標NFC裝置220可以具有對磁場234的較大的影響。當主動地驅動V t arget (θ )時，它可以具有顯著的幅度，並且可以不受天線240引腳上誘發的幅度的限制。
目標NFC裝置220也可被配置為主動控制調製向量300的相位(θ )。類似於調製向量300的幅度，調製向量300的相位(θ )在調製的磁場234的適當發送方面也是重要的。例如，如果θ 設置為不正確的值，那麼調製向量300的大小就無意中會歸至0。然而，當合適地設置θ 時，目標NFC裝置220可以對調製向量300的大小作出貢獻使得調製向量300達到它可能的最大大小。在實施方式中，目標NFC裝置220被配置為通過實現儲存未調製電流302(例如，入射未調製向量(the incident unmodulated vector))的角度的功能來主動地控制調製向量300的相位(θ )。另外，目標NFC裝置220也可被配置為以與未調製電流302大體相同的頻率驅動θ 。因此，目標NFC裝置220可以被實現為具有PLL 222從而主動地控制V t arget (θ )的相位和頻率，使得該相位和頻率保持與未調製電流302(例如，入射未調製向量)的相位和頻率相同。
示例性鎖相環(PLL)
圖4示出了根據本公開的示例性實施方式的可以實現為啟動器NFC裝置200和/或目標NFC裝置220的一部分的示例性鎖相環(PLL)400的框圖。僅為了說明的目的，PLL 400將參考目標NFC裝置220內的PLL 400的實現來描述；然而，下面對PLL 400的描述類似地可應用於實現啟動器NFC裝置220內的PLL 400。另外，PLL 400可以表示PLL 202和/或PLL 222的示例性實施方式。
如PLL 400中所示，參考訊號從MUX 230輸入到鑒頻鑒相器420。如上所述，MUX 230被配置為根據目標NFC裝置220的當前操作狀態選擇並且隨後輸出目標恢復時鐘246或參考時鐘248。因此，輸入到鑒頻鑒相器420的參考訊號可以表示目標恢復時鐘246或參考時鐘248。例如，當目標NFC裝置220作為啟動器時，PLL 400可以將參考時鐘248輸入到鑒頻鑒相器420，並且當目標NFC裝置220作為目標時，PLL 400可以輸入目標恢復時鐘246。僅為了描述目的，將在下面討論參考訊號表示目標恢復時鐘246的情況。
在正常操作下，鑒頻鑒相器420檢測在參考訊號和由振盪器(例如，壓控振盪器)450產生的訊號之間的相位差和頻率差。由振盪器450產生的訊號可以表示合成的訊號。然後電荷泵430產生用於調整振盪器450的相位和頻率的調整訊號，該調整訊號在提供給振盪器450前由環路濾波器440(例如低通濾波器)濾波。環路濾波器440的輸出可以是能夠在提供給振盪器450之前儲存在電容器中的電壓。在實施方式中，該電容器可以包括在環路濾波器440內並且可以表示並聯電容器。在將壓控振盪器(VCO)450的輸出提供到鑒頻鑒相器420的反饋環中，可以包括分頻器460以減少振盪器訊號的頻率，使得可以由鑒頻鑒相器420將該頻率連同相位與參考訊號合適地比較。
PLL 400可以被配置為鎖定到目標恢復時鐘246，使得PLL 400再生到來的磁場234的時鐘頻率和相位。因此，PLL 400可以在目標NFC裝置220沒有發送負載調製的情況下鎖定到目標恢復時鐘246上。因此，在PLL 400鎖定到目標恢復時鐘246的這些情況下磁場234可以是穩定的。PLL 400可以被配置為在訊息包發送和接收之間從該鎖定狀態轉變到未鎖定的“記憶模式”。PLL 400還可以被配置為通過在發送負載調製之前將PLL 400實現為開環來從鎖定狀態轉變到“記憶模式”。例如，環路濾波器440可以包括一系列電阻，它們可以開路從而創造開環PLL 400。在PLL 400內實現該開環可以將PLL 400置於“記憶模式”中，使得PLL 400記住它被鎖定的狀態。因此，PLL 400可以繼續震盪使得它產生訊號460，該訊號在負載調製的發送期間具有的頻率和相位與由PLL 400在發送負載調製之前的即刻產生的頻率和相位相同。
PLL 400被配置為通過禁用鑒頻鑒相器420來輸出訊號460，從而保留環路濾波器440的輸出(例如，儲存在電容器上的電壓)。 因此，振盪器450可以繼續在與它在鑒頻鑒相器420被禁用前運行的相同的相位和頻率運行。因為在負載調製的發送期間磁場234可以同時改變，所以在負載調製的發送期間(例如，當驅動V t arget (θ )時)需要禁用鑒頻鑒相器420。因此，在負載調製的發送期間，PLL 400被配置為從振盪器450輸出訊號到DAC 226。在實施方式中，在從振盪器450輸出訊號460後，訊號420可以表示正弦波。然後DAC 226可以合成訊號460從而訊號460(例如，正弦波)可以由驅動器232驅動。
因此，PLL 400從鎖定狀態轉變到記憶模式(例如開環)的能力允許其控制V t arget (θ )的相位。在實施方式中，PLL 400可以被配置為得出到來磁場234的相位延遲、相位提前或相位180度翻轉的形式。然後，該得出的磁場234的形式可以用於控制V t arget (θ )的相位。另外，在一些實施方式中，驅動器232可以是具有可以電子 設置的電壓增益的可變增益放大器。這裡，PLL 400可以是可變增益放大器232的功能源，並且因此PLL 400被配置為確定並且主動控制V t arget (θ )的相位，而其他配置設置設定可變增益放大器232的電壓增益。通過控制V t arget (θ )的幅度和相位，PLL 400可以控制調製向量300的幅度。因此，PLL 400的實現允許磁場234和V t arget (θ )之間精確的相位控制，這反過來即使在弱磁耦合存在的情況下也允許改善從目標NFC裝置220到啟動器NFC裝置200的訊號傳遞。
在目標NFC裝置220內實現PLL 400允許根據多個不同技術進行負載調製。例如，可以在希望負載調製的情況下啟動驅動器232，或者可以將驅動器232一直置於啟動狀態中，其中在希望負載調製時可以調製驅動器232的幅度和/或角度。特別地，可以通過調製驅動器232的幅度和/或角度來調製V t arget (θ )的幅度和/或角度。在實施方式中，通過實現具有開環的PLL 400，驅動器232的相位和頻率可以被配置為與來自啟動器NFC裝置200的到來磁場234的相位和頻率匹配。
然而，當產生並且驅動V t arget (θ )時(例如在負載調製的主動發送期間)，未調製電流302變為調製的電流304，並且然後調製的電流304被饋入通過恢復裝置224。因此，通過產生和驅動V t arget (θ )，目標恢復時鐘246改變，並且因此輸入到PLL 400中的參考訊號也改變。因此，為了在負載調製的發送期間合適地確保目標NFC裝置220的功能，PLL 400被配置為在該負載調製的發送期間不受目標恢復時鐘246的相位和/或頻率變化的影響。
在一些實施方式中，目標NFC裝置220可以被實現為使得所調製的數據訊號可以直接施加到PLL 400的鑒頻鑒相器420上。這可以改變PLL 400的鎖定狀態，並且還可以改變PLL 400對負載調製的控制。附加或可選地，PLL 400可以被配置為鎖定由過採樣控制的振盪器從而合成高頻率。然後，該高頻率可以用於數位地合成正弦波。相反地，PLL 400可以被設計為直接在參考時鐘頻 率(例如，13.56MHz)震盪並且然後可以使用模擬濾波來控制Vtarget (θ )的相位。
另外，如上所述，主動地控制調製向量300的幅度可以允許目標NFC裝置220滿足關於負載調製的寬範圍的通訊標準。因此，在目標NFC裝置220內實現PLL 400以主動控制V t arget (θ )允許目標NFC裝置220(和/或啟動器NFC裝置200)遵從關於負載調製的通訊標準，這些通訊標準包括但不限於ISO/IEC 18092/ECMA-340(近場通訊介面和協議-1(NFCIP-1))、ISO/IEC 21481/ECMA-352(近場通訊介面和協議-2(NFCIP-2))、ISO/IEC 14443和NFC數據交換格式(NDEF)。
正在進行主動負載調製的肯定指示可以從由NFC裝置抽取的電流量得出。例如，當使用主動負載調製時，NFC裝置的供電可以抽取大量電流。另外，NFC裝置的供電電流可以與使用主動負載調製發送的數據密切相關。在一些實施方式中，還可以直接監控由PLL使用的供電電流以確定PLL是啟動還是停止。
進行主動負載調製的示例性方法
圖5是根據本公開的示例性實施方式進行主動負載調製的示例性操作步驟的流程圖。本公開不限於該操作描述。而是通過本文中的教導，對於相關領域中的技術人員顯而易見的是，其他操作控制流程也在本公開的範圍和實質內。下面的討論描述圖5中的步驟。圖5的流程圖參考圖1-4的實施方式來描述。然而，方法500不限於這些實施方式。
方法500開始於步驟502，其中在目標NFC裝置220的天線240接收磁場234。
在步驟504中，恢復裝置224從磁場234恢復目標恢復時鐘246。
在步驟506中，對於目標NFC裝置220當前是否作為目標(例如，從啟動器NFC裝置200接收磁場234)或目標NFC裝置220 當前是否作為啟動器(例如，發送調製的磁場234’)做出確定。如果目標裝置220當前作為目標，那麼該方法進行到步驟508。
在步驟508中，PLL 222被配置為從MUX接收目標恢復時鐘246，並且將目標恢復時鐘246輸入到鑒頻鑒相器420中。
可選地，如果在步驟506確定目標NFC裝置220當前作為啟動器，那麼該方法進行到步驟510。在步驟510中，PLL 222被配置為從MUX 230接收參考時鐘248並且將參考時鐘248輸入到鑒頻鑒相器420中。
在步驟512中，對於目標NFC裝置當前是否正在發送負載調製做出確定。如上所述，因為在負載調製的發送期間磁場234可以同時改變，所以可能必須做出該確定。如果目標NFC裝置220當前沒有在發送負載調製，那麼該方法進行到步驟514。
在步驟514中，將PLL 400置於其中PLL 400鎖定到目標恢復時鐘246的鎖定狀態，使得PLL 400再產生到來磁場234的時鐘頻率和相位。因此，在PLL 400鎖定到目標恢復時鐘246的情況下磁場234可以是穩定的。
可選地，如果在步驟512確定目標NFC裝置220當前正在發送負載調製，那麼該方法進行至步驟516。在步驟516中，將PLL 400置於“記憶模式”，使得PLL 400記住其被鎖定的狀態。因此，PLL 400可以繼續震盪，使得它產生的訊號460在負載調製的發送期間具有與PLL 400在發送負載調製之前的即刻產生的頻率和相位相同的頻率和相位。
如上所述，PLL 400可以被配置為在訊息包發送和接收之間從鎖定狀態轉變到“記憶模式”。PLL 400還可以被配置為通過在發送負載調製之前將PLL 400實現為開環來從鎖定狀態轉變到該“記憶模式”。例如，環路濾波器440可以包括串聯電阻，這些電阻可以開路以創造開環PLL 400。
在步驟518中，使用PLL 400的輸出來調整V t arget (θ )的至少一個特徵。具體地，PLL 400在鎖定狀態和記憶模式(例如，開環)這兩種不同狀態下運行能力允許它具有對V t arget (θ )的相位的影響。具體地，PLL 400可以得出到來磁場234的相位延遲、相位提前或相位180度翻轉的形式，並且該得出的磁場234的形式可以隨後用於控制V t arget (θ )的相位。另外，PLL 400可以被配置為作為驅動器232(例如，可變增益放大器232)的功能源來操作，並且因此PLL 400可以被配置為通過設定可變增益放大器232的電壓增益來確定和主動控制V t arget (θ )的幅度。
在步驟520中，基於對V t arget (θ )的相位和幅度的調整來創造調製的磁場234’。通過控制V t arget (θ )的幅度和相位，PLL 400可以控制調製向量300的大小，這反過來允許在磁場234’和V t arget (θ )之間的精確相位控制。
在步驟522中，驅動器232通過向磁場234’主動驅動能量來對磁場234’的驅動作出貢獻。
在步驟524中，調製的磁場234’從目標NFC裝置220發送到啟動器NFC裝置200，在NFC裝置200中調製的磁場234’可以被解調器206解調。如上所述，PLL 400精確控制在磁場234’和V t arget (θ )之間的相位的能力即使在弱磁耦合存在的情況下也允許從目標NFC裝置220到啟動器NFC裝置220的最優訊號傳遞。
結論
應理解，傾向於使用具體實現部分而非摘要部分來解釋申請專利範圍。摘要部分可以提出本公開的一個或多個但不是所有的示例性實施方式，並且因此不意在以任意方式來限制本公開和所附的申請專利範圍。
本公開在示出了特定功能的實現和它們之間的關係的功能構建塊的幫助下在以上描述。為了描述方便，本文中隨意定義了這 些功能構建塊的界限。只要適當地進行規定的功能和它們之間關係，就可以定義替代的界限。
對於相關領域的技術人員顯而易見的是，在不偏離本公開的實質和範圍的條件下可以對本文中的形式和細節做出各種改變。因此本公開不應受任何上述示例性實施方式的限制，而應當僅根據所附的申請專利範圍和它們的等同物來定義。
200‧‧‧啟動器NFC裝置
218‧‧‧參考時鐘
202‧‧‧PLL
204‧‧‧DAC
206‧‧‧解調器
236‧‧‧啟動器發送訊號
238‧‧‧啟動器接收訊號
210‧‧‧負載調製器電阻
214‧‧‧恢復裝置
212‧‧‧聯調節器
208‧‧‧驅動器
216‧‧‧天線
234、234’‧‧‧磁場

Claims (10)

  1. 一種無線通訊裝置，包括：天線，被配置為接收磁場；恢復裝置，被配置為從所述磁場恢復時鐘；多工器，被配置為接收所恢復的時鐘和參考時鐘，並且基於所述無線通訊裝置的當前操作狀態輸出所恢復的時鐘和所述參考時鐘中的一個；並聯調節器，被配置為通過主動地調製所述無線通訊裝置的阻抗來產生主動負載調製；鎖相環，被配置為接收所恢復的時鐘和所述參考時鐘中的一個並且利用所接收的時鐘來控制所述主動負載調製；以及驅動器，被配置為通過調整所述天線兩端電壓的幅度來貢獻於所述主動負載調製。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的無線通訊裝置，其中，所述無線通訊裝置是目標近場通訊(NFC)裝置。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的無線通訊裝置，其中，所述並聯調節器還被配置為基於與所述天線相關聯的負載來改變阻抗。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的無線通訊裝置，其中，所述並聯調節器還被配置為使用反饋機制增加負載以維持所述天線上的安全電壓電平。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的無線通訊裝置，其中，所述多工器被配置為在所述無線通訊裝置的當前操作狀態是目標的操作狀態時輸出所恢復的時鐘，或在所述無線通訊裝置的當前操作狀態是啟動器的操作狀態時輸出所述參考時鐘。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的無線通訊裝置，其中，所述鎖相環還被配置為在訊息包的發送和接收之間進行鎖定狀態和記憶模式之間的轉變。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的無線通訊裝置，其中，所述鎖相環在所述主動負載調製的發送期間工作在所述記憶模式，並且在所有其他時間工作在所述鎖定狀態。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的無線通訊裝置，其中，所述無線通訊裝置是目標射頻識別(RFID)裝置。
  9. 一種無線通訊系統，包括：具有啟動器電路的第一無線通訊裝置，被配置為驅動第一天線以創造第一磁場；以及具有目標電路的第二無線通訊裝置，被配置為在第二天線接收所述第一磁場，從而從所述第一磁場恢復時鐘、基於所恢復的時鐘進行主動負載調製並且基於所述主動負載調製來驅動所述第二天線以創造第二磁場，其中目標電路包括多工器，被配置為基於第二無線通訊裝置的當前操作狀態來輸出所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個，並且其中第一無線通訊裝置還被配置為接收所述第二磁場和使用解調技術解調所述第二磁場。
  10. 一種進行主動負載調製的方法：在無線通訊裝置接收磁場；從所述磁場恢復時鐘；基於所述無線通訊裝置的操作狀態將所恢復的時鐘和參考時鐘中的一個輸入到位於所述無線通訊裝置內的鎖相環；基於所述無線通訊裝置的操作狀態將所述鎖相環置於鎖定狀態和記憶模式中的一個；調整由所述無線通訊裝置產生的電壓向量的至少一個特徵；基於所調整的電壓向量創造調製的磁場；以及貢獻於所述調製的磁場的驅動。
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