專利名稱：使用電源信號采樣的無線供電通信裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及無線供電通信裝置，特別地涉及將電源信號采樣用于數(shù)據(jù)采樣的無線供電通信裝置。
智能卡，從外觀上和感覺上來說很像通常的信用卡，含有用于傳送、處理和存儲信息的電路。智能卡有許多用途，但主要地應(yīng)用于金融交易。智能卡存儲了一個隨著每一筆交易而記入貸方/借方的資金平衡表。智能卡的其他用途還有用于雇員的身份證，等等。
為了在智能卡與讀卡器之間提供通信功能，各種智能卡都在其表面上貼上金屬化的邊條，用以在卡內(nèi)電路與讀卡器之間提供一條直接的連接通路。用這樣的安排去作一筆交易，該卡被插入到讀卡器的受納槽中，一般使讀卡器的探頭跟金屬化的邊帶相接觸。讀卡器經(jīng)由該金屬化邊帶向該智能卡提供一個受控的和經(jīng)過濾波的電源以及數(shù)據(jù)信號。
向該智能卡提供金屬化邊帶的好處是可以向該智能卡傳送非常純凈的、經(jīng)過濾波和分離的電源與數(shù)據(jù)諸信號。這就保證了良好的工作。然而，存在的一個缺點是，該卡必須跟該讀卡器發(fā)生接觸，即該金屬化邊帶必須跟讀卡器的探頭發(fā)生接觸。在一種改進的安排中，對該智能卡作了修改，使其以一種“無接觸”方式進行工作。
無接觸式智能卡已經(jīng)成功地被提出和實現(xiàn)。通過讀卡器對無接觸式智能卡進行遠隔供電和通信。典型地，通過一個高頻信號向該智能卡供電，并通過另一個頻率，最好是直接從該電源信號分頻得到的頻率，提供數(shù)據(jù)載頻信號。采用這樣的安排，用戶只要簡單地將該智能卡放到靠近讀卡器的位置就能進行一筆交易。只需將該卡放到離讀卡器10或15厘米(cm)的范圍以內(nèi)。使用兩個已調(diào)諧的諧振電路，以電感方式將電源與數(shù)據(jù)諸信號從該讀卡器耦合到該卡。該電源耦合頻率最好是未經(jīng)調(diào)制的并且在頻譜上是純凈的，以免對工作于鄰近頻帶的任何電子設(shè)備產(chǎn)生電氣干擾。該數(shù)據(jù)載頻頻率是該電源耦合頻率的一個約數(shù)，并且用一種適當(dāng)?shù)恼{(diào)制技術(shù)，例如幅移鍵控(ASK)，加以調(diào)制。在該卡和該讀卡器雙方，都用一個電感器或線圈將該數(shù)據(jù)載頻耦合到該卡。此外為了避免干擾，要將該數(shù)據(jù)載頻信號電平保持在一個很低的電平上。
各種無接觸式智能卡存在的一個問題就是如何從該數(shù)據(jù)載頻中恢復(fù)該數(shù)據(jù)信號。因為電源信號跟數(shù)據(jù)信號相比，在數(shù)值上要大很多，所以，有一個顯著的電源信號成分呈現(xiàn)于該數(shù)據(jù)線圈之上。為了精確地恢復(fù)該數(shù)據(jù)信號，必須去除這個電源信號成分。而且，通過對該電源信號進行整流和濾波來產(chǎn)生電源供應(yīng)，必然導(dǎo)致在該電源上出現(xiàn)實質(zhì)上的電源信號頻率成分，這就需要一個具有良好的電源頻率抑制能力的數(shù)據(jù)載頻恢復(fù)電路。
一個先前提出的對這個問題的解決方案需要使用一個高階濾波器，由于該電源與數(shù)據(jù)諸信號在頻率上彼此靠近，所以，為了恢復(fù)該數(shù)據(jù)信號，需要多個極點的濾波以及高的濾波器增益。在這個方案中，首先對該數(shù)據(jù)載頻信號進行濾波，以去除干擾的電源信號。然后，對該數(shù)據(jù)載頻信號進行限幅，以便檢出該數(shù)據(jù)。還有，為了獲得必要的信號抑制和增益，這個方案需要昂貴的精密模擬元件以實施濾波以及多級的濾波和放大。而且，因元件數(shù)目較多，要消耗相當(dāng)可觀的功率，這就縮短了該裝置能有效使用的離開讀卡器的距離。其結(jié)果是，所提出的解決方案在各種智能卡裝置中并不適用。
已提出的另一個解決方案使用混頻器，用以將該輸入信號跟處于該數(shù)據(jù)載頻頻率的一個時鐘信號進行混頻。然后對該混頻信號進行濾波和放大以恢復(fù)該數(shù)據(jù)。這個方法通過降低所需的濾波衰減度，在使用多極點濾波器以及多級放大器方面作了改進。但著眼于在固有的電源信號噪聲(的背景)下如何精確地恢復(fù)該數(shù)據(jù)信號，仍然需要對這個問題提出一個有效的解決方案，而在智能卡技術(shù)中，這個問題是很容易解決的。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的一個無線供電通信裝置以及一個無線供電通信裝置讀出器的方框圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的一個采樣電路的方框圖。
圖3是圖2所示的采樣電路的傳遞函數(shù)表示。
圖4是說明圖2的采樣電路的頻率響應(yīng)特性的曲線圖。
本發(fā)明通過從該電源信號中得到一個時鐘信號，隨后用該得到的采樣時鐘信號對該數(shù)據(jù)信號進行采樣，避免了對現(xiàn)有技術(shù)中價格昂貴的電源濾波器的需求。從該電源信號得到一個時鐘信號的步驟使得呈現(xiàn)于該數(shù)據(jù)信號之上的該電源信號成分被當(dāng)作直流成分，用一個低階高通或帶通濾波器就能很容易地把它濾除。而且，該數(shù)據(jù)信號可以被放大到所需電平，以便適于用一個具有遲滯的簡單的比較器電路來進行幅度鑒別。該數(shù)據(jù)信號很容易地在數(shù)字域中完成解調(diào)。
本發(fā)明按照一個優(yōu)選實施例來加以說明，該優(yōu)選實施例適于在一個用于無線供電通信裝置的單片低功率數(shù)據(jù)恢復(fù)電路中實現(xiàn)。人們不難理解，本文所述的優(yōu)選實施例是為了用于說明而不是作為一種限制，此外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其他方面。
參考圖1，該圖以方框圖的形式示出了一個無線供電通信裝置10以及相鄰的裝置讀出器12。裝置讀出器12具有常見的設(shè)計和功能，它包括一個電源線圈14以及一個數(shù)據(jù)線圈16，用于向裝置10提供一個電源載頻信號以及一個數(shù)據(jù)載頻信號。裝置10包括電源線圈18和數(shù)據(jù)線圈20，用以分別地接收該電源和數(shù)據(jù)載頻信號。裝置10還包括一個電源電路22，后者具有一個整流器24和一個電壓調(diào)整器26，以便向裝置10提供直流電壓源28。跟電源線圈18連接的是一個時鐘發(fā)生器/分頻器電路30，它把一個時鐘信號輸出到數(shù)字解調(diào)電路32以及數(shù)據(jù)載頻恢復(fù)電路34。時鐘電路30適于從電源信號中恢復(fù)時鐘信號。最好通過用一個倒相器簡單地對電源線圈18的輸出進行緩沖，以產(chǎn)生采樣時鐘信號44。然而，在某些實例中，首先對該電源線圈輸出頻率進行分頻，然后用該電源信號的分頻產(chǎn)物對該數(shù)據(jù)線圈的輸出進行采樣，這可能是更有利的。這樣一來，可以進一步地降低功耗。
數(shù)據(jù)恢復(fù)電路34包括采樣電路36，它被連接到濾波與放大電路38以及比較器40。采樣電路36、濾波器38以及比較器40中的每一個都接收該時鐘輸出信號。比較器40的輸出被連接到數(shù)字解調(diào)電路32，后者提供原始的已恢復(fù)的數(shù)據(jù)信號42的輸出。
該電源信號在讀卡器里面產(chǎn)生，并且通過線圈18以電感方式耦合到該裝置10。在線圈18上的電源信號經(jīng)過整流器24進行全波整流，然后由調(diào)整器26調(diào)整到供電電壓28。如上所述，通過時鐘電路30從線圈18所接收到的電源信號中產(chǎn)生一個采樣時鐘頻率44，并把它傳送到采樣電路36、濾波器38以及比較器40。采樣電路36按照時鐘頻率44對處于該電源信號頻率的該數(shù)據(jù)信號進行采樣。由于該數(shù)據(jù)信號的采樣頻率來源于該電源信號，所以呈現(xiàn)于數(shù)據(jù)線圈20所接收到的數(shù)據(jù)信號之上的電源信號成分被當(dāng)作直流成分，并且用濾波器就能很容易地把它濾除。因此，濾波器38最好是一個低階的高通濾波器或帶通濾波器。
該采樣電路36的一個有效實施例示于圖2。該電路包括諸放大器210和212，它們跟開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)214互連，以便產(chǎn)生雙二階帶通響應(yīng)。開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)214包括諸電容器216-234以及諸開關(guān)236-266。采樣電路36的等效的S域傳遞函數(shù)以方框圖的形式示于圖3，即Out=In[sAs2+BAs+CA]]]>圖2所示的該電路的Z域傳遞函數(shù)為T(z)=(-DJ+DJz-1)[D(F+B)+(JC-DF-2DB)z2-1+DBz-2]]]>在采用優(yōu)選的元件數(shù)值的條件下，該傳遞函數(shù)為T(z)=(-1.6487+1.6487z-11+7.66838z2)]]>采樣電路36實際上對該電源信號成分提供完全的抑制作用，同時也對有用的數(shù)據(jù)信號提供放大作用。該電路對直流成分提供的傳輸系數(shù)為零，并且產(chǎn)生一個直流成分為零的輸出電壓。一個完全差動的信號處理電路被用來使該電路對電源頻率的抑制能力最大化，并且充分地抑制可能在調(diào)整器26中出現(xiàn)的任何殘留的電源信號成分。
開關(guān)電容器的元件數(shù)值被這樣選擇，以便產(chǎn)生一個以該載頻頻率為中心的二階帶通濾波器響應(yīng)。3分貝帶寬被設(shè)置為等于該數(shù)據(jù)速率的4倍，以便產(chǎn)生一個等于6的Q值，并且向該數(shù)據(jù)載頻提供大約20分貝的放大。該電路的增益響應(yīng)示于圖4。在構(gòu)成該帶通拓樸時，既要使施加于該有用數(shù)據(jù)信號的增益最大化，又要使輸出的直流電平最小化或變?yōu)榱?。因此，該帶通濾波器結(jié)構(gòu)提供了這樣一種能力，即跟使用高通濾波器響應(yīng)時相比，它能更有效地提供增益。由于帶通濾波器響應(yīng)能抑制高頻噪聲，所以這也是它受到優(yōu)選的原因。
進一步地參考圖2，在該采樣時鐘的一個相位內(nèi)，該數(shù)據(jù)線圈所接收到的信號首先被采樣到諸輸入電容器216和218。圖2所示的諸開關(guān)代表由一個具有相位1(1)和相位2(2)的二相時鐘驅(qū)動的扳鈕開關(guān)。在一個優(yōu)選實施例中，使用了專業(yè)人士所熟知的金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。因為該采樣時鐘信號44來源于該電源信號，所以該采樣時鐘同步于出現(xiàn)在該數(shù)據(jù)信號之上的電源信號成分。因而，每一個采樣點都是在該電源信號成分的每一個周期的同一相位處采集的。其結(jié)果是，輸入的電源信號成分被轉(zhuǎn)換為一個恒定的直流電平，并通過濾波器38進行濾波。對許多應(yīng)用來說，采樣電路36的性能跟該采樣時鐘與出現(xiàn)在該數(shù)據(jù)線圈輸出端的該電源信號成分之間的相位關(guān)系無關(guān)。然而，為了在甚高速應(yīng)用中實現(xiàn)最優(yōu)的性能，人們可以隨意地引入一個相位調(diào)整電路，用以調(diào)整該采樣時鐘的相位，使得諸采樣點都是在該電源信號成分的鋸齒波處于最低點時獲得的。而且，人們還可以調(diào)整該采樣時種的相位，以便選擇在該電源信號對該電壓28的干擾為最小時去獲得采樣點。請注意在圖2所示的配置中，當(dāng)在該數(shù)據(jù)線圈輸出端對該信號進行采樣時，在輸入采樣路徑中并沒有安置放大器。這就有利地降低了該電路所使用的放大器的帶寬要求。
在已經(jīng)完成對該數(shù)據(jù)信號的采樣之后，該采樣的數(shù)據(jù)信號被傳送到積分放大器210進行放大。像人們所看到的那樣，放大器210被設(shè)計成在其輸出端產(chǎn)生一個零直流成分。通過將放大器210的輸出連接到自調(diào)零積分放大器212，就能產(chǎn)生一個零直流成分的輸出。在1989年1月31日公布的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利號4802236中，展現(xiàn)和描述了一個積分放大器的自調(diào)零結(jié)構(gòu)，該專利所公開的內(nèi)容已作為參考文獻被收入本文。在穩(wěn)態(tài)工作時，輸送到積分放大器212輸入端的平均直流電平必須等于零。由于積分放大器212唯一的直流輸入就是放大器210的輸出，所以放大器210的平均直流輸出電平也必須等于零。
經(jīng)過信號處理之后，已進行ASK調(diào)制，即按照該二進制數(shù)據(jù)的狀態(tài)，在開和關(guān)兩種狀態(tài)之間對載頻幅度進行切換，的數(shù)據(jù)信號，由比較器40進行幅度鑒別。在一個優(yōu)選實施例中，用載頻信號的存在代表二進制1，而用載頻信號的缺失代表二進制0。比較器40被設(shè)計成具有一個預(yù)定的遲滯(hysteresis)電平，該電平被設(shè)置為介于該噪聲電平與該載頻幅度電平之間。當(dāng)接收到一個已調(diào)制的二進制1時，比較器40的輸出將按照數(shù)據(jù)載頻的速率發(fā)生反轉(zhuǎn)，當(dāng)接收到一個二進制0時，它將停止反轉(zhuǎn)。正如專業(yè)人士熟知的那樣，所得到的結(jié)果信號在數(shù)字解調(diào)器32中很容易地被數(shù)字解調(diào)，以便恢復(fù)原始的源數(shù)據(jù)流。若使該遲滯電平變?yōu)榭删幊痰?，通過提供自動增益控制以進一步地增加裝置10的工作范圍，這可能是更勝一籌的。在已經(jīng)討論過ASK調(diào)制之后，應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明也適用于任何的調(diào)制類型。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例已經(jīng)在以上的詳細描述中作了說明，并且在附圖中作了圖解，但本發(fā)明并不局限于此，它僅由所附的權(quán)利要求書的范圍和精神實質(zhì)加以限定。
權(quán)利要求
1.一個無線供電的通信裝置，其中一個接收設(shè)備向該裝置以第一頻率提供一個電源信號，以第二頻率提供一個數(shù)據(jù)信號，該裝置被調(diào)適以接收這些信號，從該數(shù)據(jù)信號中恢復(fù)數(shù)據(jù)的方法包括下列諸步驟按照從第一頻率得到的用以提供一個采樣信號的一個采樣頻率對該數(shù)據(jù)信號進行采樣。對該采樣信號進行濾波，以提供一個濾波信號；以及對該濾波信號進行解調(diào)，以提供一個輸出數(shù)據(jù)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中按照該采樣頻率對該數(shù)據(jù)信號進行采樣的步驟包括從該第一頻率產(chǎn)生一個時鐘信號；以及按照該時鐘信號的頻率對該數(shù)據(jù)信號進行采樣，以提供該采樣信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中對該數(shù)據(jù)信號進行采樣的步驟包括將該數(shù)據(jù)信號傳送到一個同步于該時鐘頻率的采樣電路。
4.一個無線供電的通信裝置，包括接收一個電源信號并由此產(chǎn)生一個電源的裝置；連接該電源信號以產(chǎn)生一個時鐘信號的裝置，時鐘信號的頻率由該電源信號得到；接收一個數(shù)據(jù)信號的裝置；按照該時鐘信號頻率對該數(shù)據(jù)信號進行采樣以產(chǎn)生一個采樣信號的裝置；以及從該采樣信號中恢復(fù)數(shù)據(jù)的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求9所述裝置，其中對數(shù)據(jù)信號進行采樣的裝置還包括對該采樣信號進行濾波和放大的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求9所述裝置，其中對該采樣信號進行采樣的裝置包括一個開關(guān)電容采樣電路。
7.一個無線供電的通信裝置包括一個適于接收電源信號的電源線圈，該電源線圈被連接到一個整流器和一個調(diào)整器，以提供一個直流電源；一個連接于該電源線圈的時鐘電路，該時鐘電路適于按照從該電源信號得到的頻率提供一個時鐘信號；一個適于接收數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)線圈；一個采樣電路，它被連接到該數(shù)據(jù)線圈以及該時鐘電路，并且具有一個輸出；一個濾波器，它被連接到該采樣電路的輸出以及該時鐘電路，并且具有一個輸出；一個幅度鑒別器電路，它被連接到該濾波器的輸出端，并且具有一個輸出；以及一個數(shù)字解調(diào)器，它被連接到該幅度鑒別器電路的輸出端以及該時鐘電路，并且具有一個輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求17所述裝置，其中該采樣電路包括一個開關(guān)電容采樣電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求20所述裝置，其中該開關(guān)電容采樣電路包括至少一個自動調(diào)零放大器部件。
10.在一個適于接收具有電源信號頻率的電源信號以及具有數(shù)據(jù)信號頻率的數(shù)據(jù)信號的無線供電的通信裝置中，一個從該數(shù)據(jù)信號中恢復(fù)數(shù)據(jù)的電路包括一個適于接收該數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)線圈；一個連接于該數(shù)據(jù)線圈以及從該電源信號所產(chǎn)生的時鐘信號的采樣電路，并且其采樣頻率跟該電源信號頻率有關(guān)，該采樣電路具有一個輸出；一個連接于該采樣電路輸出端以及該時鐘信號的濾波器。該濾波器具有一個輸出；以及一個連接于該濾波器輸出端的解調(diào)電路。
全文摘要
通過從該電源線圈(18)得到一個時鐘信號,然后按照得到的采樣時鐘頻率對該數(shù)據(jù)線圈(20)信號進行采樣,一個在無線供電的通信裝置中用于數(shù)據(jù)恢復(fù)的電路(34)避免了在現(xiàn)有技術(shù)諸裝置中對價格昂貴的電源濾波器的需求。從該電源信號得到一個時鐘信號的步驟使得呈現(xiàn)于該數(shù)據(jù)信號之上的該電源信號成分被當(dāng)作直流成分,很容易通過一個低階的高通或帶通濾波器(38)把它濾除。而且,該數(shù)據(jù)信號可以被放大到一個所需的電平,以便適于用一個具有遲滯的簡單的比較器電路(40)來進行幅度鑒別。使用一個數(shù)字解調(diào)器(32)就能很容易地完成該數(shù)據(jù)信號的解調(diào)。
文檔編號H04B5/00GK1200213SQ97191178
公開日1998年11月25日 申請日期1997年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月30日
發(fā)明者勞沃仁思·E·克尼爾, 尼爾·W·豪倫伯克, 肯尼斯·A·帕特爾 申請人:摩托羅拉公司