近场通信中的有源负载调制技术制造技术

本发明专利技术公开了一种用于为支持同步和异步传输的有源负载调制准备载波信号的近场通信NFC设备。所述NFC设备包括：本地时钟发生器，用于生成参考时钟信号(REF_CLK)；时钟提取器，用于恢复NFC启动器设备生成的时钟信号(EXT_CLK)；频率跟踪模块FTM，用于基于输入时钟信号(REF_CLK或EXT_CLK)执行频率跟踪操作以产生频率与所述输入时钟信号的频率对准的FTM输出；以及相位跟踪模块PTM，用于基于EXT_CLK对所述FTM输出执行相位跟踪操作以产生相位与EXT_CLK的相位对准的PTM输出。所述PTM输出在所需频率和相位处充当所述载波信号，用于对所述NFC设备的数据进行负载调制，从而形成负载调制后信号以向所述NFC启动器设备主动传输。

Active load modulation in near field communication

The present invention discloses a near field communication NFC device for preparing carrier signals for active load modulation to support synchronous and asynchronous transmission. The NFC device includes a local clock generator for generating a reference clock signal (REF_CLK); the clock extractor, a clock signal for restoring NFC starter equipment generated (EXT_CLK); frequency tracking module for FTM, based on an input clock signal (REF_CLK or EXT_CLK) to perform frequency tracking operation to generate frequency with the input clock signal the alignment of the FTM output frequency and phase tracking module; PTM, for the EXT_CLK to perform a phase tracking operation to generate phase and EXT_CLK alignment of the output of the FTM output based on PTM. The PTM output acts as the carrier signal at the required frequency and phase, and is used for load modulation of the data of the NFC device, so as to form a load modulated signal to actively transmit to the NFC initiator device.

【技术实现步骤摘要】
近场通信中的有源负载调制技术
本专利技术涉及近场通信(nearfieldcommunication，NFC)中的负载调制技术。更具体地，本专利技术涉及支持同步和异步传输的NFC中的有源负载调制(activeloadmodulation，ALM)。再更具体地，本专利技术涉及用于为ALM传输准备相位和频率正确对准的载波信号的NFC设备和方法。
技术介绍
在过去的十年里，非接触技术已经在借记卡、信用卡和记账卡等支付卡行业广泛使用。最近，非接触技术已经延伸到模拟非接触卡的手机，使得用户能够使用单个设备来代替多个卡。因此，引入了近场通信(nearfieldcommunication，NFC)技术来支持这种应用。手机和SIM卡可以存储和运行各种软件应用，构成了一个能够与NFC一起使用的强大平台。NFC实际上是射频识别(radiofrequencyidentification，RFID)的分支，以13.56MHz高频运作并且在几厘米(通常达10cm)的短距离内提供106kbps至424kbps的数据传输速率。NFC标准和协议在ISO/IEC14443、18092、15693、JISX6319-4等中进行了概述。NFC设备可以是一种NFC启动器(或读卡器)以及NFC目标(或标签)，并且可在不同模式，即读/写模式、端到端模式和卡模拟模式下运作。NFC目标仅在NFC启动器的响应范围内激活。NFC技术涉及启动器天线和目标天线的电感耦合，这种电感耦合通过耦合因子(K)(值在0和1之间)进行测量。该耦合因子基本上取决于天线的几何参数和天线之间的距离。在无源负载调制(passiveloadmodulation，PLM)中，对连接到目标天线的负载进行切换，其中默认负载对应于未调制状态，已切换负载对应调制状态。当启动器天线和目标天线电感耦合时，启动器能够检测这些负载变化并且对其解码以提取信息。启动器感测到的调制电压和未调制电压之间的差异是负载调制幅度。一般而言，耦合因子越高，负载调制幅度越大。如果幅度低于某一最小值，则启动器可能无法可靠地感测信号调制。对于非接触支付卡(例如ID-1格式的信用卡)，PLM能够可靠地产生足够的负载调制幅度，因为相对较大的天线能够被嵌入到卡中。然而，对于支持NFC的手机，并非如此，因为狭窄形状的手机只可以提供空间给非常小的天线(因此耦合因子弱)。此外，手机中的金属、电路和射频(radiofrequency，RF)信号充足，进一步影响到手机耦合到启动器天线的能力。鉴于上述设计限制，为了提高NFC手机的性能，引入了有源负载调制(activeloadmodulation，ALM)技术。不同于利用启动器设备产生的RF场的能量的PLM，ALM利用手机的电池电源来主动传输已调制信号。在ALM中，与启动器的载波信号同步的已调制信号在调制状态下传输，在未调制状态下关闭。ALM技术的主要优点是可以实现与PLM技术相同的负载调制幅度，但是耦合因子要低得多。因此，启动器设备无法区分是使用PLM技术还是使用ALM技术来传输数据，这产生了相同的用户体验。因此，ALM允许使用比典型PLM系统的天线小得多的天线，例如，尺寸减小80％至90％。为了通过较小的天线尺寸来扩大负载调制范围，ALM技术产生频谱特性与负载调制信号相同的信号，并主动向启动器传输该信号。更具体地，目标使用子载波频率(fs)来调制数据，而不是使用直接负载调制。可以使用振幅键控(amplitudeshiftkeying，ASK)、开关键(on/offkeying，OOK)、二进制相移键控(binaryphaseshiftkeying，BPSK)等各种调制方案以及使用曼彻斯特编码、NRZ-L编码、改进的米勒编码等数据编码技术。当目标的负载电阻器以高频率(fs)打开和关闭时，两个调制边带在距离启动器的载波频率(13.56MHz)±fs处创建。子载波频率fs＝13.56MHz/16＝847.5KHz(针对比特率为106kbps)，上边带位于14.4075MHz，下边带位于12.7125MHz。待传输数据包含在调制边带中。因此，为了将数据从目标传输到启动器，目标需要生成两个子载波信号，每个子载波信号都有包含待传输到启动器的数据的边带。这种已调制信号的幅度可以由功率放大器放大，然后通过目标天线辐射到启动器。为了确保ALM传输正确，除了所需的负载调制幅度电平，还要求传输的已调制信号与启动器的载波信号(相位)同步。但是相位同步在任何时候都难以实现，尤其是在ALM传输期间，因为启动器传输的载波信号被来自目标的主动传输信号遮蔽。因此，在目标主动传输其数据期间，启动器的载波信号不能直接观察到。所以目标不能正确地恢复启动器的载波信号的相位/频率。这可能导致异步目标响应，并且因此产生启动器接收到的相位漂移信号。相位同步对于异步传输变得更加困难，因为目标使用本地振荡器来生成独立于启动器中的振荡器的本地参考时钟。在第13/482,930号美国专利申请中提出了一种针对相位同步的可能方案。在该方法中，NFC设备中的天线划分成用于传输(transmit，Tx)和接收(receive，Rx)的两个环路，具有公共的接地。理想情况下，Rx环路与Tx环路之间的耦合为零，使得目标模式下的NFC设备即使在传输时也接收工作在R/W模式下的NFC设备的载波相位并与其同步。然而，研究表明两个环路之间的零耦合在实际实施中几乎无法保证。此外，由于复杂性和高制造成本，这种具有两个环路的天线不适用。鉴于上文，本领域技术人员正在努力改进相位同步技术，从而为ALM传输准备同步载波信号。
技术实现思路
根据本专利技术实施例通过提供用于为有源负载调制(activeloadmodulationALM)传输准备载波信号的NFC设备和方法解决了上述和其它问题并且在本领域取得了进步。本专利技术的第一个优点是采用了包括频率跟踪环路和相位跟踪环路的双环结构，有效地为支持同步传输(基于已恢复时钟信号，从启动器设备生成的载波信号中提取)和异步传输(基于本地生成的参考时钟信号)的ALM准备载波信号。本专利技术的第二个优点是，对于异步传输，频率跟踪环路能够基于目标设备本身内的本地时钟发生器生成的参考时钟信号有效地合成用于ALM的所需载波频率，从而避免使用从启动器设备生成的载波信号中恢复的时钟信号。与上述第二个优点相比，本专利技术的第三个优点是，对于异步传输，频率跟踪模块能够以闭环连续运作，即使在ALM传输期间也合成所需载波频率，从而避免了由于开环/闭环转变产生的可能干扰(例如频率漂移)。本专利技术的第四个优点是，对于异步传输，即使在载波信号的频率与启动器的频率不完全相同但是接近13.56MHz(最大偏移±7KHz)的情况下能够产生相位与已恢复时钟信号的相位快速对准的载波信号。本专利技术的第五个优点是，对于同步传输，需要频率跟踪环路仅在ALM传输期间的子载波周期内的前半部分中(而非公共PLL系统要求的整个ALM传输周期)开环，从而能够连续校正载波信号的相位偏移。根据一些实施例，本专利技术的第六个优点是，由于相位跟踪环路中采用了平行数字处理机制，相位跟踪环路能够以相对快的速度将载波信号的时钟相位与已恢复时钟信号的相位对准。根据本专利技术实施例，提供了用于为有源负载调制传输准备载波信号的近场通信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于为有源负载调制传输准备载波信号的近场通信NFC设备，其特征在于，所述NFC设备包括：本地时钟发生器，用于生成参考时钟信号；时钟提取器，用于恢复NFC启动器设备生成的时钟信号；频率跟踪模块FTM，用于基于输入时钟信号执行频率跟踪操作以产生频率与所述输入时钟信号的频率对准的FTM输出，其中所述输入时钟信号为所述参考时钟信号或者为所述已恢复时钟信号；以及相位跟踪模块PTM，用于基于所述已恢复时钟信号对所述FTM输出执行相位跟踪操作以产生相位与所述已恢复时钟信号的相位对准的PTM输出；其中所述PTM输出在所需频率和相位处充当所述载波信号，用于对所述NFC设备的数据进行负载调制，从而形成负载调制后信号以向所述NFC启动器设备主动传输。

【技术特征摘要】
2016.10.07 SG 10201608437W1.一种用于为有源负载调制传输准备载波信号的近场通信NFC设备，其特征在于，所述NFC设备包括：本地时钟发生器，用于生成参考时钟信号；时钟提取器，用于恢复NFC启动器设备生成的时钟信号；频率跟踪模块FTM，用于基于输入时钟信号执行频率跟踪操作以产生频率与所述输入时钟信号的频率对准的FTM输出，其中所述输入时钟信号为所述参考时钟信号或者为所述已恢复时钟信号；以及相位跟踪模块PTM，用于基于所述已恢复时钟信号对所述FTM输出执行相位跟踪操作以产生相位与所述已恢复时钟信号的相位对准的PTM输出；其中所述PTM输出在所需频率和相位处充当所述载波信号，用于对所述NFC设备的数据进行负载调制，从而形成负载调制后信号以向所述NFC启动器设备主动传输。2.根据权利要求1所述的NFC设备，其特征在于，所述FTM包括：相位-频率检测器PFD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO和分频器FD，它们按顺序连接，形成了模拟锁相环(PLL系统，以执行所述频率跟踪操作，从而基于所述输入时钟信号合成所需频率；其中所述PFD包括电路，所述电路用于：从所述FD接收所述输入时钟信号和反馈信号，将所述反馈信号的相位和/或频率与所述输入时钟信号的相位/频率进行比较，以及为了响应所述反馈信号和所述输入时钟信号之间的相位偏移和/或频率偏移而产生控制信号；所述LF包括电路，所述电路用于：从所述PFD接收所述控制信号，对所述控制信号执行滤波操作，以及产生与所述反馈信号和所述输入时钟信号之间的所述相位偏移和/或频率偏移相关的控制值；所述VCO包括电路，所述电路用于：从所述LF接收所述控制值以及产生相位和/或频率基于所述控制值进行调整的VCO输出，其中所述VCO输出充当所述FTM输出；所述FD包括电路，所述电路用于：从所述VCO接收所述VCO输出；将所述VCO输出的频率除以一个数，所述数可改变为任意合适值，从而将所述VCO输出的频率变为等于或接近于所述输入时钟信号的频率；以及产生反馈信号以输入到所述PFD；其中当所述反馈信号和所述输入时钟信号同相并且它们的频率在可接受频率准确度内相等或相近时，所述反馈信号与所述输入时钟信号对准。3.根据权利要求1所述的NFC设备，其特征在于，所述FTM包括：时间-数字转换器TDC、数字环路滤波器DLF、数控振荡器DCO和分频器FD，它们按顺序连接，形成了全数字锁相环PLL系统，以执行所述频率跟踪操作，从而基于所述输入时钟信号合成所需频率；其中所述TDC包括电路，所述电路用于：从所述FD接收所述输入时钟信号和反馈信号，将所述反馈信号的相位与所述输入时钟信号的相位进行比较，以及为了响应所述反馈信号和所述输入时钟信号之间的相位偏移而产生数字信号；所述DLF包括电路，所述电路用于：从所述TDC接收所述数字信号，对所述接收到的数字信号执行滤波操作，以及产生与所述反馈信号和所述输入时钟信号之间的所述相位偏移相关的数字控制信号；所述DCO包括电路，所述电路用于：从所述DLF接收所述数字控制信号以及产生相位基于所述数字控制信号进行调整的DCO输出，其中所述DCO输出充当所述FTM输出；所述FD包括电路，所述电路用于：接收所述DCO输出；将所述DCO输出的频率除以一个数，所述数可改变为任意合适值，从而将所述DCO输出的频率变为等于或接近于所述输入时钟信号的频率；以及产生待输入到所述TDC的反馈信号；其中当所述反馈信号和所述输入时钟信号同相并且它们的频率在可接受频率准确度内相等或相近时，所述反馈信号与所述输入时钟信号对准。4.根据权利要求2或3所述的NFC设备，其特征在于，所述FTM还包括：包括电路的复用器，所述电路用于选择所述输入时钟信号，所述输入时钟信号为来自所述本地时钟发生器的所述参考时钟信号或者为来自所述时钟提取器的所述已恢复时钟信号。5.根据权利要求2或3所述的NFC设备，其特征在于，所述输入时钟信号为独立于所述启动器设备生成的所述时钟信号的所述参考时钟信号，所述FTM的所述PLL系统即使在有源负载调制传输期间也能够以闭环连续运作。6.根据权利要求2或3所述的NFC设备，其特征在于，所述输入时钟信号为依赖于所述启动器设备生成的所述时钟信号的所述已恢复钟信号，需要所述FTM的所述PLL系统在有源负载调制传输期间转换到开环。7.根据权利要求1所述的NFC设备，其特征在于，所述本地时钟发生器为温度补偿晶振。8.根据权利要求1所述的NFC设备，其特征在于，所述PTM包括：相位内插PI单元、相位采样器和数字环路滤波器DLF，它们按顺序连接，形成了反馈环路系统，以执行所述相位跟踪操作，从而基于所述已恢复时钟信号跟踪所需时钟相位；其中所述相位采样器包括电路，所述电路用于：从所述PI单元接收所述已恢复时钟信号和PI输出，将所述已恢复时钟信号的相位与所述PI输出的相位进行比较，以及为了响应所述已恢复时钟信号和所述PI输出之间的相位偏移而产生数字信号；所述DLF包括电路，所述电路用于：从所述相位采样器接收所述数字信号，对所述数字信号执行滤波操作，以及产生与所述已恢复时钟信号和所述PI输出之间的所述相位偏移相关的数字控制信号；所述PI单元包括电路，所述电路用于：从所述FTM接收通过第一相位差间隔相等相位的第一多个FTM输出；内插所述第一多个FTM输出以形成通过第二相位差间隔相等相位的第二多个FTM输出，其中所述第二多个FTM输出大于所述第一个多个FTM输出；以及基于从所述DLF接收到的所述数字控制信号选择所述第二多个FTM输出中的一个以从所述PI单元输出作为PI输出，使得在所述第二多个FTM输出中，所述PI输出的相位与所述已恢复时钟信号的相位最接近，其中所述PI输出充当所述PTM输出并输入到所述相位采样器；其中当所述PI输出和所述已恢复时钟信号在可接受相位准确度内彼此同相或接近时，所述PI输出与所述已恢复时钟信号对准。9.根据权利要求2或3所述的NFC设备，其特征在于，所述PTM包括：相位内插PI单元、时间-数字转换器TDC和相位选择PS单元，它们连接，形成了系统，以执行所述相位跟踪操作，从而基于所述已恢复时钟信号跟踪所需时钟相位；所述PI单元包括电路，所述电路用于：从所述FTM接收通过第一相位差间隔相等相位的第一多个FTM输出；内插所述第一多个FTM输出以形成通过第二相位差间隔相等相位的第二多个FTM输出，其中所述第二多个FTM输出大于所述第一多个FTM输出；以及同时向所述TDC和所述PS单元发送所述第二多个FTM输出；所述TDC包括电路，所述电路用于：从所述PI单元接收所述已恢复时钟信号和所述第二多个FTM输出，将所述已恢复时钟信号的相位与所述第二多个FTM输出的相位进行比较，以及产生与所述已恢复时钟信号和所述第二多个FTM输出之间的相位关系相关的数字控制信号；所述PS单元包括电路，所述电路用于：从所述TDC接收所述数字控制信号以及从所述PI单元接收所述第二多个FTM输出，以及基于所述数字控制信号选择所述第二多个FTM输出中的一个以从所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：于锐，陈雪松，杨腾智，杨丽月，
申请(专利权)人：华为国际有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG