专利名称：一种用于低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置、系统和方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种终端与终端之间，进行距离可控的近距离安全数据通信时低频磁场信号的检测和传输的装置和方法，特别涉及含有射频装置(如射频卡)或具有近距离射频通信功能的射频通信终端(如手机、PDA等)与近距离射频通信设备(比如POS机或读卡器；P0S,即Pointof sales)的距离控制、磁场低频信号检测和传输的装置和方法。
背景技术：
科技进步快速的今天，人们的生活也越来越便捷，其中移动支付行业也在这样的情景下应运而生，如今，只要将手机换一个SIM卡即可实现手机近距离通信，这种方法的出现使得手机成为一个可以充值、消费、交易及身份认证的超级智能终端，极大地满足了市场 的迫切需求。此种SIM卡,采用射频UHF (Ultra High Frequency,超高频)等技术将其嵌入手机卡槽中，无需修改其他结构就可完成近距离通信和交易。但是，由于UHF在不同结构手机里的透射差异性，导致不同屏蔽性能的手机通信距离相差较大，远则几米，近则几厘米，在如公交POS机或地铁闸机的刷卡交易中，往往对可交易距离有比较严格的限制，以确保避免误操作。因此，对距离的有效控制成了迫在眉睫的需求。现有技术存在了一种低频交变磁场近距离检测结合RF高频通讯的系统和方法，解决了上述距离控制的问题。该系统利用低频交变磁场，实现读卡器到卡的单向通信，完成距离控制及身份认证，再利用RF通道实现读卡器和卡间的高速通讯。该系统的特点为无需改造移动终端，只需更换终端内部的SIM卡/TF/SD卡，即可实现可靠的双向距离通讯。读卡器发射低频交变磁场信号，卡只需接收该磁场信号，由于是单向通讯，并且无需读卡器通过磁场提供能量，因此可以将接收线圈或其他接收电路小型化，足以放入SIM卡/TF/SD卡内。由于接收信号较弱,卡内需要增加放大电路。另外卡内同时放置RF收发电路，与读卡器内的RF收发电路实现双向高速通讯，如前面所述，RF电路的天线很小，可以轻易的集成到SIM卡/TF/SD卡内。利用低频通道实现距离检测和控制，读卡器将自身的唯一标识IDr通过低频单向通道传送给卡，卡接收到后连同卡自身的唯一标识IDc —起通过RF通道传送给读卡器，从而实现读卡器和卡的唯一绑定，即所谓的移动终端接入读卡器的过程。由于读卡器和卡已经唯一绑定，接入过程之后的通讯采用RF通道进行，仍然可以保证距离控制的可靠性及通讯的可靠性。综上所述，无论低频还是RF天线的尺寸均可集成到卡内，同时采用低频和RF结合的方式实现双向通讯，因此无需改造移动终端，只需更换终端内部的SIM卡/TF/SD卡，即可实现可靠的双向距离通讯。
因此，如何有效的减小电路噪声和环境噪声对低频信号的干扰，准确地从低频信号中恢复数据流，实现读卡器和卡的单向通讯、提取距离信息有效控制其交易的距离成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的方法和装置，用于感应低频信号、对低频微弱信号进行预放大、模数转换、场强检测和数据通讯的装置和方法。本发明解决上述技术问题的 技术方案如下一种用于低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置，包括至少一个用于感应低频磁场信号的低频感应模块、至少一个用于放大低频感应信号的放大器、与放大器输出端连接的至少一个模数转换器、及与模数转换器连接并用于判断原始信号的强度及完成信号检测输出的数字处理模块。本发明的有益效果是利用本发明装置的结构，无需改造移动终端，只需更换终端内部的SM卡/TF/SD卡，即可实现可靠的双向距离通讯。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述低频感应模块为感应线圈、霍尔传感器，或者巨磁电阻。进一步，所述放大器采用多级放大器级联的方式。进一步，所述放大器为单端放大器，也可以为差分放大器。进一步，所述级联的多级放大器中每级输入端连接高通滤波电路、每级输出端连接低通滤波电路，且放大器为低失调及高增益带宽积的放大器。采用上述进一步方案的有益效果是每级输入和输出端引入高通及低通滤波，提高信噪比。进一步，所述模数转换器采用并行模数转换器。采用上述进一步方案的有益效果是提高后端数字模块处理效率。进一步，所述模数转换器速率大于1KSPS，输入量程为OV至模数转换器参考电压。进一步，所述所述模数转换器输入前端设置有与放大器连接的电压跟随器。采用上述进一步方案的有益效果是稳定放大器输出的模拟放大信号，避免A/D前端高阻引起的电压漂移，导致模数转换失真。进一步，所述模数转换器与数字处理模块之间设置有用于对数字信号进行毛刺滤除的数字毛刺滤波器。本发明还提供了一种低频交变磁场近距离检测结合射频高频通讯的系统，包括射频通信终端和近距离射频通信设备，其中，所述射频通信终端包括如权利要求1至8任一所述的用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置，以及与所述用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置连接用于与近距离射频通信设备双向通讯的射频收发电路。本发明还提供了一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的方法，方法包括步骤a:测量磁感应模块与发送磁场的读卡器在不同距离点的感应电压经放大器放大后的电压幅度值，确定电压幅度值与距离的对应关系，并建立幅度值与距离的对应表;步骤b :根据解码低频信号传输数据及控制刷卡距离的需要，结合信噪比要求，通过比较门限形成迟滞判决电压门限对模数转换器输出信号进行判决，得到低频磁场所传输的码流信息；通过比较门限形成非迟滞判决电压门限对模数转换器输出信号进行判决，得到低频磁场所传递的距离特征信息；步骤c :对非迟滞判决条件判决后信号进行采样得到O、I码流序列，设置I信号比例门限，在设定的时间窗长度内对该码流序列进行统计，当I信号所占码流序列比例达到预设比例门限时，则认为进入所设距离范围，否则认为未进入该距离范围；对迟滞判决条件判决后的信号序列进行解码，提取低频磁场的码流信息，完成低频磁场信号单向通信。进一步，所述步骤b中，根据步骤a中所述幅度值与距离的对应表，结合解码距离、距离控制的要求、设置I信号的比例门限设置数字处理模块内的比较门限。 进一步，所述步骤b中，使用单个、多个单个、一对、多对比较门限或其组合提取磁场距离信息和码流信息。进一步，所述数字处理模块内一对比较门限为非迟滞判决条件，其设置方法为设期望控制的距离为D1，查找幅度值与距离的对应表，得到Dl对应的信号变化幅度为+Al到-Al，设置I信号的比例门限为R1，根据Al及R1，设置输出给比较器的电平L1、L2，满足在一个周期内，前端装置输出信号幅度大于LI或小于L2的时间百分比等于R1，即大于Rl则进入所述要求控制的距离Dl范围内，否则没有进入所述要求控制距离Dl的范围内。进一步，所述数字处理模块内一对比较门限为迟滞判决条件，其设置方法为若期望进行解码的距离为D2，查找幅度值与距离的对应表，得到D2对应信号的变化幅度为+A2到-A2，测得大多数噪声产生的幅度为A3，设置输出给比较器的电平L3、L4，使得L3应大于+A3，并小于+A2 ；L4小于-A3，并大于-A2，即当距离小于D2则允许解码，否则不允许解码。进一步，所述步骤b中，对使用一对非迟滞判决条件进行判断后的两个输出信号进行逻辑或处理，处理后得到用于提取距离信息的数字信号。进一步，所述步骤b中，对使用一对迟滞判决条件进行判断后的两个输出信号进行迟滞处理，迟滞处理后得到用于提取磁场码流信息的数字信号。进一步，使用单个比较门限提取磁场码流信息时，比较门限设置为放大器输入参考电平；当使用单个比较门限输出比较电平提取磁场距离信息时，比较门限设置方法与一对比较门限设置方法一致。进一步，所述方法使用单个比较门限比较后输出的数字信号进行单个距离和码流的判断，或使用一对比较门限比较后输出的数字信号进行单个距离和码流的判断；所述方法使用多个单个比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离和码流的判断，或使用多对比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离、多个距离区间和码流的判断。进一步，所述方法混合使用多个单个比较门限比较后输出的数字信号和多对比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离、多个距离区间和码流的判断。进一步，所述步骤c中，包括对输入的数字信号进行毛刺滤除的步骤，然后从滤除毛刺的信号中解码出低频磁场数据流。
图1为本发明用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置的一种实施例结构图；图2为本发明感应线圈感应低频模式及单端输入放大器的结构示意图；图3为本发明霍尔传感器感应低频模式及单端输入放大器的结构示意图；图4为本发明巨磁电阻感应低频模式及单端输入放大器的结构示意图；图5为本发明感应信号差分输入放大器的应用实例；图6为本发明实施例中低频信号检测方法的流程图。图7为本发明实施例中通过实验测得的将感应模块置入不同移动通信终端，距离 与低频感应信号幅度值的对应关系示意图。图8为本发明实施例模数转换器的内部基本结构图；图9为本发明实施例中使用一对的比较门限采用低频磁场信号检测方法进行解码处理的示意图；图10为本发明实施例中使用一对的比较门限采用低频信号检测方法进行距离控制处理的不意图；图11为本发明实施例中使用单个比较门限采用磁场数据低频信号检测方法进行解码处理的示意图；图12为本发明实施例中使用单个比较门限采用低频信号检测方法进行距离控制处理的不意图；图13为本发明一种低频交变磁场近距离检测结合射频高频通讯的系统结构框图。附图中，各标号所代表的部件列表如下01 :低频感应模块02 :放大器03 :模拟/数字转换器04 :数字逻辑模块05 比较器06 :模数转换器的控制模块07 :模数转换器08 :数据寄存器AIN :单端输入信号VINP :差分输入信号正端VINN :差分输入信号负端VCM:共模电压Vref:参考电压VOUT :放大器最后一级的输出模拟信号Ral，Ra2，Ra3, Ra4, Ra5, Rl, R2 :电阻R3，R4，R5，R6 :霍尔传感器内部器件Cl, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, ClO :电容L :感应线圈
DO-Dn-1 ADC 数字量输出A 电压跟随器B :模数转换器核心模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。本发明具体实现低频磁场场强的检测及信息通讯，采用了一种由单级或级联增益可调放大器和模数转换器的结构完成信息的采集及响应。具体使用放大器对前端微弱信号进行放大，放大后的信号连接模数转换器的输入，经模数转换后交由数字模块进行数字算法，从而实现距离控制和通讯。下面结合附图进行说明图1描述了本发明用于低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置的结构图，其包括低频感应模块01、用于放大低频感应信号的放大器02、与放大器输出端连接的模数转换器03、与模数转换器03连接并用于判断原始信号的强度及完成信号检测输出的数字处理模块04。本发明用于低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置采集并放大微弱低频信号，经过模数转换，数字算法，最后完成距离控制和交易通讯。图2所示为本发明一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置中使用的级联增益可调放大器的一种结构实例。本实例中的级联增益可调放大器，采用单端输入，如图2所示感应线圈L通过低频磁场强度变化而耦合到的变化电压AIN输入到第I级放大器负端，后面4级均采用反相放大的方式，共经过5级反相放大器完成低频微弱信号的预放大。本实例中每级输入引入高通滤波，低通滤波电路放于反馈环路。图2中Cl/Ral，C3/Ra2，C5/Ra3，C7/Ra4，C9/Ra5是每级输入的RC高通滤波，随着频率的增加，电容阻抗不断减小，导致电路增益上升，形成高通滤波，而C2/Rbl，C4/Rb2，C6/Ra3，C8/Rb4，C10/Rb5是每级反馈环路的RC低通滤波，随着频率的增加，等效反馈阻抗不断减小，导致增益下降，从而形成低通滤波。另外，第I级输入的电容Cl同时起到隔直的作用，防止感应线圈两端的直流压差造成信号误放大及误检测。每一级的低频截止频率由其RC高通滤波电路决定，高频截止频率由其RC低通滤波电路决定。本实例中每一级放大倍数由相应的Rb/Ra决定，5级放大后的总放大倍数为Rbl*Rb2*Rb3*Rb4*Rb5/Ral*Ra2*Ra3*Ra4*Ra5，实际应用中可根据情况对级数进行增减。该共模电压选用放大器电源电压的一半，放大器采用单电源供电，应用中也可以根据情况选用正负电源供电的方式。放大器Rail toRail(轨到轨)，且具备低失调和较高的增益带宽积。图2显示的是感应模块采用感应线圈的方式，根据情况也可采用霍尔传感器或者巨磁电阻等其他的低频感应方式，如图3和图4所示。图2至4实例描述了低频感应信号采用单端输入的方式，根据应用情况，还可选用差分输入的方式，如图5所示，第I级采用差分输入，单端输出，第I级输出端引入RC无源低通滤波，后四级采用单极点滤波的方法，输入端引入RC高通滤波，反馈端引入RC低通滤波，分别决定下限截止频率和上限截止频率。公共端为VCM(VDD/2)，满足感应信号以VDD/2为中轴上下对称，以避免波形的失真。引入此方法的优点是，增加共模抑制比，减少共模噪声。本实例中放大器选用的是单端输出的运放，根据实际情况，还可选择差分输入，差分输出的方式。图6为本发明实施例中低频信号检测方法的流程图。低频信号的检测包括如下步骤步骤601，在不同距离测量放大后感应电压的幅度值；通过实验手段，在不同手机终端上测量磁感应模块与发送磁场的读卡器在不同距离点的感应电压经放大器放大后的幅度值，并做相应的记录。步骤602，建立幅度值与距离的对应表；将多个终端的测量数据进行处理，得到幅度值与距离的对应表。 步骤603，进入低频磁场数据解码流程；步骤605,比较门限设置；期望进行解码的距离为D2，查找幅度值与距离的对应表，得到D2对应信号的变化幅度为+A2到-A2，测得大多数噪声产生的幅度为A3，设置输出给比较器的电平L3、L4，使得L3应大于+A3，并小于+A2 ；L4小于-A3，并大于-A2，即当距离小于D2则允许解码，否则不允许解码。步骤607，比较判决后输出信号迟滞处理；步骤609，对处理后信号进行解码；解码器按照编码格式将逻辑处理后的信号进行解码，得到低频磁场数据流信息。解码器设置数字毛刺滤波器可对输入的数字信号进行毛刺滤除。步骤611，完成低频磁场信号的单向通信；将解码后数据进行相关的应用，完成低频磁场信号的单向通信功能。步骤604，进入距离控制流程；步骤606，设置I信号比例门限及比较门限；若期望控制的距离为D1，查找幅度值与距离的对应表，得到Dl对应的信号变化幅度为+Al到-Al，设置I信号的比例门限为Rl，根据Al及Rl，设置输出给比较器的电平L1、L2，满足在一个周期内，前端装置输出信号幅度大于LI或小于L2的时间百分比等于Rl，SP大于Rl则进入所述要求控制的距离Dl范围内，否则没有进入所述要求控制距离Dl的范围内。步骤608，比较判决后输出信号逻辑或处理；当使用一对比较门限得到用于进行读卡器和卡之间距离判断的数字信号时，则将该一对的数字信号进行如下操作将通过高比较门限进行判决后的输出信号与通过低比较门限进行判决后的输出信号取反后进行或操作，得到用于距离判断的数字信号。步骤610，对步骤608逻辑处理后信号进行采样得到O、I数据流；步骤612，使用预设时间窗对O、I数据进行统计；预设时间窗长度，并对该时间窗内的0、1数据进行统计，计算出I所占比例。步骤614、616，将统计结果与所设I信号比例门限进行比较，完成距离判断，实现距离控制。图7为本发明实施例中通过实验测得的将感应模块置入不同移动通信终端，距离与低频感应信号幅度值的对应关系示意图。表I为本发明实施例中低频感应信号幅度值与距离的对应关系表。
权利要求
1.一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置，其特征在于，包括至少一个用于感应低频磁场信号的低频感应模块、至少一个用于放大低频感应信号的放大器、与放大器输出端连接的至少一个模数转换器、及与模数转换器连接并用于判断原始信号的强度及完成信号检测输出的数字处理模块。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述低频感应模块为感应线圈、霍尔传感器，或者巨磁电阻。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放大器采用多级放大器级联的方式。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于所述放大器为单端放大器或者差分放大器。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述级联的多级放大器中每级输入端连接高通滤波电路、每级输出端连接低通滤波电路，且放大器为低失调及高增益带宽积的放大器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换器采用并行模数转换器。
7.根据权利要求1、3、5或6任一所述的装置，其特征在于，所述模数转换器速率大于 1KSPS，输入量程为O伏至模数转换器参考电压。
8.根据权利要求1、3、5或6任一所述的装置，其特征在于，所述模数转换器输入前端设置有与所述放大器连接的电压跟随器。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换器与数字处理模块之间设置有用于对数字信号进行毛刺滤除的数字毛刺滤波器。
10.一种低频交变磁场近距离检测结合射频高频通讯的系统，包括射频通信终端和近距离射频通信设备，其特征在于，所述射频通信终端包括如权利要求1至8任一所述的用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置，以及与所述用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置连接用于与近距离射频通信设备双向通讯的射频收发电路。
11.一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的方法，方法包括步骤a :测量磁感应模块与发送磁场的读卡器在不同距离点的感应电压经放大器放大后的电压幅度值，确定电压幅度值与距离的对应关系，并建立幅度值与距离的对应表；步骤b :根据解码低频信号传输数据及控制刷卡距离的需要，结合信噪比要求，通过比较门限形成迟滞判决电压门限对模数转换器输出信号进行判决，得到低频磁场所传输的码流信息；通过比较门限形成非迟滞判决电压门限对模数转换器输出信号进行判决，得到低频磁场所传递的距离特征信息；步骤c :对非迟滞判决条件判决后信号进行采样得到O、I码流序列，设置I信号比例门限，在设定的时间窗长度内对该码流序列进行统计，当I信号所占码流序列比例达到预设比例门限时，则认为进入所设距离范围，否则认为未进入该距离范围；对迟滞判决条件判决后的信号序列进行解码，提取低频磁场的码流信息，完成低频磁场信号单向通信。
12.根据权利要求11所述用于近距离低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于， 所述步骤b中，根据步骤a中所述幅度值与距离的对应表，结合解码距离、距离控制的要求、 设置I信号的比例门限设置数字处理模块内的比较门限。
13.根据权利要求11所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述步骤b中，使用单个、多个单个、一对、多对比较门限或其组合提取磁场距离信息和码流信息。
14.根据权利要求13所述用于近距离低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于， 所述数字处理模块内一对比较门限为非迟滞判决条件，其设置方法为设期望控制的距离为Dl，查找幅度值与距离的对应表，得到Dl对应的信号变化幅度为+Al到-Al，设置I信号的比例门限为R1，根据Al及R1，设置输出给比较器的电平L1、L2，满足在一个周期内，前端装置输出信号幅度大于LI或小于L2的时间百分比等于R1，即大于Rl则进入所述要求控制的距离Dl范围内，否则没有进入所述要求控制距离Dl的范围内。
15.根据权利要求13所述用于近距离低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于， 所述数字处理模块内一对比较门限为迟滞判决条件，其设置方法为若期望进行解码的距离为D2，查找幅度值与距离的对应表，得到D2对应信号的变化幅度为+A2到-A2，测得大多数噪声产生的幅度为A3，设置输出给比较器的电平L3、L4，使得L3应大于+A3，并小于+A2 ； L4小于-A3，并大于-A2，即当距离小于D2则允许解码，否则不允许解码。
16.根据权利要求14所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述步骤b中，对使用一对非迟滞判决条件进行判断后的两个输出信号进行逻辑或处理，处理后得到用于提取距离信息的数字信号。
17.根据权利要求15所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述步骤b中，对使用一对迟滞判决条件进行判断后的两个输出信号进行迟滞处理，迟滞处理后得到用于提取磁场码流信息的数字信号。
18.根据权利要求13所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，使用单个比较门限提取磁场码流信息时，比较门限设置为放大器输入参考电平；当使用单个比较门限输出比较电平提取磁场距离信息时，比较门限设置方法与权利要求16所述方法一致。
19.根据权利要求13所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述方法使用单个比较门限比较后输出的数字信号进行单个距离和码流的判断，或使用一对比较门限比较后输出的数字信号进行单个距离和码流的判断；所述方法使用多个单个比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离和码流的判断，或使用多对比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离、多个距离区间和码流的判断。
20.根据权利要求13所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述方法混合使用多个单个比较门限比较后输出的数字信号和多对比较门限比较后输出的数字信号进行多个距离、多个距离区间和码流的判断。
21.根据权利要求11所述用于低频信号检测及传输系统的方法，其特征在于，所述步骤c中，包括对输入的数字信号进行毛刺滤除的步骤，然后从滤除毛刺的信号中解码出低频磁场数据流。
全文摘要
本发明涉及一种用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置和方法，装置包括至少一个用于感应低频信号的低频感应模块、至少一个用于放大低频感应信号的放大器，与放大器输出端连接的至少一个模数转换器及与模数转换器连接并用于判断原始信号的强度及完成信号检测输出的数字处理模块。本发明还提供了一种低频交变磁场近距离检测结合射频高频通讯的系统，包括射频通信终端和近距离射频通信设备，其中，射频通信终端包括用于近距离低频磁场信号检测和传输及距离判断的装置，以及射频收发电路。本发明通过简单的电路结构完成了低频微弱信号预放大，模数转换，及场强检测和数据通讯，进而，无需改造移动终端，即可实现可靠的双向距离通讯。
文档编号H04B17/00GK103023536SQ20101016643
公开日2013年4月3日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者汪海翔, 蒋宇 申请人:国民技术股份有限公司