使用频率混叠FSK解调的无线充电器的制作方法

本发明总体涉及无线充电，且更具体地涉及使用频率混叠FSK(频移键控)解调的无线充电器。

背景技术：

频移键控是频率调制方案，其中数字信息可以通过载波频率的离散变化而传输。FSK的简单形式是二进制频移键控(BFSK)，其中逻辑“1”由载波的第一频率(f_OP)表示，以及逻辑“0”由载波的第二频率(f_MOD)表示。

一种已知的用于解调BFSK信号的方法使用比较器通过将接收的信号振幅与阈值比较而将输入的已调波形分解为方波。计数器/计时器电路监测方波的状态转换(state transaction)的频率，以便确定每时间周期的转换计数。在替换的方法中，计数器/计时器电路测量完成预定义的转换数量花费的时长。判决装置然后从预定频率组中选择最接近对应于测量的频率，并解码与选择的频率对应的位值“1”或“0”。

当在调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间有显著差异时，这种解调方法以令人满意的方式工作。但是当调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间的差(f_OP-f_MOD)表现为调制频率(f_OP)和(f_MOD)的小的分数(例如＜1％)时，难以实现检测两个频率(f_OP)和(f_MOD)之间这样相对小的频移。

无线充电联盟WPC-QI标准使用FSK调制/解调实现，其中使用例如f_OP＝100kHz以及f_MOD＝100.3kHz的调制频率。因此，调制频率(f_OP和f_MOD)之间的差是0.3kHz，表示仅仅是调制频率(f_OP和f_MOD)的0.3％。

在传统的基于计数器/计时器的FSK解调电路中，为了检测这样小的频移，需要精确的高速时钟信号，其在低成本的应用中实施可能是相当贵的。例如，为了检测诸如由WPC-QI标准定义的调制频率f_OP＝100kHz和f_MOD＝100.3kHz之间的0.3kHz频移，使用上面描述的传统电路将要求计数器/计时器时钟以约128MHz运行。此外，以如此高频率运行的电路比低频率电路消耗显著更 多的电力。因此，实现这样的高频时钟信号会对装置的功率效率有相当大的有害影响。

因此，为了检测表现为基本调制频率的小分数的小频移，提供减轻对高速时钟信号的需求的用于执行FSK解调的方法和装置是有利的。

附图说明

本发明以及它的目的和优势通过参考优选实施例的下面的描述以及附图可以被最好地理解，其中：

图1是使用频移键控(FSK)调制的应用的简化框图；

图2是图1的移动装置内的接收器的简化框图；

图3是根据本发明的实施例的FSK解调部件的简化框图；

图4是示出混叠的概念的振幅对频率的曲线图；

图5是示出初始FSK调制频率和相应的混叠频率的振幅对频率的曲线图；

图6是根据本发明的实施例的频移检测器的简化框图；

图7是本发明的频率检测器和时钟发生器的实施例的简化框图；和

图8是根据本发明的实施例的执行FSK解调的方法的简化流程图。

具体实施方式

下面进行的详细说明连同附图是更作为本发明的目前优选实施例的描述，并不是要代表可以实施本发明的仅有的形式。应当理解的是，同样或相等的功能可以通过要包含在本发明的精神和范围内的不同的实施例来实现。附图中，相同的数字始终用于表示相同的元件。此外，术语“包含”、“包括”或它们的任何其它变化是要覆盖非排它性的包括，以使得包括一系列元件或步骤的模决、电路、装置部件、结构和方法步骤并不仅仅包括这些元件，而且也可包括没有明确列出的其他元件或步骤、或这些模块、电路、装置部件或步骤固有的其他元件或步骤。没有更多的限制的情况下，通过“包括...”进行的元件或步骤不排除存在包括该元件或步骤的另外的相同的元件或步骤。

在一个实施例中，本发明提供了频移键控(FSK)解调器。该FSK解调器包括配置成接收FSK已调信号、对接收的FSK已调信号进行采样并输出采样信号的采样器。FSK解调器进一步包括配置成向由采样器输出的采样信号施加 低通滤波的滤波器，以及配置成检测低通滤波的采样信号的频移并且输出对滤波的采样信号的频移的检测的指示的频移检测器。

在另一个实施例中，本发明提供了包括这样的FSK解调部件的集成电路装置。

在另一个实施例中，本发明提供了执行FSK解调的方法。该方法包括接收FSK已调信号，对接收的FSK已调信号进行采样，向采样信号施加低通滤波，检测低通滤波的采样信号的频移，以及输出对低通滤波的采样信号的频移的检测的指示。

有利地，以及如下面更详细描述的，通过采样并且然后低通滤波FSK已调信号，可以对较低的频率混叠对应频率信号执行频移检测。因此，较低的频率混叠对应频率信号之间的需要被检测的相对频移可以形成为比初始较高频率FSK成分之间的频移更大且更容易检测。因此，对于频移检测器的设计要求可以很大地降低。

现在参考图1，示出了使用频移键控(FSK)调制的应用的示例的简化框图。具体地，示例了根据无线充电联盟WPC-QI标准调整并且应用FSK调制/解调以使得装置之间能够进行无线通信的无线电力传输系统100的实例的简化框图。

图1中示例的无线电力传输系统包括基站110和一个或多个移动装置120。基站110包括一个或多个发射器112。每个发射器112包括布置为将电力转换为无线射频(RF)电力信号的电力转换单元114。移动装置120包括接收器122。移动装置120内的接收器122包括电力拾取单元124，该电力拾取单元124被配置为转换由基站110的发射器112产生的无线RF电力信号并将无线RF电力信号转换为之后提供给移动装置120的负载126的电力。

除了从基站110到移动装置120的电力的传输之外，发射器112能够通过无线RF电力信号的二进制频移键控(BFSK)调制向接收器122发送信息，其中逻辑“1”由无线RF电力信号的载波的第一频率(f_OP)表示，而逻辑“0”由无线RF电力信号的载波的第二频率(f_MOD)表示。接收器122相应地被配置成对接收的RF电力信号执行FSK解调，以恢复由发射器112发送的消息。

图2是根据本发明的实施例的图1的移动装置120内的接收器122的简化框图。电力拾取单元124包括线圈和谐振电路，并将来自发射器112的无线RF 电力信号转换为提供给整流器210的RF电信号200。整流器210将RF电信号200转换为不稳定(unregulated)的DC(直流)信号215。然后DC-DC转换器将不稳定的DC信号215转换为输出给移动装置120的负载126的稳定的DC信号225。接收器122进一步包括FSK解调部件230，该FSK解调部件230配置成接收由电力拾取单元124输出的RF电信号200并且执行RF电信号200的FSK解调，以恢复由发射器112通过无线RF电力信号发射的数据。通过RF电信号200的FSK解调恢复的数据然后被传递给接收器122的控制器240。

图3是根据本发明的FSK解调器300的实施例的简化框图，诸如可以用于实现图2中示例的接收器122的FSK解调部件230。在该示例的实施例中，FSK解调器300在集成电路装置内实现，并在301总体示出。FSK解调器300接收要被解调的原始FSK信号305(诸如图2中的由电力拾取单元124输出的RF电信号200)、执行解调接收的FSK信号305以及恢复调制在其中的数据。

原始的未改善的(unrefined)FSK信号305的电压振幅可以是不稳定的，并且同样地可能经历潜在有破坏性的电压水平。因此，在图3的示例中，FSK解调器300包括方波发生器310，其在示例的实例中包括过零检测器，过零检测器被配置成接收要解调的原始FSK信号305并将接收的原始FSK信号305转换为具有稳定的电压水平的改善的FSK已调方波信号315。

在一些示例中，原始FSK信号305可在被方波发生器310接收之前通过分压器电路(未示出)以降低原始FSK信号305的电压水平。

另外，原始FSK信号305可能包括高噪声水平。因此，在一些示例中原始FSK信号305可在被方波发生器310接收之前通过滤波器(未示出)，以去除存在于原始FSK信号305内的(至少一些)噪声。

FSK解调器300进一步包括采样器320。采样器320接收由方波发生器310输出的改善的FSK已调信号315，并时接收的改善的FSK已调信号315以由采样时钟信号355定义的速率进行采样。采样器320输出采样信号325。在一些实施例中，采样器320可通过D-型触发器或类似装置实现。

混叠是在数字信号处理领域中用来指当对模拟信号采样时发生的影响的术语。当模拟信号被采样时，被采样的信号的在二分之一采样频率(奈奎斯特频率)以上的任何成分将被混叠，也即镜像大约二分之一的采样频率。图4示例了示出当具有频率f_signal的信号以采样频率f_s采样时的混叠的概念的振幅对频率 的简化曲线图。如图4示例的，混叠信号被创建为具有频率f_alias，频率f_alias是初始信号的频率f_signal相对于二分之一采样频率f_s/2的“镜像”。因此，混叠信号频率f_alias等于采样频率f_s减去初始信号的频率f_signal，如下：

f_alias＝f_s-f_signal

再参考图3，作为混叠的影响的结果，如果采样时钟信号355具有的时钟速率使得采样器320以小于改善的FSK已调信号315的频率的两倍的速率采样改善的FSK已调信号315，则由采样器320输出的采样信号325将包括与接收的改善的FSK已调信号315的频率对应的频率成分f_FSK和至少一个混叠频率成分f_alias。混叠频率成分f_alias具有如下频率，该频率等于采样频率f_s(由采样时钟信号355定义)减去FSK频率成分f_FSK的频率：

f_alias＝f_s-f_FSK

FSK解调器300进一步包括向由采样器320输出的采样信号325施加低通滤波的滤波器360。低通滤波的采样信号365被提供给频移检测器370，该频移检测器370检测低通滤波的采样信号365的频移并输出低通滤波的采样信号365的频移的检测的指示375。在示例的实例中，滤波的信号365的频移的检测的指示375被提供给频移判决器380。频移判决器380积累由频移检测器370在一段时间内输出的多个连续的指示值375，并基于积累的多个指示值375判决何时发生频移。然后频移判决器380向包解析部件390输出频移判决385。

如在背景技术中指出的，当调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间的差(f_OP-f_MOD)表现为调制频率(f_OP)和(f_MOD)的小的分数(例如＜1％)时，难以实现对两个频率(f_OP)和(f_MOD)之间这样相对小的频移的检测。

有利地，通过对接收到的改善的FSK已调信号315进行采样，混叠信号被创建为具有以下频率：

f_alias＝f_s-f_FSK

通过向采样器320提供恰当的采样时钟信号355(使得采样器320以小于两倍的FSK调制频率f_FSK的速率对改善的FSK已调信号315进行采样)，采样信号325可以被布置成包括具有比FSK调制成分f_FSK的频率更低的频率f_alias的混叠频率成分。

因此，如图5中示例的，在得到的采样信号325内，第一和第二调制频率(f_OP)和(f_MOD)的混叠频率(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})将维持与初始调制频率相同的频率间 隔(Δf)，但将具有更低的实际频率。因此，混叠频率(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})的相对频移将比初始FSK频率(f_OP)和(f_MOD)的相对频移更大。因此，检测混叠频率(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})之间的频移将比检测初始FSK频率(f_OP)和(f_MOD)之间的相应的频移更容易。

再参考图3，通过在采样器320和频移检测器370之间实现低通滤波360，更高频率的FSK成分f_OP和f_MOD能够被从低通滤波的采样信号365中滤除。以这种方式，由频移检测器370接收到的低通滤波的采样信号365包括较低频率的混叠成分f_{OP_A}和f_{MOD_A}。因此，较低频率的混叠成分f_{OP_A}和f_{MOD_A}之间的要通过频移检测器370检测的相对频移比初始较高频率的FSK成分f_OP和f_MOD之间的相对频移显著更大并且更容易检测。这样，对频移检测器370的设计要求可以显著降低。

例如，在无线充电联盟WPC-QI应用中，诸如图1中示例的，FSK调制频率要求是在110kHz-200kHz范围内，例如，可以使用f_OP＝100kHz以及f_MOD＝100.3kHz。如此，调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间的频率间隔(Δf)是0.3kHz，代表仅仅是调制频率(f_OP)和(f_MOD)的0.3％。如果采样时钟信号355被配置成使得采样器320以例如101KHz的速率对改善的FSK已调信号315采样，则调制频率(f_OP)和(f_MOD)的混叠信号将分别被创建为1kHz和0.7kHz。值得注意的是，混叠频率成分(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})保持初始FSK调制频率(f_OP)和(f_MOD)的0.3kHz的频率间隔(Δf)。但是，相比于初始FSK调制频率(f_OP)和(f_MOD)(频率间隔为其0.3％)，频率间隔(Δf)构成混叠频率成分(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})的30％左右的明显更大的比例。因此，检测混叠频率成分(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})之间的频移比检测初始FSK调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间的频移明显更容易。

图6是根据本发明的实施例的频移检测器370的简化框图。在这个实施例中，频移检测器370包括计数器610。计数器610接收低通滤波的采样信号365，该低通滤波的采样信号365如上面描述的包括较低频率的混叠成分f_{OP_A}和f_{MOD_A}。更具体地，该低通滤波的采样信号365将在任何时间点包括较低频率的混叠成分f_{OP_A}和f_{MOD_A}之一。计数器610接收时钟信号Clk_FSD620，并对例如低通滤波的采样信号365的单个周期内的时钟信号Clk_FSD620的时钟周期的数量计数，以及向频移判决器380输出计数值作为低通滤波的信号365的频移的检测的指示375。频移判决器380基于由计数器610在一段时间内提供的积累 的多个指示值375判决何时发生频移，并将频移判决385输出给包解析部件390。

明显地，在上面的无线充电联盟WPC-QI实例(包括f_OP＝100kHz和f_MOD＝100.3kHz的初始FSK调制频率、以及0.3kHz的频率间隔(Δf))中，为了检测100kHz和100.3KHz的初始FSK调制频率(f_OP)和(f_MOD)之间的0.3kHz的频移，将要求具有超过20MHz(利用分组周期解调(group period demodulation))的频率的高速时钟信号Clk_FSD620。相反，为了检测1kHz和0.7kHz的混叠频率(f_{OP_A})和(f_{MOD_A})之间的0.3kHz的频移，仅要求具有仅超过20kHz(慢1000倍)的频率的时钟信号Clk_FSD620。因此，以这种方式通过使用混叠信号来检测FSK已调信号内的频移，在频移检测电路内并不需要高速计数时钟信号。

有利地，使得显著较低速的计数时钟信号能够用于频移检测电路内，显著减小了频移检测电路的功耗。

将领会的是，本发明并不限于以计数器的方式实现频移检测器370，而是可同样地实现的用于检测低通滤波的采样信号365内的频移的任何合适的可替换电路布置。频移检测器370的这样可替换的实施方式的一个例子包括布置为测量发生在给定时间段内的低通滤波的采样信号365的周期的数量的计时器电路。

再参考图3，在一些实施例中，FSK解调器300可包括用于产生采样时钟信号355的时钟发生器350。在示例的实例中，时钟发生器350被布置成接收改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK的指示345，并将采样时钟信号355配置为使采样器320以从调制频率f_FSK偏移定义的频偏(f_offset)的频率f_s对改善的FSK已调信号315进行采样，其中定义的频偏(f_offset)包括被滤波器360通过的频率范围内的频率。以这种方式，具有调制频率f_FSK的改善的FSK已调信号315的采样将产生等于定义的频偏(f_offset)的频率的混叠信号，其将被滤波器360予以通过。

在包括f_OP＝100kHz和f_MOD＝100.3kHz的初始FSK调制频率以及0.3kHz的频率间隔(Δf)的上面的无线充电联盟WPC-QI示例中，时钟发生器350被布置成接收例如FSK调制频率(f_OP)的指示345，并配置采样时钟信号355以使采样器320以从调制频率(f_OP)偏移定义的频偏(f_offset)(在上面的示例中是1KHz)的频率f_s对改善的FSK已调信号315采样。

以这个方式，以及总体如在图5中示例的，当改善的FSK已调信号315包 括100kHz的FSK调制频率(f_OP)时，改善的FSK已调信号315的采样将产生1kHz(基于(f_alias＝f_s-f_FSK))的频率的混叠信号。相反地，当改善的FSK已调信号315包括100.3kHz的FSK调制频率(f_MOD)时，改善的FSK已调信号315的采样将产生0.7kHz的频率的混叠信号。

定义的频偏(f_offset)同样可以是负偏移。例如，时钟发生器350可将采样时钟信号355配置为使采样器320以从调制频率(f_OP)偏移例如1kHZ(即f_s＝100kHz-1kHz＝99kHz)的频率f_s对改善的FSK已调信号315进行采样。这样的采样频率将导致1kHZ(f_{OP_A})和1.3kHZ(F_{MOD_A})的采样信号内的混叠频率成分。

在图3示例的实施例中，FSK解调器300进一步包括频率检测器340，其接收改善的FSK已调信号315，检测改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK，并向时钟发生器350输出检测到的调制频率f_FSK的指示345。

有利地，通过以这种方式检测FSK已调信号315的频率，并然后基于FSK已调信号315的检测到的频率来配置采样时钟信号355，采样器320的采样速率可以基于FSK已调信号315的频率进行调整以在采样信号325内产生合适的/期望的频率的混叠信号。这在其中FSK已调信号的频率并不固定的FSK调制应用中是特别有利的，诸如在无线充电联盟WPC-QI应用内。

图7是频率检测器340和时钟发生器350的实施例的简化框图。在这个实施例中，频率检测器340包括计数器710。计数器710接收改善的FSK已调信号315和时钟信号Clk_FD720，并被布置成计数例如在FSK已调信号315的单个周期内的时钟信号Clk_FD720的时钟周期的数量，并向时钟发生器350输出计数值作为改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK的指示345。

在图7示例的实施例中，时钟发生器350包括时钟配置部件730，其接收由频率检测器340的计数器710输出的改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK的指示345，并向时钟转换器部件740输出控制信号735。时钟转换器部件740接收由时钟配置部件730输出的控制信号735和种子时钟信号750，并基于由时钟配置部件730输出的控制信号735将种子时钟信号750转换(例如通过除法和/或乘法)为采样时钟信号355。在一些实施例中，相同的时钟信号可以用于时钟信号Clk_FD720和种子时钟信号750。

如上面描述的，在一些实施例中，时钟发生器350可以布置成将采样时钟 信号355配置为使采样器320以从调制频率f_FSK偏移定义的频偏(f_offset)的频率f_s对改善的FSK已调信号315进行采样。因此，如果采样器320被布置成在采样时钟信号355的每个周期(例如在采样时钟信号355的每个上升沿或下降沿)对改善的FSK信号315采样一次，则时钟配置部件730可以布置成将控制信号735配置为使时钟转换器355乘以/除以种子时钟750以产生具有等于(或在实际实现中尽可能接近)检测到的调制频率f_FSK加上定义的频偏(f_offset)的时钟频率的采样时钟信号355。

将会认识到，本发明并不限于以计数器的方式实现的频率检测器340，而是同样可以实现用于检测FSK已调信号315的频率的任何合适的可替换电路布置。频率检测器340的这样的可替换实施方式的一个示例包括配置成测量发生在给定时间段内的FSK已调信号315的周期的数量的计时器电路。

将进一步认识到，本发明并不限于图7中示例的时钟发生器350的具体实施例。例如，可以预期的是，由频率检测器340输出的检测到的调制频率f_FSK的指示345可以直接提供给时钟转换器部件740。另外/可替换地，可以预期的是，时钟发生器350可包括例如布置成产生采样时钟信号355、并可以由时钟配置部件730输出的控制信号735控制的或可以直接由频率检测器340输出的检测到的调制频率f_FSK的指示345控制的锁相环或其它定时电路。

在图7示例的实例中，频率检测器340进一步布置成接收使能信号760。以这个方式，在例如FSK已调信号的初始化时段期间，可以使频率检测器340能够产生或更新改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK的指示345。一旦改善的FSK已调信号315的调制频率f_FSK的指示345已经产生/更新，频率检测器340就可以被禁用以减小功耗。

现在参考图8，示出了诸如可以由图3示例的FSK解调器300来实现的执行FSK解调的方法800的示例的简化流程图。方法从810开始，并且前进到原始FSK已调信号被接收的820。接下来，在830，接收的FSK信号被通过分压器电路和/或滤波器等改善(例如诸如由图3中示例的方波发生器310执行)。接下来，在840，改善的FSK已调信号被采样。在示例的实例中，改善的FSK已调信号以从调制频率f_FSK偏移定义的频偏f_offset的频率f_s被采样。然后在850，低通滤波被施加到采样信号，以使采样信号的混叠频率成分通过并滤除采样信号的初始FSK频率成分。然后在860，对低通滤波的信号执行频移检测，以检 测采样信号的混叠频率成分中的频移。然后在870，基于检测到的采样信号的混叠频率成分中的频移，解析编码在已调FSK信号内的数据。然后在880，该方法结束。

已经呈现的本发明的优选实施例的描述是为了示例和说明的目的，但并不是穷举的也不是想要把本发明限制于所公开的形式。本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的广的发明构思的情况下对上面描述的实施例进行修改。因此，可以理解的是，本发明并不限于所公开的具体实施例，而是覆盖如由所附权利要求限定的本发明的精神或范围内的修改。