用于有源负载调制的方法及通信装置与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及用于有源负载调制的高速电路以及相关方法。

背景技术

近场通信(nearfieldcommunication,nfc)包括一组允许电子设备之间通过短距离进行通信的通信协议，典型的，可以在几厘米(centimeter)内进行通信。可以在几种应用中使用nfc设备，这几种应用包括非接触的付费系统(例如信用卡)，电子票据智能卡和移动付费系统。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于有源负载调制的方法，该方法包括：通过天线从读取器接收载波时钟，从参考振荡器接收本地时钟，在接收阶段，锁定可控振荡器的输出到所述载波时钟，在发送阶段，锁定可控振荡器的输出到所述本地时钟并且根据所述可控振荡器的输出产生有源负载调制(activeloadmodulation,alm)时钟，其中所述发送阶段包括未加载阶段(unloadedphase)和突发阶段(burstphase)；并且控制向所述读取器的发送信号，其中所述读取器的发送信号包括：在未加载阶段，根据所述载波时钟设定所述alm时钟，使得所述alm时钟与所述载波时钟同步；并且在所述突发阶段，根据所述alm时钟向所述读取器发送信号，使得所发送的信号与所述载波时钟同步；例如，在未加载阶段，根据所述载波时钟对所述alm时钟进行定时，并且在所述突发阶段，根据所述alm时钟对向所述读取器的信号发送进行定时并且向所述读取器发送所述信号。

本发明实施例提供一种通信装置，该装置用于通过天线从辅助装置接收载波时钟和从参考振荡器接收本地时钟。所述装置可以包括控制电路，所述控制电路用于在接收阶段，锁定可控振荡器的输出到所述载波时钟，在发送阶段，锁定可控制振荡器的输出到所述本地时钟并且根据所述可控振荡器的输出产生有源负载调制(activeloadmodulation,alm)时钟，其中所述发送阶段包括未加载阶段(unloadedphase)和突发阶段(burstphase)；在未加载阶段，根据所述载波时钟设定所述alm时钟，使得所述alm时钟与所述载波时钟同步；并且在所述突发阶段，根据所述alm时钟向所述读取器发送信号，使得所发送的信号与所述载波时钟同步；例如，在未加载阶段，根据所述载波时钟对所述alm时钟进行定时，并且在所述突发阶段，根据所述alm时钟对向所述读取器的数据发送进行定时并且向所述读取器发送所述数据。

本发明实施例提供一种通信装置，该装置包括：复用器，具有第一输入和第二输入，所述第一输入通过匹配网络与天线耦接，所述第二输入耦接参考振荡器，所述复用器选择性的输出从所述匹配网络获取的载波时钟或者所述参考振荡器的时钟；锁相环，具有耦接到所述复用器的输出的输入；以及有源负载调制时钟产生器，与所述锁相环的输出耦接，根据所述锁相环输出的时钟，产生与所述载波时钟同步的alm时钟；调制器，耦接在所述alm时钟产生器和所述匹配网络之间，用于根据所述alm时钟产生器输出的所述alm时钟，获得待发送的alm信号。

本发明通过在发送阶段，锁定可控振荡器的输出到本地时钟，使可控振荡器持续操作在锁定模式中，所以避免了可控振荡器在空闲状态和锁定状态之间持续切换，能够提高应答器在发送阶段发送数据的速率。

前述的发明内容是以示例性说明的方式提出，不应理解为对本发明的限制。

附图说明

根据本发明，被并入以及形成说明书的一部分的以下附图示出了本发明实施例，与后续具体的描述一起，解释本发明的概念，其中，在以下附图中相同的标号描述相同的元件：

图1是本发明实施例提供的应答器(transponder)观察到的有源负载调制信号和读取器(reader)发送的载波信号的示意图；

图2是本发明实施例提供的用于有源负载调制的系统的示例的框图；

图3a是本发明实施例提供的图2中系统的代表性操作的示意图；

图3b是本发明实施例提供的在突发阶段的载波时钟信号和有源负载调制信号的示意图；

图4是本发明实施例提供的在图2中系统中所使用的锁相环(phaselockedloop)的框图。

具体实施方式

有源负载调制是近期发展的提升负载调制幅度的技术，可以克服当使用小天线时，感应耦合太微弱以至于不能支持可靠的数据传输的问题。例如，在使用近场通信(nfc)进行无线通信的可携带设备中，例如智能手机和可穿戴设备，可用的真实空间太受限以至于仅能为非常小的天线提供足够的空间。具有这种有限可用物理空间的紧凑设备常常被用于模仿非接触式卡，例如信用卡，借记卡，公共交通卡，礼品卡等。

另一方面，非接触式卡具有足够的空间来容纳较大的天线，所以能依赖无源(passive)负载调制来向读取器传递存储在卡中的信息。当该卡被带到靠近该读取器时，读取器通过磁耦合(magneticcoupling)向卡的应答器发送载波。一旦接收到该载波，卡的应答器从载波中提取能量并且使用该能量为自己的操作供电。随后，应答器将数据发送回读取器。数据可以包括，例如信用卡号码，个人信息，产品识别码，授予进入建筑物的信息等等。该数据被通过负载调制发送到读取器。也就是说，应答器根据将要发送的信息调制负载阻抗，该负载阻抗与所述读取器感应耦合。读取器通过检测负载调制，提取出信息。无源(passive)负载调制已经非常成功，因为其在不需要使用电池来为卡的电路供电的情况下使能(enable)通信。实际上，是通过读取器的载波传递电力,(因此称为术语“无源”)。

卡使用者的通常期望是通过用卡轻敲读取器，交易就能被快速的建立，甚至不用将卡从装着卡的钱包或者手提袋中拿出来。为了确保快速的和稳定的交易，工程师开发了读取器和卡能很强的电磁耦合到彼此的结构。为此，常常使用较大的天线。典型的非接触卡的天线的表面空间是4000mm²。

最近的技术(例如nfc)，尝试通过使用可携带设备(例如智能手机)模仿这些卡的功能以使用户能使用单一设备代替多个卡。以这种方式，消费者能使用单一设备来进入建筑物和上火车或者公交车，以支付购物费用并且使用优惠券(coupon)。因为存在支持其他功能的大量电子电路，大电池，和大显示设备，可携带设备具有远远小于传统的卡的空间来容纳较大的天线。典型的，40mm²或者更小尺寸的天线可以安装在有限的空间内。而且，可携带设备中的趋势是不断的降低设备外形因素。这些限制对可携带设备厂商构成了相当大的挑战，由于可携带设备提供的空间仅仅用于小的天线所以严重的阻挡了设备建立快速和稳定交易的能力。为了支持通过小天线进行交易，厂商更多的依赖于有源负载调制(activeloadmodulation，alm)。使用有源负载调制，应答器通过向读取器发送有源负载调制信号来响应。有源负载调制alm信号是通过根据待发送的数据调制有源负载调制载波产生的，该有源负载调制载波被有源负载调制时钟定时。数据由存在的和/或不存在的alm载波编码。

发明人已经意识到，有源负载调制电路的设计上的挑战可归因于发送数据能够破坏应答器同步alm时钟到读取器的载波的能力。特别是，发明人认识到应答器发送alm载波能阻挡应答器锁定到读取器发送的载波的能力，因为有源负载调制信号(在应答器端)相对于载波信号具有更大的功率。因此，读取器发送的载波被有源负载调制信号有效的屏蔽了，所以应答器的锁相环很难锁定到读取器发送的载波上。在通过有源负载调制通信的设备之间缺少同步显著的降低设备的准确交换数据的能力。

使用有源负载调制的一些系统通过周期性的在锁定模式和未锁定模式切换pll，获得与读取器的同步。在突发阶段，当alm载波被发送到读取器，pll操作在空闲(freerunning)状态中。也就是说，pll没有锁定到任何信号。反之亦然，当alm载波没有发送到读取器中，pll被锁定到读取器发送的载波信号上。以这种方式，在发送alm载波的时间和同步到读取器的载波的时间没有重叠。这个方法的主要限制是pll在锁定模式和未锁定模式之间持续切换引起对发送数据的比特率上的瓶颈。特别是，一旦从空闲状态变为需要锁定时，pll需要花费几个时钟周期才能锁定到读取器的载波。pll锁定回载波所需的时钟周期的数目越多，能获得的最高的比特率越低。使用该方法的系统的比特率被限制到几百khz。

认识到这个限制，发明人提出了用于有源负载调制的电路，其能支持超高比特率(veryhighbitrate,vhbr)，例如超过1mbit/s。根据本发明的一些实施例，在接收阶段，当数据被从读取器发送到应答器时，通过锁定pll到读取器的载波，并且在发送阶段，当数据被从应答器发送回读取器时，通过锁定pll到参考时钟而不是载波时钟，可以获得这种高比特率。因此，尽管在接收阶段和发送阶段的锁定到的时钟不同，但pll在发送阶段持续的操作在锁定模式，所以避免了现有技术中pll在发送阶段从休闲状态到锁定状态的重锁过程。在发送阶段，应答器同步到读取器可以通过当alm载波没有被发送时，将alm时钟重定时到读取器的载波来实现。这个阶段被称为未加载阶段(unloadedphase)。例如，基本对齐到载波信号的上升沿(可选的，可以是下降沿)的同步脉冲可以被产生，随后根据同步脉冲对alm时钟定时。当以这种方式配置时，alm时钟可以只需要一个时钟周期就能同步到读取器的载波，所以基本上提高了应答器发送数据的速率。

能够支持高比特率，发明人开发的电路有机会扩展有源负载调制机制到一些应用中，在这些应用中，大量数据可以在两个无线耦合的设备中交换。

图1描述同时呈现在应答器的有源负载调制电路上的两个信号：有源负载调制信号102，有源负载调制信号102通过待发送到读取器的信息编码得到的，和载波信号100，其被读取器产生并被应答器接收。为了建立应答器和读取器之间的通信，应答器的alm时钟被同步到读取器提供的载波(典型的是13.56mhz±7khz音调，其他的频率也有可能)。事实上，通过侦测负载调制幅度读取器能检测到负载调制。然而，载波信号100被有源负载调制信号102遮蔽，当在应答器处观察时，该有源负载调制信号102展示出较大的功率，载波信号100被有源负载调制信号102遮蔽，所以与载波信号100的同步被损坏。在发送alm载波到读取器的突发阶段(在时间t0之前和时间t1之后)，这个影响是严重的。结果是，有源负载调制信号102的相位相对于载波信号100的相位可能漂移。正如图1中示出的，即使当alm载波没有被发送(在t0和t1之间)，有源负载调制信号102上也可以持续呈现显著的幅度振荡，至少到时间ta。因此，甚至在突发阶段之外，载波信号100也持续被屏蔽。这个时候的振荡可以由在匹配网络中振铃(ring)引起的，由此即使在alm载波的发送结束之后匹配网络也持续振荡在其谐振频率。时间ta可被视为振铃影响显著衰弱的时间(例如振铃振荡衰弱到其最大值的1/2幅度，其最大值的1/5幅度，其最大值的1/10幅度，或者任何其他适当的值)。

依赖于正在发送的比特，通过使得读取器的载波的相位和感应耦合的alm载波相位之间的差为0°或者180°，可建立最大值负载调制幅度。如果相位差偏移并且该偏移大于30°，读取器的辨识负载调制幅度的能力可能变得太微弱以至于不能支持nfc通信。

在一些例子中，有源负载调制同步能通过如下方式建立：1)在未加载阶段，当alm载波没有被发送时(例如，在图1中的时间t0和时间t1之间的阶段)，允许电路同步到接收到的读取器的载波时钟；和2)在未加载阶段，根据读取器的载波时钟，重定时alm时钟的边沿。随后，在突发阶段，alm载波可以被发送到读取器并且根据alm时钟进行该发送。

图2是本发明实施例提供的有源负载调制的系统的框图。系统200可以被实施在应答器上，例如卡或者用于模仿卡的设备，或者其他任何电子设备的适当类型。系统200与相应设备通过电磁耦合通信。因此，系统200包括天线202，该天线202可以被实施为感应器(inductor)(例如在印刷电路板上具有一个或者多个圈(turn)的一个或者多个绕组或者线)。天线202可以用于接收相应设备提供的载波信号和将有源负载调制信号发送回该设备。

应当理解的是，图2示出具有单一天线的系统，在其他实施例中也可以使用多个天线。例如，在发送中使用一个天线和在接收中使用一个天线。此外或者可替代的，可以使用多个天线支持系统200和多个其他设备之间的交易。

在一些例子中，系统200和其他设备之间的通信可以使用nfc协议执行。在这些例子中，系统200可以作为接近感应耦合卡(picc)或者作为磁性耦合到的设备(作为接近耦合卡(pcd)或者读取器)。此外，在一些实施例中可以使用相反的配置。然而在其他实施例中，点对点交易可以被建立，由此系统200通过天线202与模拟设备通信。这种情况可以发生在两个智能手机通过nfc彼此交换数据时。负载204可以被耦接到天线202，其包括提供需要的谐振频率的匹配网络。

系统200可以进一步包括参考振荡器206，复用器208，pll212和频率校准器214，有源负载调制(alm)时钟产生器216和alm调制器218。参考振荡器206可用于输出本地时钟信号。在一些实施例中，本地时钟信号具有在13.56mhz±7khz的频率，当然其他的频率也是可行的。复用器208可以在其输入接收载波时钟信号(系统200通过天线202接收的)和本地时钟信号(参考振荡器206产生的)。载波时钟可以通过时钟提取器和时钟平方器(clocksquarer)(没有在图2中示出)从接收的载波信号中提取出。复用器208的输出通过信号txmodeseleect(发送模式选择)控制。在rx阶段(txmodeselect＝0)，当数据从读取器发送到系统200，选择载波时钟作为参考时钟信号。在tx阶段(txmodeselect＝1)，当数据从系统200发送到读取器，选择本地时钟作为参考时钟信号。

pll212在频率控制字和分数-n模式选择的控制下，根据参考时钟信号获得pll时钟。可选的，pll212输出的pll时钟的频率是参考时钟信号的频率的非整数倍或者整数倍。

alm时钟产生器216接收pll时钟和载波时钟，获得与载波时钟的边沿(上升沿或者下降沿)基本对齐的同步脉冲，根据同步脉冲和锁相环输出的时钟产生与同步脉冲同步的alm时钟，使所述alm时钟与载波时钟同步；可选的，alm时钟产生器216对pll时钟进行除运算并输出与载波时钟同步的alm时钟。

alm调制器218可以包括具有可编程输出功率的功率放大器。alm调制器218用于向读取器发送数据(在图2中被标记为“有源负载调制信号”)。可以使用不同的调制机制(例如幅度键控方式(amplitudeshiftkeying,ask))完成数据的传递。可以使用848kbps子载波执行调制。读取器处可以通过检测由读取器的载波和读取器的天线处接收的有源负载调制信号的重叠(superposition)导致的负载调制幅度，获得在读取器处的数据接收，其中负载调制是由有源负载调制信号引起的。系统200可以被配置操作在半双工(half-duplex)模式。相应的，在rx阶段，系统200可以模仿picc接收读取器发送的数据。通过解调由读取器发送的调制的载波实现接收该读取器的数据。在tx阶段，系统200可以模仿发送中的picc，通过将有源负载调制信号发送回读取器来发送数据到读取器。

alm时钟产生器216经由alm时钟控制alm调制器218操作时机。频率校准器214用于限制alm时钟相对于载波时钟的漂移，如后续所解释。频率校准器214可以经由信号频率控制字(frequencycontrolword,fcw)控制pll的操作，以限制alm时钟相对于载波时钟的漂移。

图3a示出本发明实施例提供的系统200如何在tx阶段操作的示意图。在该例子中，根据突发使能信号burstenablesignal的状态，系统200在未加载阶段和突发阶段之间交替。如图2所示，burstenablesignal可以控制alm时钟产生器216和alm调制器218的操作。如图3a所示，进一步示出通过天线202接收的载波时钟信号，alm时钟产生器216提供的alm时钟，一组同步脉冲和有源负载调制信号。

pll212可以将其内部频率锁定到通过复用器208接收的信号的频率。在rx阶段，选择载波时钟信号。在tx阶段，选择本地时钟。pll能操作在整数-n模式(integer-nmode)和分数-n模式(fractional-nmode)。在rx阶段，pll可以操作在整数-n模式。在tx阶段，根据信号分数-n模式选择fractional-nmodeselect，pll可以操作在整数-n模式或者分数-n模式，正如后面进一步所描述的。

至少在一些实施例中，通过在未加载阶段产生同步脉冲302，实现alm时钟的同步。在一些实施例中，当匹配网络的振铃(ring)显著衰减时(结合图1所描述的)，在时间ta或者在时间ta之后，产生同步脉冲302。同步脉冲302可以基本对齐到载波时钟的边沿，例如图3a所示出的上升沿。在一些实施例中，同步脉冲302在时间ta产生。在其他实施例中，同步脉冲302在时间ta之后产生(例如图3a所示出的)。在一些其他实施例中，同步脉冲302可以在一个或者多个附加脉冲304之后。

随后，仍然在未加载阶段中，根据同步脉冲302，alm时钟被重定时，可选的，根据同步脉冲和附加脉冲304，alm时钟被重定时。例如，根据同步脉冲302，alm时钟信号的边沿(例如上升沿)可以被重定时(例如alm时钟信号的边沿基本对齐同步脉冲的相应边沿，或者与同步脉冲的相应边沿有特定延迟)。当没有附加脉冲产生时，可以在单个时钟周期(例如时钟ta之后的周期)获得alm时钟信号的同步。当使用附加脉冲时，alm时钟信号的多个边沿可以被基本对齐到附加脉冲的相应边沿，在这个例子中，一个以上时钟周期被用于同步。通过以上两种方式，如第3a图所示，在tb时刻，alm时钟与载波时钟基本同步。未加载阶段的最小时长可以被比特率和发信模式确定，其中，该发信模式是指alm信号的发送方式，不同的nfc类型可以具有不同的发信模式。同步需要越多的时钟周期，未加载阶段需要的最小时长越长。未加载阶段需要的最小时长为既定的发信模式限制了最高比特率。降低用于同步的时钟周期的数目提高了能在系统200被发送的最高比特率。

在突发阶段有源负载调制信号的传输可以通过alm时钟定时。在突发阶段之外，alm载波没有发送。在一些实施例中，正如进一步在图3b所示出的，alm时钟的相位相对于载波时钟的相位偏移，例如由于载波时钟和alm时钟展示出轻微的频率不同导致了alm时钟的相位相对于载波时钟的相位偏移。至少在一些实施例中，这个偏移可以被限制在小于30°，正如后续所描述的。例如，如图3b所述，在tc时刻，alm时钟的相位相对于载波时钟的相位有偏移。

根据一些实施例，用于pll212的一个可能的实施方式如图4所示。在这个例子上，pll212包括相位比较器(phasecomparator,pfd)，充电泵(chargepump,cp)，环路滤波器(lf，也可以是低通滤波器)，压控振荡器(voltagecontrolledoscillator,vco),σ-δ调制器(sigma-deltamodulator,sdm)，多模除法器(multi-modulusdivider,mmd)和复用器。

为了限制alm时钟的漂移小于30°，其为nfc系统被设计能容忍的典型的最大漂移，可以使用频率校准器214。相位漂移的量可以与alm时钟和载波时钟之间的频率误差成比例，和与突发阶段的时长(duration)成比例。为了限制由于频率误差导致的相位漂移，通过信号频率控制字(frequencycontrolword，fcw)，调整pll时钟信号的频率，进而调整了alm时钟的频率，fcw由频率校准器214产生。由于仅仅当pll212在分数-npll模式中时，fcw才影响pll时钟信号频率，当需要调整alm时钟信号频率时，在tx阶段pll212可以被设置为分数-npll模式。

信号fcw可以包括整数intcs和fracs(如图4所示)。pll能操作在整数-n模式和分数-n模式的pll模式。在整数-n模式(复用器被设置为0)，mmd(作为可编程除法器)的分频比被固定为n。在这个整数-npll模式的pll配置中的vco时钟频率可以由fvco＝fref*n示出，其中fref为参考时钟信号的频率，fvco为vco的输出频率。在分数-npll模式中，mmd分频比由intcs和σ-δ调制器sdm输出之和给出。在一个例子中，σ-δ调制器sdm输出可以被设置为在两个或者多个整数值之间动态的改变(例如，在0和1之间)，使得σ-δ调制器sdm平均输出可以是fracs/2^m，其中m是σ-δ调制器sdm输入的比特宽度。在分数-npll模式中的vco时钟频率可以由fvco＝fref*(intcs+fracs/2^m)给出。应当注意的是，在这些例子中，当设置到整数-npll模式，pll展示fref的频率分辨率。在另一方面，当设置到分数-npll模式，pll展示fref*fracs/2^m的频率分辨率。以这种方式划分频率分辨率可以有助于控制在突发阶段中的alm时钟的相位漂移。实际上，改进的分辨率可允许对alm时钟的频率或者相位进行微调。频率校准器214可以当系统200在rx阶段时测量载波时钟频率或者pll时钟信号频率(被锁定到读取器的载波时钟信号)，并且频率校准器214可以根据测量的频率计算fcw，以减少alm时钟和载波时钟之间的频率差。频率校准器214可以包括频率计数器，其可以对固定时长内的载波时钟信号或者pll时钟信号的上升沿或者下降沿进行计数，(例如固定时长等于k个本地时钟周期的时长，k是常数)。将计数结果(计数的上升沿或者下降沿的个数)与固定时长内理想的载波时钟信号或者pll时钟信号的上升沿或者下降沿的个数进行相减，根据相减的结果，得到alm时钟和载波时钟之间的频率差。

在分数模式中，以这种方式调整alm的频率可以确保alm时钟相对于载波时钟的相位漂移小于30°。

在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先权，优先顺序或者执行方法行为的时间顺序，而仅用作标签来将一个权利要求要素与另一个权利要求要素分开，以区分权利要求要素。

而且，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被认为是限制性的。“包括”，“包括”，“具有”，“含有”或“涉及”及其变形的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。

尽管已使用实用和优选的实施例描述了本发明，但是应该理解的是，本发明不必限于所公开的实施例。相反的，旨在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和类似的布置，这些所附权利要求将被赋予最宽泛的解释以涵盖所有这样的修改和类似的结构。