專利名稱：用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)及電路實現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于非接觸智能卡調(diào)制器設(shè)計的技術(shù)，其特點是調(diào)制深度具有定量的性質(zhì)，其實現(xiàn)電路有多種。定量設(shè)計方法使得設(shè)計更加容易，在工作場強范圍內(nèi)，只需保證遠場調(diào)制深度滿足正常通信要求，那么近場調(diào)制深度一定會滿足要求。
背景技術(shù)：
非接觸智能卡在人們生活中已經(jīng)得到了大量應(yīng)用，并將得到更廣泛應(yīng)用。非接觸卡工作時所需的電源是通過其天線線圈與讀卡器天線線圈耦合感應(yīng)到能量，并進行整流和穩(wěn)壓實現(xiàn)的。非接觸智能卡的射頻模塊的主要功能有電源模塊、時鐘模塊、解調(diào)模塊、調(diào)制模塊，以及上電復(fù)位和掉電保護模塊。非接觸智能卡的調(diào)制模塊的功能是在卡片接收到讀卡機具發(fā)出的指令后，進行相應(yīng)的操作，并將操作結(jié)果信息發(fā)送給讀卡機具。在卡片向讀卡機具返回信息時，需要對返回信息以某種副載波方式進行編碼，然后對讀卡器天線發(fā)出的通信用載波信號進行調(diào)制。調(diào)制動作發(fā)生后，卡片線圈兩端的電壓信號和電流信號會發(fā)生變化，讀卡機具天線會感應(yīng)到這種變化，并將其解調(diào)出來，恢復(fù)卡片返回的信息。在卡片調(diào)制過程中，其線圈兩端的電壓信號中的副載波頻率點上信號的峰值，稱之為副載波調(diào)制深度幅值，它可以通過利用示波器測量線圈兩端電壓信號并進行相應(yīng)的FFT變換得到，對于封裝好的卡片，也可以通過間接的感應(yīng)方式測量和計算得到(比如ISO/IEC 10373-6敘述的方法)。
副載波調(diào)制深度的大小，將影響讀卡機具接收信號的質(zhì)量。一般來說，對于不同的工作場強，讀卡機具能夠接收到卡片發(fā)出信號所需的最小副載波調(diào)制深度與工作場強成反比，例如，ISO/IEC 14443-2的Type A和Type B協(xié)議規(guī)定卡片的最小調(diào)制深度幅值為30/H1.2mVpeak，也就是說，卡片在遠場工作情況下所需要的最小調(diào)制深度幅值最大。這樣，對于提出的定量調(diào)制方法，在設(shè)計時，只要保證滿足遠場調(diào)制深度幅值要求，那么在有效的工作場強內(nèi)，其調(diào)制深度幅值都會滿足要求，保證通信質(zhì)量，從而簡化了設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究一種設(shè)計簡單、保證通信質(zhì)量的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)。利用該技術(shù)，只需定量地設(shè)計滿足遠場工作場強臨界點要求的調(diào)制深度值，那么在從遠場到近場的整個工作場強范圍內(nèi)，卡片的調(diào)制深度都會滿足通信要求。
本發(fā)明中提到的調(diào)制深度指的是d＝|(Vpp1-Vpp2)|/2(1)其中，d為調(diào)制深度，單位為伏特(V)；Vpp1為卡片在讀卡器天線發(fā)射的磁場中工作但沒有調(diào)制情況下線圈LA和LB兩端的電壓信號峰峰值，單位為V；Vpp2為卡片在讀卡器天線發(fā)射的磁場中工作并且有調(diào)制情況下線圈LA和LB兩端的電壓信號峰峰值，單位為V。Vpp2或者小于，或者大于Vpp1，因此在公式(1)中取了絕對值。
利用本發(fā)明設(shè)計出的非接觸智能卡，在工作場強H范圍內(nèi)(從遠場到近場)，其調(diào)制深度d的理論值是不變的。
電路實現(xiàn)利用電路實現(xiàn)本發(fā)明提出的定量調(diào)制技術(shù)，至少需要利用一個調(diào)制電路和一個調(diào)制深度定量控制電路(見圖1～2)，其中后者由調(diào)制深度檢測電路、電壓比較電路和調(diào)制深度調(diào)節(jié)電路構(gòu)成，如圖3所示。調(diào)制電路的作用是利用編碼后的副載波對載波信號進行負載調(diào)制，從而將卡片信息發(fā)送出去；調(diào)制深度定量控制電路的功能是，檢測調(diào)制前后卡片天線兩端LA和LB的電壓信號幅值，并進行比較，如果超出設(shè)定值d，則通過直接或者間接改變調(diào)制負載的方式進行調(diào)制深度調(diào)節(jié)，從而使得卡片在有效的工作場強范圍內(nèi)的調(diào)制深度值d保持在設(shè)定值上。
調(diào)制電路的實現(xiàn)有4種方式，分別敘述如下a).采用電阻負載進行調(diào)制，電阻位于LA和LB端，與諧振電容并聯(lián)(見圖1)。這種方式通過增大或減小電阻負載值，改變卡片的品質(zhì)因數(shù)，從而改變LA和LB端的電壓信號，最終達到調(diào)制的目的。這種調(diào)制方式下，LA和LB端電壓對調(diào)制動作的響應(yīng)速度快，LA和LB端的副載波調(diào)制輪廓信號接近于理想的方波，但是可能有一定的上升和下降時間；b).采用電阻負載進行調(diào)制，電阻位于V和GND端，與儲能電容并聯(lián)(見圖2)。其工作原理與a)相同，但是LA和LB端電壓對調(diào)制電路的響應(yīng)速度較慢，副載波調(diào)制輪廓信號的上升時間和下降時間較長，甚至能夠接近正弦波信號；c).采用電容負載進行調(diào)制，電容位于LA和LB端，與諧振電容C并聯(lián)，且位于芯片內(nèi)部。這種方式通過增大或減小電容值，改變卡片的諧振頻率，從而改變LA和LB端的電壓信號，最終達到調(diào)制的目的。這種方式的響應(yīng)速度較快，LA和LB端的副載波調(diào)制輪廓信號與a)相似；d).采用電感負載進行調(diào)制，電感位于LA和LB端，與諧振電感L串聯(lián)，并且在芯片的外邊。這種方式通過增大或減小電感值，改變卡片的諧振頻率，從而改變LA和LB端的電壓信號，最終達到調(diào)制的目的。這種方式的響應(yīng)速度較快，LA和LB端的副載波調(diào)制輪廓信號與a)相似。
幾點說明1.本發(fā)明的關(guān)鍵點體現(xiàn)在“定量”上，由于利用了調(diào)制深度定量控制電路，使得設(shè)計簡單，性能能夠得到保證；2.上面敘述的4種電路實現(xiàn)方式都是可行的，但是對于調(diào)制電路，一般選用電阻或者電容負載調(diào)制；3.調(diào)制前后的LA和LB端的副載波調(diào)制輪廓信號可能為方波，也可能為具有一定上升和下降時間的方波信號，如果響應(yīng)速度慢的話，也可能出現(xiàn)類似正弦波的信號，但是調(diào)制深度值d應(yīng)該是一定的；4.由于調(diào)制前后負載的變化不同，LA和LB端的調(diào)制深度可能是向里凹的，也可能是向外凸的；5.本發(fā)明的主要特征是所設(shè)計的調(diào)制深度值d在有效的工作場強范圍內(nèi)是一個定值，但實際測量值會在一定范圍內(nèi)波動。主要原因如下a).對于同一張卡片，在不同的工作場強下，芯片寄生電路的影響會有所不同，調(diào)制深度定量控制電路的特性也會發(fā)生一些變化，因此在不同的場強下同一張卡片的調(diào)制深度實際測量值會在一個范圍內(nèi)波動；b).采用相同工藝和相同電路的不同卡片，由于用到的元器件參數(shù)會在一個范圍內(nèi)變化，因此在相同的工作場強下，不同的卡片的調(diào)制深度測量值會在一個范圍內(nèi)波動；c).當卡片在不同的溫度下工作時，也會影響電路器件參數(shù)，從而影響調(diào)制深度值；d).盡管調(diào)制深度d的實際測量值會在一個范圍內(nèi)波動，但波動范圍一般不超出(1±10％)d。而不采用定量調(diào)制技術(shù)的非接觸智能卡的調(diào)制深度在有效的工作場強范圍內(nèi)會在很大范圍內(nèi)波動。
6.如果定量調(diào)制要達到良好的效果，還需要非接觸智能卡內(nèi)部其它部分電路與之相協(xié)調(diào)，尤其是要有良好的穩(wěn)壓電路，以及芯片內(nèi)部功耗均衡技術(shù)。


圖1～2是具有定量調(diào)制技術(shù)的非接觸智能卡電路簡圖。圖中模塊II中定量調(diào)制電路模塊是實現(xiàn)本發(fā)明的關(guān)鍵；此外，模塊I是諧振電路；模塊III是整流橋電路；模塊IV是穩(wěn)壓濾波電路；模塊V是完成一個非接觸卡功能需要的其它電路部分，包括時鐘提取及處理電路、解調(diào)電路、復(fù)位電路、編碼解碼電路、數(shù)字電路、存儲器(ROM，RAM和/或EEPROM)等電路模塊，本專利只涉及模塊II。圖中，器件L表示卡片線圈電感，R表示調(diào)整諧振電路Q值的電阻，其中包括電感線圈電阻，C表示用于與L一起構(gòu)成諧振電路的電容，Z表示電壓調(diào)節(jié)電路，C1表示電源上的儲能電路；信號LA和LB表示諧振電容兩端節(jié)點，V和GND分別表示整流橋輸出的電壓和地節(jié)點，MOD表示數(shù)字電路輸出的調(diào)制信號。
圖3是調(diào)制深度定量控制電路結(jié)構(gòu)簡圖，包括調(diào)制深度檢測電路、電壓比較電路和調(diào)制深度調(diào)節(jié)電路三部分。
圖4～9是采用不同的調(diào)制電路情況下卡片LA和LB端電壓可能的波形，其共同特征是調(diào)制深度d相同，不同的特征是LA和LB端電壓信號對調(diào)制動作的響應(yīng)速度不同，因此導(dǎo)致調(diào)制后的副載波調(diào)制輪廓信號形狀有很大差別。需要說明的是，圖4～9中，副載波調(diào)制信號頻率是載波信號頻率的1/16，也可能是1/8，或者是1/4。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明是一種用于非接觸智能卡的調(diào)制技術(shù)，其特征是調(diào)制深度d在理論上是定量的，即在有效的工作場強范圍內(nèi)，d為常值；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是在卡內(nèi)有一個調(diào)制電路和一個調(diào)制深度定量控制電路；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是它的調(diào)制電路負載可以是1)電阻負載，2)用于調(diào)整諧振頻率的電容負載，3)用于調(diào)整諧振頻率的線圈電感負載；
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是它的調(diào)制深度定量控制電路主要由一個調(diào)制深度檢測電路、一個電壓比較電路和一個調(diào)制深度調(diào)節(jié)電路構(gòu)成；
5.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是電阻負載與調(diào)制控制開關(guān)電路串聯(lián)，之后或者與用作諧振的電容并聯(lián)，或者在整流橋電路后面與電源儲能用的電容并聯(lián)；
6.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是負載調(diào)制用電容與調(diào)制控制開關(guān)電路串聯(lián)，之后與用作諧振的電容并聯(lián)；
7.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是用作調(diào)制的電感與用作諧振的電感串聯(lián)，調(diào)制控制開關(guān)電路與用作調(diào)制的電感并聯(lián)，并且用作調(diào)制的電感與用作諧振的電感均在芯片的外部，調(diào)制控制開關(guān)電路在芯片內(nèi)部；
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是在有效的工作場強范圍內(nèi)，卡片諧振電容兩端電壓波形在調(diào)制前后的輪廓為方波、或者正弦波、或者介于方波與正弦波之間，這由調(diào)制電路的響應(yīng)速度及其對諧振電路品質(zhì)因數(shù)Q(對應(yīng)于權(quán)利要求5的負載調(diào)制)或者電路諧振頻率(對應(yīng)于權(quán)利要求6和7的負載調(diào)制)的影響速度決定。輪廓介于方波與正弦波之間的調(diào)制電路容易實現(xiàn)；
9.根據(jù)權(quán)利要求1～7所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是在有效的工作場強范圍內(nèi)，卡片諧振電容兩端電壓峰峰值在調(diào)制時可以低于沒有調(diào)制時的電壓峰峰值，也可以高于沒有調(diào)制時的電壓峰峰值，也就是具有凹入或者凸出特征；
10.權(quán)利要求1～9所述的用于非接觸智能卡的定量調(diào)制技術(shù)，其特征是所設(shè)計的調(diào)制深度理論值d是一定的，但由于工藝偏差、溫度變化、芯片結(jié)構(gòu)及功能差異等因素影響，其實際測量值會在一定范圍內(nèi)波動。
全文摘要
本發(fā)明提出了應(yīng)用于非接觸智能卡的一種定量調(diào)制技術(shù)，然后給出了電路實現(xiàn)形式。非接觸智能卡與讀寫設(shè)備之間通信時，卡片內(nèi)部需要發(fā)生負載調(diào)制，調(diào)制信號的強弱反映了卡片發(fā)出信號的質(zhì)量。當卡片在不同強度的磁場中工作時，為了保證讀卡機具能夠正確接收卡片發(fā)出的信號，對卡片調(diào)制信號的最小幅值要求會有所不同，在弱場強下對調(diào)制深度的幅值要求要大。本發(fā)明提出的方法在基于定量設(shè)計的基礎(chǔ)上達到定量調(diào)制的目的，也就是說所設(shè)計的調(diào)制深度值只要在遠場情況下符合要求，那么在近場情況下也會符合要求，這將使得非接觸智能卡的調(diào)制電路設(shè)計更為簡單。
文檔編號G06K7/10GK1834983SQ20051005385
公開日2006年9月20日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月14日
發(fā)明者周建鎖, 劉華茂 申請人:北京中電華大電子設(shè)計有限責任公司