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智能卡中射频前端的设计

来源:电子技术应用  作者:王永刚 汪敏 严利民 杨文荣 李兵  发布时间:2017-11-03 15:10:50  字体:[ ]

关键字:智能卡  幅移键控  二进制相移键控  负载调制  

摘   要:介绍了一种非接触式智能卡中调制解调模块的实现方法,包括二进制相移键控信号的负载调制和二进制幅移键控信号的非相干解调的CMOS工艺的实现;同时,给出了用ADVANCED DESIGN SYSTEM 软件进行仿真的结果。该实现方法遵循ISO/IEC14443-2标准,工作频率为13.56MHz,数据传送速率为106kbps。

  非接触式智能卡(又称射频卡)是近几年发展起来的一项新技术,它成功地实现了射频识别技术(Radio Frequency Identification,简称RFID)和智能卡技术的结合。非接触式智能卡解决了无源(卡内无电源)和免接触的难题,是电子器件领域的一大突破。它不仅具有接触式智能卡的所有功能(包括数据处理功能)和防伪保密性强、读写可靠、读写设备简单、操作速度快等特点,而且还具有许多接触式智能卡所无法比拟的优越性。遵循ISO/IEC 14443-2标准的非接触式智能卡的RF接口有两种标准:TYPE A和TYPE B。TYPE A标准规定:读卡器(Proximity Coupling Device,简称PCD)发送给卡(Proximity Integrated Circuit Card,简称PICC)的是调制系数为100%的采用Miller编码的幅移键控信号(Amplitude Shift Keying,简称ASK),PICC发送给PCD的为采用Manchester编码的开关键控(On-Off Keying,简称OOK)信号。而TYPE B标准规定:PCD发送给PICC的是调制系数为10% 的非归零(No Returning to Zero,简称NRZ)ASK信号,PICC发送的是副载波调制NRZ 二进制相移键控信号(Binary Phase Shift Keying,简称BPSK),用负载调制实现[1]。本文主要介绍遵循TYPE B标准的非接触式IC卡中调制解调模块的实现。

  1 电路设计

  图1为非接触式IC卡系统框图。PCD和PICC通过线圈耦合,实现半双工通讯[1]。PICC为无源结构,其工作能量由片上线圈通过电感耦合从PCD获得。RF载波信号加载到PCD的电感线圈上,使得PCD周围产生一个磁场。当PICC进入该磁场后,通过卡上的线圈进行电磁感应而获得能量。通过改变PCD和PICC间的磁场强度,可以实现相互间的数据通信。

智能卡中射频前端的设计

  1.1 BPSK调制

  PICC发送的是NRZ的BPSK信号,通过副载波用负载调制方式实现。时钟产生电路从接收到的信号中恢复出13.56MHz的工作时钟,该时钟在数字控制电路中经过16分频,产生847kHz的副载波信号。

  该调制过程分两步完成:首先用要发送的数字信号调制副载波信号,实现BPSK调制;然后把得到的二进制PSK信号叠加到载波信号上,发送出去[2]。

  BPSK调制原理图如图2所示。要发送的data_out和847kHz的副载波信号进行异或得到BPSK信号[3],BPSK信号控制M1、M2的通断,通过电阻Rmod1、Rmod2把PICC接收到的载波信号以847kHz的速率进行调制,调制时产生一调制电流,用ΔI表示;调制后的信号通过天线的耦合作用来影响PCD产生的磁场的强度,把BPSK信号发送给PCD,实现负载调制。PCD中的线圈上感应的电动势(简称EMF)的值为:

  ΔV=2π·M·F·ΔI

  式中,M是互感值,F是载波频率。

智能卡中射频前端的设计

  1.2 ASK解调部分

  PCD发送的是速率为106kbps的10%的ASK信号,以保证PICC能连续工作。PCD要发送的数据直接调制在RF载波上,调制系数为10%(和标称幅值比较,“1”信号比标称幅值大10%,相应地,“0”信号比标称幅值小10%)。PICC的解调部分从ASK信号中恢复出数字信息[3]。

  ASK解调部分原理图如图3所示。电路主要由包络检波器" title="检波器">检波器、载波滤波器和边缘检测器构成。包络检波器可由PMOS桥电路构成,为了防止电源信号对其产生干扰,这里用一独立的桥式电路完成。由于有很多因素(如距离、卡的方向等)会影响信号包络的幅度值,故采用边缘检测器来恢复NRZ数据。

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  载带滤波器为一个低通滤波器" title="低通滤波器">低通滤波器,用以滤除载带纹波信号噪声,用RC一阶低通滤波器实现。电压比较器" title="电压比较器">电压比较器的两输入端通过电阻R1、R2引入偏置电压;另一方面,包络检波器检出的包络信号经过低通滤波后也通过电容C1接入电压比较器的同相输入端。显然,当电路达到稳定时,Vp=Vn=VBias,电压比较器的输出为0;当接收到10%的ASK信号时,电压比较器的同相输入端电压Vp将随AM的变化而产生波动,而反相输入端仍为VBias,从而电压比较器可以检测出ASK信号的包络变化信息,解调出数字信息。

  2 仿真结果

  该设计通过ADVANCED DESIGN SYSTEM 软件进行仿真。

  2.1 BPSK调制电路的仿真结果

  发送的数据data_out速率为106kbps,用其调制847kHz的副载波信号sub_c。当发送的数据data_out为0时,产生的BPSK信号与sub_c同相;当data_out为1时,BPSK与sub_c相位相差180°。BPSK信号控制M1、M2的开关,实现负载调制,通过线圈的耦合作用,把data_out信号发送出去。即PICC发送数据时,PCD线圈感应的信号频率仍为13.56MHz,幅度随着BPSK信号的变化而变化,如图4所示。

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  2.2 ASK解调电路的仿真结果

  PICC接收到的是载波频率为13.56MHz、调制系数为10%的ASK信号(如图5中Vin所示),传送的数据速率为106kbps。经过包络检波,检出Vot信号,该信号通过边缘检测器检测出信号边缘的变化信息,恢复出原始的数据,如图5所示。

智能卡中射频前端的设计

  本设计还可用于其它ASK解调和BPSK调制的场合,来实现无线数据传输和设备间通信。可靠读卡距离为10cm,在电源电压降至2V以下时,电路仍可正常工作,电路总消耗电流低于5μA。

  该模块可作为一独立的IP核使用,被完全集成后,可降低系统元件数量,使系统工作的稳定性提高。

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