智能卡中射频前端的设计

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。