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智能卡中射頻前端的設計

來源: 發布時間:2020-03-11 54570 次瀏覽

來源:電子技術應用  作者:王永剛 汪敏 嚴利民 楊文榮 李兵  發布時間:2017-11-03 15:10:50  字體:[  ]

關鍵字:智能卡  幅移鍵控  二進制相移鍵控  負載調制  

摘   要:介紹了一種非接觸式智能卡中調制解調模塊的實現方法,包括二進制相移鍵控信號的負載調制和二進制幅移鍵控信號的非相干解調的CMOS工藝的實現;同時,給出了用ADVANCED DESIGN SYSTEM 軟件進行仿真的結果。該實現方法遵循ISO/IEC14443-2標準,工作頻率為13.56MHz,數據傳送速率為106kbps。

  非接觸式智能卡(又稱射頻卡)是近幾年發展起來的一項新技術,它成功地實現了射頻識別技術(Radio Frequency Identification,簡稱RFID)和智能卡技術的結合。非接觸式智能卡解決了無源(卡內無電源)和免接觸的難題,是電子器件領域的一大突破。它不僅具有接觸式智能卡的所有功能(包括數據處理功能)和防偽保密性強、讀寫可靠、讀寫設備簡單、操作速度快等特點,而且還具有許多接觸式智能卡所無法比擬的優越性。遵循ISO/IEC 14443-2標準的非接觸式智能卡的RF接口有兩種標準:TYPE A和TYPE B。TYPE A標準規定:讀卡器(Proximity Coupling Device,簡稱PCD)發送給卡(Proximity Integrated Circuit Card,簡稱PICC)的是調制系數為100%的采用Miller編碼的幅移鍵控信號(Amplitude Shift Keying,簡稱ASK),PICC發送給PCD的為采用Manchester編碼的開關鍵控(On-Off Keying,簡稱OOK)信號。而TYPE B標準規定:PCD發送給PICC的是調制系數為10% 的非歸零(No Returning to Zero,簡稱NRZ)ASK信號,PICC發送的是副載波調制NRZ 二進制相移鍵控信號(Binary Phase Shift Keying,簡稱BPSK),用負載調制實現[1]。本文主要介紹遵循TYPE B標準的非接觸式IC卡中調制解調模塊的實現。

  1 電路設計

  圖1為非接觸式IC卡系統框圖。PCD和PICC通過線圈耦合,實現半雙工通訊[1]。PICC為無源結構,其工作能量由片上線圈通過電感耦合從PCD獲得。RF載波信號加載到PCD的電感線圈上,使得PCD周圍產生一個磁場。當PICC進入該磁場后,通過卡上的線圈進行電磁感應而獲得能量。通過改變PCD和PICC間的磁場強度,可以實現相互間的數據通信。

智能卡中射頻前端的設計

  1.1 BPSK調制

  PICC發送的是NRZ的BPSK信號,通過副載波用負載調制方式實現。時鐘產生電路從接收到的信號中恢復出13.56MHz的工作時鐘,該時鐘在數字控制電路中經過16分頻,產生847kHz的副載波信號。

  該調制過程分兩步完成:首先用要發送的數字信號調制副載波信號,實現BPSK調制;然后把得到的二進制PSK信號疊加到載波信號上,發送出去[2]。

  BPSK調制原理圖如圖2所示。要發送的data_out和847kHz的副載波信號進行異或得到BPSK信號[3],BPSK信號控制M1、M2的通斷,通過電阻Rmod1、Rmod2把PICC接收到的載波信號以847kHz的速率進行調制,調制時產生一調制電流,用ΔI表示;調制后的信號通過天線的耦合作用來影響PCD產生的磁場的強度,把BPSK信號發送給PCD,實現負載調制。PCD中的線圈上感應的電動勢(簡稱EMF)的值為:

  ΔV=2π·M·F·ΔI

  式中,M是互感值,F是載波頻率。

智能卡中射頻前端的設計

  1.2 ASK解調部分

  PCD發送的是速率為106kbps的10%的ASK信號,以保證PICC能連續工作。PCD要發送的數據直接調制在RF載波上,調制系數為10%(和標稱幅值比較,“1”信號比標稱幅值大10%,相應地,“0”信號比標稱幅值小10%)。PICC的解調部分從ASK信號中恢復出數字信息[3]。

  ASK解調部分原理圖如圖3所示。電路主要由包絡檢波器" title="檢波器">檢波器、載波濾波器和邊緣檢測器構成。包絡檢波器可由PMOS橋電路構成,為了防止電源信號對其產生干擾,這里用一獨立的橋式電路完成。由于有很多因素(如距離、卡的方向等)會影響信號包絡的幅度值,故采用邊緣檢測器來恢復NRZ數據。

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  載帶濾波器為一個低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器,用以濾除載帶紋波信號噪聲,用RC一階低通濾波器實現。電壓比較器" title="電壓比較器">電壓比較器的兩輸入端通過電阻R1、R2引入偏置電壓;另一方面,包絡檢波器檢出的包絡信號經過低通濾波后也通過電容C1接入電壓比較器的同相輸入端。顯然,當電路達到穩定時,Vp=Vn=VBias,電壓比較器的輸出為0;當接收到10%的ASK信號時,電壓比較器的同相輸入端電壓Vp將隨AM的變化而產生波動,而反相輸入端仍為VBias,從而電壓比較器可以檢測出ASK信號的包絡變化信息,解調出數字信息。

  2 仿真結果

  該設計通過ADVANCED DESIGN SYSTEM 軟件進行仿真。

  2.1 BPSK調制電路的仿真結果

  發送的數據data_out速率為106kbps,用其調制847kHz的副載波信號sub_c。當發送的數據data_out為0時,產生的BPSK信號與sub_c同相;當data_out為1時,BPSK與sub_c相位相差180°。BPSK信號控制M1、M2的開關,實現負載調制,通過線圈的耦合作用,把data_out信號發送出去。即PICC發送數據時,PCD線圈感應的信號頻率仍為13.56MHz,幅度隨著BPSK信號的變化而變化,如圖4所示。

智能卡中射頻前端的設計

  2.2 ASK解調電路的仿真結果

  PICC接收到的是載波頻率為13.56MHz、調制系數為10%的ASK信號(如圖5中Vin所示),傳送的數據速率為106kbps。經過包絡檢波,檢出Vot信號,該信號通過邊緣檢測器檢測出信號邊緣的變化信息,恢復出原始的數據,如圖5所示。

智能卡中射頻前端的設計

  本設計還可用于其它ASK解調和BPSK調制的場合,來實現無線數據傳輸和設備間通信??煽孔x卡距離為10cm,在電源電壓降至2V以下時,電路仍可正常工作,電路總消耗電流低于5μA。

  該模塊可作為一獨立的IP核使用,被完全集成后,可降低系統元件數量,使系統工作的穩定性提高。


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