本申請根據(jù)35 U.S.C.§ 119(e)請求由發(fā)明人Cheng-Hsien Hung、Shiau Chwun George Pwu、Thomas Michael Maguire以及Haiyu Huang于2015年12月1日提交的名稱為“POWER ADAPTIVE DUAL MODE CARD EMULATION SYSTEM FOR NFC AND RFID APPLICATION”的臨時(shí)專利申請No.62/261,713的權(quán)益，該申請的主題以全文引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體上涉及物聯(lián)網(wǎng)(IOT)，并且更具體而言，涉及近場通信(NFC)和射頻集成電路(RFIC)通信。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是物理對(duì)象或“物”的網(wǎng)絡(luò)，該物理對(duì)象或“物”嵌入有電子設(shè)備、軟件、傳感器以及使對(duì)象能夠與產(chǎn)品、操作者和/或其它被連接的裝置交換數(shù)據(jù)的連接性。IOT允許跨現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施遠(yuǎn)程地感測和控制對(duì)象，為物理世界與基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)之間更直接的集成創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，并且產(chǎn)生了提高的效率、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)效益。

在IOT應(yīng)用中，當(dāng)TX傳送1/0信號(hào)時(shí)，功率放大器廣泛應(yīng)用于發(fā)射器(TX)電路中以從卡片(仿真的)生成信號(hào)脈沖來增大載波振幅從而增強(qiáng)讀取器接收器(RX)接收到的幅度調(diào)制。

在PICC和卡片仿真電路中，無源負(fù)載調(diào)制(PLM)方案或有源負(fù)載調(diào)制(ALM)方案可以用于傳輸。在PLM方案中，加載鄰近耦合裝置(PCD)或讀取器的輸出級(jí)的耦合阻抗是可變的以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀取器的幅度調(diào)制(AM)。在ALM方案中，從標(biāo)簽/PICC裝置發(fā)送(并與場中的載波同步)信號(hào)以模擬無源負(fù)載調(diào)制(對(duì)讀取器的建設(shè)性/破壞性干擾)的行為來延長通信距離。

PLM具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)PICC接近PCD(強(qiáng)場)時(shí)借助于其調(diào)節(jié)器和限制器電路泄露掉大部分功率來保護(hù)電路免受來自讀取器或PCD的高功率載波輸入的影響。然而，當(dāng)通信距離很長時(shí)，PLM變得不足以傳送信號(hào)。在長距離的情況下，ALM可以通過發(fā)送經(jīng)調(diào)制的信號(hào)以干擾空氣(弱場)中的PCD載波來實(shí)現(xiàn)TX信號(hào)傳送。然而，在短距離的情況下，由ALM傳送的功率會(huì)被其保護(hù)電路浪費(fèi)。

期望具有一種機(jī)制以便處理近場通信(NFC)和射頻集成電路(RFIC)應(yīng)用的卡片仿真模式或標(biāo)簽(PICC)設(shè)計(jì)中的功率保護(hù)和信號(hào)傳送問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例涉及使用用于NFC/RFIC應(yīng)用的適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)的方法及其實(shí)施方法。

在各實(shí)施例中，公開了一種NFC裝置內(nèi)的適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)(卡片仿真模式或PICC設(shè)計(jì))，來解決強(qiáng)場功率傳送問題并且還實(shí)現(xiàn)了較長的通信距離。NFC裝置可以是以卡片仿真模式操作的NFC標(biāo)簽或電子裝置(例如，智能手機(jī))。NFC裝置包括用于無線通信的天線。通常，天線可以用于信號(hào)接收和信號(hào)發(fā)射兩者。適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)包括無源負(fù)載調(diào)制(PLM)模塊、有源負(fù)載調(diào)制(ALM)模塊和自動(dòng)功率控制(APC)模塊。APC模塊耦合到ALM和PLM模塊兩者，并且取決于接收到的由讀取器發(fā)送的載波信號(hào)的強(qiáng)度來選擇性地啟用ALM或PLM模塊。

在一些實(shí)施例中，APC模塊檢測接收到的由讀取器(或PCD)發(fā)送的載波信號(hào)的功率電平，并且連同對(duì)NFC裝置內(nèi)的天線的不同阻抗/功率設(shè)置一起來選擇性地啟用ALM模塊或PLM模塊。當(dāng)接收到的載波信號(hào)具有高于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)選擇PLM模塊，并且當(dāng)接收到的載波信號(hào)具有低于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)選擇ALM模塊。

在一些實(shí)施例中，功率放大器(PA)被包含在ALM模塊內(nèi)以傳送與載波信號(hào)同步的經(jīng)放大的信號(hào)從而將消息傳送回讀取器(PCD)。放大等級(jí)根據(jù)APC模塊檢測到的接收到的功率電平是可調(diào)整的。

在一些實(shí)施例中，適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)還包括耦合在天線與ALM/PLM模塊之間的電壓限制模塊。電壓限制模塊還耦合到APC模塊，以接收來自APC模塊的控制信號(hào)。電壓限制模塊具有觸發(fā)電壓，該電壓用于啟用電壓限制模塊以在天線兩端的電壓高于觸發(fā)電壓時(shí)使過大電壓分流。觸發(fā)電壓可以是預(yù)定的值或者對(duì)相應(yīng)于對(duì)ALM或PLM模塊的選擇而被動(dòng)態(tài)調(diào)整。在一些實(shí)施例中，當(dāng)接入ALM模塊時(shí)，增大觸發(fā)電壓以允許具有較高功率的信號(hào)從天線被發(fā)射出去。

在一些實(shí)施例中，APC模塊包括場檢測塊和功率控制塊。場檢測塊耦合到天線并且向功率控制塊發(fā)送場檢測結(jié)果。功率控制塊耦合到ALM模塊、PLM模塊和電壓限制模塊。至少基于場檢測結(jié)果，功率控制塊針對(duì)期望的操作模式而選擇性地啟用ALM模塊或PLM模塊。

附圖說明

將參考在附圖中示出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例。這些附圖旨在是說明性的而非限制性的。盡管本發(fā)明總體上在這些實(shí)施例的上下文中被描述，但是這并非旨在通過這樣做將本發(fā)明的范圍限制到所示出和描述的實(shí)施例的具體特征。

圖1是示出了具有傳統(tǒng)的無源負(fù)載調(diào)制(PLM)的NFC標(biāo)簽與讀取器之間的耦合的示意圖。

圖2是讀取器載波信號(hào)和讀取器從使用PLM調(diào)制的NFC標(biāo)簽接收的信號(hào)的示例性信號(hào)波形。

圖3是讀取器載波信號(hào)和讀取器從使用ALM調(diào)制的NFC標(biāo)簽接收的信號(hào)的示例性信號(hào)波形。

圖4是示出了僅具有傳統(tǒng)無源負(fù)載調(diào)制(PLM)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。

圖5是示出了僅具有傳統(tǒng)有源負(fù)載調(diào)制(ALM)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽的示意圖。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的另一個(gè)示例性圖。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽內(nèi)的電壓限制模塊的示例性圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，本發(fā)明的各實(shí)施方式和實(shí)施例可以根據(jù)說明書來實(shí)踐。旨在將所有這些實(shí)施方式和實(shí)施例包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

具體實(shí)施方式

在以下描述中，出于解釋的目的，闡述了具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的理解。然而，可以在不具有這些細(xì)節(jié)中的一些或全部細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明。下文中描述的本發(fā)明的實(shí)施例可以并入大量不同的電子部件、電路、裝置和系統(tǒng)中?？驁D中示出的結(jié)構(gòu)和裝置是對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的例示，并且不被用作混淆本發(fā)明的寬泛教導(dǎo)的借口。附圖內(nèi)部件之間的連接并非旨在限于直接連接。確切地說，部件之間的連接可以被修改、重整、或者由中間部件更改。

當(dāng)說明書引用“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”時(shí)，旨在意味著結(jié)合所討論的實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、特性或功能包括在本發(fā)明的至少一個(gè)設(shè)想實(shí)施例中。因此，在說明書中的不同地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的單個(gè)實(shí)施例的多次引用。

本發(fā)明的各實(shí)施例涉及NFC裝置內(nèi)的適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)(在卡片仿真模式或PICC設(shè)計(jì)中)。NFC裝置可以是以卡片仿真模式操作的NFC標(biāo)簽或電子裝置(例如，智能電話)。適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)包括無源負(fù)載調(diào)制(PLM)模塊、有源負(fù)載調(diào)制(ALM)模塊和自動(dòng)功率控制(APC)模塊。APC模塊耦合到ALM和PLM模塊兩者，并且取決于發(fā)送自讀取器的接收到的載波信號(hào)的強(qiáng)度來選擇性地啟用ALM或PLM模塊。

圖1示出了一示意圖，該示意圖示出了僅具有無源負(fù)載調(diào)制(PLM)的NFC標(biāo)簽(或RFID標(biāo)簽)100與NFC讀取器(或PCD)200之間的耦合。NFC標(biāo)簽100包括數(shù)字基帶(DBB)110、PLM模塊130和發(fā)射器天線140。讀取器200包括讀取器電路220和讀取器天線240。NFC標(biāo)簽100和讀取器200經(jīng)由發(fā)射器天線140與讀取器天線240之間的耦合而彼此通信。發(fā)射器(TX)110和讀取器200能夠同時(shí)接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。因此，如果接收到的信號(hào)頻率與發(fā)射的信號(hào)的頻率不匹配，則它們可以檢查潛在的沖突。數(shù)字基帶110可以包含存儲(chǔ)單元(例如，非易失性存儲(chǔ)器)以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如發(fā)射器識(shí)別信息、個(gè)人識(shí)別碼、聯(lián)系等。通常，數(shù)據(jù)是只讀的，但也可以是可重寫的。

圖2示出了讀取器載波信號(hào)和讀取器從使用PLM調(diào)制的NFC標(biāo)簽接收的信號(hào)的示例性信號(hào)波形。在操作中，讀取器200通過讀取器天線240發(fā)射載波信號(hào)222。載波222通常處于13.56MHz的頻率。NFC標(biāo)簽100可以是無源發(fā)射器，從載波222的電磁場汲取其操作功率。數(shù)字基帶110還可以接收從載波信號(hào)222提取的恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)以同步NFC標(biāo)簽輸出和載波。數(shù)字基帶110輸出包括二進(jìn)制位的信號(hào)，該信號(hào)由PLM模塊130調(diào)制。PLM模塊130輸出經(jīng)調(diào)制的信號(hào)132，該信號(hào)通過發(fā)射器天線140被發(fā)射并由讀取器接收(示出為讀取器接收器信號(hào)242)。

圖3是讀取器載波信號(hào)和讀取器從使用ALM調(diào)制的NFC標(biāo)簽接收的信號(hào)的示例性信號(hào)波形。在ALM調(diào)制的情形下，NFC標(biāo)簽100是有源發(fā)射器，包括具有獨(dú)立電源而不需要從載波222的電磁場汲取其操作功率的功率放大器。在操作中，讀取器200通過讀取器天線240發(fā)射載波信號(hào)222。數(shù)字基帶110輸出包括二進(jìn)制位的信號(hào)312，該信號(hào)由功率放大器放大。功率放大器輸出經(jīng)放大的信號(hào)310，該信號(hào)通過發(fā)射器天線140發(fā)射。讀取器接收信號(hào)320，該信號(hào)是載波信號(hào)222和從NFC標(biāo)簽發(fā)送的經(jīng)放大的信號(hào)310的組合。

圖4是示出了僅具有傳統(tǒng)的無源負(fù)載調(diào)制(PLM)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。當(dāng)NFC標(biāo)簽靠近NFC讀取器時(shí)，僅具有PLM調(diào)制的NFC標(biāo)簽具有最小功率需求。然而，當(dāng)標(biāo)簽與讀取器之間的距離很大(超過距離閾值)時(shí)，NFC標(biāo)簽可能未從來自讀取器的載波信號(hào)提取足夠的功率并且因此不能夠進(jìn)行通信。因此，對(duì)于僅具有PLM調(diào)制的NFC標(biāo)簽，存在死區(qū)410。

圖5是示出了僅具有有源負(fù)載調(diào)制(ALM)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。具有ALM的NFC標(biāo)簽可以通過向NFC讀取器發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)長距離的TX信號(hào)傳送。然而，當(dāng)NFC標(biāo)簽與NFC讀取器相距短距離時(shí)，由ALM傳送的功率在短距離內(nèi)被浪費(fèi)。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)602的NFC標(biāo)簽600的示意圖。在圖6中，適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)602包括ALM模塊610、PLM模塊620以及耦合到ALM模塊610和PLM模塊620兩者的適應(yīng)性功率控制(APC)模塊630。APC模塊630檢測在NFC天線640處接收的載波信號(hào)(發(fā)送自讀取器200)的功率電平，并且連同對(duì)天線640的不同阻抗/功率設(shè)置一起選擇性地啟用ALM模塊610或者PLM模塊620。當(dāng)接收到的載波信號(hào)具有大于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，選擇PLM模塊620，并且當(dāng)接收到載波信號(hào)具有小于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，選擇ALM模塊610。

在一些實(shí)施例中，適應(yīng)性雙模式卡片仿真系統(tǒng)602還包括耦合在天線640與ALM/PLM模塊之間的電壓限制模塊650。電壓限制模塊650還耦合到APC模塊630，以接收來自APC模塊的控制信號(hào)。電壓限制模塊650具有觸發(fā)電壓，該觸發(fā)電壓用于在天線兩端的電壓大于觸發(fā)電壓時(shí)啟用電壓限制模塊來修整過大的電壓。觸發(fā)電壓可以是預(yù)定值或者對(duì)應(yīng)于ALM或者PLM模塊的選擇而被動(dòng)態(tài)調(diào)整。在一些實(shí)施例中，當(dāng)ALM模塊接入時(shí)，觸發(fā)電壓被配置為增大以允許具有較高功率的信號(hào)從天線向讀取器200被發(fā)射出去。

在一些實(shí)施例中，ALM模塊610包括時(shí)鐘恢復(fù)塊612、頻率合成器614、功率放大器(PA)616和調(diào)制器618。時(shí)鐘恢復(fù)塊612從載波提取恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)613并且將恢復(fù)時(shí)鐘信號(hào)613饋入調(diào)制器618(經(jīng)由頻率合成器614)。調(diào)制器618還從數(shù)字基帶110(圖6中未示出)接收包括二進(jìn)制位的TX信號(hào)615，并且輸出經(jīng)調(diào)制的信號(hào)619，該信號(hào)經(jīng)過用于放大的功率放大器130、電壓限制模塊650并且最后經(jīng)過用于發(fā)射的發(fā)射器天線140。

在一些實(shí)施例中，APC模塊630包括場檢測塊632和功率控制塊634。場檢測塊630耦合到天線640(直接地或經(jīng)由電壓限制模塊650)，并且向功率控制塊634發(fā)送場檢測結(jié)果633。功率控制塊634耦合到ALM模塊610(更具體地是耦合到功率放大器616)、PLM模塊620和電壓限制模塊615。至少基于場檢測結(jié)果，功率控制塊針對(duì)期望的操作模式而選擇性地啟用ALM模塊610或PLM模塊620。在一些實(shí)施例中，當(dāng)啟用ALM模塊610時(shí)，電壓限制模塊615的觸發(fā)電壓被配置為增大以允許具有較高功率的信號(hào)從天線向讀取器200被發(fā)射出去。

圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的示例性圖。如圖7中所示，當(dāng)場檢測結(jié)果(P_AIR)高于預(yù)定閾值時(shí)，選擇PLM模塊；當(dāng)接收到的載波信號(hào)(P_AIR)具有小于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，啟用ALM模塊610。更具體地，功率放大器616被配置為使NFC標(biāo)簽以隨著接收到的載波信號(hào)強(qiáng)度的增大而降低的發(fā)射功率來發(fā)射信號(hào)。

圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的具有適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的NFC標(biāo)簽所需的最小功率的另一個(gè)示例性圖。當(dāng)場檢測結(jié)果(P_AIR)高于預(yù)定閾值時(shí)，選擇PLM模塊；當(dāng)接收到的載波信號(hào)(P_AIR)具有小于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，啟用ALM模塊610。另外，功率放大器616被配置為使NFC標(biāo)簽以ALM調(diào)制以恒定的發(fā)射功率來發(fā)射信號(hào)。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)內(nèi)的電壓限制模塊的示例性電路圖。電壓限制模塊900耦合到ALM模塊610和PLM模塊620兩者。適應(yīng)性功率控制系統(tǒng)的缺省設(shè)置為PLM調(diào)制。當(dāng)電壓限制模塊900確定安全切換到ALM調(diào)制并且場檢測器632檢測到具有小于預(yù)定閾值的信號(hào)強(qiáng)度的載波信號(hào)時(shí)，適應(yīng)性功率控制塊634通過啟用ALM模塊610并且禁用PLM模塊620以切換至ALM調(diào)制。一旦已經(jīng)啟用ALM，電壓限制模塊900結(jié)合場檢測器632還確定是否以及何時(shí)有必要切換回PLM調(diào)制。

在一些實(shí)施例中，電壓限制模塊900包括整流級(jí)910和電壓調(diào)節(jié)級(jí)920。整流級(jí)910耦合到RF輸入TXP和TXM，其還連接到功率放大器616(圖9中未示出)以將RF輸入整流成DC信號(hào)(V_DDRF)。電壓調(diào)節(jié)級(jí)920接收DC信號(hào)并且將DC信號(hào)與觸發(fā)電壓(示出為V_REF 922)進(jìn)行比較以用于場變化確定以及過大電壓修整。觸發(fā)電壓可以是預(yù)定的或動(dòng)態(tài)確定的。整流級(jí)910和電壓調(diào)節(jié)級(jí)920兩者接收控制信號(hào)902(ALM_EN)以用于操作控制。例如，當(dāng)整流級(jí)910接收ALM_EN(ALM調(diào)制啟用)信號(hào)時(shí)，它將RF輸入TXP和TXM兩者耦合到地。

盡管圖9示出了電壓限制電路的示例性示意圖，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，可以實(shí)踐電壓限制模塊的各種修改及實(shí)施例。修改可以包括附加部件，例如整流級(jí)中的附加濾波器、不同的信號(hào)處理順序安排等。

已經(jīng)出于清楚和理解的目的描述了本發(fā)明的上述說明。這并非旨在將本發(fā)明限于所公開的確切形式。在本申請的范圍及等效形式內(nèi)，各種修改是可能的。