智能卡中射頻前端的設(shè)計(jì)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】智能卡中射頻前端的設(shè)計(jì)非接觸式智能卡（又稱射頻卡）是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地實(shí)現(xiàn)了射頻識(shí)別技術(shù)（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ簡(jiǎn)稱ＲＦＩＤ）和智能卡技術(shù)的結(jié)合。非接觸式智能卡解決了無(wú)源（卡內(nèi)無(wú)電源）和免接觸的難題，是電子器件領(lǐng)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(shù)據(jù)處理功能）和防偽保密性強(qiáng)、讀寫可靠、讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單、操作速度快等特點(diǎn)而且還具有許多接觸式智能卡所無(wú)法比較的優(yōu)越性。遵循ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３－２標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式智能卡的ＲＦ接口有兩種標(biāo)準(zhǔn)：ＴＹＰＥＡ和ＴＹＰＥＢ。ＴＹＰＥＡ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：讀卡器（ＰｒｏｘｉｍｉｔｙＣｏｕｐｌｉｎｇＤｅｖｉｃｅ簡(jiǎn)稱ＰＣＤ）發(fā)送給卡（ＰｒｏｘｉｍｉｔｙＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＣａｒｄ簡(jiǎn)稱ＰＩＣＣ）的是調(diào)制系數(shù)為１００％的采用Ｍｉｌｌｅｒ編碼的幅移鍵控信號(hào)（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ簡(jiǎn)稱ＡＳＫ），ＰＩＣＣ發(fā)送給ＰＣＤ的為采用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ編碼的開關(guān)鍵控（Ｏｎ－ＯｆｆＫｅｙｉｎｇ簡(jiǎn)稱ＯＯＫ）信號(hào)。而ＴＹＰＥＢ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：ＰＣＤ發(fā)送給ＰＩＣＣ的是調(diào)制系數(shù)為１０％的非歸零（ＮｏＲｅｔｕｒｎｉｎｇｔｏＺｅｒｏ，簡(jiǎn)稱ＮＲＺ）ＡＳＫ信號(hào)，ＰＩＣＣ發(fā)送的是副載波調(diào)制ＮＲＺ二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)（ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ簡(jiǎn)稱ＢＰＳＫ），用負(fù)載調(diào)制實(shí)現(xiàn)。本文主要介紹遵循ＴＹＰＥＢ標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式ＩＣ卡中調(diào)制解調(diào)模塊的實(shí)現(xiàn)。

１電路設(shè)計(jì)

圖１為非接觸式ＩＣ卡系統(tǒng)框圖。ＰＣＤ和ＰＩＣＣ通過(guò)線圈耦合，實(shí)現(xiàn)半雙工通訊。ＰＩＣＣ為無(wú)源構(gòu)造，其工作能量由片上線圈通過(guò)電感耦合從ＰＣＤ獲得。ＲＦ載波信號(hào)加載到ＰＣＤ的電感線圈上，使得ＰＣＤ周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)ＰＩＣＣ進(jìn)入該磁場(chǎng)后，通過(guò)卡上的線圈開展電磁感應(yīng)而獲得能量。通過(guò)改變ＰＣＤ和ＰＩＣＣ間的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)通信。

１.１ＢＰＳＫ調(diào)制

ＰＩＣＣ發(fā)送的是ＮＲＺ的ＢＰＳＫ信號(hào)，通過(guò)副載波用負(fù)載調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘產(chǎn)生電路從接收到的信號(hào)中恢復(fù)出１３.５６ＭＨｚ的工作時(shí)鐘，該時(shí)鐘在數(shù)字控制電路中經(jīng)過(guò)１６分頻，產(chǎn)生８４７ｋＨｚ的副載波信號(hào)。

該調(diào)制過(guò)程分兩步完成：首先用要發(fā)送的數(shù)字信號(hào)調(diào)制副載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)ＢＰＳＫ調(diào)制；然后把得到的二進(jìn)制ＰＳＫ信號(hào)疊加到載波信號(hào)上，發(fā)送出去。

ＢＰＳＫ調(diào)制原理圖如圖２所示。要發(fā)送的ｄａｔａ＿ｏｕｔ和８４７ｋＨｚ的副載波信號(hào)開展異或得到ＢＰＳＫ信號(hào)，ＢＰＳＫ信號(hào)控制Ｍ１、Ｍ２的通斷，通過(guò)電阻Ｒｍｏｄ１、Ｒｍｏｄ２把ＰＩＣＣ接收到的載波信號(hào)以８４７ｋＨｚ的速率開展調(diào)制，調(diào)制時(shí)產(chǎn)生一調(diào)制電流，用ΔＩ表示；調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)天線的耦合作用來(lái)影響ＰＣＤ產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，把ＢＰＳＫ信號(hào)發(fā)送給ＰＣＤ，實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制。ＰＣＤ中的線圈上感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)（簡(jiǎn)稱ＥＭＦ）的值為：

ΔＶ＝２π·Ｍ·Ｆ·ΔＩ

式中，Ｍ是互感值，Ｆ是載波頻率。

１.２ＡＳＫ解調(diào)部分

ＰＣＤ發(fā)送的是速率為１０６ｋｂｐｓ的１０％的ＡＳＫ信號(hào)，以保證ＰＩＣＣ能連續(xù)工作。ＰＣＤ要發(fā)送的數(shù)據(jù)直接調(diào)制在ＲＦ載波上，調(diào)制系數(shù)為１０％（和標(biāo)稱幅值比較，“１”信號(hào)比標(biāo)稱幅值大１０％，相應(yīng)地，“０”信號(hào)比標(biāo)稱幅值?。保埃ィ?。ＰＩＣＣ的解調(diào)部分從ＡＳＫ信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字信息。

ＡＳＫ解調(diào)部分原理圖如圖３所示。電路主要由包絡(luò)檢波器、載波濾波器和邊緣檢測(cè)器構(gòu)成。包絡(luò)檢波器可由ＰＭＯＳ橋電路構(gòu)成，為了防止電源信號(hào)對(duì)其產(chǎn)生干擾，這里用一獨(dú)立的橋式電路完成。由于有很多因素（如距離、卡的方向等）會(huì)影響信號(hào)包絡(luò)的幅度值，故采用邊緣檢測(cè)器來(lái)恢復(fù)ＮＲＺ數(shù)據(jù)。

載帶濾波器為一個(gè)低通濾波器，用以濾除載帶紋波信號(hào)噪聲，用ＲＣ一階低通濾波器實(shí)現(xiàn)。電壓比較器的兩輸入端通過(guò)電阻Ｒ１、Ｒ２引入偏置電壓；另一方面，包絡(luò)檢波器檢出的包絡(luò)信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后也通過(guò)電容Ｃ１接入電壓比較器的同相輸入端。顯然，當(dāng)電路到達(dá)穩(wěn)定時(shí)，Ｖｐ＝Ｖｎ＝ＶＢｉａｓ，電壓比較器的輸出為０；當(dāng)接收到１０％的ＡＳＫ信號(hào)時(shí)，電壓比較器的同相輸入端電壓Ｖｐ將隨ＡＭ的變化而產(chǎn)生波動(dòng)，而反相輸入端仍為ＶＢｉａｓ，從而電壓比較器可以檢測(cè)出ＡＳＫ信號(hào)的包絡(luò)變化信息，解調(diào)出數(shù)字信息。

２仿真結(jié)果

該設(shè)計(jì)通過(guò)ＡＤＶＡＮＣＥＤＤＥＳＩＧＮＳＹＳＴＥＭ軟件開展仿真。

２.１ＢＰＳＫ調(diào)制電路的仿真結(jié)果

發(fā)送的數(shù)據(jù)ｄａｔａ＿ｏｕｔ速率為１０６ｋｂｐｓ，用其調(diào)制８４７ｋＨｚ的副載波信號(hào)ｓｕｂ＿ｃ。當(dāng)發(fā)送的數(shù)據(jù)ｄａｔａ＿ｏｕｔ為０時(shí)，產(chǎn)生的ＢＰＳＫ信號(hào)與ｓｕｂ＿ｃ同相；當(dāng)ｄａｔａ＿ｏｕｔ為１時(shí)，ＢＰＳＫ與ｓｕｂ＿ｃ相位相差１８０°。ＢＰＳＫ信號(hào)控制Ｍ１、Ｍ２的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載調(diào)制，通過(guò)線圈的耦合作用，把ｄａｔａ＿ｏｕｔ信號(hào)發(fā)送出去。即ＰＩＣＣ發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，ＰＣＤ線圈感應(yīng)的信號(hào)頻率仍為１３.５６ＭＨｚ，幅度隨著ＢＰＳＫ信號(hào)的變化而變化，如圖４所示。

２.２ＡＳＫ解調(diào)電路的仿真結(jié)果

ＰＩＣＣ接收到的是載波頻率為１３.５６ＭＨｚ、調(diào)制系數(shù)為１０％的ＡＳＫ信號(hào)（如圖５中Ｖｉｎ所示）傳送的數(shù)據(jù)速率為１０６ｋｂｐｓ。經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波，檢出Ｖｏｔ信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)邊緣檢測(cè)器檢測(cè)出信號(hào)邊緣的變化信息，恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)，如圖５所示。

本設(shè)計(jì)還可用于其它ＡＳＫ解調(diào)和ＢＰＳＫ調(diào)制的場(chǎng)合