摘? 要: 介紹了一種非接觸式" title="非接觸式">非接觸式智能卡中調(diào)制解調(diào)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,包括二進(jìn)制相移鍵控" title="相移鍵控">相移鍵控信號(hào)的負(fù)載調(diào)制和二進(jìn)制幅移鍵控信號(hào)的非相干解調(diào)的CMOS工藝的實(shí)現(xiàn);同時(shí),給出了用ADVANCED DESIGN SYSTEM 軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果。該實(shí)現(xiàn)方法遵循ISO/IEC14443-2標(biāo)準(zhǔn),工作頻率為13.56MHz，數(shù)據(jù)傳送速率為106kbps。

　　關(guān)鍵詞: 智能卡? 幅移鍵控? 二進(jìn)制相移鍵控? 負(fù)載調(diào)制

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　　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)(Radio Frequency Identification，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)法比擬的優(yōu)越性。遵循ISO/IEC 14443-2標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式智能卡的RF接口有兩種標(biāo)準(zhǔn):TYPE A和TYPE B。TYPE A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:讀卡器(Proximity? Coupling Device，簡(jiǎn)稱PCD)發(fā)送給卡(Proximity? Integrated Circuit Card，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)(Amplitude Shift Keying，簡(jiǎn)稱ASK),PICC發(fā)送給PCD的為采用Manchester編碼的開關(guān)鍵控(On-Off Keying，簡(jiǎn)稱OOK)信號(hào)。而TYPE B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(No Returning to Zero,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)(Binary Phase Shift Keying，簡(jiǎn)稱BPSK)，用負(fù)載調(diào)制實(shí)現(xiàn)^[1]。本文主要介紹遵循TYPE B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^[1]。PICC為無(wú)源結(jié)構(gòu),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)卡上的線圈進(jìn)行電磁感應(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。

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1.1 BPSK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^[2]。

　　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)進(jìn)行異或得到BPSK信號(hào)^[3],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的速率進(jìn)行調(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。

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1.2 ASK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)稱幅值小10%)。PICC的解調(diào)部分從ASK信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字信息^[3]。

　　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" title="檢波器">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)。

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　　載帶濾波器為一個(gè)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(hào)噪聲,用RC一階低通濾波器實(shí)現(xiàn)。電壓比較器" title="電壓比較器">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)電路達(dá)到穩(wěn)定時(shí),Vp=Vn=V_Bias,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V_p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)ADVANCED DESIGN SYSTEM 軟件進(jìn)行仿真。

2.1 BPSK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。

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2.2 ASK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。

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　　本設(shè)計(jì)還可用于其它ASK解調(diào)和BPSK調(diào)制的場(chǎng)合,來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備間通信?？煽孔x卡距離為10cm，在電源電壓降至2V以下時(shí),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(dú)立的IP核使用,被完全集成后,可降低系統(tǒng)元件數(shù)量,使系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性提高。

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參考文獻(xiàn)

1 Identification Cards-contactless Integrated Circuit(s) Cards-Proximity Cards. ISO/IEC 14443-2(Final Committee?Draft)， 1999

2 Lu Chao， Li Yong-ming. The RF Interface Circuits Design of Contactless IC Cards.International Conference on?ASIC. Proceedings， 2001

3 Patrick Rakers， Larry Connell， Tim Collins and Dan Russell. Secure Contactless Smartcard ASIC with DPA Protection. IEEE Journal of Solid-state Circuits，2001；36(3)