非接觸式IC卡射頻前端電路設(shè)計(jì)

引言

非接觸式IC 卡源于射頻識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。射頻識(shí)別即Radio Frequency Identification (簡稱RFID) 是從90 年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù),它利用無線通信技術(shù)進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別和交換數(shù)據(jù)的目的。與早期識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別具有無接觸、工作距離 大、精度高、信息收集處理快捷、環(huán)境適用性較好、可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、移動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等一系列優(yōu)點(diǎn)，在近年來獲得了極為迅速的發(fā)展。本文提出的是一種基于 ISO/IEC1444322 標(biāo)準(zhǔn)B 型非接觸式IC 卡的射頻前端電路設(shè)計(jì)方案，它利用較簡單的電路形式滿足了相關(guān)性能要求。該設(shè)計(jì)已經(jīng)在上華半導(dǎo)體公司(CSMC) 通過流片驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

射頻前端部分主要解決卡內(nèi)無源、免接觸以及調(diào)制解調(diào)等問題。非接觸式IC 卡射頻前端分別與讀卡器(PCD ) 和卡上數(shù)字部分進(jìn)行通信，相應(yīng)地,存在二個(gè)接口規(guī)范。模擬與數(shù)字部分的接口對于一個(gè)完整的設(shè)計(jì)來說是電路內(nèi)部的信號(hào)接口，因此并無明確的標(biāo)準(zhǔn)，主要由設(shè)計(jì) 者根據(jù)具體情況做出相應(yīng)的協(xié)調(diào)。在本設(shè)計(jì)中，采用的是ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了工作距離較近的中頻非接觸式IC 卡(P ICC) 的技術(shù)規(guī)范，其中提供了Type A 和Type B 兩種有關(guān)卡的射頻接口、初始化和防碰撞方式的解決方案。目前，以Ph ilip s 為首的基于Type A 標(biāo)準(zhǔn)的陣營占領(lǐng)了非接觸式IC 卡市場的90% 以上，而Type B 由于是從理論上升到標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，是一個(gè)新的技術(shù)規(guī)范，市場占有率很小，目前包括ST 和Motorola 都只是處于展示推廣階段。兩種類型卡信號(hào)接口規(guī)范如表1 所示。

表1　兩種類型卡信號(hào)規(guī)范

注1: 表格中示出調(diào)制方式: 編碼方式、調(diào)制指數(shù)和數(shù)據(jù)速率

依據(jù)ISO/IEC 14443 定義的射頻信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn),對于A 型卡，由于射頻卡天線接收到的是100%ASK 調(diào)制的改進(jìn)Miller 編碼信號(hào)，理論分析表明它在調(diào)制間隙(Pause) 處信號(hào)電壓不足1 V ，不能保證卡上數(shù)字部分的正常工作，在此期間，數(shù)字處理部分不能正常工作，所以在數(shù)字處理部分工作時(shí)停止數(shù)據(jù)傳輸。這樣，盡管100% ASK 調(diào)制以100% 的能量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證了信號(hào)的較高抗干擾性，在一定程度上提高了通信的可靠性，但它是以數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理分步工作即以通信時(shí)間的延長為代價(jià)的。同 時(shí)，它也不適用于常規(guī)的數(shù)字信號(hào)處理器，除非在外加時(shí)鐘的情況下可以采用常規(guī)的DSP。而對于B 型卡，由于它采用10% ASK調(diào)制，僅用10% 的能量傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)受到噪聲干擾時(shí)顯然會(huì)由于信號(hào)能量太弱而影響信號(hào)的可靠性，有可能使讀卡器產(chǎn)生誤碼，將縮短其有效讀卡距離，同時(shí)卡上的數(shù)字信號(hào)處理器 并未用到所供給的全部能量。它能保證能量的無中斷供給，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與處理的同步進(jìn)行，在一定程度上縮短了通信時(shí)間。在編碼方式上，由于A 型卡采用改進(jìn)密勒(Modified Miller ) 編碼和曼徹斯特(Manchester) 編碼，因而速度很快，必須采用專門的硬件解碼；而B 型卡采用不歸零碼(NRZ) 比較易于實(shí)現(xiàn)軟件解碼。在防碰撞策略上，A 型卡的Mifare 方案采用比特碰撞檢測，速度很快，由此也必須采用硬件實(shí)現(xiàn)；B 型卡所采用的時(shí)隙ALOHA(Slo ted ALOHA ) 方案為通用協(xié)議，采用信息級(jí)碰撞檢測，可直接用軟件控制。

就非接觸式IC 卡的電路設(shè)計(jì)而言，由于卡與讀卡器的工作距離很近，同時(shí)讀卡器發(fā)射信號(hào)功率也比較大，因此讀卡器信號(hào)傳輸過程中所受的干擾對信號(hào)質(zhì)量的影響并不太大，從而 可以保證比較高的信噪比；與此相對應(yīng)的是，卡上發(fā)射信號(hào)功率相對很弱，比較容易受干擾。故此，設(shè)計(jì)過程中對于讀卡器信號(hào)的調(diào)制不用刻意考慮抗噪聲性能，而 應(yīng)著重考慮信號(hào)恢復(fù)的難易程度和它對通信性能的影響；對于射頻卡的發(fā)射信號(hào)而言，其調(diào)制方式則應(yīng)主要考慮抗干擾性。從另一方面來看，出于對成本的考慮要求 芯片面積盡量小、成品率盡可能的高,因此要求電路形式的簡單化。綜合性能和復(fù)雜度的考慮，B 型卡在RF 前端電路中引入了分頻電路來產(chǎn)生副載波(副載波頻率為載波頻率的1/16，數(shù)字部分的時(shí)鐘由此副載波再經(jīng)分頻產(chǎn)生) ，數(shù)字部分產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)先以BPSK 方式對此副載波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)再以調(diào)幅的方式疊加在高頻載波上經(jīng)天線發(fā)出，這樣就以相對簡單的電路形式實(shí)現(xiàn)了以較低誤碼率進(jìn)行傳輸?shù)哪康?。由于無論是載波還是副載波均由基站信號(hào)產(chǎn)生，因此在基站處進(jìn)行解調(diào)時(shí)不用考慮相干信號(hào)的產(chǎn)生問題(若不考慮卡與基站之間距離引起的相位變化，則基站本身的發(fā)射載 波信號(hào)與射頻卡的發(fā)射信號(hào)同頻同相，當(dāng)然，精確的解調(diào)仍需引入同步系統(tǒng))。對于基站信號(hào)的調(diào)制方式，主要應(yīng)考慮解調(diào)的難易，因此采用了最簡單的ASK 調(diào)制，具體操作時(shí)，可適當(dāng)加大基站電路的復(fù)雜性，保證輸出已調(diào)信號(hào)的幅度和質(zhì)量，降低卡接收信號(hào)解調(diào)后的誤碼率。

綜合上述技術(shù)分析，采用了Type B 標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)和驗(yàn)證依據(jù)。

電路模塊設(shè)計(jì)

非接觸式IC 卡通常包括射頻接口電路和數(shù)據(jù)處理單元兩部分。射頻接口部分電路模塊如圖1 所示，它包括電源產(chǎn)生電路、限壓電路、時(shí)鐘發(fā)生器(包括整流電路和分頻電路組成) ，上電復(fù)位電路、調(diào)制與解調(diào)電路等部分組成。當(dāng)卡進(jìn)入讀卡器產(chǎn)生的磁場區(qū)時(shí)，由天線耦合的信號(hào)經(jīng)由電源產(chǎn)生電路產(chǎn)生片上工作電壓，在工作電壓滿足要求后， 上電復(fù)位電路給出低電平信號(hào)，數(shù)字部分即轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。解調(diào)電路從天線接收的調(diào)幅信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字信息送往數(shù)字處理器，而調(diào)制電路則將數(shù)字處理器的輸 出數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)射，完成讀卡器和卡之間的通信。下面將闡述部分典型電路的設(shè)計(jì)思路。

圖1　射頻前端電路模塊圖

電源產(chǎn)生電路
電源產(chǎn)生電路將射頻信號(hào)整流獲取電路的工作電壓。考慮到電路的簡化，采用一個(gè)半波整流電路來完成射頻信號(hào)的包絡(luò)提取，形成電源。但半波整流電路對濾波電容 的充電僅發(fā)生在交變電壓的一個(gè)半周期內(nèi)，轉(zhuǎn)換速度和效率不高；作為直流電源對負(fù)載供電時(shí)，電壓波動(dòng)較大，而且是由于負(fù)載的放電效應(yīng)使得包絡(luò)檢波的靈敏度大 為降低。因此兼顧提高整流效率和降低輸出電壓的紋波因數(shù)，在不失簡單性的前提下，對半波整流電路進(jìn)行改進(jìn),如圖2 所示。線圈L 1 即卡上天線線圈，R L 為等效負(fù)載。利用柵漏短接的PMOS 管M 1 作為整流二極管，交叉連接的PMOS 管M 2、M 3 利用節(jié)點(diǎn)VN 的寄生電容形成電荷轉(zhuǎn)運(yùn)，因而對電容C 的充電時(shí)間加長，整流效率明顯提高，輸出電壓V o 的紋波因數(shù)也相應(yīng)減小。

圖2　半波整流電路改進(jìn)形式

調(diào)制電路
調(diào)制電路用來將數(shù)字部分的輸出信號(hào)疊加到載波上，以便于發(fā)射。調(diào)制可分為兩步，第一步，數(shù)字信號(hào)對副載波進(jìn)行BPSK 調(diào)制，第二步，將BPSK調(diào)制輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行ASK 調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)射出去。其中BPSK 調(diào)制放在數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)。在射頻端，所要實(shí)現(xiàn)的是利用經(jīng)BPSK 調(diào)制后的輸出信號(hào)(依然為數(shù)字信號(hào)，只不過頻率為副載波的頻率)再對射頻載波進(jìn)行ASK 調(diào)制。調(diào)制電路采用的是電容負(fù)載調(diào)制，電路原理圖如圖3 所示。電路中,LCR諧振回路中總電容的大小取決于M 導(dǎo)通與否，利用數(shù)字信號(hào)Sin 控制開關(guān)管M 的通斷，從而決定了諧振回路電容值的大小(M 導(dǎo)通時(shí)，總電容值為C1+C2,M 關(guān)斷時(shí)，總電容值為C2) ，從而使得LCR 回路的諧振點(diǎn)頻率隨數(shù)字信號(hào)電平不同而變化，對于特定頻率的外部射頻信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)電壓幅度隨數(shù)字信號(hào)電平值的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)了類似A SK 的負(fù)載調(diào)制。

解調(diào)電路
解調(diào)電路從讀卡器發(fā)射的ASK 信號(hào)中恢復(fù)出數(shù)字信號(hào)，因此解調(diào)部分只需利用一個(gè)包絡(luò)檢波器取出包絡(luò)，然后經(jīng)比較器與基準(zhǔn)電壓比較即可恢復(fù)出原來的數(shù)字信號(hào)。可以看出，由于讀卡器發(fā)射信 號(hào)采用10% ASK 調(diào)制，因此相對簡化了卡上解調(diào)電路。此處采用了兩個(gè)改進(jìn)半波整流電路(如前所述) 來構(gòu)成包絡(luò)檢波器，如圖4 所示。在該電路中，V A、VB 之間為天線感應(yīng)的外界場信號(hào)(為10% ASK 調(diào)制信號(hào)) ，此時(shí)V SS端對應(yīng)該調(diào)幅信號(hào)的最低端，而V out對應(yīng)該信號(hào)的最高端(由于晶體管的閾值損失，因此這兩個(gè)電位與調(diào)幅信號(hào)的高低峰值相差一個(gè)V th ) ，由于V SS為卡上電路的公共接地端，故此對應(yīng)的檢波輸出信號(hào)V out 在不同數(shù)值(“1”或“0”) 時(shí)起伏更為劇烈，從而降低了對解調(diào)電路比較器靈敏度的要求。一關(guān)鍵問題是如何確定包絡(luò)檢波輸出信號(hào)的中心電壓(平均值) ，用它作為比較器的基準(zhǔn)電壓，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于影響包絡(luò)幅值的因素很多，比如信號(hào)強(qiáng)弱、工作距離的遠(yuǎn)近等都會(huì)使場磁信號(hào)的幅度發(fā)生變化，因此很難確定其 平均值。為此設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)比較電路，原理如圖5。在該圖中,V out為圖4 所示包絡(luò)檢波電路的輸出，Dout為解調(diào)后輸出數(shù)字信號(hào)，Bias 為片上一穩(wěn)定偏置電壓(由解調(diào)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路產(chǎn)生)。很顯然，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，比較器兩個(gè)輸入端Minus、Plus 電壓均為偏置電壓Bias。而在接收到調(diào)幅信號(hào)時(shí)，由于包絡(luò)檢波輸出Vout出現(xiàn)波動(dòng)，該波動(dòng)通過電容C2耦合到比較器Plus 端，使該端電壓隨Vout起伏而起伏，而Minus 端電壓則一直等于Bias 端電壓，比較器檢測出包絡(luò)起伏，完成了數(shù)字信號(hào)的解調(diào)。

圖3　調(diào)制電路原理圖

圖4　包絡(luò)檢波電路

圖5　解調(diào)電路

射頻前端電路還包括上電復(fù)位電路、限壓電路和時(shí)鐘發(fā)生器等部分。其中上電復(fù)位電路用來檢測片上感應(yīng)產(chǎn)生的電源電壓是否滿足數(shù)字部分的工作要求，如果供電電 壓低于門限電壓，則電路輸出一高電平信號(hào)。在電壓滿足要求后，輸出低電平信號(hào)。由于標(biāo)準(zhǔn)要求外界場強(qiáng)在1. 5A/m rms≤H≤7. 5A/m rms范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)卡應(yīng)能正常工作，因此給出低電平信號(hào)時(shí)必須考慮這種極端情況，以維持卡上電路工作的連續(xù)性。時(shí)鐘發(fā)生器由整形電路和分頻器構(gòu)成，從讀卡 器給出的磁場中恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘。這種非接觸IC 卡利用含有射頻載波信息的磁場產(chǎn)生數(shù)字部分的工作時(shí)鐘和副載波，無需本振信號(hào)，在一定程度上簡化了卡上電路的設(shè)計(jì)。

整體性能模擬

設(shè)計(jì)中，對射頻前端電路各子模塊以及整個(gè)系統(tǒng)均進(jìn)行了詳細(xì)的性能模擬，模型參數(shù)采用上華0.8 um CMOS 模型參數(shù)庫。在此給出比較關(guān)鍵的接收解調(diào)和調(diào)制輸出這兩部分性能模擬結(jié)果。對于接收解調(diào)而言，其接收到的信號(hào)調(diào)制指數(shù)在8%～12% 之間，數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kbps，外加一個(gè)指標(biāo)類似的調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)性能驗(yàn)證，在輸入調(diào)幅波調(diào)制指數(shù)為10% 時(shí)對應(yīng)的模擬波形如圖6 所示。其中Por 為上電復(fù)位信號(hào)，解調(diào)部分僅在數(shù)字部分復(fù)位后才開始工作，R in 為包絡(luò)檢波電路輸出的包絡(luò)信號(hào)，Rx 為解調(diào)輸出的數(shù)字信號(hào)。

圖6　解調(diào)通路模擬結(jié)果

對于信號(hào)發(fā)射通路，主要是信號(hào)的調(diào)制問題,BPSK 調(diào)制放在數(shù)字部分，調(diào)制輸入數(shù)字信號(hào)頻率為副載波頻率(f c/16≈ 847 kHz) ，對應(yīng)調(diào)制輸出模擬結(jié)果如圖7所示。圖中交流信號(hào)Tx 是天線輸出的調(diào)幅信號(hào)，其上疊加了經(jīng)BPSK 調(diào)制的副載波信號(hào)Tdata (如空白處所示)。

圖7　調(diào)制通路模擬結(jié)果

結(jié)語

上述設(shè)計(jì)采用無錫華晶上華半導(dǎo)體公司0.8 um CMOS 工藝流水，最終版圖如圖8 所示,面積為2.2 mm ×1.5 mm。芯片封裝后經(jīng)過測試,達(dá)到ISO/IEC 1444322 射頻接口部分的要求。工作頻率為13. 56MHz，達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，上電復(fù)位電路給出低電平信號(hào)，調(diào)制解調(diào)部分開始正常工作，數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kbps 時(shí)工作良好，測試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合，滿足了標(biāo)準(zhǔn)對調(diào)制解調(diào)指標(biāo)的要求；在給定場強(qiáng)范圍內(nèi)，可輸出穩(wěn)定3 V 電壓，驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8　射頻前端電路版圖