摘要：介绍了一种非接触式智能卡中调制解调模块的实现方法，包括二进制相移键控信号的负载调制和二进制幅移键控信号的非相干解调的ＣＭＯＳ工艺的实现；同时，给出了用ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＤＥＳＩＧＮ ＳＹＳＴＥＭ 软件进行仿真的结果。该实现方法遵循ＩＳＯ／ＩＥＣ１４４４３－２标准，工作频率为１３．５６ＭＨｚ数据传送速率为１０６ｋｂｐｓ。
关键词：智能卡 幅移键控 二进制相移键控 负载调制
非接触式智能卡（又称射频卡）是近几年发展起来的一项新技术，它成功地实现了射频识别技术（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ简称ＲＦＩＤ）和智能卡技术的结合。非接触式智能卡解决了无源（卡内无电源）和免接触的难题，是电子器件领域的一大突破。它不仅具有接触式智能卡的所有功能（包括数据处理功能）和防伪保密性强、读写可靠、读写设备简单、操作速度快等特点而且还具有许多接触式智能卡所无法比拟的优越性。遵循ＩＳＯ／ＩＥＣ １４４４３－２标准的非接触式智能卡的ＲＦ接口有两种标准：ＴＹＰＥ Ａ和ＴＹＰＥ Ｂ。ＴＹＰＥ Ａ标准规定：读卡器（Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ简称ＰＣＤ）发送给卡（Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｃａｒｄ简称ＰＩＣＣ）的是调制系数为１００％的采用Ｍｉｌｌｅｒ编码的幅移键控信号（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ简称ＡＳＫ），ＰＩＣＣ发送给ＰＣＤ的为采用Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ编码的开关键控（Ｏｎ－Ｏｆｆ Ｋｅｙｉｎｇ简称ＯＯＫ）信号。而ＴＹＰＥ Ｂ标准规定：ＰＣＤ发送给ＰＩＣＣ的是调制系数为１０％ 的非归零（Ｎｏ Ｒｅｔｕｒｎｉｎｇ ｔｏ Ｚｅｒｏ，简称ＮＲＺ）ＡＳＫ信号，ＰＩＣＣ发送的是副载波调制ＮＲＺ 二进制相移键控信号（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ简称ＢＰＳＫ），用负载调制实现。本文主要介绍遵循ＴＹＰＥ Ｂ标准的非接触式ＩＣ卡中调制解调模块的实现。
１ 电路设计
图１为非接触式ＩＣ卡系统框图。ＰＣＤ和ＰＩＣＣ通过线圈耦合，实现半双工通讯。ＰＩＣＣ为无源结构，其工作能量由片上线圈通过电感耦合从ＰＣＤ获得。ＲＦ载波信号加载到ＰＣＤ的电感线圈上，使得ＰＣＤ周围产生一个磁场。当ＰＩＣＣ进入该磁场后，通过卡上的线圈进行电磁感应而获得能量。通过改变ＰＣＤ和ＰＩＣＣ间的磁场强度，可以实现相互间的数据通信。
１．１ ＢＰＳＫ调制
ＰＩＣＣ发送的是ＮＲＺ的ＢＰＳＫ信号，通过副载波用负载调制方式实现。时钟产生电路从接收到的信号中恢复出１３．５６ＭＨｚ的工作时钟，该时钟在数字控制电路中经过１６分频，产生８４７ｋＨｚ的副载波信号。
该调制过程分两步完成：首先用要发送的数字信号调制副载波信号，实现ＢＰＳＫ调制；然后把得到的二进制ＰＳＫ信号叠加到载波信号上，发送出去。
ＢＰＳＫ调制原理图如图２所示。要发送的ｄａｔａ＿ｏｕｔ和８４７ｋＨｚ的副载波信号进行异或得到ＢＰＳＫ信号，ＢＰＳＫ信号控制Ｍ１、Ｍ２的通断，通过电阻Ｒｍｏｄ１、Ｒｍｏｄ２把ＰＩＣＣ接收到的载波信号以８４７ｋＨｚ的速率进行调制，调制时产生一调制电流，用ΔＩ表示；调制后的信号通过天线的耦合作用来影响ＰＣＤ产生的磁场的强度，把ＢＰＳＫ信号发送给ＰＣＤ，实现负载调制。ＰＣＤ中的线圈上感应的电动势（简称ＥＭＦ）的值为：
ΔＶ＝２π·Ｍ·Ｆ·ΔＩ
式中，Ｍ是互感值，Ｆ是载波频率。
１．２ ＡＳＫ解调部分
ＰＣＤ发送的是速率为１０６ｋｂｐｓ的１０％的ＡＳＫ信号，以保证ＰＩＣＣ能连续工作。ＰＣＤ要发送的数据直接调制在ＲＦ载波上，调制系数为１０％（和标称幅值比较，“１”信号比标称幅值大１０％，相应地，“０”信号比标称幅值小１０％）。ＰＩＣＣ的解调部分从ＡＳＫ信号中恢复出数字信息。
ＡＳＫ解调部分原理图如图３所示。电路主要由包络检波器、载波滤波器和边缘检测器构成。包络检波器可由ＰＭＯＳ桥电路构成，为了防止电源信号对其产生干扰，这里用一独立的桥式电路完成。由于有很多因素（如距离、卡的方向等）会影响信号包络的幅度值，故采用边缘检测器来恢复ＮＲＺ数据。
载带滤波器为一个低通滤波器，用以滤除载带纹波信号噪声，用ＲＣ一阶低通滤波器实现。电压比较器的两输入端通过电阻Ｒ１、Ｒ２引入偏置电压；另一方面，包络检波器检出的包络信号经过低通滤波后也通过电容Ｃ１接入电压比较器的同相输入端。显然，当电路达到稳定时，Ｖｐ＝Ｖｎ＝ＶＢｉａｓ，电压比较器的输出为０；当接收到１０％的ＡＳＫ信号时，电压比较器的同相输入端电压Ｖｐ将随ＡＭ的变化而产生波动，而反相输入端仍为ＶＢｉａｓ，从而电压比较器可以检测出ＡＳＫ信号的包络变化信息，解调出数字信息。
２ 仿真结果
该设计通过ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＤＥＳＩＧＮ ＳＹＳＴＥＭ 软件进行仿真。
２．１ ＢＰＳＫ调制电路的仿真结果
发送的数据ｄａｔａ＿ｏｕｔ速率为１０６ｋｂｐｓ，用其调制８４７ｋＨｚ的副载波信号ｓｕｂ＿ｃ。当发送的数据ｄａｔａ＿ｏｕｔ为０时，产生的ＢＰＳＫ信号与ｓｕｂ＿ｃ同相；当ｄａｔａ＿ｏｕｔ为１时，ＢＰＳＫ与ｓｕｂ＿ｃ相位相差１８０°。ＢＰＳＫ信号控制Ｍ１、Ｍ２的开关，实现负载调制，通过线圈的耦合作用，把ｄａｔａ＿ｏｕｔ信号发送出去。即ＰＩＣＣ发送数据时，ＰＣＤ线圈感应的信号频率仍为１３．５６ＭＨｚ，幅度随着ＢＰＳＫ信号的变化而变化，如图４所示。
２．２ ＡＳＫ解调电路的仿真结果
ＰＩＣＣ接收到的是载波频率为１３．５６ＭＨｚ、调制系数 为１０％的ＡＳＫ信号（如图５中Ｖｉｎ所示）传送的数据速率为１０６ｋｂｐｓ。经过包络检波，检出Ｖｏｔ信号，该信号通过边缘检测器检测出信号边缘的变化信息，恢复出原始的数据，如图５所示。
本设计还可用于其它ＡＳＫ解调和ＢＰＳＫ调制的场合，来实现无线数据传输和设备间通信。可靠读卡距离为１０ｃｍ在电源电压降至２Ｖ以下时，电路仍可正常工作，电路总消耗电流低于５μＡ。
该模块可作为一独立的ＩＰ核使用，被完全集成后，可降低系统元件数量，使系统工作的稳定性提高。