第22卷 第3期 2002年8月 V
ol.22,No.3固体电子学研究与进展 Aug.,2002非接触式IC卡射频前端电路设计 路 超 李永明
(清华大学微电子学研究所,北京,100084) 20010115收稿,20010404收改稿
Ξ
摘要:给出了一种基于ISO",IEC1444322标准的非接触式IC卡射频前端电路设计方案,详细叙述了典型模块的设计思路。本设计采用0.8Λ文mCMOS工艺流水,设计工作频率为13156MHz,数据传输速率为106kbps。中给出了Hspice模拟和相应的芯片测试结果,验证了设计。
关键词:CMOS工艺;射频前端;半波整流;调制;解调
中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:100023819()0322TheRFFront-EndCICCards LULIYongming
ofMics,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,CHN)
ThispaperdemonstratestheRFFront2Endcircuitsdesignproposalofcontact2lessICcardswhichcomplywithISO",IEC14443,andexpatiatesonthearchitectureoftypical.Thedesignhasbeenimodulesmplementedwith0.8ΛmCMOStechnology.Thischipoperatesat13.56MHz,andthedatarateis106kbps.ThesimulationresultbyHspiceisalsogiven,andthecorrespondingtestofthischiphasverifiedthefeasibilityofthedesign.
Keywords:CMOStechnology;RFFront-Endcircuits;half-waverectifier;modulation;de-modulation EEACC:2570D
1444322标准B型非接触式IC卡的射频前端电路 1 引 言
非接触式IC卡源于射频识别技术的产生与发
展。射频识别即RadioFrequencyIdentification(简称RFID)是从90年代兴起的一项自动识别技术,它利用无线通信技术进行非接触双向通信,以达到识别和交换数据的目的。与早期识别技术相比,射频识别具有无接触、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷、环境适用性较好、可以实现多目标、移动目标识别等一系列优点,在近年来获得了极为迅速的发展[1]。本文提出的是一种基于ISO",IEC 设计方案,它利用较简单的电路形式满足了相关性
能要求。该设计已经在上华半导体公司(CSMC)通过流片验证。 2 设计标准
射频前端部分主要解决卡内无源、免接触以及调制解调等问题。非接触式IC卡射频前端分别与读卡器(PCD)和卡上数字部分进行通信,相应地,存在二个接口规范。模拟与数字部分的接口对于一个完整的设计来说是电路内部的信号接口,因此并
ΞE2mail:luch99@mails.tsinghua.edu.cn 286
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 22卷 无明确的标准,主要由设计者根据具体情况做出相应的协调。在本设计中,采用的是ISO IEC14443标准[2]。
该标准定义了工作距离较近的中频非接触式IC卡(PICC)的技术规范,其中提供了TypeA和
初始化和防碰撞TypeB两种有关卡的射频接口、
方式的解决方案。目前,以Philips为首的基于TypeA标准的阵营占领了非接触式IC卡市场的90%以上,而TypeB由于是从理论上升到标准再进入工业领域,是一个新的技术规范,市场占有率很小,目前包括ST和Motorola都只是处于展示推广阶段。两种类型卡信号接口规范如表1所示。 表1 两种类型卡信号规范
.1 ThesignalinterfaceoftwotypesofthecardsTab PCD]PICC
(ModifiedASK 100%miller 1
106Kbit s)ASK(NRZ106Kbit s) 10%
PICC]PCDASK(Manchester 10% 106KbitsNZ)
易于实现软件解码。在防碰撞策略上,A型卡的
Mifare方案采用比特碰撞检测,速度很快,由此也必须采用硬件实现;B型卡所采用的时隙ALOHA(SlotedALOHA)方案为通用协议,采用信息级碰撞检测,可直接用软件控制。
就非接触式IC卡的电路设计而言,由于卡与读卡器的工作距离很近,同时读卡器发射信号功率也比较大,因此读卡器信号传输过程中所受的干扰对信号质量的影响并不太大,从而可以保证比较高的信噪比;与此相对应的是,卡上发射信号功率相对很弱,比较容易受干扰。故此,设计过程中对于读卡器信号的调制不用刻意考虑抗噪声性能,而应着响;
,出于对成本、成品率尽可能的高,。综合性能和复杂度的,B型卡在RF前端电路中引入了分频电路来产生副载波(副载波频率为载波频率的1 16,数字部分的时钟由此副载波再经分频产生),数字部分产生的数据信号先以BPSK方式对此副载波进行调制,调制后的信号再以调幅的方式叠加在高频载波上经天线发出,这样就以相对简单的电路形式实现了以较低误码率进行传输的目的。由于无论是载波还是副载波均由基站信号产生,因此在基站处进行解调时不用考虑相干信号的产生问题(若不考虑卡与基站之间距离引起的相位变化,则基站本身的发射载波信号与射频卡的发射信号同频同相,当然,精确的解调仍需引入同步系统)。对于基站信号的调制方式,主要应考虑解调的难易,因此采用了最简单的ASK调制,具体操作时,可适当加大基站电路的复杂性,保证输出已调信号的幅度和质量,降低卡接收信号解调后的误码率[3,4]。
综合上述技术分析,采用了TypeB标准作为设计和验证依据。 TypeA
TypeB 注1:、率
依据ISO ,对于A型卡,100%ASK调制的改进Miller编码信号,理论分析表明它在调制间隙(Pause)处信号电压不足1V,不能保证卡上数字部分的正常工作,在此期间,数字处理部分不能正常工作,所以在数字处理部分工作时停止数据传输。这样,尽管100%ASK调制以100%的能量进行数据传输,保证了信号的较高抗干扰性,在一定程度上提高了通信的可靠性,但它是以数据传输与数据处理分步工作即以通信时
间的延长为代价的。同时,它也不适用于常规的数字信号处理器,除非在外加时钟的情况下可以采用常规的DSP。而对于B型卡,由于它采用10%ASK调制,仅用10%的能量传输数据,当受到噪声干扰时显然会由于信号能量太弱而影响信号的可靠性,有可能使读卡器产生误码,将缩短其有效读卡距离,同时卡上的数字信号处理器并未用到所供给的全部能量。它能保证能量的无中断供给,可以实现数据传输与处理的同步进行,在一定程度上缩短了通信时间。在编码方式上,由于A型卡采用改进密勒(ModifiedMiller)编码和曼彻斯特(Manchester)编码,因而速度很快,必须采用专门的硬件解码;而B型卡采用不归零码(NRZ)比较 3 电路模块设计
非接触式IC卡通常包括射频接口电路和数据处理单元两部分。射频接口部分电路模块如图1所示,它包括电源产生电路、限压电路、时钟发生器(包括整流电路和分频电路组成),上电复位电路、调制与解调电路等部分组成。当卡进入读卡器产生
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图2Fig.2 Theimprectifier
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