用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的装置、系统和方法

摘要

一种RFID通信系统，其包括NFC装置(11)和具有无接触卡功能的智能卡(2)，其中NFC装置(11)与智能卡(2)可通过协议转换器(7)彼此耦接，其中NFC装置(11)耦接到天线(3)，以从RFID读/写器接收电磁信号(ES)，并通过对接收到的电磁信号(ES)进行调制来将响应信号(RS)发送到RFID读/写器。电磁信号(ES)包含定义了预定的信号模式(PA)的开始和结束的第一特征分量和第二特征分量(FE，RE)，其中第二特征分量触发响应延迟时间(FDT)，在所述触发响应延迟时间的期满时刻RFID通信系统必须对RFID读/写器作出响应。提供一个用于补偿信号延迟的装置(12)，其包括信号模式缩短装置(13)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的装置，该RFID通信系统包括NFC装置和具有无接触卡功能的智能卡，其中NFC装置与智能卡可通过协议转换器彼此耦接，其中NFC装置耦接到天线以从RFID读/写器接收电磁信号，并通过对接收到的电磁信号进行调制来将响应信号发送到RFID读/写器。

本发明还涉及一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的系统，该RFID通信系统包括NFC装置和具有无接触卡功能的智能卡，其中NFC装置与智能卡可通过协议转换器彼此耦接，其中NFC装置耦接到天线以从RFID读/写器接收电磁信号，并通过对接收到的电磁信号进行调制来将响应信号发送到RFID读/写器。

本发明还涉及一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的方法，该RFID通信系统包括NFC装置和具有无接触卡功能的智能卡，其中NFC装置与智能卡可通过协议转换器彼此耦接，其中NFC装置耦接到天线以从RFID读/写器接收电磁信号，并通过对接收到的电磁信号进行调制来将响应信号发送到RFID读/写器。

背景技术

现今使用了许多依照标准ISO/IEC 14443A的智能卡。这些智能卡还与SIM模块协同使用。在标准应用中，智能卡通过模拟信号线路与天线直接连接。然而，对于智能卡的其他应用，尤其是当它们被用于SIM模块中时，仍然希望能够将现有类型的智能卡与近场通信(NFC)装置直接连接，而无需为智能卡和NFC装置二者提供单独的天线。为了将智能卡和NFC装置彼此连接，必须通过协议转换器来将它们连接而不能将它们直接连接，这是因为智能卡与NFC装置的信号协议和接口彼此不一致。具体来说，NFC装置的数字接口(S2C接口)无法被连接到智能卡的天线线路，因为这些线路是模拟信号线路。现在将参考图1的框图来更详细的说明用于将NFC装置与智能卡相匹配的现有的低效率方案的相关问题。

图1示出了NFC装置1间接连接到智能卡2的配置的电路框图，其中，它们本身都服从国际标准ISO 14443A。为了能够在NFC装置1和智能卡2之间进行通信，使协议转换器7在NFC装置1和智能卡2之间进行切换。应当注意的是，在该配置中只有NFC装置1在其输入端连接到天线3。协议转换器7对在包括数字输出线路SIGOUT和数字输入线路SIGIN的NFC装置1的数字接口与包括双向模拟线路La和Lb的智能卡2的模拟接口之间流动的信号进行转换。所有上述装置都连接到地电势GND。NFC装置1从天线3接收电磁信号ES，并且NFC装置1包括适用于将电磁信号ES解调并将它们转换为方波信号DES(见图5)并通过线路SIGOUT发送的解调器4。NFC装置1还包括负载调制器5，其适用于对从卡读/写器(未示出)发送出的电磁信号ES进行调制。协议转换器7把经过线路SIGOUT接收到的数字方波信号DES转换为模拟信号，并通过线路La、Lb将所述模拟信号发送到智能卡2。智能卡2通过从接收到的模拟信号中提取信息和指令来对这些模拟信号进行处理，并且在必要时经线路La、Lb发出模拟响应信号R1，该模拟响应信号R1被协议转换器7转换为对NFC装置1的负载调制器5进行控制的数字响应R2。然而该已知系统的缺点在于所得的从NFC装置1到FRIF读/写器的响应RS的时序不再依照ISO14443，而是由于主要由信号转换器7内的信号转换引起的信号延迟使得所述时序在ISO 14443的规范以外，将通过参考图5的时序图来进行说明。

图5的时序图中的最上面一行表明了由RFID读/写器发送的并在天线3处接收的电磁信号ES。电磁信号ES包括载波信号CS，其已被使用串行数据信号DS进行了ASK调制。数据信号DS服从修正密勒码，该码用一个预定的信号模式PA的位置，即信号流中的一个短暂停的位置来定义一个位的值“0”或“1”。如果该暂停发生在半位周期，则该位的值为“1”。如果在一个位长中没有暂停或者暂停与半位周期有相当大的偏离，则该位的值为“0”。在ISO 14443中精确定义了暂停的时序并在图3的时序图中示出。

从图3能够很明显看出已用数据信号DS进行过ASK调制的电磁信号ES包括由信号暂停表示的预定的信号模式PA。数据信号DS内的暂停以作为第一特征分量FE的信号下降沿开始并以作为第二特征分量RE的信号上升沿结束。当考虑开始下降沿的长度时，暂停的长度t1可在2μs到3μs之间变化。当上升沿的长度t3也要被考虑在内时，暂停的长度(t1+t3)可多达4.5μs。当不考虑边沿时达到的暂停的绝对最小值t2为0.5μs。应注意，由于物理条件的原因，在RF场中操作的RFID读/写器趋于产生具有相对较长边沿的信号。还应明确，ISO 14443规范允许在RFID通信系统的设计中存在一些容差。

在图5中，第二行示出了NFC装置1中的解调器4已将模拟电磁信号ES转换成一个数字方波信号DES，该数字方波信号DES的频率与针对依照ISO 14443的RFID通信系统的载波信号CS的频率相等，为13.56MHz。由于方波信号DES的数字特性，上升沿和下降沿的长度相对于暂停的整体长度t1是可以忽略的。

还应注意，根据ISO 14443，对于一方面是RFID读/写器另一方面是NFC装置，它们之间的数据是通过在开始和结束位置具有帧分隔符的帧来进行交换的，即通过串行数据位和可选误差检测位。另外存在一个所谓的帧延迟时间FDT，其被定义为在相反方向上传送的两个帧之间的时间。该帧延迟时间FDT不能比定义的最小帧延迟时间小，并且也不能超过定义的最大帧延迟时间。对于来自RFID读/写器方向上的通信，将帧延迟时间FDT定义为由RFID读/写器传送的最后暂停PA的结束(上升沿RE)与NFC装置1所传送的响应信号RS的开始位之内的第一调制沿ME之间的时间。帧延迟时间FDT被定义为载波信号频率的整数倍，并且通常总计为91μs。上述时序能在图4的时序图中更好的看到。然而，正如已在上面说明的那样，由于主要由协议转换器7引起的内部信号延迟t5的原因，所以使用图1的已知RFID通信系统无法满足该时序规范。为了更好地说明这些时序问题，再次参考图5所示时序图。该图的第三行示出了符合标准的独立NFC装置的正确响应信号RS，该响应信号RS被延迟一个帧延迟时间FDT，该帧延迟时间FDT是由RFID读/写器所发送的最后暂停PA的结束端(上升沿RE)触发的。另一方面，该图的第四行示出了由根据图1的RFID通信系统产生的响应信号RS。显然响应信号RS不仅延迟一个帧延迟时间FDT，还延迟一个内部延迟时间t5。帧延迟时间FDT与内部延迟时间t5的总和超过了可允许的响应延迟时间，因此已知的RFID通信系统的操作超出了ISO 14443的规范。

发明内容

本发明的目的是提供在第一段所定义的类型的装置、在第二段所定义的类型的RFID通信系统以及在第三段所定义的类型的方法，其中避免了上述缺点。

根据本发明的装置的特征可用以下方式来描述，即：

一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的装置，该RFID通信系统包括NFC装置和具有无接触卡功能的智能卡，其中NFC装置与智能卡可通过协议转换器彼此耦接，其中NFC装置耦接到天线以从RFID读/写器接收电磁信号，并通过对接收到的电磁信号进行调制来将响应信号发送到RFID读/写器，其中电磁信号包含定义了预定信号模式的开始和结束的第一特征分量和第二特征分量，其中第二特征分量触发预定的响应延迟时间，在所述响应延迟时间的期满时刻RFID通信系统必须对RFID读/写器作出响应，其中用于补偿信号延迟的装置包括信号模式缩短装置。

为了实现上述目的，根据本发明的RFID通信系统包括根据上一段落所述的用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的装置。

为了实现上述目的，提供一种根据本发明特征的方法，以使得根据本发明的方法的特征可用以下方式来描述，即：

一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的方法，该RFID通信系统包括NFC装置和具有无接触卡功能的智能卡，其中NFC装置与智能卡可通过协议转换器彼此耦接，其中NFC装置耦接到天线，以从RFID读/写器接收电磁信号，并通过对接收到的电磁信号进行调制来将响应信号发送到RFID读/写器，其中电磁信号包含定义了预定信号模式的开始和结束的第一特征分量和第二特征分量，其中第二特征分量触发预定的响应延迟时间，在所述响应延迟时间的期满时刻RFID通信系统必须对RFID读/写器作出响应，其中所述方法包括在RFID通信系统中缩短信号模式的步骤。

根据本发明的特征提供了RFID通信系统中的内部信号可被完全补偿的优点。具体来说，由协议转换器引起的信号延迟可被补偿。因此，本发明提供了这样的优点，可通过协议转换器来将标准NFC装置和标准智能卡彼此相结合并使所得到的RFID通信系统仍完全符合ISO 14443。应该明确的是术语“智能卡”在此还包含如SIM卡或SAM卡之类的所谓“安全单元”。

在本发明一个容易实现的优选实施例中，信号模式缩短装置包括适于对信号模式的第一特征分量进行检测的检测装置、以及信号发生器，该信号发生器优选地被配置为方波信号发生器，其中检测装置被配置为在其检测到第一特征分量时使信号发生器停止、并在第一特征分量出现后的一个预定的时间段之后使信号发生器重启。

为了对目前可用的协议转换器加以利用，更优选的是以等于电磁信号中载波信号频率的频率来操作信号发生器。

本发明另一个目的是提供一种用于补偿RFID通信系统中的信号延迟的装置和方法，其中的RFID通信系统完全符合ISO 14443。为了实现这一目的，将检测装置配置为检测暂停信号来作为预定的信号模式，并且具体的是检测暂停信号的边沿来作为信号模式的第一特征分量。

原则上，当已知RFID通信系统中的内部信号延迟时，可将信号模式缩短装置设置为一个固定值，其中将信号模式缩短该固定值。然而，为了实现更高的灵活性和对改变的信号条件的自动适应，优选地提供响应延迟装置，其适于对来自智能卡的响应进行延迟。为了最高的灵活性，将响应延迟装置配置为对来自智能卡的响应进行可调延迟。

通过配置响应延迟装置可实现对于触发响应延迟时间的信号模式的变化的长度的自动适应，从而对响应进行延迟，直到从接收到的电磁信号中出现信号模式的第二特征分量开始计算的预定的响应延迟时间期满。

应当注意可以分别在装置和RFID通信系统中直接实现本发明方法的特征。

本发明的以上方面以及其他方面将在下述示例实施例中揭示并将参考示例实施例来进行说明。

附图说明

下面将参考附图来进一步详细描述本发明。然而本发明并不限于示例实施例。

图1示出了根据现有技术的RFID通信系统的框图。

图2示出了根据本发明的RFID通信系统的框图。

图3是根据ISO 14443的电磁信号内形状为暂停的信号模式的时序图。

图4是用来说明在ISO 14443环境下的帧延迟时间的定义的时序图。

图5是用来说明和比较在根据本发明和根据现有技术的RFID通信系统中各种信号及其延迟的时序图。

具体实施方式

现在参考图2来详细说明根据本发明的RFID通信系统。该RFID通信系统配置为符合ISO 14443。其包括NFC装置11和智能卡2。智能卡2包括标准7816接口15并且具有无接触卡功能，这意味着智能卡2包括双向模拟线路La和Lb，它们能被耦接到天线3以从RFID读/写器接收电磁信号。为了清楚起见，在图中没有示出RFID读/写器，因为其为现有技术中公知的并且并非本发明的一部分。然而，在本发明中，线路La和Lb被耦接到传统设计的协议转换器7。协议转换器7又被耦接到NFC装置11的数字输出线路S-OUT和数字输入线路S-IN。协议转换器7将经由线路S-OUT从NFC装置11接收到的数字信号转换成可通过线路La和Lb被传送到智能卡2的模拟信号。协议转换器7还将经由线路La和Lb从智能卡2接收到的模拟信号转换成通过线路S-IN被传送到NFC装置11的数字信号。

根据本发明，提供一个用于对RFID通信系统中的信号延迟进行补偿的装置12。在本实施例中，该信号延迟补偿装置12被集成到NFC装置11中，但明确的是信号延迟补偿装置12也可被配置成单独的装置。在后一种情况下，可以使用如根据图1所描述的现有技术RFID通信系统的标准NFC装置1来代替NFC装置11。信号延迟补偿装置12包括信号模式缩短装置13，其用于缩短出现在被输入到信号延迟补偿装置12的信号DES中的预定的信号模式PA(见图3-5)并用于将如此得到的“加速”信号SDES经线路S-OUT输出到协议转换器7。该方法背后的想法是通过加速或推进RFID通信系统中的信号而使协议转换器7获得一些额外的时间来用于对信号延迟补偿装置12的输出信号进行转换和用于对智能卡2的响应进行再次转换，从而具有足够的余量来实现其转换任务而不会违反时序要求。应当注意的是，任何标准的时序要求对于与RFID读/写器之类的外部装置进行的外部通信来说都是重要的，但在RFID通信系统内有可能会与所述时序要求有所偏离。

信号模式缩短装置13包括用于检测信号模式PA的第一(前导)特征分量FE的检测装置13a和优选地被构成为方波信号发生器的数字信号发生器13b。将检测装置13a构成为在其检测到第一特征分量FE时停止信号发生器13b，并且在出现第一特征分量FE后的一个预定的时间段t6之后重启信号发生器。

已经提及本发明的该实施例依照ISO 14443而构成。这意味着预定的信号模式PA是由规定长度的暂停来表示的，信号模式PA的第一特征分量FE由下降沿表示，信号模式PA的第二特征分量RE由上升沿表示，见图3。另外，预定的响应延迟时间FDT是图4所示的帧延迟时间FDT，在该响应延迟时间的期满时刻RFID通信系统必须对RFID读/写器作出响应。

现在将参考图5的时序图来说明根据本发明的RFID通信系统的操作。

在ISO 14443的前提下，由天线3从RFID读/写器接收到的电磁信号ES包括一个经数据信号DS调制的载波信号CS，见图5的最上面一行。在解调器4中将电磁信号ES转换成数字输入信号DES，其包含频率为载波信号CS的频率(即13.56MH)的方波信号，其中暂停PA仍保持它们的长度t1。数字输入信号DES被馈送到信号模式缩短装置13。由于数字输入信号DES仍包含第一特征分量FE，即作为暂停PA开始的下降信号沿，所以检测装置13a能够检测到该第一特征分量FE，并且在检测到第一特征分量FE之后，停止信号发生器13b并触发一个被设置为预定的缩短信号模式时间t6的内部计时器(未示出)。当计时器时间耗尽时，检测装置13a重启信号发生器13b。由此将原始暂停PA变换为缩短的暂停PA’。然而，即使是缩短了的暂停PA’也仍然包含预定的信号模式(即暂停PA)的第一特征分量FE和第二特征分量RE。应当注意的是由信号发生器13b产生的方波信号的频率等于载波信号CS的频率，即等于13.56MHz。在图5的第五行中示出了所得到的信号发生器13b的输出信号SDES。除了暂停PA’显著地短于原始暂停PA(时间段t6代替了时间段t1)以外，输出信号SDES类似于解调器4的输出信号DES。

协议转换器7经线路S-OUT接收信号发生器13b的输出信号SDES并将其转换成类似于图5第一行的电磁信号的模拟信号。当智能卡2检测到暂停的结束时，其等到帧延迟时间FDT期满之后将模拟响应信号R1发送到协议转换器7，由协议转换器7将它们转换成数字响应信号R2。由于在信号处理期间各种内部信号在RFID通信系统中延迟，所以数字响应信号R2相对于模拟响应信号R1被延迟。尽管主要是协议转换器7引起延迟，但在RFID通信系统内还有一些其他电路也是造成延迟的原因。不过，不考虑精确的延迟源，可将整体内部信号延迟t5定义为包括所有的各种内部延迟源。然而，由于本发明的思想是通过信号模式缩短装置13来将暂停PA缩短到缩短暂停PA’，因此尽管有内部信号延迟t5，数字响应信号R2相对于外部RFID读/写器所要求的帧延迟时间FDT仍是提前的。因此，为了满足ISO14443的规范(见图4及其说明)，必须对响应信号R2的提前进行补偿。根据本发明，通过提供具有响应延迟装置14的信号延迟补偿装置12来实现该目的，其中响应延迟装置14用来对智能卡2所产生的响应信号R1进行延迟，或者严格来说用来将数字响应信号R2延迟一个保持外部可见的帧延迟时间FDT所需的附加延迟时间t7。为此，响应延迟装置14从解调器4接收输入信号RE-CTR，该输入信号是在解调器4检测到预定的信号模式PA的第二特征信号分量RE，即检测到暂停的上升沿时被发送的。响应延迟装置14一被输入信号RE-CTR触发，其就启动一个被设置为帧延迟时间FDT，即设置为接近91μs的计时器(未示出)。只要计时器的时间没有被耗尽，响应延迟装置14就临时存储数字响应信号R2，从而将附加延迟时间t 7加入到这些信号。计时器的时间一耗尽，响应延迟装置14就将数字响应信号(图2中的数字R3)传送到负载调制器5，该负载调制器用于根据数字响应信号R3来调制电磁信号ES，从而将所得响应信号RS发送到RFID读/写器。为了简化说明，分别假设负载调制器5没有将任何额外的延迟加到响应信号RS上或者这些延迟都包含在内部信号延迟t5中。由本发明得到，除了根据本发明的RFID通信系统包含像协议转换器7之类的不符合ISO 14443的装置以外，除了根据本发明的RFID通信系统优选地对应于ISO 14443。

明确的是尽管通过依照ISO 14443实现的实施例来说明了本发明，但本发明并不限于该标准，而是可以将本发明应用于任何具有类似时序要求的RFID通信系统。

最后，应当注意上述实施例说明但并不限制本发明，而本领域技术人员能够在不超出由所附权利要求定义的发明范围的情况下设计出许多替换实施例。在权利要求中，括号中的任何参考标号都不能被解释为对本发明的限制。动词“包括”和“包含”等并不排除这些在权利要求或说明书中所列举的整体元件或步骤以外的其他元件或步骤的存在。单数的元件并不排除多个这种元件的情况，反之亦然。在列举了几个装置的产品权利要求中，可由一个相同的软件或硬件项来实现这些装置。某些方式在相互不同的从属权利要求中记载并不表示不能使用这些方式的结合来实现本发明的优点。