一种用于移动身份识别的近场通信芯片的模拟前端设计
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近场通信(NFC)是一种用于13.56MHz的无线通信技术,设备之间的通信距离大约在10厘米左右。近场通信技术能够用在很多的领域当中,近场通信技术主要应用于移动电话中。近年来,射频识别(RFID)标签的使用量急速上升,很重要的原因就是近场通信技术成本十分低而且简便。本论文首先对NFC系统的技术特点和相关应用做了简单的介绍,另外对NFC的数据传输协议ISO/IEC 14443-2协议和芯片的三种工作模式进行了简单的概括。核心设计部分给出了三种创新的模拟前端电路:读写器调制部分、读写器解调部分、读写器时钟电路部分。本论文提出了一种新颖的13.56MHz读写器解调电路核心部分信号链路的设计,包括混频、滤波、放大模块、积分模块和采样、保持模块以及位解码模块的设计,该结构能够提高接收电路的灵敏度和抗干扰能力。另外,文章中简要介绍了RFID标签的电路结构和仿真测试,和读卡器电路整合形成用于移动身份识别的NFC通信系统模拟前端电路。设计遵循ISO/IEC 14443协议Type-A,设计采用了一种5V单供电电压的0.5um CMOS工艺,给出了Cadence环境下仿真结果,且已经过工艺的进一步优化和版图设计,可以提供单芯片13.56MHz RFID读写器的核心部分射频模拟前端电路的IP,并可广泛用于电子标签的读卡器和最新的近场通信(NFC)收发器电路中。
| 摘要 | 第3-4页 |
| ABSTRACT | 第4页 |
| 第一章 绪论 | 第13-16页 |
| 1.1 引言 | 第13页 |
| 1.2 课题研究背景 | 第13-14页 |
| 1.3 课题主要工作和论文组织结构 | 第14-16页 |
| 第二章 NFC(近场通信)概述 | 第16-21页 |
| 2.1 RHD通信系统简介 | 第16-17页 |
| 2.1.1 近耦合系统(close coupling systems | 第16页 |
| 2.1.2 远耦合系统(：Remote coupling systems) | 第16-17页 |
| 2.1.3 远距离系统(Long raaage systems) | 第17页 |
| 2.1.4 RFID的工作频带 | 第17页 |
| 2.2 NFc技术简介 | 第17-18页 |
| 2.2.1 NFC标准及其推广组织 | 第17-18页 |
| 2.2.2 NFC技术特点 | 第18页 |
| 2.3 NFC的应用 | 第18-21页 |
| 2.3.1 身份识别 | 第18-19页 |
| 2.3.2 票务系统 | 第19页 |
| 2.3.3 收费系统 | 第19-20页 |
| 2.3.4 自动化和物流 | 第20-21页 |
| 第三章 NFC的数据传输协议与芯片的工作模式 | 第21-32页 |
| 3.1 数据调制模式 | 第21-24页 |
| 3.1.1 ASK(幅度)调制 | 第21-22页 |
| 3.1.2 FSK(频率)调制 | 第22-23页 |
| 3.1.3 PSK(相位)调制 | 第23-24页 |
| 3.2 ISO／IEC 14443-2协议 | 第24-25页 |
| 3.2.1 读写器到标签（PCD to PICC） | 第24-25页 |
| 3.2.2 标签到读写器（PICC to PCD） | 第25页 |
| 3.3 NFC芯片的工作模式 | 第25-32页 |
| 3.3.1 读写模式 | 第26-28页 |
| 3.3.2 卡工作模式 | 第28-29页 |
| 3.3.3 NFCIP-1模式 | 第29-32页 |
| 第四章 读写器调制电路设计与仿真 | 第32-41页 |
| 4.1 包络调整模块 | 第32-34页 |
| 4.2 发射模块 | 第34-38页 |
| 4.2.1 发送模式控制子模块 | 第35-37页 |
| 4.2.2 驱动控制时钟子模块 | 第37-38页 |
| 4.2.3 发射驱动子模块 | 第38页 |
| 4.3 读卡器调制电路仿真结果 | 第38-41页 |
| 第五章 读写器解调电路设计与仿真 | 第41-50页 |
| 5.1 解调电路设计思路 | 第41-42页 |
| 5.2 解调电路各模块电路设计与仿真 | 第42-49页 |
| 5.2.1 混频、滤波和放大模块 | 第42-44页 |
| 5.2.2 积分模块 | 第44-45页 |
| 5.2.3 采样、保持模块 | 第45-47页 |
| 5.2.4 位解码模块 | 第47-49页 |
| 5.3 仿真结果 | 第49-50页 |
| 第六章 读写器时钟电路设计与仿真 | 第50-61页 |
| 6.1 IQ时钟产生模块设计与仿真 | 第50-57页 |
| 6.1.1 移位寄存模块 | 第51-54页 |
| 6.1.2 译码模块 | 第54-55页 |
| 6.1.3 延时模块 | 第55-56页 |
| 6.1.4 反馈模块 | 第56-57页 |
| 6.1.5 IO时钟产生模块整体仿真 | 第57页 |
| 6.2 四相位时钟产生模块的设计与仿真 | 第57-58页 |
| 6.3 分频时钟产生模块的设计与仿真 | 第58-59页 |
| 6.4 窄咏冲与非交叠时钟产生模块的设计与仿真 | 第59-61页 |
| 第七章 RFlD标签模拟前端电路设计 | 第61-67页 |
| 7.1 电源产生电路的设计 | 第63-64页 |
| 7.2 上电复位电路的设计 | 第64-65页 |
| 7.3 解调电路的设计 | 第65-66页 |
| 7.4 时钟提取电路 | 第66-67页 |
| 第八章 系统仿真与版图设计 | 第67-77页 |
| 8.1 读写器时钟电路与解调电路联合仿真 | 第67-73页 |
| 8.1.1 混频、滤波和放大模块联合仿真 | 第67-68页 |
| 8.1.2 积分模块联合仿真 | 第68-70页 |
| 8.1.3 采样保持模块联合仿真 | 第70-72页 |
| 8.1.4 位解码模块联合仿真 | 第72-73页 |
| 8.2 读写器时钟电路与解调电路版图设计 | 第73-75页 |
| 8.2.1 FloorPlan设计 | 第73-74页 |
| 8.2.2 版图设计 | 第74-75页 |
| 8.3 读写器调制电路版图设计 | 第75-76页 |
| 8.4 RHD标签电路版图 | 第76-77页 |
| 第九章 NFC芯片的测试 | 第77-93页 |
| 9.1 电磁场相关理论 | 第77-80页 |
| 9.1.1 磁通量密度 | 第77页 |
| 9.1.2 磁场强度 | 第77-78页 |
| 9.1.3 电感 | 第78页 |
| 9.1.4 互感 | 第78-79页 |
| 9.1.5 耦合系数 | 第79页 |
| 9.1.6 法拉第定律 | 第79页 |
| 9.1.7 共振电路 | 第79-80页 |
| 9.2 天线简介 | 第80-82页 |
| 9.2.1 近耦合和远耦合系统的天线 | 第80-82页 |
| 9.2.2 远距离系统的天线 | 第82页 |
| 9.3 NFC测试配置和流程 | 第82-90页 |
| 9.3.1 测试参数 | 第82-83页 |
| 9.3.2 测试装置 | 第83-84页 |
| 9.3.3 测量线圈 | 第84页 |
| 9.3.4 感应线圈 | 第84-85页 |
| 9.3.5 场产生天线 | 第85-86页 |
| 9.3.6 阻抗匹配网络 | 第86页 |
| 9.3.7 参照装置 | 第86-88页 |
| 9.3.8 测试流程 | 第88-90页 |
| 9.4 测试过程与结果 | 第90-93页 |
| 9.4.1 测试平台 | 第90-91页 |
| 9.4.2 读写器到标签(PCD to PICC)的测试 | 第91-92页 |
| 9.4.3 标签到读写器(PCD to PICC)的测试 | 第92-93页 |
| 第十章 结束语 | 第93-94页 |
| 10.1 总结 | 第93页 |
| 10.2 展望 | 第93-94页 |
| 参考文献 | 第94-96页 |
| 致谢 | 第96-97页 |
| 攻读硕士学位期间己发表或录用的论文 | 第97-99页 |
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