非接触便携数据源的供电装置和方法

本发明涉及包含终端和便携数据源的数据传输系统，更具体地讲， 是涉及在这种数据传输系统中为便携数据设备供电的方法。

已知数据传输系统包含终端设备(有时称作阅读器或激励器)和 便携数据设备(有时称作卡或智能卡)。众所周知今天的便携数据设备 包含需要从终端设备供电的存储器和处理器设备。一旦这样的便携数 据设备(可以是非接触式或接触/非接触式——有时称作混合卡)进 入终端设备的激励区域，则能量和数据可以被终端设备传送到便携数 据设备。许多因素对便携数据设备可见的视在能量有影响。具体地， 对终端设备的不同接近和不同的应用/交易对数据设备看见并使用的 能量有影响。如下所述，这些不同的能量水平在卡中产生操作问题。

根据在任意具体时刻所执行的卡的功能，卡所需要的DC电流量 是可变的。例如，如果一个简单状态机完全满足访问控制，只读操作 模式的需要，则卡可能只在3V电压上吸收300μA级别的电流。如 果进行更复杂的交易，例如使用电子钱包在自动售货机上购物或在公 共汽车购票，可能需要激活一个微处理器或微控制器，并且根据处理 器的复杂度和时钟速度，电流会增加到1mA或更高。这样一种交易 有时也需要存储器写入或擦除，并且这种模式会额外增加500-800μ A的电流。如果需要非常安全的模式，例如大额交易或高度安全建筑 或室内的出入，通常需要一个加密或鉴别算法。这样的功能计算量很 大，并且及时完成这种功能通常需要辅助的处理能力。根据实现的时 钟速度和复杂度，这些辅助计算模式会使卡中的电流增加5mA或更 多。

对于一个给定的卡-阅读器距离，流入阅读器天线的电流必须高 于某个级别以便为卡提供足够的能量，使得在校正耦合能量后，可以 维持卡的DC电流需求。卡所享有的一个显著优点是能够在离阅读器 更远的距离上工作。阅读器制造商通常以当地发射射线规章允许的最 大电流驱动天线。阅读器电流越大，意味着无意发射到的远端区域也 就越大，这样会在相邻的频段内彼此产生干扰。这就是非接触卡标准 组织，例如ISO-14443考虑13.56MHz全世界工业，科学和医学 (ISM)频段的原因之一。如图1所述，这个特定的频谱区域允许高 功率，窄带应用的强发射射线。

图1说明了一个频谱图100，其中包含一个频谱屏蔽102，该屏蔽 描述了ISM频段的FCC规定发射限制。即表示从终端发射的功率电 平的实际功率-频率响应曲线104不能超出在所求的频率上的屏蔽102 中明确的限制。例如，根据FCC部分15，在30m测量的发射E场强 10,000μV/m是在13.56MHz的±7kHz内允许的最大功率电平110。 类似地，在这个窄带的外面，发射E场强必须低于在30m测量的30μ V/m的一般限制108。

为了与卡通信，阅读器必须对天线电流进行调制。这种检测必须 易于在卡上检测以便能够容易地通过一个低复杂度，低费用，低电流 消耗的卡接收器进行解调。符合ISO-14443的调制指数值是关于逻 辑1或0的平均载波值的额定值的±10％。对于随机数据，这级针对 合理数据速率(ISO-14443中的105.9375 kbps)的调制会导致在大约 25dBc峰值以下的边带，在无线干扰国际特别委员会(即CISPR- 16)9kHz测量带宽中平均为30dBc。这些频谱边带会落在±7kHz ISM窗口外面，因而在FCC部分15下，边带在30m处最大为30μ V/m。这意味着调制载波最大可以高出25dB，或者对于未调制载波允 许533μV/m，甚至可以达到10,000μV/m。

对于现有技术的微处理器卡(3.3Vdc上1mA)，通过这些发射射 线电平可以得到的阅读范围量(即终端和便携数据设备之间的最大距 离)只有10-12cm。更复杂的交易所需要的任何更高的电流模式只 会减小这个阅读范围。

相应地，需要一种允许在便携数据设备上出现依赖于活动的功率 电平的数据传输系统。这种在不超过规定限制的情况下可以动态增加 功率的数据传输系统对于现有技术是一个改进。

图1说明了在现有技术设备中实现的功率和数据信号的频谱图；

图2说明了描述基于本发明的终端设备的操作的流程图；

图3说明了描述基于本发明的便携数据设备的操作的流程图；

图4说明了基于本发明最优实施例的功率信号的频谱图。

本发明包括一个数据传输系统，该系统包含一个数据传输终端和 一个便携数据设备。根据本发明，终端设备能够向卡发送一个第一操 作模式或一个第二操作模式。在第一模式中，一个功率信号和一个数 据信号被发送到卡上，其中从功率信号中取出能量以便为卡电路供电， 卡电路接着处理从调制数据信号中取出的数据位。在第二操作模式中， 一个功率信号和一个修改数据信号一起被发送出去，或者在一个最优 实施例中，没有任何数据信号。终端设备根据便携数据设备的需要确 定功率信号的电平，并且据此在第一和第二操作模式之间切换。

图2说明了描述基于本发明的终端设备的操作的流程图。在第一 操作模式中，一个功率信号和一个以如下所述的预定方式调制的数据 信号一起被发送(201)出去。应当注意，在这种操作模式下，功率和 调制数据信号会如图1的频谱图所示的那样有规律地出现。正如所知 的，便携数据设备利用从终端设备发送的功率信号中取出的能量处理 正在接收的数据信号。终端和卡继续以这种方式工作，并且确定(203) 在卡中是否需要改变功率，从而表明是否需要改变操作模式。如果不 需要改变模式，则操作继续以上述方式进行。但如果便携数据设备的 功率需求发生改变(例如，作为功率要求较高的应用的结果)，如下所 述，终端设备会增加功率信号并且减少数据调制(205)。

第一模式阅读器-卡链路可以有许多调制指数和格式，并且对调 制的选择取决于交易时间的期望长度(数据速率)，期望的卡接收器复 杂度(费用，电流)和期望的阅读范围(在满足对边带的发射射线一 般限制的情况下所允许的载波电平)。例如，一个具有非常低的数据速 率的系统(几百位/秒到几千位/秒并且具有合适的脉冲整形)可以 把调制边带放在±7kHz ISM频谱屏蔽中，从而允许非常高的信号强 度和较长范围的操作。但对于更复杂的交易，这种低数据速率会导致 非常长的交易时间，可能会超过10秒。

对于自动售货机，建筑物出入或通行所期望的快速交易，需要100 kbps的位速率。对于能够进行类似于安全访问和多钱包电子兑换的复 杂交易，需要一个处理器，并且支持处理器所需的功率电平要求较低 的调制电平和较高的数据速率以便得到合理的卡工作范围。对于ISO -14443，针对简单检测的ASK调制所使用的10±2％的调制指数是 一致的。这里应当注意低偏差FSK和低指数PSK也会产生低边带， 但代价是一个更复杂的卡接收器(不是一个简单的包络检测器)。类似 建筑物出入的一个不太复杂的交易在卡中需要较省的电流，并且可以 被一个系统支持，该系统发射较低的功率并且提供较大的边带，例如 符合ISO-14443第二部分的100％ASK调制。这种调制允许在卡中 使用一个较简单的接收器，但对于10％ASK调制系统，由于有较大的 边带，功率信号必须被降低大约10dB。对于需要相同功率的卡，由 于边带电平越高则100％调制的允许载波电平就越低，所以10％调制 允许比100％调制高出两倍的阅读范围。

如上所述，对于能够执行复杂功能的卡，需要不同等级的DC电 流。对于在不同模式下需要保持相同范围的卡，需要更高的阅读器天 线电流。这些会对应于第二操作模式，例如EEPROM写入/擦除或 鉴别硬件加速器或协处理器。至少有两种方式可以做到这点。第一种 方式，阅读器在知道其参与的交易类型后便知道了卡必须向存储器写 入数据或启动其鉴别硬件加速器的时间，阅读器可以按照预定的量逐 步提高其功率，并且在一段预定的时间内，阅读器知道何时卡会到达 交易中的合适点上。可选地，具有一个处理器的卡确定其下一个操作 模式会需要更高的功率，并且请求阅读器在某段时间内把功率增加到 某个水平上，使得能够开始下一个模式。

终端保持第二操作模式(207)直到第二模式结束。至少有两种方 式可以确定这个第二模式的完成。第一种方式是，了解交易的终端知 道需要增加功率的预定时间段，或者第二种方式是，卡通知终端第二 操作模式已经完成。如果交易没有完成(209)，则终端继续监视模式 变化需求(203)。

在更高的电流操作模式期间，对于要满足的相同频谱屏蔽，下面 两种情况之一或全部必须发生。第一，必须大大减少或增加数据速率， 或第二，必须减少调制指数，或者是两种情况的组合。利用多个数学 包中的任何一个在中心偏移7kHz的CISPR-16 9kHz带宽上进 行的简单数学积分可以说明调整数据速率以满足需求的事实。例如， 假定第一模式数据速率为105.9375kbps，并且边带频谱遵守下述分 布： $S\left(f\right)=A^2{T}_b\frac{{\sin }^2(\mathrm{\pi f}/T_b)}{{(\mathrm{\pi f}/R_b)}^2}$

其中A是绝对调制电平，Rb是位速率，Tb是位速率的倒数，f是 载波的偏移频率。减少数据速率则增加了Tb，从而导致低频调制分量 增加，但也缩窄了主波瓣，使得总体上有较少的能量落在中心偏移7 kHz 的测量滤波器内。可选地，如果数据速率大于105.9375 kbps，则Tb 变小，并且由于对于非常高的数据速率sin(x)/x在测量滤波器带宽上 近似等于1，所以积分功率再次下降。如果第二模式需要把载波功率 增加5dB以便绝对调制电平’A’也增加5dB，数据速率会被降低到＜1.6 kbps以便频谱的主波瓣足够地窄，能够满足±7kHz的频谱屏蔽。对 于数据速率增加，会需要把数据速率增加到大约340kbps以上。数据 速率会把积分带外功率减少5dB，并且会满足有关规定。

减少调制指数也会减少积分功率电平。例如，如果载波增加了5dB 并且绝对调制电平’A’保持相同(以便减少调制指数)，则边带电平保 持相同。例如，如果第二模式需要载波功率增加5dB，则调制指数会 从大约10％下降到大约5％。

对于某些应用，在高电流模式期间没有需要交换的数据。在最优 实施例中，由于直到便携数据设备已经完成一个操作并且正在等待执 行数据交换协议中的下一个步骤之前没有可以传输的内容，所以在 EEPROM写入/擦除期间，或者在运行硬件加速器或数学协处理器时 没有进行调制。在这种情况下，没有调制可以被看作低数据速率或低 调制指数的一种特殊情况。

一种常见的交易可以按照如下方式进行：卡进入阅读器的区域， 其中阅读器以第一模式调制格式和功率电平发送查询。卡在足够接近 时启动，最初利用第一模式调制和功率电平。这时卡可以向阅读器回 送其功率需求请求。

对于一次EEPROM写入或一次阅读器鉴别，最终卡需要改变模 式。这时，卡可以通知阅读器准备某种长度和延时的功率步长。阅读 器确认该请求并且增加功率。但由于在第二模式期间很少或不需要进 行通信，所以阅读器关闭所有调制或者修改位速率和调制指数以便减 少带外发射，使得能够增加载波功率电平，并且在要求的时间内以更 高的功率电平进行发送。一旦经过了这段时间，阅读器把功率电平减 回到第一模式电平，并且恢复与卡的通信。通过前面的方式，终端能 够按照卡的需要供电，并且发射电平不会超过FCC频谱屏蔽(图1所 示的102)。

图3说明了描述基于本发明的便携数据设备的操作的流程图。当 进入终端设备的激励区域时，单应用便携数据设备确定(302)其针对 一个输入交易序列的功率需求。类似地，多应用便携数据设备确定对 应于终端设备支持的应用的输入交易序列所需的功率。即，根据终端 设备运行的应用，卡能够确定其自身的功率需求。应当注意，本发明 假定在卡上有一个确定调节器/整流器电路可见的期望功率电平和当前 操作功率电平的能力。和终端设备一样，这种模式继续保持直到检测 (304)到一个功率改变需求。当检测到功率改变需求时，便携数据设 备向终端设备回送(306)挂起应用的新的功率需求。

根据本发明，卡确定通过几个装置向阅读器回送哪个功率请求。 第一，通过观察其调节器的状态，卡可以计算出所需的功率小于当前 提供的功率，并且根据设计分析，请求阅读器把其功率降低建议的数 量。第二，在知道会参与一个诸如数学协处理器的高电流功能的情况 下，卡通知阅读器没有足够的功率参与这个功能，并且根据设计分析， 可以请求把功率增加建议的数量。阅读器把功率增加到所请求的水平， 并且修改调制和/或数据速率以便在以第二模式操作期间减少上述频 谱。

并且，当交易遵循一个每次开始的固定标准模式时，卡可以把功 率需求当作一个任务函数或时间函数传送到终端设备以便进行后续的 顺序执行。终端设备保留这个功率分布信息，并且在第一模式完成时 在规定时间切换到第二模式。当第二模式完成时，终端设备调整其功 率电平，调制指数和/或数据速率以便在下一个请求模式中操作，直到 功率-时间序列结束。如果协议执行需要重复一个或多个功率请求任 务，则允许偏离这个初始的功率-时间分布。

功率-时间分布也可以被存储在卡中，并且在交易开始时被传送到 阅读器。这种功率-时间公布也可以被阅读器和卡事先知道。在这种情 况下，在交易过程中不需要直接传送功率-时间分布的特殊细节；可以 通过一个被传送到阅读器的唯一标识定义一个功率-时间分布。参照图 3，卡继续确定(302)其功率需求，直到交易结束(308)。

图4说明了从基于本发明的终端发送的增加功率信号(即第二操 作模式)的频谱图400。如图所示，最大功率电平401比第一操作模 式中产生的最大功率电平(即功率电平106)超出了一个数量403，但 如频谱屏蔽102所示，仍然符合FCC限制。在不进行数据调制的情况 下(或者基本为零调制)，边带功率曲线405处于频谱屏蔽102之下。 通过这种方式，本发明允许卡从终端接收更大的功率并且不超出规定 的发射限制。

上述发明允许卡具有多种模式或功能以便在阅读器(终端)的最 大范围能力上完成一个复杂的交易，并且仍然满足发射射线频谱规定。 与前面这种产品的实现不同，这里根据更复杂和高功率功能的需要改 变功率电平，并且还针对不同的功率电平调整数据速率和/或调制指数 以便保持一个一致的边带电平。另外，卡经常观察其调节器以便确定 阅读器中的功率改变是否有必要。