CN102196605B - 移动射频装置、射频ic卡及射频存储卡 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动射频装置、射频IC卡及射频存储卡，其中，移动射频装置包括至少一个低频磁感应电路、至少一个低频放大电路、至少一个门限判断及解调电路、至少一个第二主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路、第二主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接；其中，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路组成的低频接收链路工作于预先选定的***无校准工作的最高频率f0以下的频率。本发明的移动射频装置，能够使设置有该移动射频装置的移动终端实现电子支付等刷卡交易。

Description

移动射频装置、射频IC卡及射频存储卡

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种移动射频装置、射频IC卡及射频存储卡。

背景技术

随着移动终端的普及，利用移动终端进行移动终端支付的应用需求非常迫切，目前已经有多种实现方案，但各有缺点。当前,已经出现了在移动终端中的用户识别模块SIM（Subscriber Identity Module）卡上增加射频功能（称为射频SIM卡）或者在移动终端主板上增加近距离通信模块来实现移动终端近距离通信的方法,后者称为NFC(Near Field Communication,近场通信),这些方法的出现使得移动终端成为一个可以充值、消费、交易及身份认证的超级智能终端，极大地满足了市场的迫切需求。

其中，基于射频SIM卡的移动终端近距离解决方案以其简单、无需更改移动终端等优势得到广泛的关注，在该方案中，射频SIM卡采用UHF（UltraHigh Frequency，超高频）技术，由于UHF特别是采用2.4GHz ISM公共频段(即工业，科学和医用频段)的射频SIM卡，其工作频率很高，天线的尺寸很小，在SIM卡内放置小型的天线就能发射足够强度的信号，即使射频SIM卡嵌入在移动终端内部射频信号仍然可以从移动终端中透射出来，在读卡器中采用业界主流的RF(Radio Frequency,射频)收发芯片即可无需额外放大可靠接收到绝大多数移动终端的射频信号，从而实现不必对现有的移动终端进行任何结构改变就可使移动终端具备近距离通信功能。但是，不同移动终端由于内部结构不同造成射频信号透射效果存在很大的差异，透射强的移动终端其射频SIM卡射频通信距离可能达到几米远的距离，透射弱的移动终端其射频SIM卡通信距离只可以达到几厘米。射频SIM卡为了避免不同移动终端对RF信号衰减的巨大差异，必须对移动终端进行校准，也就是在使用前必须将移动终端的衰减参数记录到卡中。需要校准是射频SIM卡的主要问题。

另外一种移动支付的技术NFC基于ISO14443标准的非接触卡技术演化而来，两者根本点在于都采用13.56MHz的磁场传送信号和能量。NFC技术的主要问题有：

1.必须改造移动终端才能实现可靠的双向数据通讯，NFC的磁场线圈不能集成到SIM卡或SD卡(Secure Digital Memory Card,安全数字存储卡)/TF(TransFLash,闪存)卡等移动终端用的卡内。

在13.56MHz频点下，读卡器和卡之间采用电感线圈耦合的方式交互信号及传送能量，读卡器到卡的方向需要同时传递能量和13.56MHz调幅信号，对卡上接收线圈的尺寸面积均有较高要求；卡到读卡器的方向，卡依靠短路和开路卡上线圈的负载调制方式而不是依靠外部能量直接发送场强的方式向读卡器传递信息，由于负载调制信号要求卡线圈和读卡器线圈的耦合系数越高越利于读卡器解码卡传送的信息，这种方式进一步提高了对卡上天线尺寸和面积的要求。另外一方面，由于13.56MHz频点较低，耦合线圈的尺寸相对较大。综合上述因素，NFC要求移动终端内的天线线圈足够大，该尺寸大小完全不能放入SIM卡或SD/TF卡等移动终端用的卡内，不但如此，移动终端上的金属及其它导电物体会严重干扰天线的接收和负载调制效果，为了达到近场通讯良好的通讯效果，必须对手机进行定制化的改造，使天线的效果达到最佳。改造点例如，将卡的多匝天线放到移动终端的电池后盖上，或者通过柔性PCB从终端主板上将天线引到电池背面，天线的面积和普通电池尺寸相当，另外，手机的后盖不能为金属材质。

2.NFC所使用的13.56MHz频点需要校准才能用于距离控制。

即使有一种NFC的天线能够更换到任何移动终端中，由于其使用13.56MHz频点，该频点信号在遇到金属和其它导电物体会形成强烈的涡流效应，信号强度会随着移动终端结构而变化，从而在NFC卡接收天线上形成场强的巨大波动，无法进行无校准的距离控制。

图1为线圈接收电路放入各种移动终端内，在同一14443POS机上保持13.56MHz载波恒定的情况下测试的电压-距离曲线,其中信号强度值是接收天线感应电压经过必要的放大后的值，放大倍数保持恒定，只需关注强度随距离的相对变化。可以看出，不同终端接收到的场强差异>30dB，同一终端从1cm到10cm的场强变化为25dB左右，手机差异造成的场强变化已经超过终端在1cm到10cm距离控制范围内的场强变化，因此无法采用同一门限对各终端进行距离控制，也就是无法实现无校准距离控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种移动射频装置，使得设置有该移动射频装置的移动终端能够实现电子支付等刷卡交易。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种移动射频装置，包括至少一个低频磁感应电路、至少一个低频放大电路、至少一个门限判断及解调电路、至少一个第二主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路、第二主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接；其中，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路组成的低频接收链路工作于预先选定的***无校准工作的最高频率f0以下的频率。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述低频磁感应电路为线圈，低频磁感应电路转换增益与低频放大电路的放大倍数的乘积为与移动射频装置所在移动终端所应用的***最远刷卡距离对应的***预设值，所述低频接收链路的体积取决于所述低频磁感应电路转换增益及低频放大电路的放大倍数，低频接收链路的体积随低频磁感应电路转换增益的增大而增大，或者随低频放大电路放大倍数的减少而增大。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述***无校准工作的最高频率f0处于特低频频段或甚低频频段或低频频段,所述特低频频段的频率范围为300Hz～3000Hz,所述甚低频频段的频率范围为3KHz～30KHz,所述低频频段的频率范围为30KHz～300KHz。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述***无校准工作的最高频率f0所处的频率范围为300Hz～50KHz。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述***无校准工作的最高频率f0为500Hz、1KHz、1.5KHz、2KHz、2.5KHz、3KHz、4KHz、5KHz、10KHz、20KHz或30KHz。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述门限判断及解调电路由相互连接的比较电路和解码电路组成。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述门限判断及解调电路由顺次相连的比较电路、解调电路和解码电路组成。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述低频磁感应电路为PCB线圈、漆包线线圈、霍尔器件或巨磁阻器件。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述移动射频装置置于移动终端中。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述移动射频装置置于移动终端内的SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述第二主处理器与SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的处理器为同一共用处理器。

进一步地，上述移动射频装置还可具有以下特点，所述移动终端为手机、个人数字助理PDA或笔记本电脑。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种射频IC卡，包括上述任一项所述的移动射频装置。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种射频存储卡，包括上述任一项所述的移动射频装置。

本发明的移动射频装置，能够使设置有该移动射频装置的移动终端实现电子支付等刷卡交易。

附图说明

图1为线圈接收电路放入各种移动终端内，在同一14443POS机上保持13.56MHz载波恒定的情况下测试的电压-距离曲线；

图2为本发明近距离通信方法中***无校准工作的最高频率f0的选择***结构框图；

图3为由距离控制目标（Din,Dv）确定***总的接收检测电压波动范围δ_A的示意图；

图4为典型终端及障碍物电压距离曲线及其波动区间δ示意图；

图5为频率f为3.3KHz时5种典型移动终端的电压距离曲线；

图6为移动射频装置内部检测到的无调制直接基带发射时的接收电压信号和正弦波FSK调制时的接收电压信号的电压波形图；

图7为基准电压距离曲线的计算方法示意图；

图8为本发明实施例中近距离通信***的结构图；

图9为读卡器低频发射部分示意图；

图10为读卡器低频数据帧格式示意图；

图11为线圈接收电路放入各种移动终端内，用信号源通过低频发射线圈发射恒定1KHz磁场条件下测试的电压距离曲线；

图12为本发明实施例中射频IC卡的结构图；

图13为应用于SIM卡的4匝pcb铜皮线圈天线结构示意图；

图14为5bit数据11010的差分曼切斯特编码格式以及场强、线圈接收电压波形图；

图15为1KHz的低频磁场移动终端内sim卡接收到的幅度恒定图；

图16为应用于TF卡的4匝pcb线圈天线结构示意图；

图17为误差控制***框图。

具体实施方式

在此首先说明，以下本文中所出现的终端在默认情况下指装载有移动射频装置的终端，而且指能够移动的终端，即移动终端，如手机等，距离指读卡器与移动射频装置之间的距离，也即读卡器与装载有移动射频装置的终端之间的距离。

本发明针对射频装置（尤其是内置于终端中的射频卡，如射频SIM卡）与读卡器装置近距离交易的距离控制问题，提出了一种由带有低频交变磁场发射功能及射频信号收发功能的读卡器和与之对应的带有低频交变磁场感应接收功能及射频信号收发功能的移动射频装置组成的近距离通信***，以及与该***对应的近距离通信方法。本发明利用低频交变磁场穿透不同终端衰减差异小的特点进行距离控制，利用高频射频能有效穿透终端来完成高速双向通讯进行交易。***通过预先设定好的门限判定方法来完成无需校准的距离检测和控制，即读卡器按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号，移动射频装置在各距离点上检测该磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的电压信号，进而通过预先设定的电压门限Vt来判断终端是否进入预先设定的有效距离区间（有效距离区间也即允许刷卡的范围），该电压门限Vt对所有终端相同，无需校准。本发明通过低频单向通讯和RF双向通讯结合的方法来完成读卡器和移动射频装置的唯一绑定，绑定之后通过射频通道来完成双向的高速大数据量的通讯。本发明***可以实现含有移动射频装置的终端（如装有射频SIM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离）可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的近距离通信方法，应用于包括至少一个读卡器和至少一个移动射频装置的近距离通信***，包括如下的步骤a、步骤b、步骤c和步骤d四个步骤，下面分别对各个步骤进行具体说明：

步骤a，读卡器按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号,该低频交变磁场信号中携带该读卡器的身份标识信息，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率，该频率等于或小于***无校准工作的最高频率f0；其中，身份标识信息可以是识别码ID。

这里需要说明的是，本步骤中低频交变磁场信号的频率是指所述低频交变信号的频谱上3dB带宽的高端频率截止点所对应的频率。

低频交变磁场频率越低，穿过各种类型的终端后衰减的差异越小,利用该特性，在频点选择***（如图2所示）中选定差异足够小的频点，以实现无校准距离控制。采用标准信号源通过标准的磁场发射线圈发送低频交变磁场信号，在各个典型的移动终端及障碍物内部接收该低频交变磁场信号，调整发射频率直到找到频点f0，使移动射频装置（装载在移动终端中）接收到的电压（该电压是由低频交变磁场信号经放大后得到的与距离对应的幅度恒定的的电压信号）在距离发射线圈平面中心点相同距离条件下，不同终端及障碍物间的场强差异大致等于设定的波动范围δ_T,该频点f0及低于该频点f0的频段是***无校准工作的频段，不需要校准任何***中的任何终端，工作频点（即前述的低频交变磁场信号的频率）高于f0，***需要校准，通常工作频点高于f0越多，需要校准的终端越多，校准的复杂度越高。频点选定是一次性工作，一旦选定，在使用中无需更改。

图2为本发明近距离通信方法中***无校准工作的最高频率f0的选择***结构框图，如图2所示，频点选择***的组成为：发送***由信号源505和低频磁场发射线圈504组成，接收***由典型移动终端501及障碍物、信号强度测试仪503（电压表、示波器、频谱仪等）组成，移动终端501内部具有低频接收模块502。信号源505可以精确的产生各种频率、波形和幅度的信号。频点选择的原理是：信号源505产生固定幅度频率为f的正弦波信号，通过发射线圈504发送，低频接收模块502放置在选定的典型移动终端501或障碍物内部，接收到的低频信号通过专用信号线接到信号强度测试仪503，信号强度测试仪503测试接收到的电压。改变移动终端的距离可以得到该移动终端或障碍物在频率f条件下的检测电压随距离变化的曲线（以下称为电压距离曲线），更换移动终端或障碍物可以得到多个终端的曲线，改变频率f也可以得到不同的曲线。

步骤a中，***无校准工作的最高频率f0通过下述步骤确定：

步骤101，确定距离控制目标（Din，Dv），其中Din表示0～Din范围内所有终端确保可刷卡，Dv表示距离波动范围，距离为Din～（Din+Dv）的范围内均允许刷卡，距离大于Din+Dv范围不允许刷卡；

例如（5cm，5cm）表示5cm以下所有终端确保可刷卡，5cm～10cm允许刷卡，超过10cm不能刷卡。距离控制目标由具体的应用确定。（0～Din+Dv）称为距离控制范围。

步骤102，确定读卡器导致的移动射频装置内检测电压的波动范围δ_R；

读卡器低频发射电路参数波动形成发射场强的波动，造成移动射频装置内检测电压的波动，该参数包括发射驱动电压波动、线圈参数波动、温度影响等。δ_R由读卡器设计及生产环节来控制，该波动可以在生产环节校准，由于低频发射电路工作频率很低，通常δ_R可以被控制得很好，例如4dB以内。

步骤103，确定移动射频装置本身导致的检测电压的波动范围δ_C；

移动射频装置本身低频接收电路参数波动造成的最终检测输出电压的波动，该参数包括接收天线误差、放大器增益误差、比较器或AD误差、温度影响及噪声等。δ_C由移动射频装置设计及生产环节来控制，该波动可以在生产环节校准，由于移动射频装置低频接收电路工作频率很低，通常δ_C可以被控制得很好，例如4dB以内。

步骤104，在f频率下测试各典型终端及障碍物的电压距离曲线,其中f频率为处于特低频频段或甚低频频段或低频频段中的任一频率,特低频频段的频率范围为300Hz～3000Hz,甚低频频段的频率范围为3KHz～30KHz,低频频段的频率范围为30KHz～300KHz；

在进行本步骤104之前先要做个准备工作，即选定典型终端及典型障碍物。典型终端的选取原则主要依据终端金属或导电结构的多少来选取，金属越多，衰减越大，例如可以选取塑料外壳、金属外壳、厚金属壳、薄金属壳、大尺寸终端、小尺寸终端等，典型终端的数量不严格限制，典型终端的选取基本可以覆盖终端对低频交变磁场信号的衰减特点。为了避免个别移动终端差异太大，可以在应用中加入移动终端型号认证，对每种需要支持支付应用的移动终端尝试做刷卡测试，确认该型号的移动终端衰减特性符合要求。典型障碍物可以选择不同材质的标准形状的塑料、铝、铜、铁、不锈钢等移动终端常见材料，放置在读卡器和移动射频装置之间作为移动终端衰减特性的一种等效障碍物测量衰减效果。

步骤105，由距离控制目标（Din，Dv）确定移动射频装置内检测电压的波动范围δ_A，δ_A等于由各典型终端及障碍物的电压距离曲线得到的具有平均场强衰减曲线斜率的电压距离曲线上Din点所对应的电压值与（Din+Dv）点所对应的电压值之差；

图3为由距离控制目标（Din,Dv）确定***总的接收检测电压波动范围δ_A的示意图。如图3所示，（Din+Dv）点所对应的电压值为V2，Din点所对应的电压值为V1,则δ_A=V1-V2。

步骤106，确定由终端导致的移动射频装置内检测电压的波动范围δ_T，参数δ_T表示终端衰减特性造成的移动射频装置内检测电压波动范围，δ_T=δ_A-δ_R-δ_C；

步骤107，计算各典型终端及障碍物间在距离控制范围内各距离点上的最大场强差异δ（又称为波动区间），若δ大于δ_T，则降低频率f，转步骤a4；若δ小于δ_T，则提高频率f，转步骤a4；若δ等于δ_T，则当前测试频率f等于***无校准工作的最高频率f0。

图4为典型终端及障碍物电压距离曲线及其波动区间δ示意图。如图4所示，最大衰减终端或障碍物对应的电压距离曲线称为最大衰减曲线，最小衰减终端或障碍物对应的电压距离曲线称为最小衰减曲线，最大及最小衰减曲线包围的区域称为典型终端及障碍物电压距离曲线分布区间，任意距离D在最小衰减曲线上对应的电压为V3，在最大衰减曲线上对应的电压为V4，则δ=V3-V4。

至此，在限定距离控制目标的情况下，***无校准工作的最高频率f0就确定下来了。***可以采用调制的方式，也可以采用直接发送基带信号的方式，***工作的主要频率分量最高只要不大于f0，距离控制就无需校准。

举例说明f0的确定过程。图5为频率f为3.3KHz时5种典型移动终端的电压距离曲线。如图5所示，***距离控制目标为（5cm，5cm），***0～10cm距离区间电压的变化范围约为40dB，读卡器和移动射频装置导致的移动射频装置内检测电压波动均为4dB，即δ_R=δ_C=4dB，δ_A=20dB，δ_T=δ_A-δ_R-δ_C=12dB。假设5种终端可以代表***所使用的所有终端，检查曲线在各距离点上的最大波动约等于12dB，因此该***无校准工作的最高频率f0可确定为f0=3.3KHz。

步骤a中，发射参数还可以包括调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值Br。发射参数选定的基本原则是保证移动射频装置在各距离点上对读卡器所发射的低频交变磁场信号检测并放大后的信号是与距离对应的幅度恒定的电压信号。图6为移动射频装置内部检测到的无调制直接基带发射时的接收电压信号和正弦波FSK调制时的接收电压信号的电压波形图，其中，a为无调制直接基带发射时的接收电压信号波形图，b为正弦波FSK调制时的接收电压信号波形图。如图6所示，检测电压信号是包含解调信息的变化电压信号，该信号可以为无直流分量的交流电压信号，也可以是有直流分量的电压信号，幅度恒定是指交流分量的变化最大幅度在不同传输符号间恒定。

发射参数中的调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值Br通过下述步骤a11至步骤a13选定：

步骤a11，选定任意一种无平均直流分量的编码方式，例如曼彻斯特码，差分曼彻斯特码，归零码等；

步骤a12，选择无调制方式或幅度无变化的载波调制方式，载波调制方式可以选定任意一种幅度无变化的调制方式，例如载波可以采用正弦波、脉冲、三角波等，调制方式可以选为开关键控法（OOK）、相移键控法或频移键控法（FSK）等；采用无调制方式时，编码后的基带信号直接经驱动电路驱动由发射线圈发射；

步骤a13，选定发射磁感应强度幅值Br，方法为：在选定的小于f0的工作频率、调制方式及编码方式下，先选定典型噪声终端及易于实现的移动射频装置内磁检测及放大的增益参数，将包含移动射频装置的移动终端放置在离读卡器为距离控制目标最远处即Din+Dv距离处，如果移动射频装置采用霍尔器件、巨磁阻器件等检测磁场强度值的磁感应电路接收，则读卡器发射磁感应强度变化幅度恒定的磁场信号；如果移动射频装置采用线圈等检测磁场强度变化率的感应电路接收，则读卡器发射磁感应强度变化率幅度（即微分幅度）恒定的磁场信号，测试读卡器未发送低频交变磁场信号条件下移动射频装置内检测电压的固有噪声电压幅度Vn，然后测量读卡器用选定的调制编码方式发送低频交变磁场信号时移动射频装置内的检测电压Vr，选择发射幅度值Bgate或微分幅度值B_RATEgate，使Vr/Vn>SNR，SNR为移动射频装置的信噪比。SNR值的选择通常越大越好，但是太大会造成读卡器发送功率过大，实现困难，典型值可选择SNR=10.当SNR确定，Br通过上述方式便确定了，根据***选择的磁感应电路类型不同，Br参数值分为两种，霍尔器件及巨磁阻器件接收***为磁感应强度幅值门限Bgate，线圈接收***为磁感应强度变化率幅值门限B_RATEgate。

步骤b，移动射频装置在各距离点上接收、检测所述低频交变磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，进而通过预设的电压门限Vt判断装载有所述移动射频装置的终端是否进入了预设的有效距离区间，所述电压门限Vt对装载有所述移动射频装置的所有终端相同；

步骤b中，预设的电压门限Vt通过下述步骤201至步骤203确定，前提是，确定读卡器发射及移动射频装置接收是无波动的，或者两者引起的接收检测电压波动远小于δ_R及δ_C：

步骤201，在选定的发射参数下，测量各典型终端和障碍物的电压距离曲线，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率、调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值Br；

步骤202，求取基准电压距离曲线，基准电压距离曲线是典型终端及障碍物曲线的中间值，其距离典型终端曲线的上边界及下边界的电压幅度都为δ_T/2，如图7所示；

步骤203，选定移动射频装置内检测电压门限值Vt，Vt值等于距离控制目标Din与（Din+Dv）分别对应的电压值之间以dBmV为单位的电压值的中间值。如图7所示，在基准电压距离曲线上对应于Din的电压为V5（dBmV），对应于（Din+Dv）点的电压值为V6（dBmV），则Vt=V5-(V5-V6)/2（dBmV）。

步骤c，若与接收到的低频交变磁场信号对应的电压信号大于或等于预设的电压门限Vt，则装载有移动射频装置的终端进入了预设的有效刷卡区间，移动射频装置从接收到的低频交变磁场信号中获取读卡器的身份标识信息，并将其连同自身的身份标识信息一起通过射频通道传送给读卡器；

步骤d，读卡器接收移动射频装置通过射频通道传送的信息，比较该信息中读卡器的身份标识信息是否同自身的身份标识信息一致，若一致则以自身的身份标识信息和移动射频装置的身份标识信息的结合作为组合地址，与移动射频装置通过射频通道进行刷卡交易。此处，刷卡交易不单指电子支付，还可以是其他通过射频通道进行的通讯过程，比如充值、消费、身份认证等，本文中的刷卡交易泛指通过射频通道进行的通信，尤其指近距离通信中通过射频通道进行的通信。

本发明中，低频交变磁场信号的频率处于特低频频段或甚低频频段或低频频段,其中，特低频频段的频率范围为300Hz～3000Hz,甚低频频段的频率范围为3KHz～30KHz,低频频段的频率范围为30KHz～300KHz。优选地，低频交变磁场信号的频率可以为300Hz～50KHz。优选地，低频交变磁场信号的频率可以为500Hz、1KHz、1.5KHz、2KHz、2.5KHz、3KHz、4KHz、5KHz、10KHz、20KHz或30KHz。

本发明近距离通信方法采用低频磁场单向通讯和射频电磁场高速双向通讯的结合，从而避免了NFC***中采用唯一13.56MHz频点双向通讯及距离控制带来天线问题及终端信号衰减差异大等问题。本方法中，读卡器利用低频单向通道将自身唯一标识IDr（即前述的身份标识信息）传给移动射频装置，移动射频装置通过射频双向通道将自身唯一标识IDc附加在IDr后回传给读卡器，读卡器比较回传的IDr的正确性，进而实现了读卡器与移动射频装置的唯一绑定。绑定后读卡器与移动射频装置采用射频双向通道实现高速大数据量的通讯，直至本次交易完成。

本发明近距离通信方法实现了含有移动射频装置的射频通信终端（如装有射频SIM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离）可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

为了实现上述的近距离通信方法,本发明还提出了一种近距离通信***。本发明的近距离通信***包括至少一个读卡器和至少一个移动射频装置,其中：

读卡器用于按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号,该低频交变磁场信号中携带该读卡器的身份标识信息，其中，发射参数包括低频交变磁场信号的频率，该频率等于或小于***无校准工作的最高频率f0；读卡器还用于接收移动射频装置通过射频通道传送的信息，比较该信息中读卡器的身份标识信息是否同自身的身份标识信息一致，若一致则以自身的身份标识信息和移动射频装置的身份标识信息的结合作为组合地址，与移动射频装置通过射频通道进行刷卡交易；

移动射频装置，用于在各距离点上接收、检测读卡器发射的低频交变磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，进而通过预设的电压门限Vt判断装载有该移动射频装置的终端是否进入了预设的有效距离区间，其中，电压门限Vt对装载有该移动射频装置的所有终端相同；移动射频装置还用于在与接收到的低频交变磁场信号对应的电压信号大于或等于预设的电压门限Vt时，从接收到的低频交变磁场信号中获取读卡器的身份标识信息，并将其连同自身的身份标识信息一起通过射频通道传送给读卡器；移动射频装置还用于与读卡器通过射频通道进行刷卡交易。

其中，身份标识信息可以为识别码ID。

由上述可见，本发明近距离通信***中的读卡器具有低频发射功能和射频收发功能这样两个基本功能，也可以说本发明近距离通信***中的读卡器具有低频发射模块和射频收发模块这样两个基本模块；本发明近距离通信***中的移动射频装置具有低频接收功能和射频收发功能这样两个基本功能，也可以说本发明近距离通信***中的移动射频装置具有低频接收模块和射频收发模块这样两个基本模块。

进一步地，上述的近距离通信***可以由如下的具体电路来实现：读卡器包括至少一个低频发射线圈、至少一个驱动电路、至少一个编码电路、至少一个第一主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，其中，低频发射线圈、驱动电路、编码电路、第一主处理器、射频收发电路、射频天线、顺次串联连接；移动射频装置包括至少一个低频磁感应电路、至少一个低频放大电路、至少一个门限判断及解调电路、至少一个第二主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，其中，低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路、第二主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接。优选地，在上述具体实现电路中，读卡器的驱动电路和编码电路之间还可以设有调制电路。

在上述具体实现电路中，读卡器中的低频发射线圈、驱动电路和编码电路（带调制电路时，还包括调制电路）可以认为是低频发射模块的组成部分，读卡器中的第一主处理器、射频收发电路和射频天线可以认为是读卡器中射频收发模块的组成部分；移动射频装置中的低频磁感应电路、低频放大电路和门限判断及解调电路可以认为是低频接收模块的组成部分，移动射频装置中的第二主处理器、射频收发电路、射频天线可以认为是移动射频装置中射频收发模块的组成部分。

优选地，在上述具体实现电路中，低频发射线圈可以为漆包线线圈或PCB线圈。进一步地，低频发射线圈的匝数可以大于10圈。优选地，低频发射线圈的匝数为50～500圈。优选地，低频发射线圈内填塞有铁氧体磁芯或铁芯。优选地，低频发射线圈所包围面积的截面最宽处大于移动射频终端的截面宽度。优选地，低频发射线圈所包围面积的截面至少包含直径3cm的圆形区域或者3cm*3cm的方形区域。

优选地，上述的低频磁感电路可以为PCB线圈、漆包线线圈、霍尔器件或巨磁阻器件。

本发明中，移动射频装置可以置于移动终端中，也可以置于移动终端内的SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡或SD卡中。其中，移动终端可以为手机、个人数字助理PDA或笔记本电脑等。

下面对本发明近距离通信***的原理进行说明：

1、***无校准工作的最高频率f0的选定方法及装置在前述近距离通信方法的内容中已有阐述，此处不再赘述；

2、距离测量和控制实现原理如下：

读卡器根据距离控制目标，以设定的发射参数持续不断的循环发送不高于选定频率f0的低频交变磁场信号,该信号中以调制或直接基带传送的方式携带数据帧，数据帧内包含读卡器的唯一识别码Idr（当然也可以是其他身份标识信息）。当装载有移动射频装置的移动终端置于读卡器周围，低频交变磁场信号穿透该终端到达其内部的移动射频装置，移动射频装置在各距离点上检测该磁场信号并放大为与距离对应的幅度恒定的的电压信号，当电压的幅度低于卡内预设的接收电压门限值Vt，表示终端未进入有效刷卡距离范围，不允许刷卡；当电压的幅度高于卡内预设的接收电压门限值Vt，表示终端进入读卡器预定的有效刷卡范围，移动射频装置内的低频接收电路（指前述的低频磁感应电路、低频放大电路和门限判断及解调电路）启动解码过程，得到读卡器的唯一标识码IDr。另一方面，移动射频装置内磁场转换后的电压信号与读卡器和移动射频装置之间的距离存在一一对应关系，该关系由电压距离变化曲线确定，根据该对应关系，可以由该电压确定移动射频装置与读卡器之间的距离，从而间接的确定了移动终端与读卡器的距离。Vt和发射参数的设定是一次工作，一旦设定在使用中无需更改。

3、移动射频装置接入读卡器的过程原理：

移动射频装置接入读卡器主要包含读卡器和移动射频装置的唯一绑定过程。这里举例说明该绑定过程：移动射频装置中从低频信号中解出读卡器唯一识别码IDr后传送到移动射频装置内的第二主处理模块，该第二主处理模块将移动射频装置的唯一识别码IDc连同收到的IDr一起，通过RF收发模块发送给读卡器，读卡器收到移动射频装置返回的(IDr,IDc)后，确认识别码为IDc的移动射频装置正确的返回了读卡器的识别码IDr，是本次交易的唯一通讯终端。由于IDr编码保证了该读卡器周围其它读卡器的识别码在该时刻不相同，因此识别码为IDc的移动射频装置确认了其与识别码为IDr的读卡器建立了唯一的通讯。至此，移动射频装置和读卡器实现了唯一绑定，双方通过（IDr,IDc）组合地址唯一的识别对方。绑定后的通讯过程采用RF通道进行交互不会产生错误。移动射频装置接入成功后，距离控制过程完成，可在RF通道上进行后续的交易过程，直至交易结束。

4、交易过程：

读卡器和移动射频装置通过RF通道建立了可靠的唯一通讯链路，在该链路基础上，双方可以实现交易所需的身份认证及其他交易所需的过程。所有这些过程均通过快速的RF通道完成，由于前述过程的完成保证了只能在预定的距离范围内完成接入，因此整个交易过程也是在限定范围内的近距离通讯。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

图8为本发明实施例中近距离通信***的结构图。如图8所示，该***由2部分组成：读卡器装置100和移动射频装置200，该移动射频装置200放在移动终端内部，并通过移动终端通讯接口与终端交互。

读卡器100由下述模块组成：第一主处理器101，负责读卡器低频及高频的控制及其他协议处理，第一主处理器101通过接口电路102或直接连接到外部通讯接口；编码电路108，负责将低频帧数据进行逐比特编码，调制电路107负责将编码输出的符号流对载波进行调制形成调制信号送给驱动电路106，不需要调制时编码后的信号直接送给驱动电路106；驱动电路106，负责驱动低频发射线圈105，产生低频交变磁场301；由低频发射线圈105、驱动电路106、调制电路107及编码电路108构成的低频发射模块，其发射场强值可更改并设定；低频发射线圈105通常由较多匝数特定形状的线圈构成；RF收发电路103，通过RF天线104接收及发射RF信号。

移动射频装置由下述模块组成：第二主处理器201，负责低频及射频模块的控制及其他协议处理，也负责和移动终端的通讯；SIM/TF/SD卡模块202为移动终端的SIM/TF/SD卡本体模块，具体何种模块由卡类型确定；低频磁感应电路207，由PCB线圈、漆包线线圈、霍尔器件或其他能感应磁场变化的电路元件构成，负责感应低频交变磁场信号301并转换为电信号；低频放大电路206负责放大低频磁感应电路检测到的电信号得到低频磁检测电压信号303；门限判断及解调电路205，负责对低频磁检测电压信号303按照预设的门限Vt进行判决，未达到门限Vt不解调也不允许刷卡，达到门限Vt对信号进行解调，解调后的信号送给第二主处理器201；RF收发电路203通过RF天线204负责与读卡器的RF收发模块完成RF双向通讯。

***通过预先设定好的门限判定方法来完成无需校准的距离检测和控制，即读卡器100按照预设的发射参数发射低频交变磁场信号301，移动射频装置200接收该磁场信号转换为低频磁检测电压信号303，并通过预先设定的门限Vt来判断终端是否进入预先设定的有效距离区间，该门限Vt对所有终端相同，无需针对不同终端修改（即所谓校准）。通过低频单向通讯和RF双向通讯结合的方法来完成读卡器100和移动射频装置200的唯一绑定，即读卡器100利用低频单向通道将自身唯一标识IDr传给移动射频装置200，移动射频装置200通过射频双向通道将卡自身唯一标识IDc附加在IDr后回传给读卡器100，读卡器100比较回传IDr的正确性，进而实现了读卡器100与移动射频装置200的唯一绑定。绑定之后通过射频通道来完成双向的高速大数据量的通讯。

本实施例中，近距离通信***的具体工作流程如下：

（一）首先，选定***工作的基本参数，包括RF频点，无校准低频频点f0，读卡器发射参数，移动射频装置的接收电压门限Vt。

1.RF频点选择

上述RF通讯的频点通常采用2400～2483MH2.4G ISM频段，以实现高速的通讯和对终端的良好穿透性，也可以采用其它频点，例如433MHz，900MHz，5GHz等。

2.无校准低频频点f0选择

采用前述方法确定***低频无校准工作频点f0，对于典型的GSM移动通讯终端，要实现0～10cm范围的距离控制，f0频点通常小于10KHz，典型值包括500Hz，1KHz，1.5KHz，2KHz，2.5KHz，3KHz,5KHz等。

3.读卡器发射参数的选择

发射参数主要包括调制方式、编码方式及发射磁感应强度幅值Br。

图9为读卡器低频发射部分示意图。参见图8，读卡器低频发射电路由驱动电路106、调制电路107及编码电路108构成的，驱动电路106驱动的低频调制信号输出到低频发射线圈105。

调制电路107可以采用多种调制方式：

1)载波调制方式调制：编码电路108产生的基带信号通过调制电路107对载波进行调制，载波可以为正弦波、方波及三角波等，调制可以采用开关频移键控OOK、相移键控、频移键控FSK等，调制后的信号通过驱动电路106加载到低频发射线圈105上；

2)无载波直接基带发射：编码电路108产生的基带信号，通过驱动电路106直接加载到低频发射线圈105上；

3)其他调制方式：由于本发明***采用门限判断的方式进行距离控制，因此调制方式不宜采用幅度调制，凡是发送过程中能够保持移动射频装置内检测电压幅度基本恒定的调制方式均可以用于本发明的近距离通信***；

编码电路108可以采用多种编码方式：

1)曼彻斯特编码：比特1编码为两个符号01，比特0编码为10。

2)差分曼彻斯特编码：有两种比特符号序列：01及10，比特1编码为与上一符号序列不同，比特0则相同，或者反过来编码亦可。

3)其他编码方式：由于本发明***采用门限判断的方式进行距离控制，因此低频调制信号必须保持均值稳定，编码后的序列不能含有直流分量，凡是编码后平均直流分量为零的编码方式均可以用于本发明的近距离通信***。

确定好调制方式和编码方式后，采用前述方法，确定读卡器发射磁感应强度幅值Br。调整Br的过程实际上是调整线圈匝数，线径，形状等参数的过程。

4.移动射频装置接收电压门限Vt的选择

采用前述方法确定卡接收门限电压Vt。

上述参数的选定是一次性的，一旦选定，工作中无需改变。

（二）其次，工作参数确定后的***工作流程如下：

步骤A100：距离测量和控制过程。读卡器100的第一主处理器101产生包含读卡器的唯一识别码IDr的数据帧，送给编码电路108完成编码，编码后的信号通过调制电路107调制或不经调制直接送给驱动电路106，调制电压送给低频发射线圈105发射，通过预先设定好帧格式、调制编码方式及驱动能力，发射线圈105以设定的强度Br持续不断的按照上述帧格式循环发送指定参数的低频交变磁场信号301。当移动终端置于读卡器周围，低频交变磁磁场信号301穿透该终端到达内部的移动射频装置200，移动射频装置200内的低频磁感应电路207检测到低频磁信号，转换为电信号后经低频放大电路206放大后得到低频磁检测电压303，当电压的幅度小于（或大于）于预设的接收电压门限值Vt，不允许刷卡；当电压的幅度大于等于于（或小于等于）预设的接收电压门限值Vt，表示终端进入读卡器预定的有效刷卡范围，低频接收电路启动解码过程，得到读卡器的唯一标识码IDr。另一方面，所述移动射频装置内磁场转换后的电压信号与读卡器和移动射频装置之间的距离存在一一对应关系，该关系由电压-距离变化曲线确定，根据该对应关系，可以由该电压确定移动射频装置与读卡器的距离，从而间接的确定了移动终端与读卡器的距离。上述门限值Vt对所有终端均相同，无需针对每个终端修正，也就是无需知道校准，从而上述过程是一种无需校准的距离测量及控制过程；

步骤A100中的帧格式定义如下：

图10为读卡器低频数据帧格式示意图，如图10所示，读卡器低频数据帧每帧分为如下域：

同步码：8比特，通常为FFH，用于帧同步；

控制域：8比特，用于提供帧数据的解帧信息，如长度，数据类型等，可留保留位用于扩展；

IDr:N比特，读卡器唯一识别码，由控制域指定；

CRC：对控制域，IDr进行校验，可采用CRC校验和或其他方式。

上面所述帧格式仅作为一种示例，不限制本发明实际采用的帧格式，原则上任何包含能唯一识别读卡器的帧格式均可使用。唯一识别码可采用足够长度的随机数，也可采用所有读卡器人工分配唯一码的方式，或其他方式产生的识别码。

步骤A200：移动射频装置接入读卡器的过程：移动射频装置接入读卡器主要包含读卡器100和移动射频装置200的唯一绑定过程，实际上表示读卡器和移动射频装置所在移动终端的唯一绑定过程。移动射频装置200内部低频接收电路解出读卡器唯一识别码Idr后传送到移动射频装置内第一主处理器201，该模块将移动射频装置自身的唯一识别码Idc连同收到的Idr一起，通过移动射频装置内RF收发电路203和RF天线204发送给读卡器100，读卡器内部RF天线103和RF收发电路104收到移动射频装置返回的(IDr,IDc)后，传送给第一主处理器101处理，第一主处理器101确认识别码为IDc的移动射频装置正确的返回了读卡器IDr，是本次交易的唯一通讯终端。由于IDr编码保证了该读卡器周围其它读卡器的识别码在该时刻不相同，因此识别码为IDc的卡确认了其与识别码为IDr的读卡器建立了唯一的通讯。至此，移动射频装置和读卡器实现了唯一绑定，双方通过（IDr,IDc）组合地址唯一的识别对方。绑定后的通讯过程采用RF通道进行交互不会产生错误。移动射频装置成功接入读卡器后，距离控制过程完成，可在RF通道上进行后续的交易过程；

步骤A200中的移动射频装置唯一识别码IDc,是预先存储在移动射频装置内非易失存储器内（NVM）的唯一识别码，或者是由移动射频装置内产生的足够长的的随机数。

步骤A300:交易过程。读卡器100和移动射频装置200通过RF通道建立了可靠的唯一通讯链路，在该链路基础上，双方可以实现交易所需的身份认证及其他交易所需的过程。所有这些过程均通过快速的RF通道完成，直至本次交易结束。由于前述步骤A100～A200的完成保证了移动射频装置200只能在预定的距离范围内完成接入，因此整个交易过程也是在限定距离范围内才能完成交易。交易过程是成熟的POS机处理流程，本发明不做详细描述。

移动射频装置200中低频信号检测电路207通常可以用PCB线圈、漆包线线圈或霍尔器件构成，该检测电路并不仅限于用这几种元件，原则上任何能将磁场变化转变为电信号的传感器都可以用于该模块，唯一的限制是能放入卡内部。

本发明***利用低频交变磁场实现距离检测和控制，并实现读卡器和移动射频装置的单向通讯，利用RF通道结合低频通讯实现终端的可靠绑定，同时利用RF通道实现读卡器和移动射频装置之间高速的数据通讯。其具有如下特点点：1.可以无需改造移动终端，只需更换终端内部的SIM卡/TF/SD卡，即可实现可靠的双向距离通讯；2读卡器发射低频交变磁场信号，移动射频装置只需接收该磁场信号，由于是单向通讯，并且无需读卡器通过磁场提供能量，因此可以将接收线圈或其他接收电路小型化，足以将移动射频装置放入SIM卡/TF/SD卡内；3.由于接收信号较弱，移动射频装置内需要增加放大电路。另外移动射频装置内同时放置RF收发电路，与读卡器内的RF收发电路实现双向高速通讯，如前面所述，RF电路的天线很小，可以轻易的集成到SIM卡/TF/SD卡内。

依照本发明所述方法选定的频点f0，***在该频点以下工作无需校准，作为一种扩展，***工作在f0频点以上，也不是绝对不行，可能的效果是性能降低，距离控制的精度降低，同时可能需要辅以简单的校准，这些应用并不与本发明所述原则从根本上冲突，只是一种性能改变的延伸应用。

本发明近距离通信***实现了含有移动射频装置的射频通信终端（如装有射频SIM卡的手机）与读卡器的数据通信距离（也即交易距离）可靠地控制在规定范围内，并且无需对终端进行校准。

采用本发明所述的***和方法，选择合适的无校准工作的最高频点f0，用低于f0的低频交变磁场进行距离测量和控制，移动终端间结构差异的影响可以减小到距离控制目标所要求的波动范围之内，从而实现无校准距离控制。图11为线圈接收电路放入各种移动终端内，用信号源通过低频发射线圈发射恒定1KHz磁场条件下测试的电压距离曲线。如图11所示，为***在1KHz频率下多个典型终端的电压距离曲线实例。其中信号强度值是接收天线感应电压经过必要的放大后的值，放大倍数保持恒定，只需关注强度随距离的相对变化。从图11可以看出，终端之间的场强差异<5dB，而各终端在1～10cm范围的场强变化范围达到40dB，不考虑读卡器发射场强波动及移动射频装置检测电路的误差，移动射频装置端采用统一的门限Vt来判断各终端是否在目标距离范围之内，距离控制的误差在终端之间的差异大致为1cm范围，完全满足无校准距离控制的要求。

射频IC卡、射频存储卡

作为近距离通信的一方，移动射频装置通常是置于移动终端内的IC卡（例如SIM卡、UIM卡、USIM卡等）或存储卡（例如TF卡、SD卡、MMC（MultiMedia Card，多媒体卡）卡等）中，我们将置有移动射频装置的IC卡和存储卡分别称为射频IC卡和射频存储卡。

图12为本发明实施例中射频IC卡的结构图。如图12所示，本实施例中，射频IC卡1200由移动射频装置和SIM/UIM/USIM卡模块（可以统称为IC卡模块）1202以及接口模块1207组成。图12中，移动射频装置包括至少一个低频磁感应电路1206、至少一个低频放大电路1215、至少一个比较电路1225、至少一个解调电路1235、至少一个解码电路1245、至少一个第二主处理器1201、至少一个RF（射频）收发电路1203和至少一个RF（射频）天线1204，其中低频磁感应电路1206、低频放大电路1215、比较电路1225、解调电路1235、解码电路1245、第二主处理器1201、RF收发电路1203、RF天线1204顺次串联连接。其中，比较电路1225、解调电路1235和解码电路1245组成了移动射频装置的门限判断及解调电路。在本发明的其他实施例中，移动射频装置的门限判断及解调电路中也可以不包括解调电路1235，而只由比较电路1225和解码电路1245组成。图12中，低频放大电路1215、比较电路1225、解调电路1235和解码电路1245组成低频信号接收及处理模块1205。其中，第二主处理器1201与前述的移动射频装置中的第二主处理器是相同的。其中，低频磁感应电路1206、低频放大电路1215、门限判断及解调电路（包括比较电路1225、解调电路1235和解码电路1245）组成的低频接收链路工作于预先选定的***无校准工作的最高频率f0以下的频率。***无校准工作的最高频率f0的确定方法前面已有阐述，此处不再赘述。低频接收链路将恒定幅度或微分幅度恒定的低频交变磁场经过磁电转换得到幅度恒定的检测电压，该幅度的误差为δc dB。

通过选择不同的低频磁感应电路及低频放大电路的放大倍数可以选择不同的低频接收链路的体积，从而移动射频装置可以选择放入不同体积要求的载体中。若低频磁感应电路为线圈，则低频接收链路的体积取决于低频磁感应电路转换增益及低频放大电路的放大倍数。磁电转换增益转换公式为：K*A=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate为磁感应强度变化率的门限值，磁感应强度变化率B_RATE=dBr/dt，A为低频放大电路的放大倍数，K为低频磁感应电路转换增益；低频磁感应电路转换增益与低频放大电路的放大倍数的乘积为与移动终端所应用的***最远刷卡距离对应的***预设值，最远刷卡距离即在该距离处读卡器发射场强参数值为B_RATEgate，同时移动装置内部检测电压刚好为门限值Vt，此时允许刷卡，超过该距离发射场强持续衰减并小于B_RATEgate，移动装置内部检测电压小于Vt，不允许刷卡。上述关系式中Vt及B_RATEgate是由***确定的值，因此K*A值确定，线圈的体积主要由K值确定，线圈匝数越多，K越大，体积越大，A值的大小对低频放大电路的体积基本无影响，因此磁电转换总增益在K和A之间的分配将决定低频接收链路的体积。例如，如果移动射频装置放置到SIM卡中，选择线圈匝数在1～20匝范围内容易放置进入卡内的线圈体积，因此先确定了磁感应电路转换增益，再选择低频放大电路较大的增益即可。若移动射频装置放置在终端主板上，这可以增大线圈匝数及面积，放大器增益可降低，好处是信噪比有提升，坏处是低频接收链路体积变大。低频磁感应电路为线圈时，低频接收链路的磁电转换增益A*K为预设值的情况下，改变A和K的增益分配，可以改变低频接收链路的体积及接收信号的信噪比，增大K,减小A，体积增大，信噪比增大；减小K，增大A，体积减小，信噪比减小。

若磁感应电路为霍尔器件或巨磁阻器件，则低频接收链路的体积与所述低频磁感应电路转换增益及低频放大电路的放大倍数关系不大。

图12中，第二主处理器1201、SIM/UIM/USIM卡模块1202、RF收发模块1203、低频信号接收及处理模块1205、接口模块1207可以由集成到一个IC（集成电路）内部的电路及***无源器件组成，也可以任意组合进不同的IC内部后，加上***无源器件组成。

其中，RF天线1204，不能集成到IC内部，可以使用PCB天线，由PCB的铜皮印制线路组成。

低频磁感应电路1206用于接收低频磁场信号，将低频磁场信号变换为对应的电压信号后送给后面的低频放大电路1215。低频磁感应电路1206可以由PCB线圈、漆包线线圈、霍尔器件、巨磁阻器件等实现。一般情况下，低频磁感应电路1206输出的信号1302与其所处环境的低频磁场信号强度信号1301或者低频磁场信号强度信号变化率1301之间是固定的线性比例关系，即1302=1301*K,其中K是常数，K取决于低频磁感应电路1206的特性参数。低频磁感应电路1206输出的信号1302可以是电压信号，也可以是电流等其他信号，一般情况下信号1302是电压信号。如果低频磁感应电路1206使用霍尔器件或巨磁阻器件构成，电压信号1302与低频磁场信号强度1301成正比。如果低频磁感应电路1206使用PCB线圈或漆包线线圈构成，电压信号1302与低频磁场信号强度信号变化率1301成正比。典型的天线为沿卡片的最外圈N匝pcb铜皮组成的环状微分幅度恒定感应天线，输出的是电压信号1302。例如，应用于SIM卡的4匝pcb铜皮线圈天线的一种结构如图13所示。

第二主处理器1201实现整个射频IC卡1200的协调控制处理，第二主处理器1201里面含有各种控制硬件、程序模块以及存储器。第二主处理器1201由IC及***无源元件实现，主要功能由IC实现，***元件只起辅助作用。

SIM/UIM/USIM卡模块1202与第二主处理器1201连接，与第二主处理器1201之间有应用数据的交互。SIM/UIM/USIM卡模块1202主要由IC实现。第二主处理器可以与SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的处理器为同一共用处理器。即用一个共用的处理器同时做第二处理器和SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的处理器所要做的工作。

接口模块1207与第二主处理器1201连接，第二主处理器1201通过接口模块1207与移动终端的通讯接口相连，并与移动终端进行数据交互。接口模块1207由IC实现，一般情况下第二主处理器1201和接口模块1207集成在同一片IC内部。SIM/UIM/USIM卡模块1202可以通过第二主处理器1201以及接口模块1207与移动终端进行数据交互，完成应有的功能。

低频信号接收及处理模块1205与第二主处理器1201连接，也与低频磁感应电路1206连接。低频信号接收及处理模块1205接收从低频磁感应电路1206传送过来的低频磁场信号1302,将低频磁场信号1302放大A倍后得到信号1303，即信号1303=A*信号302。低频信号接收及处理模块1205比较信号1303是否大于设定的门限Vt,并将比较结果发送给第二主处理器1201。低频信号接收及处理模块1205还将信号1303中数据信息解码出来，送给第二主处理器1201。低频信号接收及处理模块1205接受第二主处理器1201的控制，接收第二主处理器1201送过来的门限Vt等控制信息。

RF收发电路1203与第二主处理器1201连接。RF收发电路1203与RF天线1204连接，通过RF天线1204收发空中的射频信号400。RF收发模块1203和RF天线1204一起在第二主处理器1201的控制下，完成与读卡器的射频数据通讯。

低频磁感应电路1206与低频信号接收及处理模块1205连接，接收空中读卡器发射的低频磁场信号1301，变换为低频磁场信号1302，送给低频信号接收及处理模块1205进行处理。

低频信号接收及处理模块1205由低频放大电路1215、比较电路1225、解码电路1245、以及可选的解调电路1235组成。解调电路1235可选，当对低频磁场传递的数字信号只进行基带编码而不进行调制解调时，不需要使用解调电路1235，否则需要使用解调电路1235。

低频放大电路1215接收低频磁感应电路1206送来的低频磁场信号1302，将低频磁场信号1302放大A倍后得到信号1303。信号1303送给比较电路1225进行处理。信号1303还送给解调电路1235进行处理，如果没有解调电路1235，信号1303直接送给解码电路1245进行处理。允许刷卡的磁感应强度门限Bgate或磁感应强度变化率门限B_RATEgate、低频磁感应电路1206的传感系数K，低频放大电路1215的放大倍数A，设置的门限电压信号Vt之间必须满足下列关系，即Bgate*K*A=Vt或B_RATEgate*K*A=Vt。其中，低频放大电路1215的放大倍数A是可以通过软件设置的。

比较电路1225与第二主处理器1201连接，接收从低频放大电路1215送过来的信号1303，比较信号1303是否超过门限Vt，如果信号1303与门限Vt比较发生变化，就将变化情况的信息发送给第二主处理器1201。门限Vt由第二主处理器1201设置，并存储在比较电路1225内。比较电路1225将信号1303与Vt进行比较时，Vt值也是可以通过软件设置的。

解调电路1235与解码电路1245连接，接收从低频放大电路1215送来的信号1303，解调后的基带信号送给解码电路1245。

解码电路1245与第二主处理器1201连接，接收低频放大电路1215或者解调电路1235送来的基带信号，解码后得到读卡器通过低频磁场发送过来的信息，送给第二主处理器1201。解码电路1245可以使用差分曼切斯特解码器的技术来实现。

射频存储卡由移动射频装置和TF/SD/MMC卡模块（可以统称为存储卡模块）以及接口模块组成。在图12中，只需将射频IC卡的SIM/UIM/USIM卡模块1202更换为TF/SD/MMC卡模块即可得到射频存储卡。射频存储卡的其他部分与射频IC卡一致，此处对射频存储卡不再赘述。图16为应用于TF卡的4匝pcb线圈天线结构示意图。

利用上述的射频IC卡/射频存储卡，可以实现下面的功能：

1、低频磁场单向数据通讯功能

本发明的射频IC卡/射频存储卡，可以接收低频磁场中的数据信息。数据信息的编码调制方式可以使用现有的各种成熟技术。例如可以使用差分曼切斯特编码技术，使用低频磁场变化率直接传递编码后的差分曼切斯特编码基带信号。

每一个固定时间长度的周期传送一个数据bit（比特），在一个bit的传送期间的中间时刻，电平必须发生变化，但两个不同bit传送的分界时刻，电平可以变化，也可以不变化。所以，一个bit传送期间的中间时刻的码字只有两个：01，10。发送比特1，采用和上一个码字不同的码字。发送比特0，采用和上一个码字相同的码字。图14为5bit数据11010的差分曼切斯特编码格式以及场强、线圈接收电压波形图。图14中为5bit数据11010的差分曼切斯特编码格式图，b为a对应的场强图，c为线圈接收到的对应的电压波形图。由图14可见，差分曼切斯特编码中，不同代表1，相同代表0。

2、将幅度恒定或微分幅度恒定的低频交变磁场经过磁电转换得到幅度恒定的检测电压，并进行门限比较功能以及控制刷卡功能

幅度恒定低频交变磁场是磁感应强度变化幅度恒定的低频交变磁场，例如方波及正弦波。

微分幅度恒定低频交变磁场是指磁感应强度的变化率的变化幅度恒定的低频交变磁场，例如三角波及正弦波。

幅度恒定（或微分幅度恒定）信号1301经低频磁感应电路块1206变换为低频磁场电压信号1302，设1301磁感应强度为Br,磁感应电路接收灵敏度为K;则电压信号1302=K*Br或K*dBr/dt。

低频放大电路1215将电压信号1302放大A倍，得到电压信号1303，则：电压信号1303=A*电压信号1302。

所以，电压信号1303=K*A*Br或K*A*dBr/dt。

只要测得电压信号1303就可以换算为对应的幅度恒定（或微分幅度恒定）信号1301。

比较电路1225比较电压信号1303是否大于Vt，并将比较结果信息送给第二主处理器1201。第二主处理器1201根据比较结果信息确定是否允许刷卡。

而移动射频装置的低频接收链路测量场强是有误差的，该误差基本等于射频IC卡/射频存储卡的误差，误差来源于下述a）～e）5个方面：

a)传感器（低频磁感应电路）变换系数K的误差比率eK(db);

b)放大器（低频放大电路）放大倍数A的误差比率eA(db);

c)比较器（比较电路）误差比率eO(db);

d)放大器（低频放大电路）允许等效输入噪声系数eN(db);

e)其他误差eC(db);

这5个误差均已包含由于温度，电压等工作环境因素引起的误差。

由读卡器及内置移动射频装置的移动终端所构成的***为了达到无校准距离控制的目标，对检测电压的波动在***中的各个环节分配，分配到移动射频装置本身可允许的波动称为移动射频装置引起的低频检测电压波动范围δc(db)。上述五个移动射频装置射频IC卡/射频存储卡的误差因子的总和必须小于***分配给卡的误差指标δc(db)。即：

eK(db)+eA(db)+eO(db)+eN(db)+eC(db)<δc(db)

低频放大电路1215集成在卡芯片内部，一般情况下芯片内部的工作电源电压为1伏的数量级，所以，以幅度恒定检测电路为例，对应的Vt应该在1伏的数量级，那么，Bgate*K*A应该约为1V，这样要求K*A=Vt/Bgate=1伏/Bgate。而低频放大电路的放大倍数A，是由芯片设计时设计确定的，理论上可以有很大的范围可以自由选择，但是一旦Bgate确定以及传感器确定K也就确定后，A的大小也就确定了，A=Vt/Bgate/K,一般情况下Vt可以取1V,则A可以取值为1V/Bgate/K。这样一来，A的大小，由其他参数确定，但K的取值范围就可以允许一个较宽的范围，其结果是低频磁感应电路1206的选择就有了很大的灵活性。

由于低频磁感应电路1206的选择可以有较大的自由度，因此可以选择在工程上易于在卡上实现的4匝pcb线圈作为低频磁感应电路1206，见图13。当然也可以选择其他参数的传感器。使用4匝pcb线圈传感器有以下优点：1、易于实现，不增加卡上的结构，卡上本来就需要pcb；2、不增加卡的体积。从而这个方案的天线可以在卡上实现，不需要连接到卡以外的天线上。

射频IC卡/射频存储卡的误差余量δc(db)的分配设计也是卡的一个重要内容。使用本方案的设计，误差余量δc(db)需要分配到下列5个因素中：

a)传感器（低频磁感应电路）变换系数K的误差比率eK(db)；

b)放大器（低频放大电路）放大倍数A的误差比率eA(db)；

c)比较器（比较电路）误差比率eO(db)；

d)放大器（低频放大电路）允许等效输入噪声系数eN(db)；

e)其他误差eC(db)。

比如，如果最远允许刷卡距离Dmax要求为10cm,最近必须刷卡距离Dmin为5cm，那么从图15中可以看出10cm的最强信号为12db，5cm最弱信号为28db，那么总的误差余量有28-12=16db，其中只分配4db的误差余量给卡，那么δc(db)=4db。eK(db)，eA(db)，eO(db)，eO(db)，eC(db)平均分配的话，每一个都有0.8db。而低频磁感应电路1206使用4匝pcb线圈的话，由于PCB生产工艺已经非常成熟，其尺寸误差在0.1mm以内，而其K值误差主要决定于线圈的面积误差，可以计算出K的百分数误差约为0.1mm*0.1mm/25mm/15mm，大概为2.67*10-5，换算为db数为20log（1+2.67*10-5）=0.0023db。其数值远远小于0.8db。低频放大电路放大倍数A的误差比率eA决定于集成电路工艺中的电阻比值，其比值的误差，现有工艺条件下，很容易就可以做到1%以下，换算为db数应该为20log（1+0.01）=0.086db，也远远小于0.8db。比较电路误差以及其他误差不再分析。以上误差分配及分析说明，使用本方案可以容易的实现距离控制的目标。

为了达到不更改移动终端，只需更换移动终端内的SIM/UIM/USIM/SD/TF/MMC卡，实现电子支付等刷卡交易，本发明提出了一种低频交变磁场距离控制方法，应用于包含上述移动射频装置的各种移动终端,包括如下步骤:

前提：移动装置工作于预先选定的***无校准工作频点f0以下的频点。

步骤a，对接收到的低频交变磁场信号Br进行磁电转换，将低频交变磁场信号转换为电信号Vo。若Br为幅度恒定的低频磁场信号，则磁电转换公式为Vo=A*K*Br；若Br为微分幅度恒定的低频磁场信号，则磁电转换公式为Vo=A*K*dBr/dt，其中K为磁感应电路增益，A低频放大电路增益，A*K为磁电转换增益，该增益预先设定，使用中无需更改；磁电转换存在误差，也就是Vo存在波动，波动范围为δc(db);

步骤b，若低频磁感应磁信号转换的电信号Vo大于预设的比较电压信号门限Vt，则解码出读卡器的身份识别标识IDr，进入射频通讯，通过射频通道将IDr连同移动装置本身的唯一识别码IDc一同传送给读卡器，同时持续监控低频磁感应信号；

步骤c，进行射频通讯，将射频通讯数据拆分为多个数据包分次收发，每次射频收包或发包都检查Vo是否大于Vt若是则继续射频通讯直至交易结束，否则结束本次交易的射频通讯，返回步骤a。

步骤a中磁电转换增益的确定方法如下:

步骤a1，确定磁感应增益K。选定移动射频装置所在载体上易于工程实现的磁感应电路，如线圈，霍尔器件及巨磁阻器件，从而选定了磁感应增益K；

步骤a2，在下述原则下任意选定低频放大电路的增益A

1)移动装置在任意位置处接收到的磁感应强度Br小于***安全规范要求的值；

2)移动装置放置于***指定的一种或多种载体（比如移动终端）中，并在***要求的距离控制目标最远可接收距离处，磁感应信号经过磁电转换后的信号信噪比大于SNR。通常SNR>5；

3)若低频磁感应电路为霍尔器件或巨磁阻器件，用于检测幅度恒定的低频交变磁场信号：A*K=Vt/Bgate，其中Bgate为磁感应强度门限；若磁感应电路为线圈，用于检测微分幅度恒定的低频交变磁场信号：A*K=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate为磁感应强度变化率的门限值，磁感应强度变化率B_RATE=dBr/dt。

若低频磁感应电路为线圈，移动射频装置放置在SIM、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中，线圈的匝数可以为1～20匝，放大器增益A大于100；若低频磁感应电路为线圈，移动装置放置在移动终端中，在满足上述磁电转换增益选择方法的条件下，线圈匝数无限制，低频放大电路的增益A无限制。

步骤a中，移动射频装置检测电压的波动范围δc的选择及控制方法如下：

δc的选择方法如下：δc是由读卡器及内置移动射频装置的移动终端所构成的***为了达到无校准距离控制的目标，对检测电压的波动在***中的各个环节分配，分配到移动射频装置本身可允许的波动称为移动射频装置引起的低频检测电压波动范围δc(db)。由于低频接收链路的工作频点很低，造成检测电压波动的因素：低频磁感应电路增益误差，低频放大器放大倍数误差，比较电路误差，电路噪声，电路温度系数引起的误差等影响很小，因此卡的波动范围可以确定的比较小，例如2～6dB。

δc的控制方法如下：为解决多个移动射频装置间检测场强的差异问题，本发明提出了基于如图17所示误差控制***的误差控制方法，应用于上述的移动射频装置。图17中，标准读卡器505中的发射线圈504向处于固定距离的移动射频装置501及处于固定位置的标准障碍物502发射幅度恒定或微分幅度恒定的低频磁场信号。移动射频装置501通过与卡通讯的装置503和PC机相连。δc的控制方法包括如下步骤:

假设移动装置所应用的各种移动终端对低频交变磁场信号的衰减的最大波动范围为δT，则误差控制***中标准障碍物的衰减为δT/2,该障碍物的作用是使移动射频装置收到的低频交变磁场的衰减是各种终端衰减的中间值。

步骤601：如图17，标准读卡器在固定距离及位置上发射幅度恒定或微分幅度恒定的低频交变磁场信号，该***下幅度值Bgate或微分幅度值B_RATEgate的磁场经过磁电转换后的电压值应当为幅度为Vt附近的电压信号Vo；

步骤602：确定一个合理的Vo范围值=(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)，其中δcx<δc，这是因为δc包含多种波动因素，为简化误差控制***及方法，部分因素不能完全测量，例如温度误差等；

步骤603：测量移动射频装置中低频放大电路的输出电信号Vo,如果Vo超出(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)范围，则通过软件设置调整低频放大电路的放大倍数A，直到Vo在上述范围内；

步骤604：通过软件设置移动射频装置的Vt值为步骤603调整A后的输出电信号Vo。

应用本发明能够实现无校准的移动终端支付，下面结合实例具体说明实现无校准的移动终端支付的方法和过程。

实现过程有以下几个前提条件：

前提条件1：配套的读卡器发射的低频磁场信号强度已经调整好，其场强空间分布已经符合距离控制的要求；

进一步地，微分幅度恒定的磁场信号，允许刷卡的场强门限Bgate的磁感应强度变化率为±26500A/m/s(26500安每米每秒)，如果是2KHz的磁场信号，磁感应强度的峰值为±3.32A/m，其峰峰值磁感应强度是6.64A/m，如果是1KHz的磁场信号，磁感应强度的峰值为±6.64A/m，其峰峰值磁感应强度是13.28A/m；

前提条件2：射频IC卡/射频存储卡在出厂前，设置有合适的门限电压Vt，该门限电压Vt对应于需要限定的刷卡操作距离；

进一步地，门限电压Vt对应于允许刷卡的场强门限Bgate的磁感应强度变化率为±26500A/m/s时，低频磁感应电路的输出电压1302放大后的峰峰值电压Vt为1V；磁感应强度变化率为±26500A/m/s时，低频磁感应电路的输出电压峰峰值为100uV，则放大倍数A=Vt/100uV=1V/100uV=10000；

前提条件3：射频IC卡/射频存储卡和读卡器之间的通讯和刷卡协议已经规定好；

进一步地，射频IC卡/射频存储卡和读卡器之间的数据比特流可以使用2K波特率的差分曼切斯特编码基带信号进行数据传送。数据信息以数据帧为单位进行传送，数据帧bit流的编码方式如下：每帧数据有9bit的同步头，同步头为8bit的1，后面一个0。同步头后面的数据信息中，连续7个1后面添加一位0，用于区分数据信息和同步头；

前提条件4：射频IC卡/射频存储卡已经安装于移动终端内，并且已经准备好做刷卡操作；

前提条件5：读卡器已经准备好，连续发射携带有读卡器数据帧信息Idr数字信息的低频磁场信号；

进一步地，数据帧信息Idr中含有读卡器的RF模块的信道信息；进一步地，读卡器的RF模块的信道信息是2480MHz到2483MHz之间的一个信道；

前提条件6：低频工作的频点f0已经按照前述步骤确定好；

前提条件7：射频IC卡/射频存储卡的低频放大电路的放大倍数A和门限Vt已经按照前述误差控制的方法设置好。

实现该方法的射频IC卡/射频存储卡如前所述。

实现刷卡操作的过程如下：

1、装有前述射频IC卡/射频存储卡的移动终端靠近读卡器时，射频IC卡/射频存储卡的低频磁感应电路1206将所处位置的低频磁场信号1301变换为低频磁场电压信号1302。低频磁感应电路1206、低频放大器电路1215以及比较电路1225是低耗电模块，其工作时的电源电流消耗小于300uA。低频磁感应电路1206、低频放大电路1215以及比较电路1225可以连续工作，消耗的电源电流不大，对电池供电的移动终端的电池待机使用时间没有大的影响。射频IC卡/射频存储卡中的其它模块大部分时间处于休眠状态，基本不消耗电源电流；

2、低频磁感应电路1206将低频磁场电压信号1302送给低频信号接收及处理模块1205中的低频放大电路1215，低频放大电路1215放大后的电压信号1303送给比较电路1225和解码电路1245。进一步，如果是射频sim卡，其形状为长方形，其尺寸大小为25mm*15mm，低频磁感应电路1206由4匝沿sim卡外框的pcb线圈组成，这样的低频磁感应电路1206在微分幅度恒定为±26500A/m/s的磁场中，将会感应到±50uV的峰值电压信号，峰峰值为100uV；

3、比较电路1225将电压信号1303与门限电压Vt进行比较，并将比较结果送给第二主处理器1201。如果比较结果大于Vt，则唤醒卡的其它模块一起工作，否则，其它模块继续休眠；

4、如果电压信号1303大于门限电压Vt，第二主处理器1201控制解码电路1245对收到的电压信号1303进行解码，得到读卡器Idr数字信息。解码电路1245将解码出的读卡器Idr数字信息送给第二主处理器1201；

5、第二主处理器1201收到有效的读卡器Idr后，从中找出信道信息CH，控制RF收发电路1203通过RF天线1204以信道CH与读卡器通讯，建立只有当前读卡器和射频IC卡/射频存储卡可以通讯的RF通讯信道CH，将收到的读卡器Idr通过RF通讯信道发送给读卡器；

6、读卡器判断从RF通讯信道收到的Idr是否为自己从低频磁场信号中发送出去的Idr，如果不是，拒绝通讯，如果正确，启动后续与卡的通讯直至完成所需的刷卡操作。刷卡操作过程射频IC卡/射频存储卡与读卡器需要多次的RF通讯，在每次进行RF通讯过程中，卡都要去判断电压信号1303是否小于门限电压Vt，若小于Vt则立即结束RF通讯，结束还没有完成的刷卡操作。刷卡操作过程中如果射频IC卡/射频存储卡与移动终端交互数据，可以通过接口模块1207实现。刷卡操作完成后，除低频信号接收及处理模块1205中的低频磁感应电路1206、低频放大电路1215以及比较电路1225外的模块继续睡眠，一直持续到下次低频磁场信号对应的电压1303从小于Vt到大于Vt的变化后的刷卡操作。

7、移动终端支付的刷卡操作功能的实现由第二主处理器1201、SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡模块、RF收发电路1203以及RF天线1204一起配合读卡器来完成；

8、SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡模块完成其应有的功能，在实现其功能时，要通过第二主处理器1201和接口模块1207与移动终端交互数据。

采用本发明，能够实现无需校准的近距离通信，比如电子支付等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种移动射频装置，其特征在于，包括至少一个低频磁感应电路、至少一个低频放大电路、至少一个门限判断及解调电路、至少一个第二主处理器、至少一个射频收发电路和至少一个射频天线，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路、第二主处理器、射频收发电路、射频天线顺次串联连接；

其中，所述低频磁感应电路、低频放大电路、门限判断及解调电路组成的低频接收链路工作于预先选定的***无校准工作的最高频率f0以下的频率。

2.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述低频磁感应电路为线圈，低频磁感应电路转换增益与低频放大电路的放大倍数的乘积为与移动射频装置所在移动终端所应用的***最远刷卡距离对应的***预设值，所述低频接收链路的体积取决于所述低频磁感应电路转换增益及低频放大电路的放大倍数，低频接收链路的体积随低频磁感应电路转换增益的增大而增大，或者随低频放大电路放大倍数的减少而增大。

3.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述***无校准工作的最高频率f0处于特低频频段或甚低频频段或低频频段,所述特低频频段的频率范围为300Hz～3000Hz,所述甚低频频段的频率范围为3KHz～30KHz,所述低频频段的频率范围为30KHz～300KHz。

4.根据权利要求3所述的移动射频装置,其特征在于，所述***无校准工作的最高频率f0所处的频率范围为300Hz～50KHz。

5.根据权利要求4所述的移动射频装置,其特征在于，所述***无校准工作的最高频率f0为500Hz、1KHz、1.5KHz、2KHz、2.5KHz、3KHz、4KHz、5KHz、10KHz、20KHz或30KHz。

6.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述门限判断及解调电路由相互连接的比较电路和解码电路组成。

7.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述门限判断及解调电路由顺次相连的比较电路、解调电路和解码电路组成。

8.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述低频磁感应电路为PCB线圈、漆包线线圈、霍尔器件或巨磁阻器件。

9.根据权利要求1所述的移动射频装置,其特征在于，所述移动射频装置置于移动终端中。

10.根据权利要求9所述的移动射频装置,其特征在于，所述移动射频装置置于移动终端内的SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中。

11.根据权利要求10所述的移动射频装置,其特征在于，所述第二主处理器与SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的处理器为同一共用处理器。

12.根据权利要求9所述的移动射频装置,其特征在于，所述移动终端为手机、个人数字助理PDA或笔记本电脑。

13.一种射频IC卡，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的移动射频装置。

14.一种射频存储卡，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的移动射频装置。

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