TWI501575B - 行動射頻裝置、射頻ｉｃ卡及射頻存儲卡 - Google Patents

Description

行動射頻裝置、射頻IC卡及射頻存儲卡 發明領域

本發明涉及通信領域，尤其涉及一種移動射頻裝置、射頻IC卡及射頻存儲卡。

發明背景

隨著移動終端的普及，利用移動終端進行移動終端支付的應用需求非常迫切，目前已經有多種實現方案，但各有缺點。當前，已經出現了在移動終端中的使用者識別模組SIM(Subscriber Identity Module)卡上增加射頻功能(稱為射頻SIM卡)或者在移動終端主機板上增加近距離通信模組來實現移動終端近距離通信的方法，後者稱為NFC(Near Field Communication，近場通信)，這些方法的出現使得移動終端成為一個可以充值、消費、交易及身份認證的超級智慧終端機，極大地滿足了市場的迫切需求。

其中，基於射頻SIM卡的移動終端近距離解決方案以其簡單、無需更改移動終端等優勢得到廣泛的關注，在該方案中，射頻SIM卡採用UHF(Ultra High Frequency，超高頻)技術，由於UHF特別是採用2.4GHz ISM公共頻段(即工業，科學和醫用頻段)的射頻SIM卡，其工作頻率很高，天線的尺寸很小，在SIM卡內放置小型的天線就能發射足夠強度的信號，即使射頻SIM卡嵌入在移動終端內部射頻信號仍然可以從移動終端中透射出來，在讀卡器中採用業界主流的RF(Radio Frequency，射頻)收發晶片即可無需額外放大可靠接收到絕大多數移動終端的射頻信號，從而實現不必對現有的移動終端進行任何結構改變就可使移動終端具備近距離通信功能。但是，不同移動終端由於內部結構不同造成射頻信號透射效果存在很大的差異，透射強的移動終端其射頻SIM卡射頻通信距離可能達到幾米遠的距離，透射弱的移動終端其射頻SIM卡通信距離只可以達到幾釐米。射頻SIM卡為了避免不同移動終端對RF信號衰減的巨大差異，必須對移動終端進行校準，也就是在使用前必須將移動終端的衰減參數記錄到卡中。需要校準是射頻SIM卡的主要問題。

另外一種移動支付的技術NFC基於ISO14443標準的非接觸卡技術演化而來，兩者根本點在於都採用13.56MHz的磁場傳送信號和能量。NFC技術的主要問題有：

1.　必須改造移動終端才能實現可靠的雙向資料通訊，NFC的磁場線圈不能集成到SIM卡或SD卡(Secure Digital Memory Card，安全數位存儲卡)/TF(TransFLash，快閃記憶體)卡等移動終端用的卡內。

在13.56MHz頻點下，讀卡器和卡之間採用電感線圈耦合的方式交互信號及傳送能量，讀卡器到卡的方向需要同時傳遞能量和13.56MHz調幅信號，對卡上接收線圈的尺寸面積均有較高要求；卡到讀卡器的方向，卡依靠短路和開路卡上線圈的負載調製方式而不是依靠外部能量直接發送場強的方式向讀卡器傳遞資訊，由於負載調製信號要求卡線圈和讀卡器線圈的耦合係數越高越利於讀卡器解碼卡傳送的資訊，這種方式進一步提高了對卡上天線尺寸和面積的要求。另外一方面，由於13.56MHz頻點較低，耦合線圈的尺寸相對較大。綜合上述因素，NFC要求移動終端內的天線線圈足夠大，該尺寸大小完全不能放入SIM卡或SD/TF卡等移動終端用的卡內，不但如此，移動終端上的金屬及其它導電物體會嚴重干擾天線的接收和負載調製效果，為了達到近場通訊良好的通訊效果，必須對手機進行定制化的改造，使天線的效果達到最佳。改造點例如，將卡的多匝天線放到移動終端的電池後蓋上，或者通過柔性PCB從終端主機板上將天線引到電池背面，天線的面積和普通電池尺寸相當，另外，手機的後蓋不能為金屬材質。

2. NFC所使用的13.56MHz頻點需要校準才能用於距離控制。

即使有一種NFC的天線能夠更換到任何移動終端中，由於其使用13.56MHz頻點，該頻點信號在遇到金屬和其它導電物體會形成強烈的渦流效應，信號強度會隨著移動終端結構而變化，從而在NFC卡接收天線上形成場強的巨大波動，無法進行無校準的距離控制。

第1圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，在同一14443 POS機上保持13.56MHz載波恆定的情況下測試的電壓-距離曲線，其中信號強度值是接收天線感應電壓經過必要的放大後的值，放大倍數保持恆定，只需關注強度隨距離的相對變化。可以看出，不同終端接收到的場強差異>30dB，同一終端從1cm到10cm的場強變化為25dB左右，手機差異造成的場強變化已經超過終端在1cm到10cm距離控制範圍內的場強變化，因此無法採用同一門限對各終端進行距離控制，也就是無法實現無校準距離控制。

發明概要

本發明所要解決的技術問題是提供一種移動射頻裝置，使得設置有該移動射頻裝置的移動終端能夠實現電子支付等刷卡交易。

為解決上述技術問題，本發明提出了一種移動射頻裝置，包括至少一個低頻磁感應電路、至少一個低頻放大電路、至少一個門限判斷及解調電路、至少一個第二主處理器、至少一個射頻收發電路和至少一個射頻天線，所述低頻磁感應電路、低頻放大電路、門限判斷及解調電路、第二主處理器、射頻收發電路、射頻天線順次串聯連接；其中，所述低頻磁感應電路、低頻放大電路、門限判斷及解調電路組成的低頻接收鏈路工作於預先選定的系統無校準工作的最高頻率f0以下的頻率。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述低頻磁感應電路為線圈，低頻磁感應電路轉換增益與低頻放大電路的放大倍數的乘積為與移動射頻裝置所在移動終端所應用的系統最遠刷卡距離對應的系統預設值，所述低頻接收鏈路的體積取決於所述低頻磁感應電路轉換增益及低頻放大電路的放大倍數，低頻接收鏈路的體積隨低頻磁感應電路轉換增益的增大而增大，或者隨低頻放大電路放大倍數的減少而增大。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述系統無校準工作的最高頻率f0處於特低頻頻段或甚低頻頻段或低頻頻段，所述特低頻頻段的頻率範圍為300 Hz～3000Hz，所述甚低頻頻段的頻率範圍為3KHz～30KHz，所述低頻頻段的頻率範圍為30 KHz～300KHz。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述系統無校準工作的最高頻率f0所處的頻率範圍為300Hz～50KHz。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述系統無校準工作的最高頻率f0為500Hz、1KHz、1.5KHz、2KHz、2.5KHz、3KHz、4KHz、5KHz、10KHz、20KHz或30KHz。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述門限判斷及解調電路由相互連接的比較電路和解碼電路組成。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述門限判斷及解調電路由順次相連的比較電路、解調電路和解碼電路組成。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述低頻磁感應電路為PCB線圈、漆包線線圈、霍爾器件或巨磁阻器件。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述移動射頻裝置置於移動終端中。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述移動射頻裝置置於移動終端內的SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述第二主處理器與SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的處理器為同一共用處理器。

進一步地，上述移動射頻裝置還可具有以下特點，所述移動終端為手機、個人數位助理PDA或筆記型電腦。

為解決上述技術問題，本發明還提出了一種射頻IC卡，包括上述任一項所述的移動射頻裝置。

為解決上述技術問題，本發明還提出了一種射頻存儲卡，包括上述任一項所述的移動射頻裝置。

為解決上述技術問題，本發明還提出了一種確定上述各項移動射頻裝置中系統無校準工作的最高頻率f0的方法，包括如下步驟：步驟a1，確定系統的距離控制目標(Din，Dv)，所述系統中包含至少一個移動射頻裝置和至少一個讀卡器，其中Din表示距離為0～Din的範圍內所有裝載有所述移動射頻裝置的終端確保可刷卡，Dv表示距離波動範圍，距離為Din～(Din+Dv)的範圍內均允許刷卡，距離大於Din+Dv的範圍不允許刷卡；步驟a2，確定讀卡器導致的移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_R ；步驟a3，確定移動射頻裝置本身導致的檢測電壓的波動範圍δ_C ；步驟a4，在f頻率下測試各典型終端及障礙物的電壓距離曲線，所述f頻率為處於特低頻頻段或甚低頻頻段或低頻頻段中的任一頻率，所述特低頻頻段的頻率範圍為300 Hz～3000Hz，所述甚低頻頻段的頻率範圍為3KHz～30KHz，所述低頻頻段的頻率範圍為30 KHz～300KHz；步驟a5，由距離控制目標(Din，Dv)確定移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_A ，δ_A 等於由各典型終端及障礙物的電壓距離曲線得到的具有平均場強衰減曲線斜率的電壓距離曲線上Din點所對應的電壓值與(Din+Dv)點所對應的電壓值之差；步驟a6，確定由終端導致的移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_T ，δ_T 表示終端衰減特性造成的移動射頻裝置內檢測電壓波動範圍，δ_T =δ_A -δ_R -δ_C ；步驟a7，計算各典型終端及障礙物間在距離控制範圍內各距離點上的最大場強差異δ，若δ大於δ_T ，則降低頻率f，轉步驟a4；若δ小於δ_T ，則提高頻率f，轉步驟a4；若δ等於δ_T ，則當前測試頻率f等於系統無校準工作的最高頻率f0。

為解決上述技術問題，本發明還提出了一種低頻交變磁場距離控制方法，應用於包括前述任一項所述的移動射頻裝置的移動終端，該方法包括如下步驟：步驟a，對接收到的低頻交變磁場信號Br進行磁電轉換，將低頻交變磁場信號轉換為電信號Vo，若Br為幅度恆定的低頻交變磁場信號，則磁電轉換公式為Vo=A*K*Br；若Br為微分幅度恆定的低頻交變磁場信號，則磁電轉換公式為Vo=A*K*dBr/dt，其中K為低頻磁感應電路增益，A低頻放大電路增益，A*K為磁電轉換增益，該增益預先設定；步驟b，若低頻交變磁場信號轉換的電信號Vo大於預設的比較電壓信號門限Vt，則解碼出讀卡器的身份識別標識IDr，進入射頻通訊，通過射頻通道將IDr連同移動射頻裝置本身的唯一識別碼IDc一同傳送給讀卡器，同時持續監控低頻交變磁場信號；步驟c，進行射頻通訊，將射頻通訊資料拆分為多個資料包分次收發，每次射頻收包或發包都檢查Vo是否大於Vt，若是則繼續射頻通訊直至交易結束，否則結束本次交易的射頻通訊，返回步驟a。

進一步地，上述低頻交變磁場距離控制方法還可具有以下特點，所述步驟a中磁電轉換增益的確定方法如下：步驟a1，確定磁感應增益K，選定移動射頻裝置所在載體上的低頻磁感應電路，從而選定了磁感應增益K；步驟a2，在下述原則下任意選定低頻放大電路的增益A：

1)　移動射頻裝置在任意位置處接收到的磁感應強度Br小於系統安全規範要求的值；

2)　移動射頻裝置放置於系統指定的一種或多種載體中，並在系統要求的距離控制目標最遠可接收距離處，磁感應信號經過磁電轉換後的信號信噪比大於SNR；

3)　若磁感應電路為霍爾器件或巨磁阻器件：A*K=Vt/Bgate，其中Bgate為磁感應強度門限；若磁感應電路為線圈：A*K=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate為磁感應強度變化率的門限值，磁感應強度變化率B_RATE=dBr/dt。

進一步地，上述低頻交變磁場距離控制方法還可具有以下特點，所述步驟a2中信噪比SNR大於5。

進一步地，上述低頻交變磁場距離控制方法還可具有以下特點，所述低頻磁感應電路為線圈，所述移動射頻裝置放置在SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中，則所述線圈的匝數為1～20匝，低頻放大電路的增益A大於100。

進一步地，上述低頻交變磁場距離控制方法還可具有以下特點，所述步驟a中，所述磁電轉換存在誤差，即Vo存在波動，波動範圍為δc(db)，誤差δc(db)的選擇及控制方法如下：δc的範圍為2～6dB；δc的控制方法包括如下步驟：假設移動射頻裝置所應用的各種移動終端對低頻交變磁場信號的衰減的最大波動範圍為δT，則所述誤差控制系統中標準障礙物的衰減為δT/2。

步驟601：標準讀卡器在固定距離及位置上發射幅度恆定或微分幅度恆定的低頻交變磁場信號，該系統下幅度值Bgate或微分幅度值B_RATEgate的磁場經過磁電轉換後的電壓值為幅度為Vt附近的電壓信號Vo；步驟602：確定Vo範圍(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)，其中δcx<δc；步驟603：測量移動射頻裝置中低頻放大電路的輸出電信號Vo，如果Vo超出(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)範圍，則通過軟體設置調整低頻放大電路的放大倍數A，直到Vo在上述範圍內；步驟604：通過軟體設置移動射頻裝置的Vt值為步驟603調整A後的輸出電信號Vo。

進一步地，上述低頻交變磁場距離控制方法還可具有以下特點，所述電壓門限Vt用與該電壓門限Vt對應的電流門限替代。

本發明的移動射頻裝置，能夠使設置有該移動射頻裝置的移動終端實現電子支付等刷卡交易。

圖式簡單說明

第1圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，在同一14443 POS機上保持13.56MHz載波恆定的情況下測試的電壓-距離曲線；第2圖為本發明近距離通信方法中系統無校準工作的最高頻率f0的選擇系統結構框圖；第3圖為由距離控制目標(Din,Dv)確定系統總的接收檢測電壓波動範圍δ_A 的示意圖；第4圖為典型終端及障礙物電壓距離曲線及其波動區間δ示意圖；第5圖為頻率f為3.3KHz時5種典型移動終端的電壓距離曲線；第6圖為移動射頻裝置內部檢測到的無調製直接基帶發射時的接收電壓信號和正弦波FSK調製時的接收電壓信號的電壓波形圖；第7圖為基準電壓距離曲線的計算方法示意圖；第8圖為本發明實施例中近距離通信系統的結構圖；第9圖為讀卡器低頻發射部分示意圖；第10圖為讀卡器低頻數據框架格式示意圖；第11圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，用信號源通過低頻發射線圈發射恆定1KHz磁場條件下測試的電壓距離曲線；第12圖為本發明實施例中射頻IC卡的結構圖；第13圖為應用於SIM卡的4匝pcb銅皮線圈天線結構示意圖；第14圖為5bit資料11010的差分曼切斯特編碼格式以及場強、線圈接收電壓波形圖；第15圖為1KHz的低頻磁場移動終端內sim卡接收到的幅度恆定圖；第16圖為應用於TF卡的4匝pcb線圈天線結構示意圖；第17圖為誤差控制系統框圖。

較佳實施例之詳細說明

在此首先說明，以下本文中所出現的終端在預設情況下指裝載有移動射頻裝置的終端，而且指能夠移動的終端，即移動終端，如手機等，距離指讀卡器與移動射頻裝置之間的距離，也即讀卡器與裝載有移動射頻裝置的終端之間的距離。

本發明針對射頻裝置(尤其是內置於終端中的射頻卡，如射頻SIM卡)與讀卡器裝置近距離交易的距離控制問題，提出了一種由帶有低頻交變磁場發射功能及射頻信號收發功能的讀卡器和與之對應的帶有低頻交變磁場感應接收功能及射頻信號收發功能的移動射頻裝置組成的近距離通信系統，以及與該系統對應的近距離通信方法。本發明利用低頻交變磁場穿透不同終端衰減差異小的特點進行距離控制，利用高頻射頻能有效穿透終端來完成高速雙向通訊進行交易。系統通過預先設定好的門限判定方法來完成無需校準的距離檢測和控制，即讀卡器按照預設的發射參數發射低頻交變磁場信號，移動射頻裝置在各距離點上檢測該磁場信號並放大為與距離對應的幅度恆定的電壓信號，進而通過預先設定的電壓門限Vt來判斷終端是否進入預先設定的有效距離區間(有效距離區間也即允許刷卡的範圍)，該電壓門限Vt對所有終端相同，無需校準。本發明通過低頻單向通訊和RF雙向通訊結合的方法來完成讀卡器和移動射頻裝置的唯一綁定，綁定之後通過射頻通道來完成雙向的高速大資料量的通訊。本發明系統可以實現含有移動射頻裝置的終端(如裝有射頻SIM卡的手機)與讀卡器的資料通信距離(也即交易距離)可靠地控制在規定範圍內，並且無需對終端進行校準。

以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。

本發明的近距離通信方法，應用於包括至少一個讀卡器和至少一個移動射頻裝置的近距離通信系統，包括如下的步驟a、步驟b、步驟c和步驟d四個步驟，下面分別對各個步驟進行具體說明：步驟a，讀卡器按照預設的發射參數發射低頻交變磁場信號，該低頻交變磁場信號中攜帶該讀卡器的身份標識資訊，其中，發射參數包括低頻交變磁場信號的頻率，該頻率等於或小於系統無校準工作的最高頻率f0；其中，身份標識資訊可以是識別碼ID。

這裡需要說明的是，本步驟中低頻交變磁場信號的頻率是指所述低頻交變信號的頻譜上3dB頻寬的高端頻率截止點所對應的頻率。

低頻交變磁場頻率越低，穿過各種類型的終端後衰減的差異越小，利用該特性，在頻點選擇系統(如第2圖所示)中選定差異足夠小的頻點，以實現無校準距離控制。採用標準信號源通過標準的磁場發射線圈發送低頻交變磁場信號，在各個典型的移動終端及障礙物內部接收該低頻交變磁場信號，調整發射頻率直到找到頻點f0，使移動射頻裝置(裝載在移動終端中)接收到的電壓(該電壓是由低頻交變磁場信號經放大後得到的與距離對應的幅度恆定的的電壓信號)在距離發射線圈平面中心點相同距離條件下，不同終端及障礙物間的場強差異大致等於設定的波動範圍δ_T ，該頻點f0及低於該頻點f0的頻段是系統無校準工作的頻段，不需要校準任何系統中的任何終端，工作頻點(即前述的低頻交變磁場信號的頻率)高於f0，系統需要校準，通常工作頻點高於f0越多，需要校準的終端越多，校準的複雜度越高。頻點選定是一次性工作，一旦選定，在使用中無需更改。

第2圖為本發明近距離通信方法中系統無校準工作的最高頻率f0的選擇系統結構框圖，如第2圖所示，頻點選擇系統的組成為：發送系統由信號源505和低頻磁場發射線圈504組成，接收系統由典型移動終端501及障礙物、信號強度測試儀503(電壓表、示波器、頻譜儀等)組成，移動終端501內部具有低頻接收模組502。信號源505可以精確的產生各種頻率、波形和幅度的信號。頻點選擇的原理是：信號源505產生固定幅度頻率為f的正弦波信號，通過發射線圈504發送，低頻接收模組502放置在選定的典型移動終端501或障礙物內部，接收到的低頻信號通過專用信號線接到信號強度測試儀503，信號強度測試儀503測試接收到的電壓。改變移動終端的距離可以得到該移動終端或障礙物在頻率f條件下的檢測電壓隨距離變化的曲線(以下稱為電壓距離曲線)，更換移動終端或障礙物可以得到多個終端的曲線，改變頻率f也可以得到不同的曲線。

步驟a中，系統無校準工作的最高頻率f0通過下述步驟確定：步驟101，確定距離控制目標(Din，Dv)，其中Din表示0~Din範圍內所有終端確保可刷卡，Dv表示距離波動範圍，距離為Din~(Din+Dv)的範圍內均允許刷卡，距離大於Din+Dv範圍不允許刷卡；例如(5cm，5 cm)表示5cm以下所有終端確保可刷卡，5cm～10cm允許刷卡，超過10cm不能刷卡。距離控制目標由具體的應用確定。(0～Din+Dv)稱為距離控制範圍。

步驟102，確定讀卡器導致的移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_R ；讀卡器低頻發射電路參數波動形成發射場強的波動，造成移動射頻裝置內檢測電壓的波動，該參數包括發射驅動電壓波動、線圈參數波動、溫度影響等。δ_R 由讀卡器設計及生產環節來控制，該波動可以在生產環節校準，由於低頻發射電路工作頻率很低，通常δ_R 可以被控制得很好，例如4dB以內。

步驟103，確定移動射頻裝置本身導致的檢測電壓的波動範圍δ_C ；移動射頻裝置本身低頻接收電路參數波動造成的最終檢測輸出電壓的波動，該參數包括接收天線誤差、放大器增益誤差、比較器或AD誤差、溫度影響及雜訊等。δ_C 由移動射頻裝置設計及生產環節來控制，該波動可以在生產環節校準，由於移動射頻裝置低頻接收電路工作頻率很低，通常δ_C 可以被控制得很好，例如4dB以內。

步驟104，在f頻率下測試各典型終端及障礙物的電壓距離曲線，其中f頻率為處於特低頻頻段或甚低頻頻段或低頻頻段中的任一頻率，特低頻頻段的頻率範圍為300 Hz～3000Hz，甚低頻頻段的頻率範圍為3KHz～30KHz，低頻頻段的頻率範圍為30 KHz～300KHz；在進行本步驟104之前先要做個準備工作，即選定典型終端及典型障礙物。典型終端的選取原則主要依據終端金屬或導電結構的多少來選取，金屬越多，衰減越大，例如可以選取塑膠外殼、金屬外殼、厚金屬殼、薄金屬殼、大尺寸終端、小尺寸終端等，典型終端的數量不嚴格限制，典型終端的選取基本可以覆蓋終端對低頻交變磁場信號的衰減特點。為了避免個別移動終端差異太大，可以在應用中加入移動終端型號認證，對每種需要支援支付應用的移動終端嘗試做刷卡測試，確認該型號的移動終端衰減特性符合要求。典型障礙物可以選擇不同材質的標準形狀的塑膠、鋁、銅、鐵、不銹鋼等移動終端常見材料，放置在讀卡器和移動射頻裝置之間作為移動終端衰減特性的一種等效障礙物測量衰減效果。

步驟105，由距離控制目標(Din，Dv)確定移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_A ，δ_A 等於由各典型終端及障礙物的電壓距離曲線得到的具有平均場強衰減曲線斜率的電壓距離曲線上Din點所對應的電壓值與(Din+Dv)點所對應的電壓值之差；第3圖為由距離控制目標(Din，Dv)確定系統總的接收檢測電壓波動範圍δ_A 的示意圖。如第3圖所示，(Din+Dv)點所對應的電壓值為V2，Din點所對應的電壓值為V1，則δ_A =V1-V2。

步驟106，確定由終端導致的移動射頻裝置內檢測電壓的波動範圍δ_T ，參數δ_T 表示終端衰減特性造成的移動射頻裝置內檢測電壓波動範圍，δ_T =δ_A -δ_R -δ_C ；步驟107，計算各典型終端及障礙物間在距離控制範圍內各距離點上的最大場強差異δ(又稱為波動區間)，若δ大於δ_T ，則降低頻率f，轉步驟a4；若δ小於δ_T ，則提高頻率f，轉步驟a4；若δ等於δ_T ，則當前測試頻率f等於系統無校準工作的最高頻率f0。

第4圖為典型終端及障礙物電壓距離曲線及其波動區間δ示意圖。如第4圖所示，最大衰減終端或障礙物對應的電壓距離曲線稱為最大衰減曲線，最小衰減終端或障礙物對應的電壓距離曲線稱為最小衰減曲線，最大及最小衰減曲線包圍的區域稱為典型終端及障礙物電壓距離曲線分佈區間，任意距離D在最小衰減曲線上對應的電壓為V3，在最大衰減曲線上對應的電壓為V4，則δ=V3-V4。

至此，在限定距離控制目標的情況下，系統無校準工作的最高頻率f0就確定下來了。系統可以採用調製的方式，也可以採用直接發送基帶信號的方式，系統工作的主要頻率分量最高只要不大於f0，距離控制就無需校準。

舉例說明f0的確定過程。第5圖為頻率f為3.3KHz時5種典型移動終端的電壓距離曲線。如第5圖所示，系統距離控制目標為(5cm，5 cm)，系統0～10cm距離區間電壓的變化範圍約為40dB，讀卡器和移動射頻裝置導致的移動射頻裝置內檢測電壓波動均為4dB，即δ_R =δ_C =4dB，δ_A =20dB，δ_T =δ_A -δ_R -δ_C =12dB。假設5種終端可以代表系統所使用的所有終端，檢查曲線在各距離點上的最大波動約等於12dB，因此該系統無校準工作的最高頻率f0可確定為f0=3.3KHz。

步驟a中，發射參數還可以包括調製方式、編碼方式及發射磁感應強度幅值Br。發射參數選定的基本原則是保證移動射頻裝置在各距離點上對讀卡器所發射的低頻交變磁場信號檢測並放大後的信號是與距離對應的幅度恆定的電壓信號。第6圖為移動射頻裝置內部檢測到的無調製直接基帶發射時的接收電壓信號和正弦波FSK調製時的接收電壓信號的電壓波形圖，其中，a為無調製直接基帶發射時的接收電壓信號波形圖，b為正弦波FSK調製時的接收電壓信號波形圖。如第6圖所示，檢測電壓信號是包含解調資訊的變化電壓信號，該信號可以為無直流分量的交流電壓信號，也可以是有直流分量的電壓信號，幅度恆定是指交流分量的變化最大幅度在不同傳輸符號間恆定。

發射參數中的調製方式、編碼方式及發射磁感應強度幅值Br通過下述步驟a11至步驟a13選定：步驟a11，選定任意一種無平均直流分量的編碼方式，例如曼徹斯特碼，差分曼徹斯特碼，歸零碼等；步驟a12，選擇無調製方式或幅度無變化的載波調製方式，載波調製方式可以選定任意一種幅度無變化的調製方式，例如載波可以採用正弦波、脈衝、三角波等，調製方式可以選為開關鍵控法(OOK)、相移鍵控法或頻移鍵控法(FSK)等；採用無調製方式時，編碼後的基帶信號直接經驅動電路驅動由發射線圈發射；步驟a13，選定發射磁感應強度幅值Br，方法為：在選定的小於f0的工作頻率、調製方式及編碼方式下，先選定典型雜訊終端及易於實現的移動射頻裝置內磁檢測及放大的增益參數，將包含移動射頻裝置的移動終端放置在離讀卡器為距離控制目標最遠處即Din+Dv距離處，如果移動射頻裝置採用霍爾器件、巨磁阻器件等檢測磁場強度值的磁感應電路接收，則讀卡器發射磁感應強度變化幅度恆定的磁場信號；如果移動射頻裝置採用線圈等檢測磁場強度變化率的感應電路接收，則讀卡器發射磁感應強度變化率幅度(即微分幅度)恆定的磁場信號，測試讀卡器未發送低頻交變磁場信號條件下移動射頻裝置內檢測電壓的固有雜訊電壓幅度Vn，然後測量讀卡器用選定的調製編碼方式發送低頻交變磁場信號時移動射頻裝置內的檢測電壓Vr，選擇發射幅度值Bgate或微分幅度值B_RATEgate，使Vr/Vn>SNR，SNR為移動射頻裝置的信噪比。SNR值的選擇通常越大越好，但是太大會造成讀卡器發送功率過大，實現困難，典型值可選擇SNR=10.當SNR確定，Br通過上述方式便確定了，根據系統選擇的磁感應電路類型不同，Br參數值分為兩種，霍爾器件及巨磁阻器件接收系統為磁感應強度幅值門限Bgate，線圈接收系統為磁感應強度變化率幅值門限B_RATEgate。

步驟b，移動射頻裝置在各距離點上接收、檢測所述低頻交變磁場信號並放大為與距離對應的幅度恆定的的電壓信號，進而通過預設的電壓門限Vt判斷裝載有所述移動射頻裝置的終端是否進入了預設的有效距離區間，所述電壓門限Vt對裝載有所述移動射頻裝置的所有終端相同；步驟b中，預設的電壓門限Vt通過下述步驟201至步驟203確定，前提是，確定讀卡器發射及移動射頻裝置接收是無波動的，或者兩者引起的接收檢測電壓波動遠小於δ_R 及δ_c ：步驟201，在選定的發射參數下，測量各典型終端和障礙物的電壓距離曲線，其中，發射參數包括低頻交變磁場信號的頻率、調製方式、編碼方式及發射磁感應強度幅值Br；步驟202，求取基準電壓距離曲線，基準電壓距離曲線是典型終端及障礙物曲線的中間值，其距離典型終端曲線的上邊界及下邊界的電壓幅度都為δ_T /2，如第7圖所示；步驟203，選定移動射頻裝置內檢測電壓門限值Vt，Vt值等於距離控制目標Din與(Din+Dv)分別對應的電壓值之間以dBmV為單位的電壓值的中間值。如第7圖所示，在基準電壓距離曲線上對應於Din的電壓為V5(dBmV)，對應於(Din+Dv)點的電壓值為V6(dBmV)，則Vt=V5-(V5-V6)/2(dBmV)。

步驟c，若與接收到的低頻交變磁場信號對應的電壓信號大於或等於預設的電壓門限Vt，則裝載有移動射頻裝置的終端進入了預設的有效刷卡區間，移動射頻裝置從接收到的低頻交變磁場信號中獲取讀卡器的身份標識資訊，並將其連同自身的身份標識資訊一起通過射頻通道傳送給讀卡器；步驟d，讀卡器接收移動射頻裝置通過射頻通道傳送的資訊，比較該資訊中讀卡器的身份標識資訊是否同自身的身份標識資訊一致，若一致則以自身的身份標識資訊和移動射頻裝置的身份標識資訊的結合作為組合位址，與移動射頻裝置通過射頻通道進行刷卡交易。此處，刷卡交易不單指電子支付，還可以是其他通過射頻通道進行的通訊過程，比如充值、消費、身份認證等，本文中的刷卡交易泛指通過射頻通道進行的通信，尤其指近距離通信中通過射頻通道進行的通信。

本發明中，低頻交變磁場信號的頻率處於特低頻頻段或甚低頻頻段或低頻頻段，其中，特低頻頻段的頻率範圍為300Hz～3000Hz，甚低頻頻段的頻率範圍為3KHz～30KHz，低頻頻段的頻率範圍為30KHz～300KHz。優選地，低頻交變磁場信號的頻率可以為300Hz～50KHz。優選地，低頻交變磁場信號的頻率可以為500Hz、1KHz、1.5KHz、2KHz、2.5KHz、3KHz、4KHz、5KHz、10KHz、20KHz或30KHz。

本發明近距離通信方法採用低頻磁場單向通訊和射頻電磁場高速雙向通訊的結合，從而避免了NFC系統中採用唯一13.56MHz頻點雙向通訊及距離控制帶來天線問題及終端信號衰減差異大等問題。本方法中，讀卡器利用低頻單向通道將自身唯一標識Idr(即前述的身份標識資訊)傳給移動射頻裝置，移動射頻裝置通過射頻雙向通道將自身唯一標識IDc附加在IDr後回傳給讀卡器，讀卡器比較回傳的IDr的正確性，進而實現了讀卡器與移動射頻裝置的唯一綁定。綁定後讀卡器與移動射頻裝置採用射頻雙向通道實現高速大資料量的通訊，直至本次交易完成。

本發明近距離通信方法實現了含有移動射頻裝置的射頻通信終端(如裝有射頻SIM卡的手機)與讀卡器的資料通信距離(也即交易距離)可靠地控制在規定範圍內，並且無需對終端進行校準。

為了實現上述的近距離通信方法，本發明還提出了一種近距離通信系統。本發明的近距離通信系統包括至少一個讀卡器和至少一個移動射頻裝置，其中：讀卡器用於按照預設的發射參數發射低頻交變磁場信號，該低頻交變磁場信號中攜帶該讀卡器的身份標識資訊，其中，發射參數包括低頻交變磁場信號的頻率，該頻率等於或小於系統無校準工作的最高頻率f0；讀卡器還用於接收移動射頻裝置通過射頻通道傳送的資訊，比較該資訊中讀卡器的身份標識資訊是否同自身的身份標識資訊一致，若一致則以自身的身份標識資訊和移動射頻裝置的身份標識資訊的結合作為組合位址，與移動射頻裝置通過射頻通道進行刷卡交易；移動射頻裝置，用於在各距離點上接收、檢測讀卡器發射的低頻交變磁場信號並放大為與距離對應的幅度恆定的的電壓信號，進而通過預設的電壓門限Vt判斷裝載有該移動射頻裝置的終端是否進入了預設的有效距離區間，其中，電壓門限Vt對裝載有該移動射頻裝置的所有終端相同；移動射頻裝置還用於在與接收到的低頻交變磁場信號對應的電壓信號大於或等於預設的電壓門限Vt時，從接收到的低頻交變磁場信號中獲取讀卡器的身份標識資訊，並將其連同自身的身份標識資訊一起通過射頻通道傳送給讀卡器；移動射頻裝置還用於與讀卡器通過射頻通道進行刷卡交易。

其中，身份標識資訊可以為識別碼ID。

由上述可見，本發明近距離通信系統中的讀卡器具有低頻發射功能和射頻收發功能這樣兩個基本功能，也可以說本發明近距離通信系統中的讀卡器具有低頻發射模組和射頻收發模組這樣兩個基本模組；本發明近距離通信系統中的移動射頻裝置具有低頻接收功能和射頻收發功能這樣兩個基本功能，也可以說本發明近距離通信系統中的移動射頻裝置具有低頻接收模組和射頻收發模組這樣兩個基本模組。

進一步地，上述的近距離通信系統可以由如下的具體電路來實現：讀卡器包括至少一個低頻發射線圈、至少一個驅動電路、至少一個編碼電路、至少一個第一主處理器、至少一個射頻收發電路和至少一個射頻天線，其中，低頻發射線圈、驅動電路、編碼電路、第一主處理器、射頻收發電路、射頻天線、順次串聯連接；移動射頻裝置包括至少一個低頻磁感應電路、至少一個低頻放大電路、至少一個門限判斷及解調電路、至少一個第二主處理器、至少一個射頻收發電路和至少一個射頻天線，其中，低頻磁感應電路、低頻放大電路、門限判斷及解調電路、第二主處理器、射頻收發電路、射頻天線順次串聯連接。優選地，在上述具體實現電路中，讀卡器的驅動電路和編碼電路之間還可以設有調製電路。

在上述具體實現電路中，讀卡器中的低頻發射線圈、驅動電路和編碼電路(帶調製電路時，還包括調製電路)可以認為是低頻發射模組的組成部分，讀卡器中的第一主處理器、射頻收發電路和射頻天線可以認為是讀卡器中射頻收發模組的組成部分；移動射頻裝置中的低頻磁感應電路、低頻放大電路和門限判斷及解調電路可以認為是低頻接收模組的組成部分，移動射頻裝置中的第二主處理器、射頻收發電路、射頻天線可以認為是移動射頻裝置中射頻收發模組的組成部分。

優選地，在上述具體實現電路中，低頻發射線圈可以為漆包線線圈或PCB線圈。進一步地，低頻發射線圈的匝數可以大於10圈。優選地，低頻發射線圈的匝數為50～500圈。優選地，低頻發射線圈內填塞有鐵氧體磁芯或鐵芯。優選地，低頻發射線圈所包圍面積的截面最寬處大於移動射頻終端的截面寬度。優選地，低頻發射線圈所包圍面積的截面至少包含直徑3cm的圓形區域或者3cm*3cm的方形區域。

優選地，上述的低頻磁感電路可以為PCB線圈、漆包線線圈、霍爾器件或巨磁阻器件。

本發明中，移動射頻裝置可以置於移動終端中，也可以置於移動終端內的SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡或SD卡中。其中，移動終端可以為手機、個人數位助理PDA或筆記型電腦等。

下面對本發明近距離通信系統的原理進行說明：

1、系統無校準工作的最高頻率f0的選定方法及裝置在前述近距離通信方法的內容中已有闡述，此處不再贅述；

2、距離測量和控制實現原理如下：讀卡器根據距離控制目標，以設定的發射參數持續不斷的迴圈發送不高於選定頻率f0的低頻交變磁場信號，該信號中以調製或直接基帶傳送的方式攜帶資料幀，資料幀內包含讀卡器的唯一識別碼Idr(當然也可以是其他身份標識資訊)。當裝載有移動射頻裝置的移動終端置於讀卡器周圍，低頻交變磁場信號穿透該終端到達其內部的移動射頻裝置，移動射頻裝置在各距離點上檢測該磁場信號並放大為與距離對應的幅度恆定的的電壓信號，當電壓的幅度低於卡內預設的接收電壓門限值Vt，表示終端未進入有效刷卡距離範圍，不允許刷卡；當電壓的幅度高於卡內預設的接收電壓門限值Vt，表示終端進入讀卡器預定的有效刷卡範圍，移動射頻裝置內的低頻接收電路(指前述的低頻磁感應電路、低頻放大電路和門限判斷及解調電路)啟動解碼過程，得到讀卡器的唯一標識碼IDr。另一方面，移動射頻裝置內磁場轉換後的電壓信號與讀卡器和移動射頻裝置之間的距離存在一一對應關係，該關係由電壓距離變化曲線確定，根據該對應關係，可以由該電壓確定移動射頻裝置與讀卡器之間的距離，從而間接的確定了移動終端與讀卡器的距離。Vt和發射參數的設定是一次工作，一旦設定在使用中無需更改。

3、移動射頻裝置接入讀卡器的過程原理：移動射頻裝置接入讀卡器主要包含讀卡器和移動射頻裝置的唯一綁定過程。這裡舉例說明該綁定過程：移動射頻裝置中從低頻信號中解出讀卡器唯一識別碼IDr後傳送到移動射頻裝置內的第二主處理模組，該第二主處理模組將移動射頻裝置的唯一識別碼IDc連同收到的IDr一起，通過RF收發模組發送給讀卡器，讀卡器收到移動射頻裝置返回的(IDr,IDc)後，確認識別碼為IDc的移動射頻裝置正確的返回了讀卡器的識別碼IDr，是本次交易的唯一通訊終端。由於IDr編碼保證了該讀卡器周圍其它讀卡器的識別碼在該時刻不相同，因此識別碼為IDc的移動射頻裝置確認了其與識別碼為IDr的讀卡器建立了唯一的通訊。至此，移動射頻裝置和讀卡器實現了唯一綁定，雙方通過(IDr,Idc)組合位址唯一的識別對方。綁定後的通訊過程採用RF通道進行交互不會產生錯誤。移動射頻裝置接入成功後，距離控制過程完成，可在RF通道上進行後續的交易過程，直至交易結束。

4、交易過程：讀卡器和移動射頻裝置通過RF通道建立了可靠的唯一通訊鏈路，在該鏈路基礎上，雙方可以實現交易所需的身份認證及其他交易所需的過程。所有這些過程均通過快速的RF通道完成，由於前述過程的完成保證了只能在預定的距離範圍內完成接入，因此整個交易過程也是在限定範圍內的近距離通訊。

下面通過實施例對本發明作進一步說明。

第8圖為本發明實施例中近距離通信系統的結構圖。如第8圖所示，該系統由2部分組成：讀卡器裝置100和移動射頻裝置200，該移動射頻裝置200放在移動終端內部，並通過移動終端通訊介面與終端交互。

讀卡器100由下述模組組成：第一主處理器101，負責讀卡器低頻及高頻的控制及其他協議處理，第一主處理器101通過介面電路102或直接連接到外部通訊介面；編碼電路108，負責將低頻幀資料進行逐比特編碼，調製電路107負責將編碼輸出的符號流對載波進行調製形成調製信號送給驅動電路106，不需要調製時編碼後的信號直接送給驅動電路106；驅動電路106，負責驅動低頻發射線圈105，產生低頻交變磁場301；由低頻發射線圈105、驅動電路106、調製電路107及編碼電路108構成的低頻發射模組，其發射場強值可更改並設定；低頻發射線圈105通常由較多匝數特定形狀的線圈構成；RF收發電路103，通過RF天線104接收及發射RF信號。

移動射頻裝置由下述模組組成：第二主處理器201，負責低頻及射頻模組的控制及其他協定處理，也負責和移動終端的通訊；SIM/TF/SD卡模組202為移動終端的SIM/TF/SD卡本體模組，具體何種模組由卡類型確定；低頻磁感應電路207，由PCB線圈、漆包線線圈、霍爾器件或其他能感應磁場變化的電路元件構成，負責感應低頻交變磁場信號301並轉換為電信號；低頻放大電路206負責放大低頻磁感應電路檢測到的電信號得到低頻磁檢測電壓信號303；門限判斷及解調電路205，負責對低頻磁檢測電壓信號303按照預設的門限Vt進行判決，未達到門限Vt不解調也不允許刷卡，達到門限Vt對信號進行解調，解調後的信號送給第二主處理器201；RF收發電路203通過RF天線204負責與讀卡器的RF收發模組完成RF雙向通訊。

系統通過預先設定好的門限判定方法來完成無需校準的距離檢測和控制，即讀卡器100按照預設的發射參數發射低頻交變磁場信號301，移動射頻裝置200接收該磁場信號轉換為低頻磁檢測電壓信號303，並通過預先設定的門限Vt來判斷終端是否進入預先設定的有效距離區間，該門限Vt對所有終端相同，無需針對不同終端修改(即所謂校準)。通過低頻單向通訊和RF雙向通訊結合的方法來完成讀卡器100和移動射頻裝置200的唯一綁定，即讀卡器100利用低頻單向通道將自身唯一標識IDr傳給移動射頻裝置200，移動射頻裝置200通過射頻雙向通道將卡自身唯一標識IDc附加在IDr後回傳給讀卡器100，讀卡器100比較回傳IDr的正確性，進而實現了讀卡器100與移動射頻裝置200的唯一綁定。綁定之後通過射頻通道來完成雙向的高速大資料量的通訊。

本實施例中，近距離通信系統的具體工作流程如下：

(一)首先，選定系統工作的基本參數，包括RF頻點，無校準低頻頻點f0，讀卡器發射參數，移動射頻裝置的接收電壓門限Vt。

1. RF頻點選擇

上述RF通訊的頻點通常採用2400～2483MH 2.4G ISM頻段，以實現高速的通訊和對終端的良好穿透性，也可以採用其它頻點，例如433MHz，900MHz，5GHz等。

2.　無校準低頻頻點f0選擇

採用前述方法確定系統低頻無校準工作頻點f0，對於典型的GSM移動通訊終端，要實現0～10cm範圍的距離控制，f0頻點通常小於10KHz，典型值包括500Hz，1KHz，1.5KHz，2KHz，2.5KHz，3KHz，5KHz等。

3.讀卡器發射參數的選擇

發射參數主要包括調製方式、編碼方式及發射磁感應強度幅值Br。

第9圖為讀卡器低頻發射部分示意圖。參見第8圖，讀卡器低頻發射電路由驅動電路106、調製電路107及編碼電路108構成的，驅動電路106驅動的低頻調製信號輸出到低頻發射線圈105。

調製電路107可以採用多種調製方式：

1)　載波調製方式調製：編碼電路108產生的基帶信號通過調製電路107對載波進行調製，載波可以為正弦波、方波及三角波等，調製可以採用開關頻移鍵控OOK、相移鍵控、頻移鍵控FSK等，調製後的信號通過驅動電路106載入到低頻發射線圈105上；

2)　無載波直接基帶發射：編碼電路108產生的基帶信號，通過驅動電路106直接載入到低頻發射線圈105上；

3)　其他調製方式：由於本發明系統採用門限判斷的方式進行距離控制，因此調製方式不宜採用幅度調製，凡是發送過程中能夠保持移動射頻裝置內檢測電壓幅度基本恆定的調製方式均可以用於本發明的近距離通信系統；

編碼電路108可以採用多種編碼方式：

1)　曼徹斯特編碼：比特1編碼為兩個符號01，比特0編碼為10。

2)　差分曼徹斯特編碼：有兩種比特符號序列：01及10，比特1編碼為與上一符號序列不同，比特0則相同，或者反過來編碼亦可。

3)　其他編碼方式：由於本發明系統採用門限判斷的方式進行距離控制，因此低頻調製信號必須保持均值穩定，編碼後的序列不能含有直流分量，凡是編碼後平均直流分量為零的編碼方式均可以用於本發明的近距離通信系統。

確定好調製方式和編碼方式後，採用前述方法，確定讀卡器發射磁感應強度幅值Br。調整Br的過程實際上是調整線圈匝數，線徑，形狀等參數的過程。

4.　移動射頻裝置接收電壓門限Vt的選擇

採用前述方法確定卡接收門限電壓Vt。

上述參數的選定是一次性的，一旦選定，工作中無需改變。

(二)　其次，工作參數確定後的系統工作流程如下：步驟A100：距離測量和控制過程。讀卡器100的第一主處理器101產生包含讀卡器的唯一識別碼IDr的資料幀，送給編碼電路108完成編碼，編碼後的信號通過調製電路107調製或不經調製直接送給驅動電路106，調製電壓送給低頻發射線圈105發射，通過預先設定好框架格式、調製編碼方式及驅動能力，發射線圈105以設定的強度Br持續不斷的按照上述框架格式迴圈發送指定參數的低頻交變磁場信號301。當移動終端置於讀卡器周圍，低頻交變磁磁場信號301穿透該終端到達內部的移動射頻裝置200，移動射頻裝置200內的低頻磁感應電路207檢測到低頻磁信號，轉換為電信號後經低頻放大電路206放大後得到低頻磁檢測電壓303，當電壓的幅度小於(或大於)於預設的接收電壓門限值Vt，不允許刷卡；當電壓的幅度大於等於於(或小於等於)預設的接收電壓門限值Vt，表示終端進入讀卡器預定的有效刷卡範圍，低頻接收電路啟動解碼過程，得到讀卡器的唯一標識碼IDr。另一方面，所述移動射頻裝置內磁場轉換後的電壓信號與讀卡器和移動射頻裝置之間的距離存在一一對應關係，該關係由電壓-距離變化曲線確定，根據該對應關係，可以由該電壓確定移動射頻裝置與讀卡器的距離，從而間接的確定了移動終端與讀卡器的距離。上述門限值Vt對所有終端均相同，無需針對每個終端修正，也就是無需知道校準，從而上述過程是一種無需校準的距離測量及控制過程；步驟A100中的框架格式定義如下：第10圖為讀卡器低頻數據框架格式示意圖，如第10圖所示，讀卡器低頻資料幀每幀分為如下域：同步碼：8比特，通常為FFH，用於幀同步；控制域：8比特，用於提供幀資料的解幀資訊，如長度，資料類型等，可留保留位用於擴展；IDr：N比特，讀卡器唯一識別碼，由控制域指定；CRC：對控制域，IDr進行校驗，可採用CRC校驗和或其他方式。

上面所述框架格式僅作為一種示例，不限制本發明實際採用的框架格式，原則上任何包含能唯一識別讀卡器的框架格式均可使用。唯一識別碼可採用足夠長度的亂數，也可採用所有讀卡器人工分配唯一碼的方式，或其他方式產生的識別碼。

步驟A200：移動射頻裝置接入讀卡器的過程：移動射頻裝置接入讀卡器主要包含讀卡器100和移動射頻裝置200的唯一綁定過程，實際上表示讀卡器和移動射頻裝置所在移動終端的唯一綁定過程。移動射頻裝置200內部低頻接收電路解出讀卡器唯一識別碼Idr後傳送到移動射頻裝置內第一主處理器201，該模組將移動射頻裝置自身的唯一識別碼Idc連同收到的Idr一起，通過移動射頻裝置內RF收發電路203和RF天線204發送給讀卡器100，讀卡器內部RF天線103和RF收發電路104收到移動射頻裝置返回的(IDr,IDc)後，傳送給第一主處理器101處理，第一主處理器101確認識別碼為IDc的移動射頻裝置正確的返回了讀卡器IDr，是本次交易的唯一通訊終端。由於IDr編碼保證了該讀卡器周圍其它讀卡器的識別碼在該時刻不相同，因此識別碼為IDc的卡確認了其與識別碼為IDr的讀卡器建立了唯一的通訊。至此，移動射頻裝置和讀卡器實現了唯一綁定，雙方通過(IDr,Idc)組合位址唯一的識別對方。綁定後的通訊過程採用RF通道進行交互不會產生錯誤。移動射頻裝置成功接入讀卡器後，距離控制過程完成，可在RF通道上進行後續的交易過程；步驟A200中的移動射頻裝置唯一識別碼IDc，是預先存儲在移動射頻裝置內非動態記憶體內(NVM)的唯一識別碼，或者是由移動射頻裝置內產生的足夠長的的亂數。

步驟A300：交易過程。讀卡器100和移動射頻裝置200通過RF通道建立了可靠的唯一通訊鏈路，在該鏈路基礎上，雙方可以實現交易所需的身份認證及其他交易所需的過程。所有這些過程均通過快速的RF通道完成，直至本次交易結束。由於前述步驟A100～A200的完成保證了移動射頻裝置200只能在預定的距離範圍內完成接入，因此整個交易過程也是在限定距離範圍內才能完成交易。交易過程是成熟的POS機處理流程，本發明不做詳細描述。

移動射頻裝置200中低頻信號檢測電路207通常可以用PCB線圈、漆包線線圈或霍爾器件構成，該檢測電路並不僅限於用這幾種元件，原則上任何能將磁場變化轉變為電信號的感測器都可以用於該模組，唯一的限制是能放入卡內部。

本發明系統利用低頻交變磁場實現距離檢測和控制，並實現讀卡器和移動射頻裝置的單向通訊，利用RF通道結合低頻通訊實現終端的可靠綁定，同時利用RF通道實現讀卡器和移動射頻裝置之間高速的資料通訊。其具有如下特點點：1.可以無需改造移動終端，只需更換終端內部的SIM卡/TF/SD卡，即可實現可靠的雙向距離通訊；2.讀卡器發射低頻交變磁場信號，移動射頻裝置只需接收該磁場信號，由於是單向通訊，並且無需讀卡器通過磁場提供能量，因此可以將接收線圈或其他接收電路小型化，足以將移動射頻裝置放入SIM卡/TF/SD卡內；3.由於接收信號較弱，移動射頻裝置內需要增加放大電路。另外移動射頻裝置內同時放置RF收發電路，與讀卡器內的RF收發電路實現雙向高速通訊，如前面所述，RF電路的天線很小，可以輕易的集成到SIM卡/TF/SD卡內。

依照本發明所述方法選定的頻點f0，系統在該頻點以下工作無需校準，作為一種擴展，系統工作在f0頻點以上，也不是絕對不行，可能的效果是性能降低，距離控制的精度降低，同時可能需要輔以簡單的校準，這些應用並不與本發明所述原則從根本上衝突，只是一種性能改變的延伸應用。

本發明近距離通信系統實現了含有移動射頻裝置的射頻通信終端(如裝有射頻SIM卡的手機)與讀卡器的資料通信距離(也即交易距離)可靠地控制在規定範圍內，並且無需對終端進行校準。

採用本發明所述的系統和方法，選擇合適的無校準工作的最高頻點f0，用低於f0的低頻交變磁場進行距離測量和控制，移動終端間結構差異的影響可以減小到距離控制目標所要求的波動範圍之內，從而實現無校準距離控制。第11圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，用信號源通過低頻發射線圈發射恆定1KHz磁場條件下測試的電壓距離曲線。如第11圖所示，為系統在1KHz頻率下多個典型終端的電壓距離曲線實例。其中信號強度值是接收天線感應電壓經過必要的放大後的值，放大倍數保持恆定，只需關注強度隨距離的相對變化。從第11圖可以看出，終端之間的場強差異<5dB，而各終端在1～10cm範圍的場強變化範圍達到40dB，不考慮讀卡器發射場強波動及移動射頻裝置檢測電路的誤差，移動射頻裝置端採用統一的門限Vt來判斷各終端是否在目標距離範圍之內，距離控制的誤差在終端之間的差異大致為1cm範圍，完全滿足無校準距離控制的要求。

射頻IC卡、射頻存儲卡

作為近距離通信的一方，移動射頻裝置通常是置於移動終端內的IC卡(例如SIM卡、UIM卡、USIM卡等)或存儲卡(例如TF卡、SD卡、MMC(Multi Media Card，多媒體卡)卡等)中，我們將置有移動射頻裝置的IC卡和存儲卡分別稱為射頻IC卡和射頻存儲卡。

第12圖為本發明實施例中射頻IC卡的結構圖。如第12圖所示，本實施例中，射頻IC卡1200由移動射頻裝置和SIM/UIM/USIM卡模組(可以統稱為IC卡模組)1202以及介面模組1207組成。第12圖中，移動射頻裝置包括至少一個低頻磁感應電路1206、至少一個低頻放大電路1215、至少一個比較電路1225、至少一個解調電路1235、至少一個解碼電路1245、至少一個第二主處理器1201、至少一個RF(射頻)收發電路1203和至少一個RF(射頻)天線1204，其中低頻磁感應電路1206、低頻放大電路1215、比較電路1225、解調電路1235、解碼電路1245、第二主處理器1201、RF收發電路1203、RF天線1204順次串聯連接。其中，比較電路1225、解調電路1235和解碼電路1245組成了移動射頻裝置的門限判斷及解調電路。在本發明的其他實施例中，移動射頻裝置的門限判斷及解調電路中也可以不包括解調電路1235，而只由比較電路1225和解碼電路1245組成。第12圖中，低頻放大電路1215、比較電路1225、解調電路1235和解碼電路1245組成低頻信號接收及處理模組1205。其中，第二主處理器1201與前述的移動射頻裝置中的第二主處理器是相同的。其中，低頻磁感應電路1206、低頻放大電路1215、門限判斷及解調電路(包括比較電路1225、解調電路1235和解碼電路1245)組成的低頻接收鏈路工作於預先選定的系統無校準工作的最高頻率f0以下的頻率。系統無校準工作的最高頻率f0的確定方法前面已有闡述，此處不再贅述。低頻接收鏈路將恆定幅度或微分幅度恆定的低頻交變磁場經過磁電轉換得到幅度恆定的檢測電壓，該幅度的誤差為δc dB。

通過選擇不同的低頻磁感應電路及低頻放大電路的放大倍數可以選擇不同的低頻接收鏈路的體積，從而移動射頻裝置可以選擇放入不同體積要求的載體中。若低頻磁感應電路為線圈，則低頻接收鏈路的體積取決於低頻磁感應電路轉換增益及低頻放大電路的放大倍數。磁電轉換增益轉換公式為：K*A=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate為磁感應強度變化率的門限值，磁感應強度變化率B_RATE=dBr/dt，A為低頻放大電路的放大倍數，K為低頻磁感應電路轉換增益；低頻磁感應電路轉換增益與低頻放大電路的放大倍數的乘積為與移動終端所應用的系統最遠刷卡距離對應的系統預設值，最遠刷卡距離即在該距離處讀卡器發射場強參數值為B_RATEgate，同時移動裝置內部檢測電壓剛好為門限值Vt，此時允許刷卡，超過該距離發射場強持續衰減並小於B_RATEgate，移動裝置內部檢測電壓小於Vt，不允許刷卡。上述關係式中Vt及B_RATEgate是由系統確定的值，因此K*A值確定，線圈的體積主要由K值確定，線圈匝數越多，K越大，體積越大，A值的大小對低頻放大電路的體積基本無影響，因此磁電轉換總增益在K和A之間的分配將決定低頻接收鏈路的體積。例如，如果移動射頻裝置放置到SIM卡中，選擇線圈匝數在1～20匝範圍內容易放置進入卡內的線圈體積，因此先確定了磁感應電路轉換增益，再選擇低頻放大電路較大的增益即可。若移動射頻裝置放置在終端主機板上，這可以增大線圈匝數及面積，放大器增益可降低，好處是信噪比有提升，壞處是低頻接收鏈路體積變大。低頻磁感應電路為線圈時，低頻接收鏈路的磁電轉換增益A*K為預設值的情況下，改變A和K的增益分配，可以改變低頻接收鏈路的體積及接收信號的信噪比，增大K，減小A，體積增大，信噪比增大；減小K，增大A，體積減小，信噪比減小。

若磁感應電路為霍爾器件或巨磁阻器件，則低頻接收鏈路的體積與所述低頻磁感應電路轉換增益及低頻放大電路的放大倍數關係不大。

第12圖中，第二主處理器1201、SIM/UIM/USIM卡模組1202、RF收發模組1203、低頻信號接收及處理模組1205、介面模組1207可以由集成到一個IC(積體電路)內部的電路及週邊無源器件組成，也可以任意組合進不同的IC內部後，加上週邊無源器件組成。

其中，RF天線1204，不能集成到IC內部，可以使用PCB天線，由PCB的銅皮印製線路組成。

低頻磁感應電路1206用於接收低頻磁場信號，將低頻磁場信號變換為對應的電壓信號後送給後面的低頻放大電路1215。低頻磁感應電路1206可以由PCB線圈、漆包線線圈、霍爾器件、巨磁阻器件等實現。一般情況下，低頻磁感應電路1206輸出的信號1302與其所處環境的低頻磁場信號強度信號1301或者低頻磁場信號強度信號變化率1301之間是固定的線性比例關係，即1302=1301*K,其中K是常數，K取決於低頻磁感應電路1206的特性參數。低頻磁感應電路1206輸出的信號1302可以是電壓信號，也可以是電流等其他信號，一般情況下信號1302是電壓信號。如果低頻磁感應電路1206使用霍爾器件或巨磁阻器件構成，電壓信號1302與低頻磁場信號強度1301成正比。如果低頻磁感應電路1206使用PCB線圈或漆包線線圈構成，電壓信號1302與低頻磁場信號強度信號變化率1301成正比。典型的天線為沿卡片的最外圈N匝pcb銅皮組成的環狀微分幅度恆定感應天線，輸出的是電壓信號1302。例如，應用於SIM卡的4匝pcb銅皮線圈天線的一種結構如第13圖所示。

第二主處理器1201實現整個射頻IC卡1200的協調控制處理，第二主處理器1201裡面含有各種控制硬體、程式模組以及記憶體。第二主處理器1201由IC及週邊無源元件實現，主要功能由IC實現，週邊元件只起輔助作用。

SIM/UIM/USIM卡模組1202與第二主處理器1201連接，與第二主處理器1201之間有應用資料的交互。SIM/UIM/USIM卡模組1202主要由IC實現。第二主處理器可以與SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的處理器為同一共用處理器。即用一個共用的處理器同時做第二處理器和SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡中的處理器所要做的工作。

介面模組1207與第二主處理器1201連接，第二主處理器1201通過介面模組1207與移動終端的通訊介面相連，並與移動終端進行資料交互。介面模組1207由IC實現，一般情況下第二主處理器1201和介面模組1207集成在同一片IC內部。SIM/UIM/USIM卡模組1202可以通過第二主處理器1201以及介面模組1207與移動終端進行資料交互，完成應有的功能。

低頻信號接收及處理模組1205與第二主處理器1201連接，也與低頻磁感應電路1206連接。低頻信號接收及處理模組1205接收從低頻磁感應電路1206傳送過來的低頻磁場信號1302，將低頻磁場信號1302放大A倍後得到信號1303，即信號1303=A*信號302。低頻信號接收及處理模組1205比較信號1303是否大於設定的門限Vt，並將比較結果發送給第二主處理器1201。低頻信號接收及處理模組1205還將信號1303中資料資訊解碼出來，送給第二主處理器1201。低頻信號接收及處理模組1205接受第二主處理器1201的控制，接收第二主處理器1201送過來的門限Vt等控制資訊。

RF收發電路1203與第二主處理器1201連接。RF收發電路1203與RF天線1204連接，通過RF天線1204收發空中的射頻信號400。RF收發模組1203和RF天線1204一起在第二主處理器1201的控制下，完成與讀卡器的射頻資料通訊。

低頻磁感應電路1206與低頻信號接收及處理模組1205連接，接收空中讀卡器發射的低頻磁場信號1301，變換為低頻磁場信號1302，送給低頻信號接收及處理模組1205進行處理。

低頻信號接收及處理模組1205由低頻放大電路1215、比較電路1225、解碼電路1245、以及可選的解調電路1235組成。解調電路1235可選，當對低頻磁場傳遞的數位信號只進行基帶編碼而不進行調製解調時，不需要使用解調電路1235，否則需要使用解調電路1235。

低頻放大電路1215接收低頻磁感應電路1206送來的低頻磁場信號1302，將低頻磁場信號1302放大A倍後得到信號1303。信號1303送給比較電路1225進行處理。信號1303還送給解調電路1235進行處理，如果沒有解調電路1235，信號1303直接送給解碼電路1245進行處理。允許刷卡的磁感應強度門限Bgate或磁感應強度變化率門限B_RATEgate、低頻磁感應電路1206的傳感係數K，低頻放大電路1215的放大倍數A，設置的門限電壓信號Vt之間必須滿足下列關係，即Bgate*K*A=Vt或B_RATEgate*K*A=Vt。其中，低頻放大電路1215的放大倍數A是可以通過軟體設置的。

比較電路1225與第二主處理器1201連接，接收從低頻放大電路1215送過來的信號1303，比較信號1303是否超過門限Vt，如果信號1303與門限Vt比較發生變化，就將變化情況的資訊發送給第二主處理器1201。門限Vt由第二主處理器1201設置，並存儲在比較電路1225內。比較電路1225將信號1303與Vt進行比較時，Vt值也是可以通過軟體設置的。

解調電路1235與解碼電路1245連接，接收從低頻放大電路1215送來的信號1303，解調後的基帶信號送給解碼電路1245。

解碼電路1245與第二主處理器1201連接，接收低頻放大電路1215或者解調電路1235送來的基帶信號，解碼後得到讀卡器通過低頻磁場發送過來的資訊，送給第二主處理器1201。解碼電路1245可以使用差分曼切斯特解碼器的技術來實現。

射頻存儲卡由移動射頻裝置和TF/SD/MMC卡模組(可以統稱為存儲卡模組)以及介面模組組成。在第12圖中，只需將射頻IC卡的SIM/UIM/USIM卡模組1202更換為TF/SD/MMC卡模組即可得到射頻存儲卡。射頻存儲卡的其他部分與射頻IC卡一致，此處對射頻存儲卡不再贅述。第16圖為應用於TF卡的4匝pcb線圈天線結構示意圖。

利用上述的射頻IC卡/射頻存儲卡，可以實現下面的功能：

1、低頻磁場單向資料通訊功能

本發明的射頻IC卡/射頻存儲卡，可以接收低頻磁場中的資料資訊。資料資訊的編碼調製方式可以使用現有的各種成熟技術。例如可以使用差分曼切斯特編碼技術，使用低頻磁場變化率直接傳遞編碼後的差分曼切斯特編碼基帶信號。

每一個固定時間長度的週期傳送一個資料bit(比特)，在一個bit的傳送期間的中間時刻，電平必須發生變化，但兩個不同bit傳送的分界時刻，電平可以變化，也可以不變化。所以，一個bit傳送期間的中間時刻的碼字只有兩個：01，10。發送比特1，採用和上一個碼字不同的碼字。發送比特0，採用和上一個碼字相同的碼字。第14圖為5bit資料11010的差分曼切斯特編碼格式以及場強、線圈接收電壓波形圖。第14圖中為5bit資料11010的差分曼切斯特編碼格式圖，b為a對應的場強圖，c為線圈接收到的對應的電壓波形圖。由第14圖可見，差分曼切斯特編碼中，不同代表1，相同代表0。

2、將幅度恆定或微分幅度恆定的低頻交變磁場經過磁電轉換得到幅度恆定的檢測電壓，並進行門限比較功能以及控制刷卡功能。

幅度恆定低頻交變磁場是磁感應強度變化幅度恆定的低頻交變磁場，例如方波及正弦波。

微分幅度恆定低頻交變磁場是指磁感應強度的變化率的變化幅度恆定的低頻交變磁場，例如三角波及正弦波。

幅度恆定(或微分幅度恆定)信號1301經低頻磁感應電路塊1206變換為低頻磁場電壓信號1302，設1301磁感應強度為Br，磁感應電路接收靈敏度為K；則電壓信號1302=K*Br或K*dBr/dt。

低頻放大電路1215將電壓信號1302放大A倍，得到電壓信號1303，則：電壓信號1303=A*電壓信號1302。

所以，電壓信號1303=K*A*Br或K*A*dBr/dt。

只要測得電壓信號1303就可以換算為對應的幅度恆定(或微分幅度恆定)信號1301。

比較電路1225比較電壓信號1303是否大於Vt，並將比較結果資訊送給第二主處理器1201。第二主處理器1201根據比較結果資訊確定是否允許刷卡。

而移動射頻裝置的低頻接收鏈路測量場強是有誤差的，該誤差基本等於射頻IC卡/射頻存儲卡的誤差，誤差來源於下述a)～e)5個方面：

a)　感測器(低頻磁感應電路)變換係數K的誤差比率eK(db)；

b)　放大器(低頻放大電路)放大倍數A的誤差比率eA(db);

c)　比較器(比較電路)誤差比率eO(db)；

d)　放大器(低頻放大電路)允許等效輸入雜訊係數eN(db)；

e)　其他誤差eC(db)；這5個誤差均已包含由於溫度，電壓等工作環境因素引起的誤差。

由讀卡器及內置移動射頻裝置的移動終端所構成的系統為了達到無校準距離控制的目標，對檢測電壓的波動在系統中的各個環節分配，分配到移動射頻裝置本身可允許的波動稱為移動射頻裝置引起的低頻檢測電壓波動範圍δc(db)。上述五個移動射頻裝置射頻IC卡/射頻存儲卡的誤差因數的總和必須小於系統分配給卡的誤差指標δc(db)。即：

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

低頻放大電路1215集成在卡晶片內部，一般情況下晶片內部的工作電源電壓為1伏的數量級，所以，以幅度恆定檢測電路為例，對應的Vt應該在1伏的數量級，那麼，Bgate*K*A應該約為1V，這樣要求K*A=Vt/Bgate=1伏/Bgate。而低頻放大電路的放大倍數A，是由晶片設計時設計確定的，理論上可以有很大的範圍可以自由選擇，但是一旦Bgate確定以及感測器確定K也就確定後，A的大小也就確定了，A=Vt/Bgate/K，一般情況下Vt可以取1V，則A可以取值為1V/Bgate/K。這樣一來，A的大小，由其他參數確定，但K的取值範圍就可以允許一個較寬的範圍，其結果是低頻磁感應電路1206的選擇就有了很大的靈活性。

由於低頻磁感應電路1206的選擇可以有較大的自由度，因此可以選擇在工程上易於在卡上實現的4匝pcb線圈作為低頻磁感應電路1206，見第13圖。當然也可以選擇其他參數的感測器。使用4匝pcb線圈感測器有以下優點：1、易於實現，不增加卡上的結構，卡上本來就需要pcb；2、不增加卡的體積。從而這個方案的天線可以在卡上實現，不需要連接到卡以外的天線上。

射頻IC卡/射頻存儲卡的誤差餘量δc(db)的分配設計也是卡的一個重要內容。使用本方案的設計，誤差餘量δc(db)需要分配到下列5個因素中：

a)　感測器(低頻磁感應電路)變換係數K的誤差比率eK(db)；

b)　放大器(低頻放大電路)放大倍數A的誤差比率eA(db)；

c)　比較器(比較電路)誤差比率eO(db)；

d)　放大器(低頻放大電路)允許等效輸入雜訊係數eN(db)；

e)　其他誤差eC(db)。

比如，如果最遠允許刷卡距離Dmax要求為10cm，最近必須刷卡距離Dmin為5cm，那麼從第15圖中可以看出10cm的最強信號為12db，5cm最弱信號為28db，那麼總的誤差餘量有28-12=16db，其中只分配4db的誤差餘量給卡，那麼δc(db)=4db。eK(db)，eA(db)，eO(db)，eO(db)，eC(db)平均分配的話，每一個都有0.8db。而低頻磁感應電路1206使用4匝pcb線圈的話，由於PCB生產工藝已經非常成熟，其尺寸誤差在0.1mm以內，而其K值誤差主要決定於線圈的面積誤差，可以計算出K的百分數誤差約為0.1mm*0.1mm/25mm/15mm，大概為2.67*10-5，換算為db數為20log(1+2.67*10-5)=0.0023db。其數值遠遠小於0.8db。低頻放大電路放大倍數A的誤差比率eA決定於積體電路工藝中的電阻比值，其比值的誤差，現有工藝條件下，很容易就可以做到1%以下，換算為db數應該為20log(1+0.01)=0.086db，也遠遠小於0.8db。比較電路誤差以及其他誤差不再分析。以上誤差分配及分析說明，使用本方案可以容易的實現距離控制的目標。

為了達到不更改移動終端，只需更換移動終端內的SIM/UIM/USIM/SD/TF/MMC卡，實現電子支付等刷卡交易，本發明提出了一種低頻交變磁場距離控制方法，應用於包含上述移動射頻裝置的各種移動終端，包括如下步驟：前提：移動裝置工作於預先選定的系統無校準工作頻點f0以下的頻點。

步驟a，對接收到的低頻交變磁場信號Br進行磁電轉換，將低頻交變磁場信號轉換為電信號Vo。若Br為幅度恆定的低頻磁場信號，則磁電轉換公式為Vo=A*K*Br；若Br為微分幅度恆定的低頻磁場信號，則磁電轉換公式為Vo=A*K*dBr/dt，其中K為磁感應電路增益，A低頻放大電路增益，A*K為磁電轉換增益，該增益預先設定，使用中無需更改；磁電轉換存在誤差，也就是Vo存在波動，波動範圍為δc(db)；步驟b，若低頻磁感應磁信號轉換的電信號Vo大於預設的比較電壓信號門限Vt，則解碼出讀卡器的身份識別標識IDr，進入射頻通訊，通過射頻通道將IDr連同移動裝置本身的唯一識別碼IDc一同傳送給讀卡器，同時持續監控低頻磁感應信號；步驟c，進行射頻通訊，將射頻通訊資料拆分為多個資料包分次收發，每次射頻收包或發包都檢查Vo是否大於Vt若是則繼續射頻通訊直至交易結束，否則結束本次交易的射頻通訊，返回步驟a。

步驟a中磁電轉換增益的確定方法如下：步驟a1，確定磁感應增益K。選定移動射頻裝置所在載體上易於工程實現的磁感應電路，如線圈，霍爾器件及巨磁阻器件，從而選定了磁感應增益K；步驟a2，在下述原則下任意選定低頻放大電路的增益A

1)　移動裝置在任意位置處接收到的磁感應強度Br小於系統安全規範要求的值；

2)　移動裝置放置於系統指定的一種或多種載體(比如移動終端)中，並在系統要求的距離控制目標最遠可接收距離處，磁感應信號經過磁電轉換後的信號信噪比大於SNR。通常SNR>5；

3)　若低頻磁感應電路為霍爾器件或巨磁阻器件，用於檢測幅度恆定的低頻交變磁場信號：A*K=Vt/Bgate，其中Bgate為磁感應強度門限；若磁感應電路為線圈，用於檢測微分幅度恆定的低頻交變磁場信號：A*K=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate為磁感應強度變化率的門限值，磁感應強度變化率B_RATE=dBr/dt。

若低頻磁感應電路為線圈，移動射頻裝置放置在SIM、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡或MMC卡中，線圈的匝數可以為1～20匝，放大器增益A大於100；若低頻磁感應電路為線圈，移動裝置放置在移動終端中，在滿足上述磁電轉換增益選擇方法的條件下，線圈匝數無限制，低頻放大電路的增益A無限制。

步驟a中，移動射頻裝置檢測電壓的波動範圍δc的選擇及控制方法如下：δc的選擇方法如下：δc是由讀卡器及內置移動射頻裝置的移動終端所構成的系統為了達到無校準距離控制的目標，對檢測電壓的波動在系統中的各個環節分配，分配到移動射頻裝置本身可允許的波動稱為移動射頻裝置引起的低頻檢測電壓波動範圍δc(db)。由於低頻接收鏈路的工作頻點很低，造成檢測電壓波動的因素：低頻磁感應電路增益誤差，低頻放大器放大倍數誤差，比較電路誤差，電路雜訊，電路溫度係數引起的誤差等影響很小，因此卡的波動範圍可以確定的比較小，例如2～6dB。

δc的控制方法如下：為解決多個移動射頻裝置間檢測場強的差異問題，本發明提出了基於如第17圖所示誤差控制系統的誤差控制方法，應用於上述的移動射頻裝置。第17圖中，標準讀卡器505中的發射線圈504向處於固定距離的移動射頻裝置501及處於固定位置的標準障礙物502發射幅度恆定或微分幅度恆定的低頻磁場信號。移動射頻裝置501通過與卡通訊的裝置503和PC機相連。δc的控制方法包括如下步驟：假設移動裝置所應用的各種移動終端對低頻交變磁場信號的衰減的最大波動範圍為δT，則誤差控制系統中標準障礙物的衰減為δT/2，該障礙物的作用是使移動射頻裝置收到的低頻交變磁場的衰減是各種終端衰減的中間值。

步驟601：如第17圖，標準讀卡器在固定距離及位置上發射幅度恆定或微分幅度恆定的低頻交變磁場信號，該系統下幅度值Bgate或微分幅度值B_RATEgate的磁場經過磁電轉換後的電壓值應當為幅度為Vt附近的電壓信號Vo；步驟602：確定一個合理的Vo範圍值=(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)，其中δcx<δc，這是因為δc包含多種波動因素，為簡化誤差控制系統及方法，部分因素不能完全測量，例如溫度誤差等；步驟603：測量移動射頻裝置中低頻放大電路的輸出電信號Vo，如果Vo超出(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)範圍，則通過軟體設置調整低頻放大電路的放大倍數A，直到Vo在上述範圍內；步驟604：通過軟體設置移動射頻裝置的Vt值為步驟603調整A後的輸出電信號Vo。

應用本發明能夠實現無校準的移動終端支付，下面結合實例具體說明實現無校準的移動終端支付的方法和過程。

實現過程有以下幾個前提條件：前提條件1：配套的讀卡器發射的低頻磁場信號強度已經調整好，其場強空間分佈已經符合距離控制的要求；進一步地，微分幅度恒定的磁場信號，允許刷卡的場強門限Bgate的磁感應強度變化率為±26500A/m/s(26500安每米每秒)，如果是2KHz的磁場信號，磁感應強度的峰值為±3.32A/m，其峰峰值磁感應強度是6.64A/m，如果是1KHz的磁場信號，磁感應強度的峰值為±6.64A/m，其峰峰值磁感應強度是13.28A/m；前提條件2：射頻IC卡/射頻存儲卡在出廠前，設置有合適的門限電壓Vt，該門限電壓Vt對應於需要限定的刷卡操作距離；進一步地，門限電壓Vt對應於允許刷卡的場強門限Bgate的磁感應強度變化率為±26500A/m/s時，低頻磁感應電路的輸出電壓1302放大後的峰峰值電壓Vt為1V；磁感應強度變化率為±26500A/m/s時，低頻磁感應電路的輸出電壓峰峰值為100uV，則放大倍數A=Vt/100uV=1V/100uV=10000；前提條件3：射頻IC卡/射頻存儲卡和讀卡器之間的通訊和刷卡協定已經規定好；進一步地，射頻IC卡/射頻存儲卡和讀卡器之間的資料位元流可以使用2K串列傳輸速率的差分曼切斯特編碼基帶信號進行資料傳送。資料資訊以資料幀為單位進行傳送，資料幀bit流的編碼方式如下：每幀資料有9bit的同步頭，同步頭為8bit的1，後面一個0。同步頭後面的資料資訊中，連續7個1後面添加一位元0，用於區分資料資訊和同步頭；前提條件4：射頻IC卡/射頻存儲卡已經安裝於移動終端內，並且已經準備好做刷卡操作；前提條件5：讀卡器已經準備好，連續發射攜帶有讀卡器資料幀資訊Idr數位資訊的低頻磁場信號；進一步地，資料幀資訊Idr中含有讀卡器的RF模組的通道資訊；進一步地，讀卡器的RF模組的通道資訊是2480MHz到2483MHz之間的一個通道；前提條件6：低頻工作的頻點f0已經按照前述步驟確定好；前提條件7：射頻IC卡/射頻存儲卡的低頻放大電路的放大倍數A和門限Vt已經按照前述誤差控制的方法設置好。

實現該方法的射頻IC卡/射頻存儲卡如前所述。

實現刷卡操作的過程如下：

1、裝有前述射頻IC卡/射頻存儲卡的移動終端靠近讀卡器時，射頻IC卡/射頻存儲卡的低頻磁感應電路1206將所處位置的低頻磁場信號1301變換為低頻磁場電壓信號1302。低頻磁感應電路1206、低頻放大器電路1215以及比較電路1225是低耗電模組，其工作時的電源電流消耗小於300uA。低頻磁感應電路1206、低頻放大電路1215以及比較電路1225可以連續工作，消耗的電源電流不大，對電池供電的移動終端的電池待機使用時間沒有大的影響。射頻IC卡/射頻存儲卡中的其它模組大部分時間處於休眠狀態，基本不消耗電源電流；

2、低頻磁感應電路1206將低頻磁場電壓信號1302送給低頻信號接收及處理模組1205中的低頻放大電路1215，低頻放大電路1215放大後的電壓信號1303送給比較電路1225和解碼電路1245。進一步，如果是射頻sim卡，其形狀為長方形，其尺寸大小為25mm*15mm，低頻磁感應電路1206由4匝沿sim卡外框的pcb線圈組成，這樣的低頻磁感應電路1206在微分幅度恆定為±26500A/m/s的磁場中，將會感應到±50uV的峰值電壓信號，峰峰值為100uV；

3、比較電路1225將電壓信號1303與門限電壓Vt進行比較，並將比較結果送給第二主處理器1201。如果比較結果大於Vt，則喚醒卡的其它模組一起工作，否則，其它模組繼續休眠；

4、如果電壓信號1303大於門限電壓Vt，第二主處理器1201控制解碼電路1245對收到的電壓信號1303進行解碼，得到讀卡器Idr數位資訊。解碼電路1245將解碼出的讀卡器Idr數位資訊送給第二主處理器1201；

5、第二主處理器1201收到有效的讀卡器Idr後，從中找出通道資訊CH，控制RF收發電路1203通過RF天線1204以通道CH與讀卡器通訊，建立只有當前讀卡器和射頻IC卡/射頻存儲卡可以通訊的RF通訊通道CH，將收到的讀卡器Idr通過RF通訊通道發送給讀卡器；

6、讀卡器判斷從RF通訊通道收到的Idr是否為自己從低頻磁場信號中發送出去的Idr，如果不是，拒絕通訊，如果正確，啟動後續與卡的通訊直至完成所需的刷卡操作。刷卡操作過程射頻IC卡/射頻存儲卡與讀卡器需要多次的RF通訊，在每次進行RF通訊過程中，卡都要去判斷電壓信號1303是否小於門限電壓Vt，若小於Vt則立即結束RF通訊，結束還沒有完成的刷卡操作。刷卡操作過程中如果射頻IC卡/射頻存儲卡與移動終端交互資料，可以通過介面模組1207實現。刷卡操作完成後，除低頻信號接收及處理模組1205中的低頻磁感應電路1206、低頻放大電路1215以及比較電路1225外的模組繼續睡眠，一直持續到下次低頻磁場信號對應的電壓1303從小於Vt到大於Vt的變化後的刷卡操作。

7、移動終端支付的刷卡操作功能的實現由第二主處理器1201、SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡模組、RF收發電路1203以及RF天線1204一起配合讀卡器來完成；

8、SIM/UIM/USIM/TF/SD/MMC卡模組完成其應有的功能，在實現其功能時，要通過第二主處理器1201和介面模組1207與移動終端交互資料。

採用本發明，能夠實現無需校準的近距離通信，比如電子支付等。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

100．．．讀卡器裝置

101．．．第一主處理器

102．．．介面電路

103．．．RF收發電路

104．．．RF天線

105．．．低頻發射線圈

106．．．驅動電路

107．．．調製電路

108．．．編碼電路

200．．．移動射頻裝置

201．．．第二主處理器

202．．．SIM/TF/SD卡模組

203．．．RF收發電路

204．．．RF天線

205．．．門限判斷及解調電路

206．．．低頻放大電路

207．．．低頻磁感應電路

301．．．低頻交變磁場

303．．．低頻磁檢測電壓信號

400．．．射頻信號

501．．．移動終端

502．．．低頻接收模組

503．．．信號強度測試儀

504．．．低頻磁場發射線圈

505．．．信號源

1200．．．射頻IC卡

1201．．．第二主處理器

1202．．．SIM/UIM/USIM卡模組(IC卡模組)

1203．．．RF(射頻)收發電路

1204．．．RF(射頻)天線

1205．．．低頻信號接收及處理模組

1206．．．低頻磁感應電路

1207．．．介面模組

1215．．．低頻放大電路

1225．．．比較電路

1235．．．解調電路

1245．．．解碼電路

1301．．．低頻磁場信號強度信號

1302．．．低頻磁場信號

1303．．．信號

Vt．．．門限

第1圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，在同一14443 POS機上保持13.56MHz載波恆定的情況下測試的電壓-距離曲線；

第2圖為本發明近距離通信方法中系統無校準工作的最高頻率f0的選擇系統結構框圖；

第3圖為由距離控制目標(Din,Dv)確定系統總的接收檢測電壓波動範圍δ_A 的示意圖；

第4圖為典型終端及障礙物電壓距離曲線及其波動區間δ示意圖；

第5圖為頻率f為3.3KHz時5種典型移動終端的電壓距離曲線；

第6圖為移動射頻裝置內部檢測到的無調製直接基帶發射時的接收電壓信號和正弦波FSK調製時的接收電壓信號的電壓波形圖；

第7圖為基準電壓距離曲線的計算方法示意圖；

第8圖為本發明實施例中近距離通信系統的結構圖；

第9圖為讀卡器低頻發射部分示意圖；

第10圖為讀卡器低頻數據框架格式示意圖；

第11圖為線圈接收電路放入各種移動終端內，用信號源通過低頻發射線圈發射恆定1KHz磁場條件下測試的電壓距離曲線；

第12圖為本發明實施例中射頻IC卡的結構圖；

第13圖為應用於SIM卡的4匝pcb銅皮線圈天線結構示意圖；

第14圖為5bit資料11010的差分曼切斯特編碼格式以及場強、線圈接收電壓波形圖；

第15圖為1KHz的低頻磁場移動終端內sim卡接收到的幅度恆定圖；

第16圖為應用於TF卡的4匝pcb線圈天線結構示意圖；

第17圖為誤差控制系統框圖。

1200．．．射頻IC卡

1201．．．第二主處理器

1202．．．SIM/UIM/U SIM卡模組(IC卡模組)

1203．．．RF(射頻)收發電路

1204．．．RF(射頻)天線

1205．．．低頻信號接收及處理模組

1206．．．低頻磁感應電路

1207．．．介面模組

1215．．．低頻放大電路

1225．．．比較電路

1235．．．解調電路

1245．．．解碼電路

1301．．．低頻磁場信號強度信號

1302．．．低頻磁場信號

1303．．．信號

Claims (20)

1. 一種移動射頻裝置，包括：一個射頻天線，用於通過射頻通道，與射頻讀卡器進行通信；和一個磁探測器，用於探測磁信號，其中，所述磁探測器根據探測到的磁信號控制所述射頻通道的通信距離，且其中，所述磁探測器以低於預先選定的最高系統工作頻率f0以下的某一頻率工作，使射頻裝置安裝在不同的移動終端時，無需對通信範圍進行實質性校準。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的移動射頻裝置，其中所述通信距離由所述磁探測器的增益進行控制，且其中所述磁探測器的增益與所述磁探測器大小有關。
3. 根據申請專利範圍第2項所述射頻裝置，其中磁探測器包括：一個具有轉換增益的磁感應線圈；和一個具有放大係數的低頻放大線圈，其中，所述轉換增益和所述放大係數的乘積對應於射頻裝置所在的移動終端與射頻讀卡器之間的系統指定的最遠通信距離。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的射頻裝置，其中，磁感應線圈的的大小取決於所述轉換增益和放大係數，且其中磁感應線圈的大小隨轉換增益的增高而增大，隨放大係數減小而增大。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的射頻裝置，其中f0處於300Hz~3kHz的超級頻段，3kHz~30kHz的很低頻段，或30kHz~300kHz的低頻段。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的射頻裝置，其中f0的範圍為300Hz~50kHz。
7. 根據申請專利範圍第6項所述的射頻裝置，其中f0為500 Hz、1 kHz、1.5 kHz、2 kHz、2.5 kHz、3 kHz、4 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz，或30 kHz其中之一。
8. 根據申請專利範圍第1項所述的射頻裝置，其進一步包括一個比較電路，用於將檢測到的磁信號轉換成的電信號與預設的閾值Vt相比較。
9. 根據申請專利範圍第8項所述的射頻裝置，進一步包括一個解碼電路。
10. 根據申請專利範圍第9項所述的射頻裝置，進一步包括一個解調電路，其中比較電路、解調電路和解碼電路串聯連接。
11. 根據申請專利範圍第10項所述的射頻裝置，進一步包括，一個射頻收發器與所述射頻天線連接；和一個處理器用於處理通過射頻通道接收的射頻信號，且電信號由所述檢測到的磁信號轉化而來。
12. 根據申請專利範圍第1項所述的射頻裝置，其中，所述磁探測器為一個PCB線圈、一個漆包線線圈、一個霍爾裝置，或一個巨磁阻器件。
13. 根據申請專利範圍第1項所述的射頻裝置，其中，射頻裝置被安裝在SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡，或者MMC卡上，或者與SIM卡、UIM卡、USIM卡、TF卡、SD卡，或MMC卡共用一個處理器。
14. 根據申請專利範圍第13項所述的射頻裝置，其中射頻裝置在移動終端內，且其中所述移動終端可以為手機、個人數位助理(PDA)，或筆記型電腦。
15. 一種控制配有移動射頻射裝置的移動終端與射頻讀卡器之間的頻通信距離的方法，其中射頻移動裝置包括：一個射頻天線用於與通過射頻通道與射頻讀卡器進行通信；和一個磁探測器用於探測來自射頻讀卡器的磁信號，並將磁信號轉變成電信號；且其中所述方法包括：利用探測磁信號來控制通信距離；且其中，所述磁探測器以低於預先選定的最高系統工作頻率f0以下的某一頻率工作，使射頻裝置安裝在不同的移動終端時，無需對通信範圍進行實質性校準。
16. 根據申請專利範圍第15項所述方法進一步包括：(a1)　確定系統的距離控制目標(Din，Dv)，其中Din表示：可確保一組選定的配有移動射頻裝置的不同終端在與射頻讀卡器交換資訊的距離為0~Din；Dv表示距離波動範圍，使距離在Din~(Din+Dv)範圍內允許進行交易，距離超出Din+Dv之後交易被禁止；(a2)　確定由所述探測到的磁信號轉化的電信號的波動範圍δ_R ，其中δ_R 由射頻讀卡器導致；(a3)　確定電信號的波動範圍δ_C ，其中δ_C 由移動射頻裝置自身導致；(a4)　在頻率f下測試各種典型終端及障礙物的電信號-距離曲線，其中f為300Hz~3kHz的超低頻率範圍，3kHz~30kHz的很低頻率範圍，或30kHz~300kHz的低頻率範圍；(a5)　根據控制目標值的範圍(Din,Dv)確定電信號的波動範圍δ_A ，其中δ_A 為從各種典型終端及障礙物的電信號-距離曲線所得到的具有平均場強衰弱曲線斜率的電壓距離曲線上Din點所對應的電信號和(Din+Dv)點對應的電信號的差值；(a6)　確定電信號波動範圍δ_T ，其中δ_T 由移動終端的衰減特性導致，且δ_T =δ_A -δ_R -δ_C ；(a7)　計算各種典型終端及障礙物在距離控制範圍內的不同距離點上的最大差值δ，若δ大於δ_T ，則降低頻率f，並回步驟(a4)；若δ小於δ_T ，則提高頻率f，並回步驟(a4)；若δ等於δ_T ，則f等於f0。
17. 根據申請專利範圍第15項所述方法進一步包括：(a)　對探測到的磁場信號(Br)進行磁-電轉換，將所述Br轉換成電信號Vo；當Br為恆定幅值的低頻交變磁場信號時，Vo=A*K*Br；當Br為微分幅度恆定的低頻交變磁場信號時，Vo=A*K*dBr/dt，其中K為磁探測器增益，A為電信號的低頻放大增益，A*K為預設的磁-電轉換增益；(b)　若Vo大於預設閾值Vt，則解碼射頻讀卡器的身份識別標識(IDr)，建立射頻通道，並將IDr與移動射頻裝置唯一的識別碼IDc一起，通過射頻通道發送給射頻讀卡器，並不斷監控磁場信號；(c)　將射頻通訊資料拆分成多個資料包以便分別發送或接收這些資料包，檢查每一個接受或發送的射頻包，以判斷其對應的Vo是否大於Vt，若Vo>Vt，則繼續射頻通信直至交易完成；否則結束交易的射頻通信並返回步驟(a)。
18. 根據申請專利範圍第17項所述方法，進一步包括確定A*K的步驟：(i)　為配有所述移動射頻裝置的移動終端選定低頻磁感應電路，以確定K；(ii)　根據下述原則選定A：1)　在移動終端置於離射頻讀卡器任一距離時，Vo小於安全標準指定的值；2) Vo的信-噪比(SNR)，即使在允許通信的最大距離處，也大於指定的值；3)　若磁探測器為霍爾器件或巨磁阻器件，則A*K=Vt/Bgate，其中Bgate為磁感應強度閾；若磁探測器為一線圈，則A*K=Vt/B_RATEgate，其中B_RATEgate為磁感應強度變化率的閾值，其中所述磁感應強度變化率B_RATE=dBr/dt。
19. 根據申請專利範圍第18項所述方法進一步包括：控制由檢測到的磁信號轉變成的電信號波動δc的範圍在2~6dB。
20. 根據申請專利範圍第19項所述方法進一步包括：在Vt附近選定Vo；確定Vo的範圍為(Vt-δcx/2,Vt-δcx/2)，其中δcx<δc，測量Vo，若Vo超出上述範圍，則校正A直到Vo在該範圍內；且將Vt的值設置為已被校準在範圍內的Vo。