基于無線充電QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK解調(diào)設(shè)計(jì)

趙 海，王聰穎，舒文麗，陳遠(yuǎn)明

（無錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司，江蘇 無錫 214135）

基于無線充電QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK解調(diào)設(shè)計(jì)

趙 海，王聰穎，舒文麗，陳遠(yuǎn)明

（無錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司，江蘇 無錫 214135）

分析了無線充電QI標(biāo)準(zhǔn)中2FSK信號(hào)的調(diào)制模式、載波頻率等方面的特點(diǎn)。針對(duì)該種信號(hào)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種2FSK信號(hào)數(shù)字解調(diào)的新方法。該方法拋棄信號(hào)頻率本身的特征，而通過多周期信號(hào)的測(cè)量寬度之和的變化來反映頻率的變化。首先通過一固定頻率對(duì)輸入信號(hào)周期寬度進(jìn)行測(cè)量并求和，然后將該和值進(jìn)行去直流、平滑等處理，從而提取其中的頻率變化特征以便于后期解碼處理。在最終的FPGA實(shí)現(xiàn)中，該方法可以通過2 MHz的頻率檢測(cè)出周期相差32 ns的兩種信號(hào)的頻率變化情況。

QI；2FSK；解調(diào)器

1 引言

無線充電是指不用傳統(tǒng)的充電電源線連接到需要充電的終端設(shè)備上的充電技術(shù)，其一般利用電感耦合，通過線圈之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。目前，越來越多的終端設(shè)備開始采用無線充電技術(shù)。QI是全球首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織——無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium）推出的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，具備便捷性和通用性兩大特征。在QI標(biāo)準(zhǔn)中，能量發(fā)送端利用2FSK信號(hào)向接收端傳遞信息，而接收端通過AM信號(hào)向發(fā)送端傳遞信息。系統(tǒng)根據(jù)這些信息，通過改變線圈上的振蕩頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸能量的控制。本文主要討論了一種基于QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK解調(diào)設(shè)計(jì)方法，該方法對(duì)現(xiàn)有的測(cè)寬解調(diào)法進(jìn)行了改進(jìn)，使其更加適合采用了QI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，且該方法具有易實(shí)現(xiàn)、低成本等特點(diǎn)，目前已通過FPGA進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。

2 QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK信號(hào)特點(diǎn)

QI標(biāo)準(zhǔn)是基于電磁感應(yīng)的原理進(jìn)行非接觸式的能量傳輸。該標(biāo)準(zhǔn)中能量發(fā)送端與能量接收端傳遞信息所采用的就是一種2FSK信號(hào)，其中未規(guī)定具體的載波頻率，僅有兩個(gè)參數(shù)分別為fop（載波頻率）——即當(dāng)前的能量傳輸信號(hào)（110～205 kHz）及ΔT——即fop與fmod（調(diào)制頻率）的周期差（最小值為±30.25 ns）。

總結(jié)一下QI標(biāo)準(zhǔn)中的2FSK信號(hào)特點(diǎn)[1]：

（1）需要解調(diào)的信號(hào)為電磁感應(yīng)耦合信號(hào)，因此正弦信號(hào)會(huì)發(fā)生變形以及頻譜泄露；

（2）整體頻率在210 kHz以下，因此其為低頻2FSK調(diào)制信號(hào)；

（3）在不同的通訊階段，fop與fmod值不固定，其變化范圍為 110～205 kHz；

（4）fop與fmod的周期差相對(duì)固定，最小值為±30.25ns；

（5）fop與fmod并不能代表1、0數(shù)據(jù)，而fop與fmod的持續(xù)及其跳變時(shí)間才能包含1、0數(shù)據(jù)。

根據(jù)這些特點(diǎn)我們可以知道，QI標(biāo)準(zhǔn)中的2FSK信號(hào)其fop與fmod頻率一直在變化，而數(shù)據(jù)信息包含在頻率變化中而非頻率本身，且由于耦合的原因，感應(yīng)線圈上的振蕩信號(hào)并非正弦信號(hào)，而是存在很大程度的變形。

3 幾種2FSK信號(hào)解調(diào)方法分析

2FSK信號(hào)可以采用非線性變換法解調(diào)，如限幅鑒頻法、過零點(diǎn)檢測(cè)法、頻譜分析法及測(cè)寬法等[2]。下面分析一下這幾種非線性變換解調(diào)方法應(yīng)用在QI標(biāo)準(zhǔn)的FSK信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)中的可行性。

3.1 限幅鑒頻法

圖1 限幅鑒頻法原理圖

限幅鑒頻法是一種模擬檢測(cè)方法，其實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示[3]。由FSK信號(hào)特點(diǎn)及鑒頻特性可知，信號(hào)首先需要經(jīng)過一個(gè)通道較窄的帶通濾波器，以提高其抗干擾能力，同時(shí)由于已調(diào)信號(hào)的振幅發(fā)生變化，必須采用限幅器去掉疊加的寄生調(diào)幅信號(hào)，才能得到穩(wěn)定的FSK波形，再經(jīng)過鑒頻器完成從頻率到幅度的轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過濾波器得到低頻信號(hào)。此方法雖然簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、解調(diào)精度較高，但抗干擾能力不足。另外此方法的實(shí)現(xiàn)必須有一個(gè)精度較高的鑒頻器，否則無法區(qū)分出信號(hào)中不同載頻的變化。

3.2 過零檢測(cè)法

圖2 過零檢測(cè)法原理圖

過零檢測(cè)法基本的解調(diào)思想是通過單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)經(jīng)過零點(diǎn)的次數(shù)多少來衡量頻率的高低[4]。對(duì)于數(shù)字調(diào)頻波來說，單位時(shí)間內(nèi)的過零點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)隨不同載頻而發(fā)生變化，故過零點(diǎn)個(gè)數(shù)可以得到關(guān)于頻率的差異[5]，其實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。此方法有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一個(gè)是濾波、整形，只有將大部分噪聲濾除才能保證剔除信號(hào)在零點(diǎn)附近的毛刺；另一個(gè)是需要較高穩(wěn)定性與較高頻率的計(jì)數(shù)脈沖，只有這樣才能保證在載頻變化較小的情況下區(qū)分出不同信號(hào)頻率。

3.3 頻譜分析法

頻譜分析法是指將FSK信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，通過分析其頻譜特性來確定FSK信號(hào)中的上下邊頻頻譜的位置，通過相應(yīng)的算法計(jì)算得到頻率參數(shù)。目前，該方法中的頻域分析一般需要利用短時(shí)傅里葉變換[6]、快速傅里葉變換或者小波變換[7]來實(shí)現(xiàn)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域中進(jìn)行分析，因而其具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但該方法需要較大的計(jì)算量和較快的計(jì)算速度。

3.4 測(cè)寬法

測(cè)寬法的實(shí)現(xiàn)，首先需產(chǎn)生一種特定頻率的計(jì)數(shù)脈沖，然后利用該脈沖檢測(cè)FSK信號(hào)中各種波形的寬度大小，通過相互比較后區(qū)分出FSK信號(hào)上、下邊頻的波形以及切換波形，利用上、下邊頻切換波形的寬度通過計(jì)算后得到低頻調(diào)制頻率[2]。該方法具有檢測(cè)時(shí)間較短、實(shí)時(shí)性較高的特點(diǎn)，但當(dāng)干擾信號(hào)混入時(shí)會(huì)造成信號(hào)波形寬度的變化，從而造成測(cè)量精度的下降，因此該方法的抗干擾能力較弱。如能根據(jù)QI標(biāo)準(zhǔn)FSK信號(hào)特性對(duì)該算法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，加強(qiáng)其抗干擾能力，將是一個(gè)比較好的選擇。

4 一種測(cè)寬法解調(diào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用測(cè)寬法解調(diào)，在實(shí)現(xiàn)過程中單個(gè)周期信號(hào)的寬度大小容易受到各種干擾的影響，因此本設(shè)計(jì)拋棄對(duì)fop與fmod實(shí)際值的檢測(cè)，而通過多個(gè)周期寬度之和的幅度變化來體現(xiàn)頻率變化。優(yōu)化后的方法如圖3所示，以比較器為分界點(diǎn)，比較器及其之前的部分為模擬電路實(shí)現(xiàn)部分，其后為數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)部分。

圖3所示是FPGA板搭建的測(cè)寬解調(diào)系統(tǒng)，前端采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)，信號(hào)進(jìn)入比較器之前，通過一帶通濾波器將信號(hào)的高頻與低頻噪聲濾除。通過2MHz計(jì)數(shù)脈沖測(cè)量比較器輸出的兩個(gè)上升沿之間的寬度，寬度輸出值以FIFO形式存入周期計(jì)數(shù)buffer中，然后計(jì)算最近的256個(gè)周期寬度之和SumTbuff，此后以其為對(duì)象進(jìn)行后續(xù)處理。

圖3 基于FPGA的改進(jìn)型測(cè)寬法實(shí)現(xiàn)框圖

在此系統(tǒng)中，如果信號(hào)頻率為fsignal，周期為Tsignal，其經(jīng)過2 MHz脈沖計(jì)數(shù)值為N，則N值表達(dá)式如下：

式（1）中，NOISE表示本系統(tǒng)信號(hào)在能量發(fā)送與接收環(huán)節(jié)中因電磁耦合、負(fù)載變化等外界條件變化而導(dǎo)致的比較器輸出信號(hào)周期Tsignal的變化，也即系統(tǒng)噪聲。Δ則表示利用2 MHz量化信號(hào)頻率寬度所天然存在的量化誤差。

根據(jù)公式（1）可以得出256個(gè)周期寬度之和SumTbuff的公式如下：

通過式（2）可知：如果量化誤差Δ以及噪聲NOISE為0，則SumTbuff是一個(gè)穩(wěn)定隨頻率變化而變化的大于零的和值，當(dāng)頻率不變時(shí)SumTbuff是一個(gè)大于零的固定值。而實(shí)際上，噪聲與誤差的存在導(dǎo)致SumTbuff的值會(huì)在小范圍內(nèi)抖動(dòng)。

因此，如果將SumTbuff作為一個(gè)信號(hào)，在某段時(shí)間內(nèi)由于fop固定則該和值也相對(duì)固定，此時(shí)視該值為SumTbuff信號(hào)的直流部分，當(dāng)不同輸入信號(hào)頻率切換導(dǎo)致的計(jì)數(shù)值之和SumTbuff較大幅度的波動(dòng)就是需要提取的包含信息的內(nèi)容，而在一段時(shí)間內(nèi)該和值小幅度的上下抖動(dòng)可視為耦合噪聲、量化噪聲等為其帶來的高頻雜波。

故而對(duì)于SumTbuff的處理，首先通過DC Blocking去直流濾波器將SumTbuff波形拉回零值附近，再為其添加一反向直流，然后經(jīng)過低通濾波器去掉噪聲與誤差的影響，最后再通過一去直流濾波器，最終取出其頻率變化的特征，而該特征信號(hào)則可以直接用于QI信號(hào)的解碼處理。

上述算法在VC6.0環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。輸入信號(hào)fop為175 kHz，fop與fmod的周期差為32 ns，采樣率為2 MHz。各模塊輸出仿真結(jié)果見圖4，最后一級(jí)仿真波形反映了輸入信號(hào)的周期長(zhǎng)度變化，同時(shí)消去了采樣噪聲與誤差的影響，能滿足實(shí)際解碼要求。

圖4 優(yōu)化算法的VC程序仿真輸出

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

圖5為采用了上一節(jié)所述的解調(diào)方法的無線充電能量傳輸系統(tǒng)示意圖，圖5中FPGA采用Xilinx公司的XC6SLX45-3FGG484C型FPGA芯片，發(fā)送端與接收端通過振蕩電路進(jìn)行能量的傳輸，同時(shí)頻率與幅度的變化又可以進(jìn)行信息的交流。圖6為無線充電能量接收端的FSK解調(diào)模擬模塊，將振蕩電路的信號(hào)RX_A通過電平抬升、初步濾波等之后，與比較電平比較變成高低電平信號(hào)FSK_CMP_O，該信號(hào)就是FPGA中FSK解調(diào)數(shù)字模塊的輸入。

振蕩電路兩端的實(shí)際波形如圖7所示（該波形只是某段時(shí)間內(nèi)8個(gè)周期信號(hào)的截?。?。由于橋式整流電路，F(xiàn)SK解調(diào)所能利用的波形只有圖7所示兩路信號(hào)中的一路。圖7中信號(hào)經(jīng)比較器后，通過2M采樣可以得到圖8所示的方波。該方波即可視為振蕩電路波形經(jīng)過了時(shí)間和幅度上的數(shù)字化處理所得到的結(jié)果。

圖5 無線充電能量傳輸系統(tǒng)示意圖

圖6 能量接收端FSK信號(hào)解調(diào)模擬電路模塊

圖7 接收端振蕩電路兩端波形

圖8 比較器輸出經(jīng)2M采樣的數(shù)據(jù)

其中FSK解調(diào)數(shù)字模塊采用ncverilog進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖9所示。圖9中irr_dc1_out為SumTbuff通過第一個(gè)去直流濾波器的輸出；lpf2_out為irr_dc1_out添加反向直流，通過低通濾波的輸出；clip_dc_out為信號(hào)通過去直流濾波器的輸出；dat_bit0與 dat_bit1分別為數(shù)據(jù) 0、1的解碼輸出標(biāo)志；packet_to_mcu_l為最終的FSK解碼數(shù)據(jù)。

clip_dc_out曲線直觀地反映了原始輸入信號(hào)的頻率變化，在圖中幅度波動(dòng)較小處表示輸入信號(hào)頻率穩(wěn)定，幅度波動(dòng)部分當(dāng)幅值大于零時(shí)表示信號(hào)的頻率較小，當(dāng)幅值小于零時(shí)則表示信號(hào)的頻率較大，而這種變化與該變化的持續(xù)時(shí)間恰恰是QI標(biāo)準(zhǔn)2FSK信號(hào)解碼過程中所需要的信息。

圖9 解調(diào)系統(tǒng)中間數(shù)據(jù)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，基于QI標(biāo)準(zhǔn)的典型條件，在110～205 kHz頻率段內(nèi)，fop與fmod的周期長(zhǎng)度差在32～256 ns之間的情況下，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確進(jìn)行解碼，誤碼率基本為零。

6 結(jié)論

在QI標(biāo)準(zhǔn)的無線充電能量傳輸系統(tǒng)中，其能量傳輸信號(hào)同時(shí)也是通訊信號(hào)。本方案中針對(duì)其信號(hào)特點(diǎn)，改進(jìn)了傳統(tǒng)測(cè)寬解調(diào)的方法，舍棄了信號(hào)周期和值所包含的頻率信息，僅關(guān)注頻率的變化引起的周期寬度值波動(dòng)來實(shí)現(xiàn)2FSK信號(hào)解調(diào)，同時(shí)采用了256個(gè)周期寬度值之和進(jìn)行處理，這大大降低了解調(diào)系統(tǒng)的工作頻率。同時(shí)該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解調(diào)模塊僅需要一個(gè)頻率較低的計(jì)數(shù)器、一個(gè)數(shù)據(jù)緩存器和兩個(gè)濾波器即可實(shí)現(xiàn)。

[1]The Wireless Power Consortium.The Qi Wireless Power Transfer System Power Class 0 Specification,Parts 1 and 2：Interface Definitions[S].2017：86-113.

[2]孔德龍.自適應(yīng)濾波算法在軌道電路FSK信號(hào)解調(diào)中的應(yīng)用與研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014：12-14.

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[4]Mobasseri B G.Constellation shape as a robust signature for digital modulation recoguntion[C].IEEE Conf of Military Communications,1999,1：442-446.

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[6]Xu Feng,Wang Peng,Dong Yong-gui.A real-time demodulation algorithms for FSK signals in railway tracks and its implementation[C].IEEE 2002 International Conference on Communications,Circuits and Systems and West Sino Expositions,Jun 29-Jul 1,2002,2：935-938.

[7]劉喜慶.軌道頻移信號(hào)特征頻率提取的研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012：3-5.

2FSK Demodulation Design Based on Wireless Charging QI Standard

ZHAO Hai,WANG Congying,SHU Wenli,CHEN Yuanming
（Wuxi China Resources Semico Co.,LTD,Wuxi 214135,China）

The paper analyzes the characteristic of the 2FSK signal in the QI standard.And a new method of digital demodulation for 2FSK signals is proposed and implemented.In the method,we reflects the change of frequency,accordingto the change ofthe sum of the width of the multi period.Firstly,the frequencyof the input signal is measured by a fixed frequency,and summed.Then,the value is filtered and smoothed,so that the frequency variation characteristics are extracted so as to facilitate the later decoding process.In the final FPGA implementation,the method can detect frequency variations of the two signals with periodic phase difference 32nsonlybythe frequencyofthe 2MHz.

QI;2FSK;demodulator

TN763

A

1681-1070（2017）12-0034-04

2017-07-07

趙 海（1974—），男，江蘇江陰人，1997年畢業(yè)于浙江大學(xué)電子工程專業(yè)，無錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司研發(fā)總監(jiān)，高級(jí)工程師，多年來一直專注于集成電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)，其負(fù)責(zé)和參與的項(xiàng)目先后兩次獲得過江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。