無(wú)線充電Qi協(xié)議正向通信FSK的解調(diào)設(shè)計(jì)

白光磊 池卿華 王兆俊 江昊 史佳雯 周天

摘? 要： 無(wú)線充電Qi協(xié)議提出發(fā)射器和接收器通過(guò)頻率調(diào)制（FSK）方式進(jìn)行正向通信，進(jìn)而建立完整的通信狀態(tài)控制。接收器可采用測(cè)寬法進(jìn)行頻率解調(diào)，然而由于電磁耦合變化、負(fù)載變化、載波占空比變化、測(cè)量量化等引起的誤差，該方法無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。該文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)寬法抗干擾能力弱的問(wèn)題，提出一種窗口濾波算法，通過(guò)參考相鄰脈沖頻率確定當(dāng)前脈沖的有效頻率，極大地提高了測(cè)寬法的抗干擾能力。經(jīng)實(shí)例分析，改進(jìn)后的測(cè)寬法抗干擾能力強(qiáng)、邏輯簡(jiǎn)單，為無(wú)線充電正向通信FSK解調(diào)提供一種可行的方法。

關(guān)鍵詞： Qi協(xié)議; 無(wú)線充電; 正向通信; 頻率解調(diào); 測(cè)寬法; 窗口濾波

中圖分類(lèi)號(hào)： TN26?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）08?0001?04

Design of FSK demodulation for forward communication based on

wireless charging Qi protocol

BAI Guanglei1， CHI Qinghua2， WANG Zhaojun2， JIANG Hao1， SHI Jiawen1， ZHOU Tian1

（1. School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China; 2. Space Star Technology Co.， Ltd.， Beijing 100086， China）

Abstract： The wireless charging Qi protocol supports the forward communication of the transmitter and the receiver in the frequency shift keying （FSK） mode， and can establish the complete communication state control. The width measurement method can be adopted to perform the frequency demodulation of the receiver， but it may cause errors due to electromagnetic coupling change， load change， duty cycle change of carrier， measurement quantization and so on. Therefore， the method cannot meet the requirements of practical application. In allusion to the weak anti?interference ability of the traditional width measurement method， a window?filtering algorithm is proposed， with which the effective frequency of the current pulse can be determined by referring to the adjacent pulse frequency， which greatly improves the anti?interference ability of the width measurement method. By practical analysis， the improved width measurement method has strong anti?interference ability and simple logic， and provides a feasible method for the FSK demodulation of the forward communication in the wireless charging.

Keywords： Qi protocol; wireless charging; forward communication; frequency demodulation; width measurement method; window filtering

0? 引? 言

無(wú)線充電將充電設(shè)備與電源分離，充電更安全，并且具有多機(jī)共用、防水防塵、在極其惡劣的條件下也能正常工作的特點(diǎn)，可應(yīng)用于智能穿戴、移動(dòng)電子設(shè)備、醫(yī)用植入設(shè)備、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和防水密封電子產(chǎn)品等 [1?3] 。為了保證充電的兼容性、安全性、平滑性，Qi協(xié)議提出完整的狀態(tài)控制，并給出發(fā)射器通過(guò)頻率調(diào)制，接收器端通過(guò)頻率解調(diào)，完成正向通信[3?5]。頻率解調(diào)非線性變換方法主要包括限幅鑒頻法、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法、頻譜分析法及測(cè)寬法[6?7]，各方法優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。測(cè)寬法具有檢測(cè)時(shí)間短、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn);然而在無(wú)線充電系統(tǒng)中，在出現(xiàn)電磁耦合變化、負(fù)載變化、載波占空比變化、測(cè)量量化等引起誤差時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頻率解調(diào)出錯(cuò)[7]。本文針對(duì)測(cè)寬法抗干擾能力差的問(wèn)題，提出窗口濾波算法，通過(guò)參考相鄰脈沖頻率，極大地提高了抗干擾能力，為無(wú)線充電正向通信FSK提供一種可行方法。

1? FSK解調(diào)設(shè)計(jì)

1.1? 無(wú)線充電的頻率調(diào)制

發(fā)射器端按照編碼規(guī)則，控制工作頻率，完成頻率調(diào)制。接收器LC諧振電路A，B兩端點(diǎn)波形頻率與工作頻率一致且互補(bǔ)，通過(guò)電壓比較器輸出同頻方波，將方波接入單片機(jī)、FPGA等嵌入式平臺(tái)完成頻率解調(diào)，按照解碼規(guī)則進(jìn)行解碼。

電路簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文獻(xiàn)[4]描述了Qi協(xié)議頻率通信的位編碼規(guī)則，每個(gè)bit都采用差分雙向編碼策略。發(fā)射器每次經(jīng)過(guò)載波電信號(hào)的512周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的對(duì)齊。當(dāng)輸出“1”時(shí)，電信號(hào)的頻率會(huì)在bit的開(kāi)始處和256個(gè)周期處發(fā)生跳變，共計(jì)兩次跳變;當(dāng)輸出“0”時(shí)，電信號(hào)的頻率僅會(huì)在bit開(kāi)始處發(fā)生一次跳變。頻率調(diào)制位編碼示例圖見(jiàn)圖2。為了便于單片機(jī)測(cè)量脈沖的寬度或頻率，接收器需首先將波形處理為一定電平的同頻方波信號(hào)。因此，接收器將LC諧振電路A，B兩端點(diǎn)電壓信號(hào)通過(guò)電壓比較器輸出同頻方波，示例波形如圖3所示。

1.2? 測(cè)寬解調(diào)法的基本原理

接收器從調(diào)頻方波開(kāi)始，根據(jù)脈沖的頻率解調(diào)出信息數(shù)據(jù)完成正向通信的最后一環(huán)。測(cè)寬解調(diào)法的思路是，首先根據(jù)輸入信號(hào)，捕獲相鄰高電平（或相鄰低電平）的寬度，即得到了每一個(gè)脈沖的寬度。從而根據(jù)寬度判斷出頻率高低，然后根據(jù)脈沖的頻率跳變及計(jì)數(shù)進(jìn)行解碼。實(shí)際某段調(diào)頻方波的解碼過(guò)程示例如圖4所示。

圖中的這段波形為256個(gè)周期的低頻方波和256個(gè)周期的高頻方波。通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器輸入捕獲通道測(cè)量相鄰下降沿的寬度，從而得出每一周期的頻率，圖中用L表示低頻，H表示高頻，可以畫(huà)出頻率狀態(tài)的變化。由解碼規(guī)則得，在256個(gè)周期時(shí)頻率發(fā)生跳變，可以得出這一段方波信號(hào)表示一個(gè)1。

1.3? 傳統(tǒng)測(cè)寬法的缺陷

測(cè)寬解調(diào)法的關(guān)鍵是每一脈沖頻率的準(zhǔn)確判斷。在每一脈沖頻率正確判斷的基礎(chǔ)上，可準(zhǔn)確得到頻率跳變時(shí)間和脈沖計(jì)數(shù)，從而進(jìn)行正確的解調(diào)并得到正確的解碼數(shù)據(jù)。然而在出現(xiàn)電磁耦合變化、負(fù)載變化、載波占空比變化、測(cè)量量化等引起誤差時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致個(gè)別脈沖頻率誤判。此時(shí)，無(wú)法正確解碼，且對(duì)數(shù)據(jù)位的同步帶來(lái)挑戰(zhàn)。當(dāng)出現(xiàn)電磁耦合變化、負(fù)載變化等產(chǎn)生圖中調(diào)頻方波信號(hào)，或因?yàn)檩d波占空比變化、測(cè)量量化誤差等導(dǎo)致脈沖頻率誤判時(shí)，一段編碼為1的波形信號(hào)頻率狀態(tài)如圖5所示，無(wú)法完成解碼及位同步。

圖5? 干擾信號(hào)解碼示例圖

1.4? 窗口濾波算法

針對(duì)測(cè)寬法的缺陷，設(shè)計(jì)窗口濾波算法。窗口濾波算法的思路是，在判斷出每一周期的頻率基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一定長(zhǎng)度的窗口，窗口內(nèi)可觀察當(dāng)前周期及前面若干個(gè)周期的頻率，根據(jù)窗口內(nèi)的高低頻率個(gè)數(shù)，從而判斷出當(dāng)前周期的有效頻率，從而使得頻率狀態(tài)變化的抗干擾能力增強(qiáng)。然后根據(jù)有效頻率的狀態(tài)變化，進(jìn)行解碼。以窗口長(zhǎng)度等于10為例，示例如圖6所示。

圖6中調(diào)頻方波分為三段，其中前后兩段虛線方波信號(hào)分別為前一bit和后一bit的部分調(diào)制信號(hào)波形。由單片機(jī)通過(guò)測(cè)寬法判斷出每一脈沖周期的頻率高低，如前所述，某些可能會(huì)出現(xiàn)誤判。采用窗口濾波算法，即通過(guò)觀察當(dāng)前脈沖及前邊若干脈沖來(lái)得出一個(gè)有效頻率（用h表示高頻，l表示低頻）。在每一個(gè)窗口中，僅有高頻個(gè)數(shù)高于某一個(gè)閾值，才會(huì)得出有效頻率為高頻h，否則有效頻率為低頻l。

圖中窗口長(zhǎng)度為10，閾值取為5，取三個(gè)窗口為例：在第一個(gè)窗口中共計(jì)5個(gè)高頻H，故得出有效頻率為高頻h;在第二個(gè)窗口中共計(jì)3個(gè)高頻H，故得出有效頻率為低頻l;在第三個(gè)窗口中共計(jì)7個(gè)高頻H，故得出有效頻率為高頻h。從而得出信號(hào)的有效頻率狀態(tài)如圖，雖然頻率狀態(tài)變化略有延遲，且頻率狀態(tài)計(jì)數(shù)長(zhǎng)度略有變化，但由于濾除了誤判引起的頻率狀態(tài)變化，可以簡(jiǎn)單的從頻率狀態(tài)變化中提取出位同步信號(hào)。

1.5? 數(shù)據(jù)位解碼

通過(guò)窗口濾波算法判斷的有效頻率，可以從頻率狀態(tài)變化中提取出位同步信號(hào)。然而由于有效頻率與實(shí)際頻率在位與位相鄰的地方發(fā)生偏移，且有效頻率狀態(tài)變化會(huì)隨相鄰位置實(shí)際頻率的誤判產(chǎn)生不同的偏移，因此有效頻率中對(duì)應(yīng)每一位進(jìn)行解碼的脈沖個(gè)數(shù)不是精確的512個(gè)。由編碼規(guī)則可知，通過(guò)判斷每位調(diào)制信號(hào)的前256個(gè)脈沖頻率和后256個(gè)脈沖頻率是否一致可以得出數(shù)據(jù)位為1，還是為0。若以256個(gè)脈沖為一段，則解碼一位數(shù)據(jù)需要判斷兩段脈沖的頻率，記已識(shí)別脈沖段的個(gè)數(shù)為m，記同一頻率持續(xù)脈沖計(jì)數(shù)為n，則可以按照?qǐng)D7中流程圖的步驟進(jìn)行位解碼。解碼的關(guān)鍵點(diǎn)在于判斷最新一個(gè)脈沖有效頻率是否與之前的有效頻率發(fā)生變化，這里分為兩種情況：若無(wú)變化，則在計(jì)數(shù)到達(dá)256時(shí)，表示可以判斷出一段脈沖的頻率;若有變化，則判斷計(jì)數(shù)是否大于等于128，即根據(jù)大于等于半段波形個(gè)數(shù)，表示可以判斷出一段脈沖的波形。

為了便于分析解碼方法，舉出若干個(gè)通過(guò)窗口濾波算法得到的一位調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)窗口濾波算法后的有效頻率情況。如510個(gè)低頻l：首先根據(jù)前256個(gè)l判斷出前段頻率為l;后244個(gè)l在頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)244大于128，判斷出后段頻率為l。前后段頻率一致，則解碼為0。516個(gè)高頻h：首先根據(jù)前256個(gè)h判斷出前段頻率為h;緊鄰其后256個(gè)h判斷出后段頻率為h;最后4個(gè)h，在頻率跳變時(shí)，根據(jù)4小于128忽略。前后段頻率一致，則解碼為0。253個(gè)低頻l，260個(gè)高頻h：首先前253個(gè)l， 在頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)253大于128，判斷出前段頻率為l;緊鄰其后256個(gè)h判斷出后段頻率為h;最后4個(gè)h，在頻率跳變時(shí)，根據(jù)4小于128忽略。前后段頻率不一致，則解碼為1。

2? 實(shí)例分析

本文使用系統(tǒng)頻率為72 MHz的STM32主控芯片，搭建正向通信模型，發(fā)射器采用高級(jí)定時(shí)器產(chǎn)生4路調(diào)頻PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈。在接收器端，則采用定時(shí)器捕捉通道對(duì)每一脈沖測(cè)寬，使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。首先使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率判斷，由于電磁耦合變化、負(fù)載變化、載波占空比變化、測(cè)量量化誤差等極大可能導(dǎo)致頻率誤判。在使用定時(shí)器判斷頻率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

無(wú)線充電系統(tǒng)的頻率在100～200 kHz之間，從表2中幾組數(shù)據(jù)看出，出現(xiàn)單個(gè)脈沖誤判的概率大于0.2%，則在1位調(diào)制信號(hào)中（512個(gè)脈沖信號(hào)）出現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)脈沖誤判可能性非常大，而在一個(gè)字節(jié)（11位）、數(shù)據(jù)包（3～22個(gè)字節(jié)）出現(xiàn)脈沖頻率誤判的概率更大。

若采用測(cè)寬法，則首先根據(jù)每一個(gè)脈沖寬度進(jìn)行頻率判斷后，然后按照解碼原則解碼。對(duì)于工作頻率fH =151 kHz， fL =150 kHz時(shí)，在STM32完成的無(wú)線充電平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，使用測(cè)寬法進(jìn)行解碼，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。

由于在一個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中，一個(gè)脈沖信號(hào)的誤判可能引起數(shù)據(jù)位解碼出錯(cuò)以及數(shù)據(jù)位同步信號(hào)錯(cuò)位，從表3數(shù)據(jù)可以看出，很難完成整個(gè)數(shù)據(jù)包的正確接收及解碼。若采用窗口濾波算法對(duì)測(cè)寬法進(jìn)行改進(jìn)，首先根據(jù)每一脈沖及前面相鄰若干脈沖的寬度產(chǎn)生一個(gè)有效頻率，依次產(chǎn)生所有脈沖對(duì)應(yīng)的有效頻率，然后按照解碼規(guī)則解碼。對(duì)于工作頻率fH =151 kHz，fL =150 kHz時(shí)，使用改進(jìn)測(cè)寬法進(jìn)行解碼，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4所示。

從表1中數(shù)據(jù)看出，解碼成功率接近100%，記明了改進(jìn)的測(cè)寬法是一種可行的無(wú)線充電頻率解調(diào)方法。正如前文分析，使用窗口濾波算法平滑了實(shí)際頻率引起的誤判，首先確保了準(zhǔn)確的位同步信號(hào)，其次確保了每一位正確解碼。

3? 結(jié)? 語(yǔ)

在無(wú)線充電系統(tǒng)正向通信頻率解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方法中，本文針對(duì)測(cè)寬法抗干擾能力差，在某些脈沖測(cè)量出現(xiàn)誤判時(shí)無(wú)法解碼的問(wèn)題，提出窗口濾波算法，通過(guò)參考多個(gè)脈沖信號(hào)的頻率平滑頻率變化，從而通過(guò)平滑后的有效頻率進(jìn)行解碼，該方法可以準(zhǔn)確的提取位同步信號(hào)、極大的提高抗干擾能力，完成正向通信的頻率解調(diào)。使用窗口濾波算法改進(jìn)的測(cè)寬法，抗干擾能力強(qiáng)，邏輯簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，可在單片機(jī)、FPGA等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，為無(wú)線充電頻率解調(diào)提供了一種優(yōu)良的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

注：本文通訊作者為江昊。

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