趙 海，王聰穎，舒文麗，陳遠明

（無錫華潤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

趙 海，王聰穎，舒文麗，陳遠明

（無錫華潤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信號的調(diào)制模式、載波頻率等方面的特點。針對該種信號，提出并實現(xiàn)了一種2FSK信號數(shù)字解調(diào)的新方法。該方法拋棄信號頻率本身的特征，而通過多周期信號的測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輸入信號周期寬度進行測量并求和，然后將該和值進行去直流、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實現(xiàn)中，該方法可以通過2 MHz的頻率檢測出周期相差32 ns的兩種信號的頻率變化情況。

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)生的磁場來實現(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是全球首個推動無線充電技術(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信號向接收端傳遞信息，而接收端通過AM信號向發(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現(xiàn)對傳輸能量的控制。本文主要討論了一種基于QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK解調(diào)設(shè)計方法，該方法對現(xiàn)有的測寬解調(diào)法進行了改進，使其更加適合采用了QI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，且該方法具有易實現(xiàn)、低成本等特點，目前已通過FPGA進行了系統(tǒng)驗證。

2 QI標(biāo)準(zhǔn)的2FSK信號特點

QI標(biāo)準(zhǔn)是基于電磁感應(yīng)的原理進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，其中未規(guī)定具體的載波頻率，僅有兩個參數(shù)分別為fop（載波頻率）——即當(dāng)前的能量傳輸信號（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信號特點[1]：

（1）需要解調(diào)的信號為電磁感應(yīng)耦合信號，因此正弦信號會發(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；

（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)及其跳變時間才能包含1、0數(shù)據(jù)。

根據(jù)這些特點我們可以知道，QI標(biāo)準(zhǔn)中的2FSK信號其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)線圈上的振蕩信號并非正弦信號，而是存在很大程度的變形。

3 幾種2FSK信號解調(diào)方法分析

2FSK信號可以采用非線性變換法解調(diào)，如限幅鑒頻法、過零點檢測法、頻譜分析法及測寬法等[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方法，其實現(xiàn)過程如圖1所示[3]。由FSK信號特點及鑒頻特性可知，信號首先需要經(jīng)過一個通道較窄的帶通濾波器，以提高其抗干擾能力，同時由于已調(diào)信號的振幅發(fā)生變化，必須采用限幅器去掉疊加的寄生調(diào)幅信號，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。此方法雖然簡單易于實現(xiàn)、解調(diào)精度較高，但抗干擾能力不足。另外此方法的實現(xiàn)必須有一個精度較高的鑒頻器，否則無法區(qū)分出信號中不同載頻的變化。

3.2 過零檢測法

圖2 過零檢測法原理圖

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

3.3 頻譜分析法

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

3.4 測寬法

測寬法的實現(xiàn)，首先需產(chǎn)生一種特定頻率的計數(shù)脈沖，然后利用該脈沖檢測FSK信號中各種波形的寬度大小，通過相互比較后區(qū)分出FSK信號上、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算后得到低頻調(diào)制頻率[2]。該方法具有檢測時間較短、實時性較高的特點，但當(dāng)干擾信號混入時會造成信號波形寬度的變化，從而造成測量精度的下降，因此該方法的抗干擾能力較弱。如能根據(jù)QI標(biāo)準(zhǔn)FSK信號特性對該算法進行優(yōu)化調(diào)整，加強其抗干擾能力，將是一個比較好的選擇。

4 一種測寬法解調(diào)的優(yōu)化設(shè)計

利用測寬法解調(diào)，在實現(xiàn)過程中單個周期信號的寬度大小容易受到各種干擾的影響，因此本設(shè)計拋棄對fop與fmod實際值的檢測，而通過多個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，比較器及其之前的部分為模擬電路實現(xiàn)部分，其后為數(shù)字電路實現(xiàn)部分。

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

圖3 基于FPGA的改進型測寬法實現(xiàn)框圖

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

式（1）中，NOISE表示本系統(tǒng)信號在能量發(fā)送與接收環(huán)節(jié)中因電磁耦合、負載變化等外界條件變化而導(dǎo)致的比較器輸出信號周期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SumTbuff是一個大于零的固定值。而實際上，噪聲與誤差的存在導(dǎo)致SumTbuff的值會在小范圍內(nèi)抖動。

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

故而對于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，而該特征信號則可以直接用于QI信號的解碼處理。

上述算法在VC6.0環(huán)境下進行了仿真驗證。輸入信號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，最后一級仿真波形反映了輸入信號的周期長度變化，同時消去了采樣噪聲與誤差的影響，能滿足實際解碼要求。

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行能量的傳輸，同時頻率與幅度的變化又可以進行信息的交流。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FSK_CMP_O，該信號就是FPGA中FSK解調(diào)數(shù)字模塊的輸入。

振蕩電路兩端的實際波形如圖7所示（該波形只是某段時間內(nèi)8個周期信號的截取）。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所示兩路信號中的一路。圖7中信號經(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進行了仿真驗證，仿真結(jié)果如圖9所示。圖9中irr_dc1_out為SumTbuff通過第一個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的頻率變化，在圖中幅度波動較小處表示輸入信號頻率穩(wěn)定，幅度波動部分當(dāng)幅值大于零時表示信號的頻率較小，當(dāng)幅值小于零時則表示信號的頻率較大，而這種變化與該變化的持續(xù)時間恰恰是QI標(biāo)準(zhǔn)2FSK信號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)

對系統(tǒng)進行了實際測試，基于QI標(biāo)準(zhǔn)的典型條件，在110～205 kHz頻率段內(nèi)，fop與fmod的周期長度差在32～256 ns之間的情況下，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確進行解碼，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，其能量傳輸信號同時也是通訊信號。本方案中針對其信號特點，改進了傳統(tǒng)測寬解調(diào)的方法，舍棄了信號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來實現(xiàn)2FSK信號解調(diào)，同時采用了256個周期寬度值之和進行處理，這大大降低了解調(diào)系統(tǒng)的工作頻率。同時該方法結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)模塊僅需要一個頻率較低的計數(shù)器、一個數(shù)據(jù)緩存器和兩個濾波器即可實現(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信號解調(diào)中的應(yīng)用與研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014：12-14.

[3]何守兵.基于FPGA的鐵路頻移信號加測計數(shù)研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012：20.

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

[5]彭瓊.低功耗數(shù)字FSK解調(diào)器研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008：12.

[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)，無錫華潤矽科微電子有限公司研發(fā)總監(jiān)，高級工程師，多年來一直專注于集成電路的設(shè)計與開發(fā)，其負責(zé)和參與的項目先后兩次獲得過江蘇省科技進步獎。