基于无线充电QI标准的2FSK解调设计
赵海;王聪颖;舒文丽;陈远明
【摘 要】分析了无线充电QI标准中2FSK信号的调制模式、载波频率等方面的特点.针对该种信号,提出并实现了一种2FSK信号数字解调的新方法.该方法抛弃信号频率本身的特征,而通过多周期信号的测量宽度之和的变化来反映频率的变化.首先通过一固定频率对输入信号周期宽度进行测量并求和,然后将该和值进行去直流、平滑等处理,从而提取其中的频率变化特征以便于后期解码处理.在最终的FPGA实现中,该方法可以通过2 MHz的频率检测出周期相差32 ns的两种信号的频率变化情况.
卡通微信头像男【期刊名称】《电子与封装》
70大寿邀请函清华大学管理学院【年(卷),期】2017(017)012
【总页数】王镕5页(P34-37,41)
【关键词】QI;2FSK;解调器
【作 者】赵海;王聪颖;舒文丽;陈远明
【作者单位】无锡华润矽科微电子有限公司,江苏无锡 214135;无锡华润矽科微电子有限公司,江苏无锡 214135;无锡华润矽科微电子有限公司,江苏无锡 214135;无锡华润矽科微电子有限公司,江苏无锡 214135
【正文语种】中 文不良青年
【中图分类】TN763
无线充电是指不用传统的充电电源线连接到需要充电的终端设备上的充电技术，其一般利用电感耦合，通过线圈之间产生的磁场来实现能量的传输。目前，越来越多的终端设备开始采用无线充电技术。QI是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟（Wireless Power Consortium）推出的无线充电标准，具备便捷性和通用性两大特征。在QI标准中，能量发送端利用2FSK信号向接收端传递信息，而接收端通过AM信号向发送端传递信息。系统根据这些信息，通过改变线圈上的振荡频率来实现对传输能量的控制。本文主要讨论了一种基于QI标准的2FSK解调设计方法，该方法对现有的测宽解调法进行了改
进，使其更加适合采用了QI标准的系统，且该方法具有易实现、低成本等特点，目前已通过FPGA进行了系统验证。
QI标准是基于电磁感应的原理进行非接触式的能量传输。该标准中能量发送端与能量接收端传递信息所采用的就是一种2FSK信号，其中未规定具体的载波频率，仅有两个参数分别为fop（载波频率）——即当前的能量传输信号（110～205 kHz）及ΔT——即fop与fmod（调制频率）的周期差（最小值为±30.25 ns）。
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总结一下QI标准中的2FSK信号特点[1]：
（1）需要解调的信号为电磁感应耦合信号，因此正弦信号会发生变形以及频谱泄露；
伫立和矗立的区别（2）整体频率在210 kHz以下，因此其为低频2FSK调制信号；
（3）在不同的通讯阶段，fop与fmod值不固定，其变化范围为 110～205 kHz；
（4）fop与fmod的周期差相对固定，最小值为±30.25ns；
（5）fop与fmod并不能代表1、0数据，而fop与fmod的持续及其跳变时间才能包含1、0数
据。
根据这些特点我们可以知道，QI标准中的2FSK信号其fop与fmod频率一直在变化，而数据信息包含在频率变化中而非频率本身，且由于耦合的原因，感应线圈上的振荡信号并非正弦信号，而是存在很大程度的变形。
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2FSK信号可以采用非线性变换法解调，如限幅鉴频法、过零点检测法、频谱分析法及测宽法等[2]。下面分析一下这几种非线性变换解调方法应用在QI标准的FSK信号解调系统中的可行性。
限幅鉴频法是一种模拟检测方法，其实现过程如图1所示[3]。由FSK信号特点及鉴频特性可知，信号首先需要经过一个通道较窄的带通滤波器，以提高其抗干扰能力，同时由于已调信号的振幅发生变化，必须采用限幅器去掉叠加的寄生调幅信号，才能得到稳定的FSK波形，再经过鉴频器完成从频率到幅度的转换，最后经过滤波器得到低频信号。此方法虽然简单易于实现、解调精度较高，但抗干扰能力不足。另外此方法的实现必须有一个精度较高的鉴频器，否则无法区分出信号中不同载频的变化。
过零检测法基本的解调思想是通过单位时间内信号经过零点的次数多少来衡量频率的高低[4]。对于数字调频波来说，单位时间内的过零点个数会随不同载频而发生变化，故过零点个数可以得到关于频率的差异[5]，其实现过程如图2所示。此方法有两个关键点：一个是滤波、整形，只有将大部分噪声滤除才能保证剔除信号在零点附近的毛刺；另一个是需要较高稳定性与较高频率的计数脉冲，只有这样才能保证在载频变化较小的情况下区分出不同信号频率。
频谱分析法是指将FSK信号从时域转换到频域，通过分析其频谱特性来确定FSK信号中的上下边频频谱的位置，通过相应的算法计算得到频率参数。目前，该方法中的频域分析一般需要利用短时傅里叶变换[6]、快速傅里叶变换或者小波变换[7]来实现信号从时域转换到频域中进行分析，因而其具有抗干扰能力强的优势。但该方法需要较大的计算量和较快的计算速度。
测宽法的实现，首先需产生一种特定频率的计数脉冲，然后利用该脉冲检测FSK信号中各种波形的宽度大小，通过相互比较后区分出FSK信号上、下边频的波形以及切换波形，利用上、下边频切换波形的宽度通过计算后得到低频调制频率[2]。该方法具有检测时间较短
、实时性较高的特点，但当干扰信号混入时会造成信号波形宽度的变化，从而造成测量精度的下降，因此该方法的抗干扰能力较弱。如能根据QI标准FSK信号特性对该算法进行优化调整，加强其抗干扰能力，将是一个比较好的选择。
利用测宽法解调，在实现过程中单个周期信号的宽度大小容易受到各种干扰的影响，因此本设计抛弃对fop与fmod实际值的检测，而通过多个周期宽度之和的幅度变化来体现频率变化。优化后的方法如图3所示，以比较器为分界点，比较器及其之前的部分为模拟电路实现部分，其后为数字电路实现部分。
图3所示是FPGA板搭建的测宽解调系统，前端采用模拟滤波器实现，信号进入比较器之前，通过一带通滤波器将信号的高频与低频噪声滤除。通过2MHz计数脉冲测量比较器输出的两个上升沿之间的宽度，宽度输出值以FIFO形式存入周期计数buffer中，然后计算最近的256个周期宽度之和SumTbuff，此后以其为对象进行后续处理。
在此系统中，如果信号频率为fsignal，周期为Tsignal，其经过2 MHz脉冲计数值为N，则N值表达式如下：
式（1）中，NOISE表示本系统信号在能量发送与接收环节中因电磁耦合、负载变化等外界条件变化而导致的比较器输出信号周期Tsignal的变化，也即系统噪声。Δ则表示利用2 MHz量化信号频率宽度所天然存在的量化误差。
根据公式（1）可以得出256个周期宽度之和SumTbuff的公式如下：
通过式（2）可知：如果量化误差Δ以及噪声NOISE为0，则SumTbuff是一个稳定随频率变化而变化的大于零的和值，当频率不变时SumTbuff是一个大于零的固定值。而实际上，噪声与误差的存在导致SumTbuff的值会在小范围内抖动。
因此，如果将SumTbuff作为一个信号，在某段时间内由于fop固定则该和值也相对固定，此时视该值为SumTbuff信号的直流部分，当不同输入信号频率切换导致的计数值之和SumTbuff较大幅度的波动就是需要提取的包含信息的内容，而在一段时间内该和值小幅度的上下抖动可视为耦合噪声、量化噪声等为其带来的高频杂波。
故而对于SumTbuff的处理，首先通过DC Blocking去直流滤波器将SumTbuff波形拉回零值附近，再为其添加一反向直流，然后经过低通滤波器去掉噪声与误差的影响，最后再通过
一去直流滤波器，最终取出其频率变化的特征，而该特征信号则可以直接用于QI信号的解码处理。
上述算法在VC6.0环境下进行了仿真验证。输入信号fop为175 kHz，fop与fmod的周期差为32 ns，采样率为2 MHz。各模块输出仿真结果见图4，最后一级仿真波形反映了输入信号的周期长度变化，同时消去了采样噪声与误差的影响，能满足实际解码要求。
图5为采用了上一节所述的解调方法的无线充电能量传输系统示意图，图5中FPGA采用Xilinx公司的XC6SLX45-3FGG484C型FPGA芯片，发送端与接收端通过振荡电路进行能量的传输，同时频率与幅度的变化又可以进行信息的交流。图6为无线充电能量接收端的FSK解调模拟模块，将振荡电路的信号RX_A通过电平抬升、初步滤波等之后，与比较电平比较变成高低电平信号FSK_CMP_O，该信号就是FPGA中FSK解调数字模块的输入。
振荡电路两端的实际波形如图7所示（该波形只是某段时间内8个周期信号的截取）。由于桥式整流电路，FSK解调所能利用的波形只有图7所示两路信号中的一路。图7中信号经比较器后，通过2M采样可以得到图8所示的方波。该方波即可视为振荡电路波形经过了时间和幅度上的数字化处理所得到的结果。
