Беспроводный интерфейс

Использование: в области связи. Технический результат заключается в повышении эффективности передачи как данных, так и мощности. Предложен беспроводный интерфейс для подачи всех сигналов и мощности исключительно без проводов от передающей секции (200) к приемной секции (220). Передающая секция (200) содержит передатчик (210), выполненный с возможностью модуляции несущей сигналами, такими как сигналы данных, управления и тактирования. Передатчик (200) соединен с передающей антенной (166), которая содержит параллельную резонансную схему (118, 120) последовательно с последовательной резонансной схемой (116, 122). Параллельная и последовательная резонансные схемы включают в себя катушки (116, 120) индуктивности, которые индуктивно связаны с катушкой (111) индуктивности приемной антенны (211) в приемной секции (220). 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 27 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к беспроводному интерфейсу. Например, такой интерфейс можно использовать для беспроводной передачи данных и беспроводного питания в системе отображения, например, включающей в себя плоский дисплей на жидких кристаллах или органических светодиодах. Другим примером применения такого интерфейса является система радиочастотной идентификации. Настоящее изобретение также относится к передающей секции и к приемной секции для такого интерфейса.

Уровень техники

Фиг.1 показывает характерную систему отображения на жидких кристаллах, которая является примером плоского дисплея. Такой дисплей составлен из активной области, включающей в себя активную матрицу 14, которая отображает изображение, системы задней подсветки, включающей в себя возбудитель 12 для освещения дисплея и несколько задающих интегральных схем (ИС) 10 для управления и адресации пикселов. В эту систему подаются данные 2 отображения, несколько управляющих и тактирующих сигналов 6 и питание 4. Эти сигналы подаются, как правило, по гибкому печатному кабелю (ГПК) (FPC). Прикрепление этого кабеля добавляет значительную стоимость при изготовлении дисплея. Системы отображения могут также иметь встроенные системы аудио 250 и датчиков 270 в дополнение к активной области отображения, как иллюстрируется на фиг.2. Каждая из этих систем требует проводных соединений для подачи системных данных (аудиоданных 252, сенсорных данных 266 и данных 2 отображения) и соответствующих данных тактирования и управления (тактирование и управление 254 аудиосистемой, тактирование и управление 268 сенсорной системой, тактирование и управление 6 системой отображения). Система отображения может иметь единственный внешний источник 256 питания, который может присоединяться к ряду регуляторов 271 напряжения для удовлетворения различных требований по напряжению (4, 258, 262 и 277). Увеличение сложности системы отображения неизбежно ведет к соответствующему увеличению числа внешних подключений, что приводит к более крупному соединителю ГПК. Однако изделия, включающие в себя эти системы отображения, становятся физически все меньше по размеру, а потому имеется потребность найти альтернативные способы передачи сигналов в систему отображения.

Беспроводный интерфейс представляет собой весьма привлекательное предложение. Фиг.3 показывает характерную беспроводную систему, содержащую источник 20 данных для генерирования данных, передающую систему 22, которая осуществляет требуемое форматирование и обработку сигнала, и передающую антенну 24. Эти элементы обычно образуют передающую сторону. Передающая антенна посылает сигнал в виде электромагнитного колебания или оптического сигнала (в зависимости от выполнения) по беспроводному каналу 26. На приемной стороне приемная антенна 28 соединяет этот сигнал с приемной системой 30, которая обрабатывает данные и пропускает их на приемник 32 данных.

Фиг.4 иллюстрирует характерную передающую систему. Первый блок представляет собой источник 160 данных, обеспечивающий передаваемую информацию. В предположении, что данные являются цифровыми, он содержит поток единиц и нулей, при этом высокий уровень напряжения представляет единицу, а низкий уровень напряжения представляет нуль. Эта схема кодирования называется «без возврата к нулю» (БВН) (NRZ).

Эти данные могут затем дополнительно обрабатываться и форматироваться 162 для их оптимального согласования с беспроводным каналом. Существует несколько схем кодирования, которые можно применять на данной стадии. Одной из наиболее популярных схем является манчестерское кодирование, которое иллюстрируется временными колебаниями на фиг.5a. Манчестерский код представляет собой самосинхронизирующийся код с минимум одним и максимум двумя переходами уровня на бит. В манчестерских данных 304 «Ноль» кодируется как переход от высокого уровня к низкому, а «Единица» кодируется как переход от низкого уровня к высокому. Между двумя одинаковыми битами данных имеется лишний переход уровня. Это обычно воплощается с помощью функции 306 вентиля «Исключающее ИЛИ» (XOR) между тактовым сигналом 300 данных и сигналом 302 данных БВН, как иллюстрируется на фиг.5b. Функция «Исключающее ИЛИ» двух переменных равна 1, если любая из них, но не обе вместе, равна 1.

После того как данные правильно отформатированы и закодированы (фиг.4), следующая стадия обработки называется модуляцией. Модулятор 165 использует сигнал 167 данных для изменения одного из свойств высокочастотного несущего сигнала 163, генерируемого генератором 161. Фиг.6a-6e иллюстрируют типичные модулированные сигналы. Фиг.6a иллюстрирует высокочастотный несущий сигнал 163, а фиг.6b иллюстрирует сигнал 167 данных. Параметром, который обычно изменяется, является одним из следующих параметров: частота, что приводит к частотной манипуляции (ЧМн) (FSK) 170 (фиг.6c); амплитуда, что приводит к амплитудной манипуляции (АМн) (ASK) 174 (фиг.6e); фаза, что приводит к фазовой манипуляции (ФМн) (PSK) 172 (фиг.6d). Все прочие схемы модуляции выводятся из этих трех основных схем. Имеется несколько способов, доступных для воплощения этих схем. Фиг.7a-7c обобщают возможные воплощения простых АМн, ФМн и ЧМн. Амплитудно-модулированный сигнал 174 получается смешиванием несущего сигнала 163 и сигнала 167 данных (фиг.7b). Частотно-модулированный сигнал получается переключением между двумя несущими сигналами (f1 163 и f2 171) в зависимости от сигнала 167 данных (фиг.7a). В фазовой манипуляции 172 фаза несущего сигнала 163 меняется между двумя значениями в зависимости от сигнала 167 данных (фиг.7c).

Модулированный сигнал занимает некоторую величину частотного спектра. Она является функцией от типа применяемой модуляции. Частотные составляющие, представленные в модулированном сигнале, можно идентифицировать путем вычисления преобразования Фурье от сигнала. Этот график мощности, представляемый в частотных составляющих, известен как спектральная плотность мощности (СПМ) (PSD) сигнала. Она далее приводит к определению полосы частот сигнала (ПЧС) (BW). Хотя имеется много приемлемых определений полосы частот, в общем случае так именуется величина спектра, занятая всеми спектральными составляющими, которые имеют уровень мощности, по меньшей мере, в половину от максимального уровня. Полоса частот модулированного сигнала напрямую связана со скоростью передачи сигнала данных. Высокая скорость передачи данных требует большей полосы частот.

Следующая стадия в передатчике (фиг.4) включает в себя усиление модулированного сигнала, чтобы сделать его достаточно мощным для отправки по беспроводному каналу. Это достигается с помощью усилителя 164 мощности, который получает модулированный сигнал низкой мощности и выдает сигнал высокой мощности. Существует несколько способов для достижения этого, и примеры раскрываются в книге Behzad Razavi, "Design of Analog CMOS Integrated Circuits", McGraw-Hill 2001.

После того как сигнал усилен, он затем отправляется в беспроводный канал с помощью антенны 166. Антенна преобразует сигнал из связанной электромагнитной волны в излученную и сконструирована для оптимизации передачи мощности в вызывающем интерес частотном диапазоне. Это излучение зачастую требует конкретной направленности, т.е. максимизации излучения сигнала в конкретном направлении.

Следует проявлять осторожность при проектировании усилителя 164 мощности и передающей антенны 166, чтобы гарантировать, что они имеют достаточную полосу частот, чтобы иметь дело с модулированным сигналом. Если доступная в этих системах полоса частот меньше, чем полоса частот сигнала, то сигнал будет терять часть информации и это может привести к ошибочному декодированию переданных данных.

Излученный сигнал проходит по беспроводному каналу 26 (фиг.3), после чего он поступает в приемную антенну 28. Эта приемная антенна сконструирована для сбора как можно большей части сигнала из переданного сигнала. Как и передающая антенна, она сконструирована, чтобы эффективно охватывать частотный диапазон и направление.

Сигнал из приемной антенны проходит далее в приемную систему 30, основная функция которой состоит в выделении исходного сигнала данных из принятого сигнала. Точное воплощение приемной системы зависит от схемы модуляции, которая была применена в передатчике. Фиг.8d показывает беспроводную приемную систему, использующую в качестве примера сигнал, модулированный амплитудной манипуляцией. Характерная беспроводная приемная система содержит приемную антенну 28, демодулятор 311, который выделяет переданный сигнал данных, и формирующую импульсы систему 314 для преобразования аналогового сигнала данных в цифровой сигнал. Выходом 315 приемной системы является такой же сигнал, как и сигнал 167 данных, который использовался для модуляции несущей в передающей системе (фиг.4). В амплитудно-модулированном сигнале 174 (фиг.8a) сигнал данных встроен в огибающую (контур) 313 модулированной несущей. Поэтому основная роль приемника в данном случае состоит в выделении огибающей модулированной несущей. Это осуществляется прежде всего выпрямлением амплитудно-модулированной несущей, что дает выходной сигнал 310 (фиг.8b), имеющий только положительную часть исходного амплитудно-модулированного сигнала. Выпрямленный сигнал пропускается затем через фильтр 312 нижних частот для удаления высокочастотного несущего сигнала. Далее последняя стадия включает в себя формирование 314 импульсов из сигнала, отфильтрованного фильтром нижних частот, в чисто цифровой сигнал 315 (фиг.8c) с определенными высоким и низким уровнями напряжения.

Имеется много методов воплощения формирователя импульсов. Один пример иллюстрируется на фиг.9. Можно использовать компараторную схему с автоматическим смещением для генерирования цифрового выходного сигнала 402 из аналогового входного сигнала 400. Высокий и низкий уровни 404 и 406 выходного напряжения устанавливаются во время проектирования этой схемы. Устройство этого типа раскрыто в книге R. Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyce, "CMOS, Circuit design, Layout and Simulation", IEEE Press, 1998.

Выходной сигнал 315 (фиг.8c) в этой точке представляет собой сигнал данных, который использовался для модуляции несущей на передающей стороне.

Все системы, использующие беспроводную связь для переноса данных, основаны на приведенном выше описании. Эти системы будут в общем случае отличаться по рабочей частоте, скорости передачи данных и применяемым схемам модуляции. Беспроводные системы также имеют во все возрастающем размере дополнительные особенности, такие как исправление ошибок и, возможно, шифрование для поддержания целостности передаваемого сигнала.

В некоторых приложениях может быть желательно передавать мощность без проводов, т.к. это может снизить число проводных соединений, требующихся для системы. Это обычно достигается путем передачи мощности в магнитном поле одной катушки и наведения ее во второй катушке. Характерная схема для передачи мощности иллюстрируется на фиг.10. Передача мощности достигается связыванием магнитного поля 34 катушки A 36 с полем катушки B 38. Катушка A запитывается сигналом 35 мощности в виде переменного тока. Выходной сигнал 37 в катушке B будет также иметь переменный ток. Следующий этап состоит в выпрямлении этого сигнала, как иллюстрируется на фиг.11. Двухполупериодный выпрямитель 354 можно использовать для получения выходного сигнала 352 единственной полярности (от 0 до +V_p) из двуполярного (от -V_p до +V_p) входного сигнала 350 мощности. При этом сигнал не является корректным сигналом мощности постоянного тока, т.к. он содержит пульсации. Их можно удалить за счет применения сглаживающей схемы. Это может быть конденсатор большой емкости, включенный на выходе. Когда получен сигнал мощности, относительно свободный от пульсаций, его можно затем регулировать и понижать до требуемых уровней напряжения.

Для улучшения эффективности передачи мощности с помощью магнитной связи можно использовать резонансные схемы. Эффективного переноса мощности без проводов можно достичь с помощью последовательного резонанса в передатчике и параллельного резонанса в приемнике. Последовательный резонанс в передатчике максимизирует ток в схеме, что в свою очередь максимизирует связанное магнитное поле. Параллельный резонанс в приемнике максимизирует напряжение. Два типа таких схем показаны на фиг.12a и 12b. Резонанс в последовательной схеме (фиг.12a) с резистором 40 сопротивления R, катушкой 42 индуктивности с индуктивностью L и конденсатором 44 с емкостью C происходит, когда индуктивная и емкостная реактивности равны по величине, но взаимно уничтожают друг друга из-за того, что они разнесены по фазе на 180 градусов. Последовательный резонанс приводит к максимальному току, текущему через схему, значение которого зависит от сопротивления R. Острота резонанса зависит от значения R и характеризует Q схемы. Добротность Q является свойством катушки индуктивности и задается выражением:

,

где ω - круговая частота (2πf), a r_s - эквивалентное последовательное сопротивление металлических обмоток катушки индуктивности. Добротность является мерой способности катушки индуктивности сохранять энергию в своем магнитном поле, так что высокая Q приводит к большому току или напряжению при резонансе и эффективному переносу мощности. Фиг.13 показывает примеры отклика с высокой Q 390 и низкой Q 392.

Параллельный резонанс в схеме с конденсатором 46 с емкостью C, катушкой 48 индуктивности с индуктивностью L и резистором 50 с сопротивлением R происходит на частоте, когда реактивность от катушки индуктивности равна и противоположна реактивности от конденсатора. Параллельный резонанс приводит к максимальному напряжению на резисторе. Значение R резистора 50 определяет значение этого напряжения. Перенос мощности при резонансе более эффективен, т.к. напряжения и токи при резонансе максимизируются, как показано на фиг.14, которая представляет изменение связанного магнитного поля 65 с частотой 64. На резонансной частоте 60 связанное магнитное поле 65 максимально и поэтому перенос мощности будет на этой частоте максимален.

Беспроводная передача только данных общеизвестна. То же самое можно сказать и о беспроводном переносе только мощности. Однако трудность возникает, когда приложение требует передачи как данных, так и мощности без проводов по одному и тому же беспроводному каналу. Передача данных требует, чтобы сигнал данных как-нибудь «прицеплялся» или переносился на сигнале мощности. Пример такого метода состоит в использовании несущего сигнала для переноса мощности, а затем в использовании модуляции амплитудной манипуляцией для связи данных с этой несущей, как иллюстрируется на фиг.15. Амплитуда переносящего мощность сигнала 74 изменяется переносящим данные сигналом 76. Это приводит к формированию составного передаваемого сигнала 78, который несет как мощность, так и данные. Приемник для этого сценария отличается от характерного приемника, показанного на фиг.8, т.к. теперь он должен выделять как мощность, так и данные из переданного сигнала. Фиг.16 показывает пример такой приемной системы. Переданный сигнал подается в приемную систему 222 через приемную антенну 130. Далее следуют два выпрямителя (выпрямитель 134 мощности и выпрямитель 140 данных) для выделения сигналов мощности и данных. Выход выпрямителя мощности представляет собой неотрегулированное напряжение, которое регулируется регуляторами 136 напряжения для обеспечения требуемого уровня V_R 138 напряжения. В тракте выделения сигнала данных выход 141 выпрямителя 140 данных соединен с демодулятором 144, который выдает аналоговый вариант сигнала данных. Он затем проходит через формирующую импульсы ступень 145 для получения цифрового сигнала 146, который является тем же самым, что и переданный сигнал данных.

Математически АМн представляет собой процесс перемножения несущего сигнала и сигнала данных во временной области. Иногда может быть необходимо, чтобы глубина огибающей (называемая также глубиной модуляции) была переменной. В этом случае составляющая постоянного тока добавляется к сигналу данных перед тем, как осуществляется процесс перемножения. Если несущий мощность сигнал 74 представлен уравнением:

х_с=cos(2πf_ct),

несущий данные сигнал 76 - уравнением:

x_data=cos(2πf_datat),

то результирующий передаваемый сигнал 78 математически представляется уравнением:

x_trans=(А+x_data)x_c=Acos[2πf_c ^t+cos[2πt(f_c-f_data)]+cos[2πt(f_c+f_data)],

где глубина модуляции представлена составляющей A постоянного тока, f_c - частота несущего мощность сигнала, a f_data - частота несущего данные сигнала.

Это подразумевает, что в дополнение к несущей (переносящей мощность) сигнальной составляющей f_c передаваемый сигнал будет иметь частотные составляющие на (f_c-f_data) и (f_c+f_data). Фиг.17 показывает составляющие передаваемого сигнала в частотной области. Частотные составляющие (f_c-f_data) 68 и (f_c+f_data) 62 выражают боковые полосы передаваемого сигнала. Если несущий данные сигнал 76 имеет полосу частот BW, полная полоса частот, требуемая для передачи обеих боковых полос, равна 2×BW 72.

Для успешного восстановления мощности и данных на приемной стороне несущая и две боковых полосы должны передаваться линейно по беспроводному каналу. Иными словами, принятый сигнал должен быть прямо пропорционален переданному сигналу. Передаточная функция системы (форма резонансной кривой передатчика) должна, следовательно, быть такой, чтобы пропускать сигнал без какого-либо искажения. Фиг.18 показывает несущий мощность сигнал 60, две боковых полосы 68, 62 и кривую 67 передаточной функции системы. Для успешного восстановления в приемнике эти две боковых полосы должны находиться внутри огибающей этой кривой 67 передаточной функции. Если боковые полосы лежат вне резонансной кривой 67, такие как 61 и 63, восстановление данных будет невозможно. Следствием является то, что труднее восстановить как мощность, так и данные, если сигнал данных имеет широкую полосу частот. Уравнение, связывающее это ограничение полосы частот с добротностью (Q) резонансной кривой, задается так:

Q=f_c/(2×BW).

Увеличение Q улучшает способность системы передавать мощность, но снижает общую полосу частот данных, которую можно передавать. Это делает передачу как мощности, так и данных в широкой полосе частот очень сложной задачей.

Способ удовлетворения этой сложности был предложен в статье "A wideband Frequency-Shift Keying Wireless Link for Inductively Powered Biomedical Implants", M.Ghovanloo and K.Najafi, IEEE Trans. On Circuits and Systems, vol.51, No.12, Dec.2004. Принятый этими авторами подход состоит в придании кривой передаточной функции такой формы, которая пропускает требуемые частотные составляющие в передаваемом сигнале без снижения Q системы. Авторы используют как последовательную, так и параллельную резонансные схемы (фиг.19) для получения двух пиков в передаточной функции, чтобы дать возможность передавать как несущий мощность сигнал, так и несущий данные сигнал (фиг.20). Эта система использует форму частотной манипуляции (ЧМн) за счет передачи бита «0» данных на одной частоте, а бита «1» данных на другой частоте. Основной недостаток данного способа состоит в том, что частота, на которой передаются биты «1» и «0» данных, должна быть очень стабильной. Это потому, что высокая Q каждого пика передаточной функции по фиг.20 приводит к локально узкополосной системе и любое отклонение сигнальной составляющей от этих частот полностью исказит передаваемый сигнал. На фиг.20 f_data 69 и f_c 60 должны поэтому лежать точно в середине соответствующих пиков передаточной функции. Это очень трудно, если Q сделана очень высокой, чтобы обеспечить достаточный перенос мощности.

Другой недостаток этой системы заключается в том, что только один элемент антенны передает сигнал. На фиг.19 это соответствует Lp 120. Другая катушка Ls 116 индуктивности не передает вообще и функционирует только в качестве формирователя передаточной функции. Поскольку величина передачи мощности, с которой система может иметь дело, связана с полной индуктивностью системы, это будет означать, что величина мощности ограничена величиной, которую может передать единственная катушка Lp 120 индуктивности. Реальное воплощение данной системы показано на фиг.21, где Ls 116 имеет функцию только формирования сигнала, a Lp 120 является только передающим элементом. Это устройство было бы достаточным для систем низкой мощности. Однако для требований систем высокой мощности, таких как запитка задней подсветки светодиодного дисплея, единственный передающий элемент не даст достаточной мощности.

Другое известное устройство раскрыто в патенте США №7071629 (фиг.22). Эта система заявляется как способная передавать как данные 85, так и мощность 84 без проводов к системе 81 отображения. Это воплощено с помощью беспроводного передающего элемента 90 и приемного элемента 83, который включает в себя выделитель данных и мощности. Однако эта система способна передавать только мощность для питания задающих ИС 87 и 89. Эта система все же требует подачи мощности снаружи для обеспечения требующегося высокого напряжения в системе отображения в виде HV 82 и GND 80 и поэтому не может считаться полностью беспроводной.

Раскрытие изобретения

Согласно первому объекту изобретения предложен беспроводный интерфейс, содержащий приемную секцию и передающую секцию, выполненные с возможностью подачи сигналов и мощности исключительно без проводов в приемную секцию, при этом передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью модуляции несущей сигналами и соединенный с передающей антенной, содержащей параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности, а приемная секция содержит, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности, размещенную с возможностью индуктивной связи с первой и второй катушками индуктивности.

Тем самым возможно получить устройство, которое обеспечивает полностью беспроводное взаимодействие всех сигналов и мощности между передающей и приемной секциями. Например, в случае дисплея возможна подача достаточной мощности для соответствия всем требованиям дисплея по мощности вместе со всеми сигналами, такими как сигналы данных, тактирования и управления. Возможна подача достаточной мощности при достаточной полосе частот для высокоскоростного переноса данных без необходимости какого-либо проводного соединения. Передача сигналов и мощности может осуществляться через единственный беспроводный интерфейс так, чтобы приемная секция, например, включающая в себя устройство отображения, заднюю подсветку и т.п., могла быть отдельной и независимой.

Интерфейс может содержать дисплей. Приемная секция может включать в себя устройство отображения изображения. Это устройство может быть устройством на жидких кристаллах. Приемная секция может включать в себя заднюю подсветку дисплея.

Интерфейс может содержать систему радиочастотной идентификации.

Первая и вторая катушки индуктивности могут быть размещены так, чтобы по существу постоянно быть индуктивно связанными с, по меньшей мере, одной третьей катушкой индуктивности.

Первая и вторая катушки индуктивности могут быть размещены так, чтобы быть временно индуктивно связанными с, по меньшей мере, одной третьей катушкой индуктивности.

Несущая может быть радиочастотной несущей.

Параллельная резонансная схема и последовательная резонансная схема могут быть соединены последовательно.

Первая и вторая катушки индуктивности могут быть плоскими катушками индуктивности. Первая и вторая катушки индуктивности могут быть компланарными. Одна из первой и второй катушек индуктивности может быть расположена внутри другой и коаксиально с ней. По меньшей мере, одна третья катушка индуктивности может быть размещена так, чтобы быть коаксиальной с первой и второй катушками индуктивности.

По меньшей мере, одна третья катушка индуктивности может быть плоской катушкой индуктивности.

Параллельная и последовательная резонансные схемы могут быть настроены на разные частоты. Параллельная и последовательная резонансные схемы могут быть настроены практически на соответствующие частоты боковых полос модулированной несущей.

Параллельная и последовательная резонансные схемы могут иметь резонансные частоты и добротности такие, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности передающей антенны.

Приемная антенна может содержать дополнительную резонансную схему, включающую в себя, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности. Эта дополнительная резонансная схема может быть параллельной резонансной схемой. Дополнительная резонансная схема может быть настроена на частоту между боковыми полосами модулированной несущей. Дополнительная резонансная схема может быть настроена на среднее геометрическое частот боковых полос. Дополнительная резонансная схема может иметь резонансную частоту и добротность такие, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности приемной антенны.

Передающая и приемная антенны могут быть выполнены так, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности индуктивной связи.

Передатчик может быть выполнен с возможностью осуществления амплитудной модуляции, или частотной модуляции, или фазовой модуляции.

Приемная секция может содержать демодулятор для демодуляции сигналов, принятых приемной антенной.

Приемная секция может содержать источник питания, выполненный с возможностью запитки всей приемной секции исключительно от мощности, принятой приемной антенной.

Согласно второму объекту изобретения предложена передающая секция для беспроводного интерфейса для передачи сигналов и мощности исключительно без проводов на приемную секцию интерфейса, содержащая передатчик, выполненный с возможностью модулировать несущую сигналами и подключенный к передающей антенне, содержащей параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности.

Согласно третьему объекту изобретения предложена приемная секция для беспроводного интерфейса для приема сигналов и мощности исключительно без проводов от передающей секции интерфейса, содержащая приемную антенну, содержащую, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности, выполненную с возможностью индуктивной связи с первой и второй катушками индуктивности передающей антенны передающей секции.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны посредством иллюстративных примеров со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 - блок-схема характерного типа дисплея на жидких кристаллах;

фиг.2 - блок-схема известного типа интегральной системы отображения;

фиг.3 - блок-схема характерного типа беспроводной системы;

фиг.4 - блок-схема известного типа беспроводного передатчика в системе известного типа, показанной на фиг.3;

фиг.5a - временная диаграмма, иллюстрирующая манчестерское кодирование, а фиг.5b - временная диаграмма, иллюстрирующая использование вентиля «Исключающее ИЛИ» для обеспечения такого кодирования;

фиг.6a-6e - диаграммы колебаний, иллюстрирующие примеры схем модуляции для использования в беспроводных системах;

фиг.7a-7c - блок-схемы, иллюстрирующие модуляторы для воплощения схем модуляции, показанных на фиг.6c-6e;

фиг.8d - блок-схема известного типа приемной системы, а фиг.8a-8c - диаграммы, иллюстрирующие колебания, происходящие в этой приемной системе;

фиг.9 - принципиальная схема, иллюстрирующая известный тип формирующей импульсы схемы;

фиг.10 иллюстрирует известный тип устройства переноса мощности с помощью магнитной связи;

фиг.11 - принципиальная схема, иллюстрирующая выпрямитель мощности для использования с устройством, показанным на фиг.10;

фиг.12a и 12b иллюстрируют известные последовательную и параллельную резонансные схемы;

фиг.13 - график магнитной связи в зависимости от частоты для параллельных резонансных схем с различными добротностями;

фиг.14 - график магнитной связи в зависимости от частоты для последовательных резонансных схем с различными добротностями;

фиг.15 - диаграммы колебаний, иллюстрирующие перенос данных и мощности с помощью модуляции амплитудной манипуляцией;

фиг.16 иллюстрирует известный тип приемника для выделения мощности и данных;

фиг.17 - график, иллюстрирующий частотный спектр типичного амплитудно-модулированного сигнала;

фиг.18 - график магнитной связи в зависимости от частоты, иллюстрирующий требования по полосе частот для передачи как мощности, так и данных;

фиг.19 - принципиальная схема, иллюстрирующая известный тип схемы, объединяющей параллельную и последовательную резонансные схемы;

фиг.20 - график магнитной связи в зависимости от частоты, иллюстрирующий кривую передаточной функции;

фиг.21 иллюстрирует схематично известный тип передающей антенны, использующей схему по фиг.19;

фиг.22 - блок-схема известного типа частично беспроводной системы отображения;

фиг.23 - блок-схема, иллюстрирующая беспроводный интерфейс для системы отображения, составляющая вариант осуществления изобретения;

фиг.24 - диаграмма, иллюстрирующая передающую антенну интерфейса по фиг.23;

фиг.25 - график магнитной связи в зависимости от частоты, иллюстрирующий качество антенны по фиг.24;

фиг.26 - диаграмма, иллюстрирующая приемную антенну интерфейса по фиг.23; и

фиг.27 - график магнитной связи в зависимости от частоты, иллюстрирующий качество связи интерфейса по фиг.23.

Наилучший вариант осуществления изобретения

Фиг.23 показывает полную беспроводную систему, содержащую систему 200 возбудителя, составляющую передающую секцию, и беспроводную систему 220 отображения, составляющую приемную секцию. Система 200 возбудителя содержит источник 202 данных для подачи данных 212 системы отображения и сигналов 208 управления и тактирования. Эти сигналы затем связываются с передающей антенной 166. Система 200 возбудителя для питания всей схемы запитывается мощностью 204 снаружи. После того, как сигнал отправлен из передающей антенны 166, он проходит по беспроводному каналу 26 для попадания в беспроводную систему 220 отображения. Беспроводная система отображения содержит приемную систему 224, которая соединена с системой 257 отображения. Приемная антенна 211, которая ловит переданный сигнал, соединена с приемником 255. Этот приемник выделяет данные 212 системы отображения, сигналы 208 управления и тактирования и мощность 256 из переданного сигнала. Эти сигналы затем связываются с системой 257 отображения. Беспроводная система отображения является автономной системой и не требует никаких внешних подключений. Сигналы 212 данных, сигналы 208 управления и тактирования и мощности подаются через беспроводный интерфейс, полностью исключающий необходимость в физическом соединителе с системой отображения для переданного сигнала.

На фиг.23 источник 202 данных системы отображения, передающая система 210, приемник 255 и система 257 отображения могут быть, например, выполнены как описано здесь выше и проиллюстрировано на фиг.2, 4, 16.

Фиг.24 показывает воплощение передающей антенны 166, которая получает подлежащий передаче сигнал (RF IN 124) и отправляет его через беспроводный интерфейс. Антенна 166 содержит параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности в виде параллельной катушки 120, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности в виде последовательной катушки 116. Параллельный конденсатор 118 используется для настройки параллельной резонансной схемы, тогда как конденсатор 122 используется для настройки последовательной резонансной схемы. За счет использования двух передающих катушек величина мощности, передаваемой антенной, значительно повышается.

Настройка передающей антенны 166 на фиг.24 зависит от используемой схемы модуляции, а также от скорости передачи сигнала данных. Можно использовать амплитудную манипуляцию (АМн), частотную манипуляцию (ЧМн), фазовую манипуляцию (ФМн) либо, разумеется, любую схему модуляции более высокого порядка. В данном конкретном воплощении в качестве примера используется АМн. Приемлемой скоростью передачи данных для мобильного дисплея может быть 6,75 Мб/с. Это соответствует колебанию с максимальной частотой 3,375 МГц, в предположении, что используется кодирование данных без возврата к нулю (БВН). Для АМн несущая частота должна быть достаточно более высокой, чем скорость передачи данных, чтобы снизить сложность демодуляции. Подходящее значение несущей частоты было бы в 8 или более раз больше значения скорости передачи данных. В данном случае для несущей частоты разумным выбором было бы 27 МГц.

Фиг.25 показывает изменение связывающего магнитного поля 65 передающей антенны в зависимости от частоты 64. Характеристика имеет два пика - на более низкой боковой полосе (F_c-F_data 68) и на более высокой боковой полосе (F_c+F_data 62), где F_c - частота несущего мощность сигнала, a F_data - частота несущего данные сигнала. Для F_c=27 МГц и F_data=3,375 МГц нижняя и верхняя боковые полосы расположены на:

1. F_c-F_data=23,625 МГц.

2. F_c+F_data=30,375 МГц.

Антенные резонансные пики настроены на эти значения. В данном воплощении последовательный резонанс настроен на 23,625 МГц, а параллельный резонанс настроен на 30,375 МГц. Добротности Q этих двух резонансов выбраны так, чтобы быть достаточно высокими и чтобы перекрытие на 27 МГц 400 (на фиг.25) имело достаточную мощность для передачи несущей. Приемлемое значение для добротности Q для обоих резонансов составляет 3 или выше.

Фиг.26 показывает воплощение приемной антенны 211, которая основана на параллельной резонансной схеме. Антенна 211 содержит третью катушку индуктивности в виде индуктивной катушки 111 и настроечный конденсатор 46 и спроектирована на резонанс на частоте, которая представляет собой среднее геометрическое частот двух боковых полос, т.е. ((F_c+F_data)(F_c-F_data))^1/2, что составляет приблизительно 27 МГц. Приемлемая добротность Q для приемной антенны составляет 3 или выше. Выходной сигнал (RF OUT 112) связывает сигнал с остальной частью приемной системы. На практике третья катушка 111 индуктивности временно или постоянно индуктивно связана с первой и второй катушками 120, 116 индуктивности.

Фиг.27 показывает объединенную характеристику передающей антенны 166 и приемной антенны 211. Она представляет изменение связывающего магнитного поля 65 в зависимости от частоты 64. Характеристика является широкополосной при высокой добротности, охватывающей диапазон между нижней боковой полосой (Fc-Fdata 68) и верхней боковой полосой (Fc+Fdata 62) несущего данные сигнала. Далее, уровень 66 половинной мощности таков, что нижняя боковая полоса 68 и верхняя боковая полоса 62 лежат внутри кривой характеристики. Это приводит к характеристике антенны с очень высокой добротностью Q, что способствует передаче мощности, а также к очень широкополосной характеристике, что гарантирует передачу высокоскоростных данных практически без искажения.

Хотя проиллюстрированы и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, понятно, что изобретение не ограничено раскрытыми здесь точной конфигурацией и составляющими. Различные модификации, изменения и варианты, которые будут ясны специалисту, можно сделать в устройстве, работе и деталях раскрытых здесь способов и систем по настоящему изобретению без отхода от сущности и объема изобретения.

1. Беспроводный интерфейс, содержащий приемную секцию и передающую секцию, выполненную с возможностью подачи сигналов и мощности исключительно без проводов в приемную секцию, при этом передающая секция содержит передатчик, выполненный с возможностью модуляции несущей сигналами и соединенный с передающей антенной, содержащей параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности, а приемная секция содержит приемную антенну, содержащую, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности, размещенную для индуктивной связи с первой и второй катушками индуктивности.

2. Интерфейс по п.1, содержащий дисплей.

3. Интерфейс по п.2, в котором приемная секция включает в себя устройство отображения изображений.

4. Интерфейс по п.3, в котором указанное устройство является устройством на жидких кристаллах.

5. Интерфейс по п.3 или 4, в котором приемная секция включает в себя заднюю подсветку дисплея.

6. Интерфейс по п.1, содержащий систему радиочастотной идентификации.

7. Интерфейс по п.1, в котором первая и вторая катушки индуктивности размещены так, чтобы быть практически постоянно индуктивно связанными с, по меньшей мере, одной третьей катушкой индуктивности.

8. Интерфейс по п.1, в котором первая и вторая катушки индуктивности размещены так, чтобы быть временно индуктивно связанными с, по меньшей мере, одной третьей катушкой индуктивности.

9. Интерфейс по п.1, в котором несущая является высокочастотной несущей.

10. Интерфейс по п.1, в котором параллельная резонансная схема и последовательная резонансная схема соединены последовательно.

11. Интерфейс по п.1, в котором первая и вторая катушки индуктивности являются плоскими катушками индуктивности.

12. Интерфейс по п.11, в котором первая и вторая катушки индуктивности являются копланарными.

13. Интерфейс по п.12, в котором одна из первой и второй катушек индуктивности расположена коаксиально внутри другой из первой и второй катушек индуктивности.

14. Интерфейс по п.13, в котором, по меньшей мере, одна третья катушка индуктивности размещена так, чтобы быть коаксиальной с первой и второй катушками индуктивности.

15. Интерфейс по п.1, в котором, по меньшей мере, одна третья катушка индуктивности является плоской катушкой индуктивности.

16. Интерфейс по п.1, в котором параллельная и последовательная резонансные схемы настроены на разные частоты.

17. Интерфейс по п.16, в котором параллельная и последовательная резонансные схемы настроены практически на соответствующие частоты боковых полос модулированной несущей.

18. Интерфейс по п.1, в котором параллельная и последовательная резонансные схемы имеют такие резонансные частоты и добротности, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности передающей антенны.

19. Интерфейс по п.1, в котором приемная антенна содержит дополнительную резонансную схему, включающую в себя, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности.

20. Интерфейс по п.19, в котором дополнительная резонансная схема является параллельной резонансной схемой.

21. Интерфейс по п.19 или 20, в котором дополнительная резонансная схема настроена на частоту между боковыми полосами модулированной несущей.

22. Интерфейс по п.21, в котором дополнительная резонансная схема настроена на частоту, равную среднему геометрическому частот боковых полос.

23. Интерфейс по п.19, в котором дополнительная резонансная схема имеет такие резонансную частоту и добротность, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности приемной антенны.

24. Интерфейс по п.1, в котором передающая и приемная антенны выполнены так, чтобы несущая и боковые полосы модулированной несущей находились в пределах полосы частот половинной мощности индуктивной связи.

25. Интерфейс по п.1, в котором передатчик выполнен с возможностью осуществления амплитудной модуляции, или частотной модуляции, или фазовой модуляции.

26. Интерфейс по п.1, в котором приемная секция содержит демодулятор для демодуляции сигналов, принятых приемной антенной.

27. Интерфейс по п.1, в котором приемная секция содержит источник питания, выполненный с возможностью запитки всей приемной секции исключительно от мощности, принятой приемной антенной.

28. Передающая секция для беспроводного интерфейса для передачи сигналов и мощности исключительно без проводов на приемную секцию интерфейса, содержащая передатчик, выполненный с возможностью модулировать несущую сигналами и подключенный к передающей антенне, содержащей параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности.

29. Приемная секция для беспроводного интерфейса для приема сигналов и мощности исключительно без проводов от передающей секции интерфейса, выполненной с возможностью модулировать несущую сигналами и подключенный к передающей антенне, содержащей параллельную резонансную схему, включающую в себя первую катушку индуктивности, и последовательную резонансную схему, включающую в себя вторую катушку индуктивности, при этом приемная секция содержит приемную антенну, содержащую, по меньшей мере, одну третью катушку индуктивности, выполненную с возможностью индуктивной связи с первой и второй катушками индуктивности передающей антенны, подключенной к передающей секции.