無線充電Qi協議正向通信FSK的解調設計

白光磊 池卿華 王兆俊 江昊 史佳雯 周天

摘? 要： 無線充電Qi協議提出發射器和接收器通過頻率調制（FSK）方式進行正向通信，進而建立完整的通信狀態控制。接收器可采用測寬法進行頻率解調，然而由于電磁耦合變化、負載變化、載波占空比變化、測量量化等引起的誤差，該方法無法滿足實際應用的要求。該文針對傳統測寬法抗干擾能力弱的問題，提出一種窗口濾波算法，通過參考相鄰脈沖頻率確定當前脈沖的有效頻率，極大地提高了測寬法的抗干擾能力。經實例分析，改進后的測寬法抗干擾能力強、邏輯簡單，為無線充電正向通信FSK解調提供一種可行的方法。

關鍵詞： Qi協議; 無線充電; 正向通信; 頻率解調; 測寬法; 窗口濾波

中圖分類號： TN26?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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

無線充電將充電設備與電源分離，充電更安全，并且具有多機共用、防水防塵、在極其惡劣的條件下也能正常工作的特點，可應用于智能穿戴、移動電子設備、醫用植入設備、無線傳感網絡和防水密封電子產品等 [1?3] 。為了保證充電的兼容性、安全性、平滑性，Qi協議提出完整的狀態控制，并給出發射器通過頻率調制，接收器端通過頻率解調，完成正向通信[3?5]。頻率解調非線性變換方法主要包括限幅鑒頻法、過零點檢測法、頻譜分析法及測寬法[6?7]，各方法優缺點如表1所示。測寬法具有檢測時間短、實時性高的特點;然而在無線充電系統中，在出現電磁耦合變化、負載變化、載波占空比變化、測量量化等引起誤差時，將會導致頻率解調出錯[7]。本文針對測寬法抗干擾能力差的問題，提出窗口濾波算法，通過參考相鄰脈沖頻率，極大地提高了抗干擾能力，為無線充電正向通信FSK提供一種可行方法。

1? FSK解調設計

1.1? 無線充電的頻率調制

發射器端按照編碼規則，控制工作頻率，完成頻率調制。接收器LC諧振電路A，B兩端點波形頻率與工作頻率一致且互補，通過電壓比較器輸出同頻方波，將方波接入單片機、FPGA等嵌入式平臺完成頻率解調，按照解碼規則進行解碼。

電路簡化結構如圖1所示。

文獻[4]描述了Qi協議頻率通信的位編碼規則，每個bit都采用差分雙向編碼策略。發射器每次經過載波電信號的512周期進行一次數據的對齊。當輸出“1”時，電信號的頻率會在bit的開始處和256個周期處發生跳變，共計兩次跳變;當輸出“0”時，電信號的頻率僅會在bit開始處發生一次跳變。頻率調制位編碼示例圖見圖2。為了便于單片機測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。因此，接收器將LC諧振電路A，B兩端點電壓信號通過電壓比較器輸出同頻方波，示例波形如圖3所示。

1.2? 測寬解調法的基本原理

接收器從調頻方波開始，根據脈沖的頻率解調出信息數據完成正向通信的最后一環。測寬解調法的思路是，首先根據輸入信號，捕獲相鄰高電平（或相鄰低電平）的寬度，即得到了每一個脈沖的寬度。從而根據寬度判斷出頻率高低，然后根據脈沖的頻率跳變及計數進行解碼。實際某段調頻方波的解碼過程示例如圖4所示。

圖中的這段波形為256個周期的低頻方波和256個周期的高頻方波。通過單片機定時器輸入捕獲通道測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，可以畫出頻率狀態的變化。由解碼規則得，在256個周期時頻率發生跳變，可以得出這一段方波信號表示一個1。

1.3? 傳統測寬法的缺陷

測寬解調法的關鍵是每一脈沖頻率的準確判斷。在每一脈沖頻率正確判斷的基礎上，可準確得到頻率跳變時間和脈沖計數，從而進行正確的解調并得到正確的解碼數據。然而在出現電磁耦合變化、負載變化、載波占空比變化、測量量化等引起誤差時，將會導致個別脈沖頻率誤判。此時，無法正確解碼，且對數據位的同步帶來挑戰。當出現電磁耦合變化、負載變化等產生圖中調頻方波信號，或因為載波占空比變化、測量量化誤差等導致脈沖頻率誤判時，一段編碼為1的波形信號頻率狀態如圖5所示，無法完成解碼及位同步。

圖5? 干擾信號解碼示例圖

1.4? 窗口濾波算法

針對測寬法的缺陷，設計窗口濾波算法。窗口濾波算法的思路是，在判斷出每一周期的頻率基礎上，設計一定長度的窗口，窗口內可觀察當前周期及前面若干個周期的頻率，根據窗口內的高低頻率個數，從而判斷出當前周期的有效頻率，從而使得頻率狀態變化的抗干擾能力增強。然后根據有效頻率的狀態變化，進行解碼。以窗口長度等于10為例，示例如圖6所示。

圖6中調頻方波分為三段，其中前后兩段虛線方波信號分別為前一bit和后一bit的部分調制信號波形。由單片機通過測寬法判斷出每一脈沖周期的頻率高低，如前所述，某些可能會出現誤判。采用窗口濾波算法，即通過觀察當前脈沖及前邊若干脈沖來得出一個有效頻率（用h表示高頻，l表示低頻）。在每一個窗口中，僅有高頻個數高于某一個閾值，才會得出有效頻率為高頻h，否則有效頻率為低頻l。

圖中窗口長度為10，閾值取為5，取三個窗口為例：在第一個窗口中共計5個高頻H，故得出有效頻率為高頻h;在第二個窗口中共計3個高頻H，故得出有效頻率為低頻l;在第三個窗口中共計7個高頻H，故得出有效頻率為高頻h。從而得出信號的有效頻率狀態如圖，雖然頻率狀態變化略有延遲，且頻率狀態計數長度略有變化，但由于濾除了誤判引起的頻率狀態變化，可以簡單的從頻率狀態變化中提取出位同步信號。

1.5? 數據位解碼

通過窗口濾波算法判斷的有效頻率，可以從頻率狀態變化中提取出位同步信號。然而由于有效頻率與實際頻率在位與位相鄰的地方發生偏移，且有效頻率狀態變化會隨相鄰位置實際頻率的誤判產生不同的偏移，因此有效頻率中對應每一位進行解碼的脈沖個數不是精確的512個。由編碼規則可知，通過判斷每位調制信號的前256個脈沖頻率和后256個脈沖頻率是否一致可以得出數據位為1，還是為0。若以256個脈沖為一段，則解碼一位數據需要判斷兩段脈沖的頻率，記已識別脈沖段的個數為m，記同一頻率持續脈沖計數為n，則可以按照圖7中流程圖的步驟進行位解碼。解碼的關鍵點在于判斷最新一個脈沖有效頻率是否與之前的有效頻率發生變化，這里分為兩種情況：若無變化，則在計數到達256時，表示可以判斷出一段脈沖的頻率;若有變化，則判斷計數是否大于等于128，即根據大于等于半段波形個數，表示可以判斷出一段脈沖的波形。

為了便于分析解碼方法，舉出若干個通過窗口濾波算法得到的一位調制信號經過窗口濾波算法后的有效頻率情況。如510個低頻l：首先根據前256個l判斷出前段頻率為l;后244個l在頻率發生變化時，根據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個高頻h：首先根據前256個h判斷出前段頻率為h;緊鄰其后256個h判斷出后段頻率為h;最后4個h，在頻率跳變時，根據4小于128忽略。前后段頻率一致，則解碼為0。253個低頻l，260個高頻h：首先前253個l， 在頻率發生變化時，根據253大于128，判斷出前段頻率為l;緊鄰其后256個h判斷出后段頻率為h;最后4個h，在頻率跳變時，根據4小于128忽略。前后段頻率不一致，則解碼為1。

2? 實例分析

本文使用系統頻率為72 MHz的STM32主控芯片，搭建正向通信模型，發射器采用高級定時器產生4路調頻PWM信號控制驅動電路，進而驅動初級線圈。在接收器端，則采用定時器捕捉通道對每一脈沖測寬，使用測量數據進行解碼。首先使用測量數據進行頻率判斷，由于電磁耦合變化、負載變化、載波占空比變化、測量量化誤差等極大可能導致頻率誤判。在使用定時器判斷頻率的實驗數據如表2所示。

無線充電系統的頻率在100～200 kHz之間，從表2中幾組數據看出，出現單個脈沖誤判的概率大于0.2%，則在1位調制信號中（512個脈沖信號）出現單個或多個脈沖誤判可能性非常大，而在一個字節（11位）、數據包（3～22個字節）出現脈沖頻率誤判的概率更大。

若采用測寬法，則首先根據每一個脈沖寬度進行頻率判斷后，然后按照解碼原則解碼。對于工作頻率fH =151 kHz， fL =150 kHz時，在STM32完成的無線充電平臺進行測試，使用測寬法進行解碼，統計數據如表3所示。

由于在一個數據包傳輸過程中，一個脈沖信號的誤判可能引起數據位解碼出錯以及數據位同步信號錯位，從表3數據可以看出，很難完成整個數據包的正確接收及解碼。若采用窗口濾波算法對測寬法進行改進，首先根據每一脈沖及前面相鄰若干脈沖的寬度產生一個有效頻率，依次產生所有脈沖對應的有效頻率，然后按照解碼規則解碼。對于工作頻率fH =151 kHz，fL =150 kHz時，使用改進測寬法進行解碼，統計數據如表4所示。

從表1中數據看出，解碼成功率接近100%，記明了改進的測寬法是一種可行的無線充電頻率解調方法。正如前文分析，使用窗口濾波算法平滑了實際頻率引起的誤判，首先確保了準確的位同步信號，其次確保了每一位正確解碼。

3? 結? 語

在無線充電系統正向通信頻率解調的實現方法中，本文針對測寬法抗干擾能力差，在某些脈沖測量出現誤判時無法解碼的問題，提出窗口濾波算法，通過參考多個脈沖信號的頻率平滑頻率變化，從而通過平滑后的有效頻率進行解碼，該方法可以準確的提取位同步信號、極大的提高抗干擾能力，完成正向通信的頻率解調。使用窗口濾波算法改進的測寬法，抗干擾能力強，邏輯簡單，計算量小，可在單片機、FPGA等平臺實現，為無線充電頻率解調提供了一種優良的方法，具有廣闊的應用前景。

注：本文通訊作者為江昊。

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