附图的图1示出一种通用液晶显示器系统，其是平板显示器的一个示例。 这种显示器由显示图像的包括有源矩阵14的有源区域、包括驱动器12以照亮 显示器的背光源系统、以及控制像素的寻址的多个驱动器集成电路(IC)10 组成。该系统被提供有显示数据2、多个控制和定时信号6以及功率4。这些 信号通常经由柔性印制电缆(FPC)提供。附连此电缆在显示器制造中增加了 显著的成本。除了如附图的图2中所示的有源显示区域之外，显示器系统还可 具有集成音频250和传感器270系统。这些系统的每一个都需要线路连接以提 供系统数据(音频数据252、传感器数据266以及显示数据2)以及相关的定 时和控制数据(音频定时和控制254、传感器定时和控制268、显示定时和控 制6)。该显示器系统可具有单个外部电源256，该外部电源可然后与一系列 调压器271连接以满足不同电压要求(4、258、262以及277)。显示器系统 的复杂度的增大不可避免地导致外部连接的数量的相应增加，而这又导致更大 的FPC连接器。然而，结合这些显示器系统的产品在尺寸上变得物理地越来越 小，因此有压力要找到向显示器系统发射信号的替换方法。
无线接口是非常吸引人的建议。附图的图3示出一种通用无线系统，其包 含生成数据的数据源20、执行所需格式化和信号处理的发射机系统22、以及 发射天线24。这些项目通常形成发射机侧。发射天线通过无线信道26将信号 作为电磁波或光信号(取决于实现)来发射。在接收机侧，接收天线28将信 号耦合到接收机系统30，该接收机系统处理数据并把数据继续传送到数据宿 32。
附图的图4示出了一种通用发射机系统。第一个框是提供要发射的实际内 容的数据源160。假设数据是数字的，则它包括1和0的流，其中高电压电平 表示1而低电压电平表示0。该编码方案称为不归零(NRZ)。
该数据可然后被进一步处理和格式化162，以使它最佳地匹配无线信道。 有多个在此级可采用的编码方案。最流行的方案之一是曼彻斯特编码 (Manchester Encoding)，其由附图的附图5a中的定时波形示出。曼彻斯特码 是每一比特具有最小一个且最大两个电平转换的自同步码。在曼彻斯特数据 304中，“0”被编码为高到低转换，而“1”被编码为低到高转换。在2个相 同的数据比特之间存在额外的电平转换。如附图的图5b所示，这通常使用数 据时钟信号300与NRZ数据信号302之间的异或门(XOR)函数306实现。 如果两个变量中的任何一个为1但不是两者都为1，则这两个变量的XOR函 数为1。
在数据已被正确地格式化和编码之后(图4)，处理的下一级称为调制。 调制器165使用数据信号167来改变由振荡器161生成的高频载波信号163的 特性之一。附图的图6a至6e示出了典型的调制信号。图6a示出了高频载波 信号163，而图6b示出了数据信号167。通常改变的参数是以下之一：频率， 从而得到频移键控(FSK)170(图6c)；振幅，从而得到幅移键控(ASK) 174(图6e)；相位，从而得到相移键控(PSK)172(图6d)。所以其它调制 方案都来源于这三个基本方案。存在可用于实现这些方案的若干方法。附图的 图7a至7c概括了简单ASK、PSK和FSK的可能实现。调幅信号174通过混 合载波信号163和一数据信号167获得(图7b)。调频信号通过根据数据信号 167在两个载波信号(f1 163和f2 171)之间切换获得(图7a)。在相移键控 172中，载波信号163的相位根据数据信号167在两个值之间变化(图7c)。
已调制信号占用了一定量的频谱。这是取决于所采用的调制类型。已调制 信号中存在的频率分量可以通过计算该信号的傅立叶变换来标识。频率分量中 可用的功率的该曲线图被称为信号的功率谱密度(PSD)。这然后产生信号带 宽(BW)的定义。虽然有很多可接受的带宽定义，但是这通常认为是被具有 至少一半最大水平的功率水平的所有频谱分量所占据的频谱量。已调制信号的 带宽与数据信号的速度直接相关。高数据率需要更多带宽。
发射机的下一级(图4)涉及放大已调制信号以使其足够强从而在无线信 道上发射。这使用获取低功率已调制信号并产生高功率信号的功率放大器164 实现。存在用于实现此目的的若干方法，并且示例在Behzad Razavi的“Design of Analog CMOS Integrated Circuits”(模拟CMOS集成电路的设计)， McGraw-Hill 2001中公开。
在信号已被放大之后，然后使用天线166将该信号发射到无线信道中。天 线将信号从耦合电磁波转换成辐射波，并且被设计成在感兴趣的频率范围内最 优化功率传递。该辐射将经常被要求具有指定方向性，即在特定方向上最大化 信号的辐射。
在设计功率放大器164和发射天线166时必需小心，以确保它们有足够的 带宽来处理已调制信号。如果这些系统中可用的带宽小于信号带宽，则信号将 丢失一些信息并且可能导致对所发射数据的错误解码。
辐射信号在无线信道26上传播(图3)，在此之后该信号耦合到接收天 线28。接收天线被设计成从所发射信号中捕捉尽可能大的信号。与发射天线类 似，接收天线被设计成在指定频率范围和方向上高效。
来自接收天线的信号然后传送到接收机系统30，该接收机系统的主要功 能是从所接收的信号中提取原始数据信号。接收机系统的精确实现取决于在发 射机上采用的调制方案。附图的图8d示出使用幅移键控调制信号的无线接收 机系统作为示例。一种通用无线接收机系统包含接收天线28、提取所发射数据 信号的解调器311、以及把模拟数据信号转换成数字信号的脉冲整形系统314。 接收机系统的输出端315与发射机系统中用于调制载波的数据信号167(图4) 相同。在调幅信号174中(图8a)，数据信号被嵌入在已调制载波的包络(轮 廓)313中。因此，在此情况中接收机的主要作用是提取已调制载波的包络。 这通过首先整流调幅载波来实现，该整流得到仅具有原始调幅信号的正向部分 的输出310(图8b)。然后令经整流的信号通过低通滤波器312以去除高频载 波信号。最后一级然后涉及将经低通滤波的信号脉冲整形314成具有定义的高 和低电压电平的干净数字信号315(图8c)。
有许多实现脉冲整形器的方式。一个示例在附图的图9中示出。自偏压比 较器电路可被用来从模拟输入信号400生成数字输出信号402。高和低输出电 压电平404和406在电路的设计期间设置。此类型的装置在R.Jacob Baker、 Harry W.Li、David E.Boyce的“CMOS，Circuit design，Layout and Simulation” (CMOS，电路设计、布图和模拟)，IEEE出版社，1998中公开。
此时的输出信号315(图8c)表示用来调制发射机侧的载波的数据信号。
所有采用无线通信来传递数据的系统都是基于以上提供的描述的。这些系 统通常将在工作频率、数据率和采用的调制方案上不同。无线系统也日益具有 诸如纠错以及或许加密之类的额外特征以维持所发射信号的完整性。
在某些应用中，可能期望无线地发射功率，因为这可减少系统所需的线路 连接的数目。这通常通过在一个线圈的磁场中发射功率并且将它耦合到第二线 圈来实现。用于发射功率的通用方案在附图的图10中示出。功率发射能够通 过将线圈A36的磁场34与线圈B38的磁场耦合来实现。线圈A被提供有采用 交流电形式的功率信号35。线圈B中的输出信号37也具有交流电。下一步是 对此信号进行整流，如附图的图11所示。可使用全波整流器354来从双极性 (-Vp到+Vp)输入功率信号350中获得单极性(0到+Vp)输出信号352。此时 信号不是适当的直流功率信号，因为它包含波纹。这些波纹可通过使用某种形 式的平滑电路来去除。这可以是连接在输出信号上的大电容器。一旦已获得相 对无波纹的功率信号，然后该信号就可被调节并减压至所需电压电平。
为提高使用磁耦合的功率传递的效率，可使用谐振电路。无线地高效功率 传递可通过在发射机处使用串联谐振并在接收机处使用并联谐振来实现。发射 机处的串联谐振最大化电路中的电流，该电流又最大化耦合磁场。接收器处的 并联谐振最大化电压。这两种类型的电路在附图的图12a和12b中示出。具有 电阻R的电阻器40、电感L的电感器42以及电容C的电容器44的串联电路 (图12a)的谐振在感抗和容抗在量级上相等但是因为它们在相位上相差180 度而相互抵消时发生。串联谐振产生其值取决于电阻R的流经电路的最大电 流。谐振的锐度取决于R的值并表征电路的“Q”。品质因数“Q”是电感器 的性质，并由下式给出：
$Q=\frac{\mathrm{\omega L}}{r_s}$
其中ω是角频率(2πf)，而rs是电感器的金属绕组的等效串联电阻。品质 因数是电感器在其磁场中存储能量的能力的度量，从而高Q产生谐振时的大电 流或电压以及高效的功率传递。附图中的图13示出具有高Q 390和低Q 392 的响应的示例。
在具有电容C的电容器46、电感L的电感器48、以及电阻R的电阻器 50的电路中的并联谐振在由电感器引起的电抗与由电容器引起的电抗相等并 相反时的频率上发生。并联谐振产生电阻器两端的最大电压。电阻器50的值R 指示此电压的值。谐振时的功率传递更高效，因为谐振时的电压或电流如附图 的图14所示被最大化，在该图中绘出耦合磁场65随频率64的变化。在谐振 频率60上，耦合磁场65是最大值并且因此功率传递将在此频率上是最大值。
单独的无线数据发射是众所周知的。对于单独的无线功率传递也是众所周 知的。然而，在应用要求功率和数据都在同一无线信道上被无线地发射时，困 难出现了。传递数据需要数据信号以某种方式“装载”或携带在功率信号上。 这种技术的一个示例是使用载波信号来传递功率并且然后使用幅移键控调制 来将数据与此载波耦合，如附图的图15所示。功率载波信号174的振幅由数 据载波信号76调制。这产生同时携带功率和数据的复合发射信号78。用于此 情况的接收机与图8中所示的通用接收机不同，因为它现在不得不从所发射信 号中提取功率和数据两者。附图的图16示出这种接收机系统的示例。所发射 信号经由接收天线130耦合到接收机系统222。这然后后面是两个整流器(功 率整流器134和数据整流器140)以提取功率和数据信号。功率整流器的输出 是未调节的电压，其被调压器136调节以提供所需电压电平VR 138。在数据信 号提取路径中，数据整流器140的输出141被连接到产生数据信号的模拟版本 的解调器144。然后令该信号通过脉冲整形级145以产生与所发射数据信号相 同的数字信号146。
数学上，ASK是在时域中载波信号和数据信号的倍增处理。有时包络的 深度(也称为调制深度)可变可能是必要的。在此情况中，在执行倍增处理之 前，将一直流分量添加到数据信号。如果功率载波信号74由以下方程式表示，
xc＝cos(2πfct)，
数据载波信号76由以下方程式表示，
x数据＝cos(2πf数据t)，
则所得发射信号78在数学上被表示为：
x发射＝(A+x数据)xc＝Acos(2πfct)+cos[2πt(fc-f数据)]+cos[2πt(fc+f数据)]
其中调制深度由直流分量A表示，fc是功率载波信号的频率，而f数据是数 据载波信号的频率。
这暗示除了载波(功率载波)信号分量fc之外，所发射信号将具有频率分 量(fc-f数据)和(fc+f数据)。附图的图17示出在频域中的所发射信号的分量。频 率分量(fc-f数据68)和(fc+f数据62)被称为所发射信号的边带。如果数据载波 信号76具有带宽BW，则发射这两个边带所需的总带宽是2×BW 72。
为了在接收机侧成功恢复功率和数据，载波和两个边带应在无线信道上被 线性地发射。换言之，所接收的信号应与所发射的信号直接成比例。因此系统 传递函数(发射机谐振曲线的形状)应该使其没有任何失真地传送信号。附图 的图18示出功率载波信号60、两个边带68、62以及系统传递函数曲线67。 为了在接收机上成功恢复，两个边带应位于传递函数曲线67的包络之内。如 果边带在谐振曲线67之外，如在61和63处，则数据恢复将是不可能的。该 暗示是如果数据信号具有高的带宽，则更难以恢复功率和数据。将此带宽限制 与谐振曲线的品质因数(Q)相关的方程式由下式给出：
Q＝fc/(2×BW)
增大Q改进系统的功率传递能力，但是减小可被发射的数据的总带宽。 这使得功率和高带宽数据的发射成为一个非常有挑战的问题。
一种满足此挑战的方法在2004年11月的IEEE电路和系统(Circuits and Systems)会报第51卷，第12册中M.Ghovanloo和K.Najafi的“A wideband Frequency-Shift Keying Wireless Link for Inductively Powered Biomedical Implants”(用于感性供电的生物医学植入的宽带频移键控无线链路)中提出。 这些作者所采取的方法是对传递函数曲线整形，以使它在所发射信号中传递所 需频率分量而不降低系统的Q。作者使用串联和并联谐振电路(附图的图19) 以在传递函数中产生两个峰以使功率和数据载波信号能被发射(附图的图20)。 该系统通过在一个频率上发射数据比特“0”并且在另一频率上发射数据比特 “1”来使用一种形式的频移键控(FSK)。此方法的主要缺点是发射数据比 特“1”和“0”的频率应高度稳定。这是因为在图20的传递函数中的每一个 峰的高Q导致局部窄带系统并且信号分量与这些频率的任何偏差将完全破坏 所发射的信号。在图20中，因此f数据69和fc 60应精确地位于传递函数的相应 峰的中心。如果令Q非常高来允许足够的功率传递，则这是非常困难的。
该系统的另一缺点是仅有天线的一个元件发射信号。在图19中，这与Lp 120相对应。另一电感器Ls 116完全不发射并且仅起传递函数整形器的作用。 由于系统可处理的功率传递量与系统的总电感相关，所以这将意味着功率量被 限制于单个电感器Lp 120可发射的量。此系统的实际实现在附图的图21中示 出，其中Ls 116仅具有对信号整形的功能，且Lp 120是唯一的发射元件。此 装置对于低功率系统是足够的。然而，对于诸如向LC显示器的背光源供电之 类的高功率系统要求，单个发射元件将不能提供足够的功率。
另一已知装置在US 7,071,629B2中公开(附图的图22)。此系统声称能 够将数据85和功率84无线地发射到显示器系统81。这使用无线发射机元件 90和合并了数据和功率提取器的接收机元件83来实现。然而，该系统仅能够 发射对驱动器IC 87和89供电的足够功率。对于采用HV 82和GND 80的形 式的显示器系统的高电压要求，该系统仍需外部供电，并且因此不能被描述为 是完全无线的。
发明公开
根据本发明的第一方面，提供一种无线接口，所述无线接口包括接收部分 以及被安排成仅向该接收部分无线地提供信号和功率的发射部分，所述发射部 分包括被安排成使用所述信号来调制载波并且连接到发射天线的发射机，所述 发射天线包括含有第一电感器的并联谐振电路以及含有第二电感器的串联谐 振电路，所述接收部分包括接收天线，所述接收天线包括被安排成与所述第一 和第二电感器电感耦合的至少一个第三电感器。
因而可提供一种允许发射与接收部分之间的所有信号和功率的完全无线 接口的装置。例如，在显示器的情况下，可使用诸如数据、定时和控制信号之 类的所有信令一起为显示器的所有功率要求提供充足的功率。可使用足够的带 宽来提供充足的功率以适应高速数据传递而不需要任何线路连接。所有的信号 和功率发射可在单个无线接口上提供，以使例如包括显示装置、背光源等在内 的接收部分可以是整装和独立的。
接口可包括显示器。接收部分可包括图像显示装置。该装置可以是液晶装 置。接收部分可包括显示背光源。
接口可包括射频识别系统。
第一和第二电感器可被安排成与至少一个第三电感器基本永久性地电感 耦合。
第一和第二电感器可被安排成与至少一个第三电感器临时地电感耦合。
载波可以是射频载波。
并联谐振电路和串联谐振电路可串联连接。
第一和第二电感器可以是平面电感器。第一和第二电感器可以是共面的。 第一和第二电感器之一可被放置在第一和第二电感器的另一个之内并且与其 共轴。至少一个第三电感器可被安排成与第一和第二电感器共轴。
至少一个第三电感器可以是平面电感器。
并联和串联谐振电路可被调谐到不同频率。并联和串联谐振电路可被基本 调谐到已调制载波的相应边带频率。
并联和串联谐振电路可具有谐振频率和Q，以使载波和已调制载波的边带 在发射天线的半功率带宽之内。
接收天线可包括另一谐振电路，该另一谐振电路包括至少一个第三电感 器。该另一谐振电路可以是并联谐振电路。该另一谐振电路可被调谐到已调制 载波的边带之间的频率。该另一谐振电路可被调谐到边带频率的几何平均数。 该另一谐振电路可具有谐振频率和Q，以使载波和已调制载波的边带在接收天 线的半功率带宽之内。
发射和接收天线可被安排成使载波和已调制载波的边带在电感耦合的半 功率带宽之内。
发射机可被安排成执行调幅、调频以及调相之一。
接收部分可包括用于解调由接收天线接收的信号的解调器。
接收部分可包括功率提供装置，其被安排成仅从由接收天线接收的功率向 整个接收部分供电。
根据本发明的第二方面，提供一种无线接口的发射部分，该发射部分用于 仅向该接口的接收部分无线地提供信号和功率，其包括被安排成使用信号调制 载波并且连接到发射天线的发射机，该发射天线包括含有第一电感器的并联谐 振电路以及含有第二电感器的串联谐振电路。
根据本发明的第三方面，提供一种无线接口的接收部分，该接收部分用于 仅从该接口的发射部分无线地接收信号和功率，其包括接收天线，该接收天线 包括被安排成与发射部分的发射天线的第一和第二电感器电感耦合的至少一 个第三电感器。
附图简述
现在将参考附图将本发明的优选实施例作为说明性示例来描述，在附图 中：
图1是通用已知类型的液晶显示器的示意框图；
图2是已知类型的集成显示器系统的示意框图；
图3是通用已知类型的无线系统的示意框图；
图4是图3中所示类型的系统的已知类型的无线发射机的示意框图；
图5a是示出曼彻斯特编码的时序图，且图5b是示出使用XOR门来提供 这种编码的示图；
图6a至6e包括示出在无线系统中使用的调制方案的示例的波形图；
图7a至7c是示出用于实现图6c至6e中所示的调制方案的调制器的示意 框图；
图8d是已知类型的接收机系统的示意框图，且图8a至8c是示出在接收 机系统中发生的波形的示图；
图9是示出已知类型的脉冲整形电路的电路图；
图10示出使用磁耦合的已知类型的功率传递装置；
图11是示出与图10中所示装置一起使用的功率整流器的电路图；
图12a和12b示出已知串联和并联谐振电路的示例；
图13是针对具有不同Q的并联谐振电路的磁耦合场对频率的曲线图；
图14是针对典型Q的并联谐振电路的耦合磁场对频率的曲线图；
图15包括示出使用幅移键控调制的数据和功率传递的波形图；
图16示出用于提取功率和数据的已知类型的接收机；
图17是示出典型的调幅信号的频谱的曲线图；
图18是示出同时发射功率和数据两者的带宽要求的耦合磁场对频率的曲 线图；
图19是示出组合并联和串联谐振电路的已知类型的电路的电路图；
图20是示出发射机谐振曲线的耦合磁场对频率的曲线图；
图21用图表示出使用图19的电路的已知类型的发射天线；
图22是已知类型的部分无线显示器系统的示意框图；
图23是示出用于构成本发明的一个实施例的显示器的无线接口的示意框 图；
图24是示出图23的接口的发射天线的示图；
图25是示出图24的天线的性能的耦合磁场对频率的曲线图；
图26是示出图23的接口的接收天线的示图；以及
图27是示出图23的接口的耦合性能的耦合磁场对频率的曲线图。
本发明的最佳实施方式
图23示出包括由发射部分构成的驱动器系统200以及由接收部分构成的 无线显示器系统220的完整无线系统。驱动器系统200包括提供显示器系统数 据212的数据源202以及控制和定时信号208。这些信号然后连接到发射机系 统210，该发射机系统然后连接到发射天线166。驱动器系统200被外部地提 供功率204以向所有电路供电。在信号从发射天线210发射之后，其穿过无线 信道26以耦合到无线显示器系统220。无线显示器系统包括连接到显示器系统 257的接收系统224。捕捉所发射信号的接收天线211连接到接收器255。接收 器从所发射的信号中提取显示器系统数据212、控制以及定时信号208以及功 率256。这些信号然后连接到显示器系统257。无线显示器系统是整装的系统 并且不需要任何外部连接。所有的数据信号212、控制和定时信号208以及功 率经由无线接口提供，从而完全消除对于针对所发射信号的到显示器系统的物 理连接器的需求。
在图23中，显示器系统数据源202、发射机系统210、接收机255以及显 示器系统257可例如如以下所描述地并且在图2、4、16中所示地实现。
图24示出获得要发射的信号(RF输入124)并且在无线接口上发射该 信号的发射天线166的实现。天线166包括并联谐振电路，该并联谐振电路包 括采用并联线圈120的形式的第一电感器；以及串联谐振电路，该串联谐振电 路包括采用串联线圈116的形式的第二电感器。并联电容器118被用来调谐并 联谐振电路，而电容器122被用来调谐串联谐振电路。通过使用两个发射线圈， 从天线发射的功率量显著增大。
图24中的发射天线166的调谐依赖于所用的调制方案以及信号数据率。 可使用幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)或者实际上 任何更高阶调制方案。在此具体实现中，使用ASK作为示例。用于移动显示 器的适当数据率可以是6.75Mb/s。这与最大频率3.375MHz的波相对应，假 设使用不归零(NRZ)数据编码。对于ASK，载波频率必须适当地高于数据率 以降低解调的复杂度。载波频率的适当值是8x数据率的值或更大。在此情况 中，27MHz是对于载波频率的合理选择。
图25示出发射天线的耦合磁场65随频率64的变化。该响应在较低边带 (Fc-F数据68)以及在较高边带(Fc-F数据62)处具有两个峰值，其中Fc是功率 载波信号的频率而F数据是数据载波信号的频率。对于Fc＝27MHz并且F数据＝ 3.375MHz，较低和较高边带为：
1.Fc-F数据＝23.625MHz
2.Fc+F数据＝30.375MHz
天线谐振峰被调谐到这些值。在此实现中，串联谐振被调谐到23.625MHz 而并联谐振被调谐到30.375MHz。两个谐振的Q被选择成足够高，以使在27 MHz处的重叠400(在图25中)具有足够的功率来发射载波。对于这两个谐 振的Q的适当值是3或更高。
图26示出基于并联谐振电路的接收天线211的实现。天线211包括采用 电感线圈111形式的第三电感器以及调谐电容器46，并且被设计成在为两个边 带频率的几何平均数(即，((Fc+F数据)(Fc-F数据))1/2)、约为27MHz的频率上谐 振。用于接收机天线的适当Q是3或更高。输出信号(RF输出112)使信号与 接收机系统的剩余部分连接。在使用中，第三电感器111临时地或永久地电感 耦合到第一和第二电感器120、116。
图27示出发射天线166和接收天线211的组合响应。它绘出了耦合磁场 65随频率64的变化。该响应是覆盖数据载波信号的较低边带(Fc-F数据68) 与较高边带(Fc+F数据62)之间的范围的具有高Q的宽带。此外，半功率水平 66使得较低边带68与较高边带62位于响应曲线之内。这导致具有一非常高 “Q”的天线响应来帮助功率的发射，但还导致一非常宽带响应来基本确保高 速数据发射而没有任何失真。
虽然已经示出并描述了本发明的具体实施例和应用，但是应理解本发明不 限于在此公开的精确配制和组件。可对在此公开的本发明的方法和系统的装 置、操作以及细节做将对本领域的技术人员显而易见的各种修改、变化和变型， 而不背离本发明的精神和范围。