CN101038618A - 一种rfid阅读器智能天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RFID阅读器智能天线系统包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器，所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元，本发明一方面，通过合并各阵元发射波束，使指定方向上射频能量增强，抑止其它方向上的辐射能量；另一方面，通过调整合并参数，控制波束方向，以使波束在一个扇形区域扫描，扩大阅读器识读范围。

Description

一种RFID阅读器智能天线系统

                        技术领域

本发明涉及一种超高频/微波(UHF/MF)射频识别(RFID)技术，特别涉及一种RFID阅读器智能天线系统。

                        背景技术

RFID技术是自动识别技术的一种。由RFID技术形成的RFID系统主要包括阅读器与标签两部分。阅读器向标签发送无线信号，标签将存储在其内芯片数据返回给阅读器，由此达到自动识别的目的。RFID技术按频段划分可以分为：低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(900MHz)和微波(2.45GHz)，按标签工作模式可分为：主动、被动和半主动等三种方式。主动标签有自己的电源，接收信号和发送信号均由自身电源供电；被动标签不含电源，需要阅读器通过电磁耦合(所述低频和高频RFID)或射频载波(所述超高频和微波RFID)对标签进行供电。本发明主要针对的是被动式UHF/MF RFID技术，为叙述方便，下面所使用的RFID均指被动式UHF/MF RFID。

由于RFID标签本身没有电源，其电能来自于标签天线上接收的射频载波，这个从空中接收的能量非常微弱，必须要超过RFID标签芯片所需最小能量，才能激发RFID标签，使之工作。这是使RFID标签的阅读距离受到限制的主要因素。对于RFID应用而言，阅读距离是一个重要的指标，要提高该指标有两方法：第一种是加大RFID阅读器天线总发射功率；第二种是增加RFID阅读器天线的方向性，在不增加天线总功率的情况下，增加波束范围内的发射功率。这两种方法目的都是使目标区域的电磁场场强加强，但这两种方法都有缺陷：第一种方法(提高天线发射功率)是受到限制的，各国在制定RFID标准时都对天线辐射功率进行了限制，不能无限地加大阅读器天线的发射功率；第二种方法(增强阅读器天线的方向性)虽然提高了波束方向上的发射功率，但狭窄的波束角牺牲了阅读器的识读范围，这样往往不能满足实际应用的需要。当前RFID阅读器仍采用传统的圆极化或椭圆极化天线，天线的波束较宽，覆盖范围较大，一方面容易造成标签的碰撞，从而使识读标签时间增加；另一方面，在较远位置的标签无法得到足够的激发能量，无法正常工作。

智能天线技术使用一套固定的天线阵元，是无线系统的一种新技术。使用智能天线技术，发射波束变窄，能量集中，在离天线较远位置的标签仍可以得到激发；另一方面，可以通过调整波束方向，形成较宽的扫描角度，扩大阅读器识读范围。这些天线阵元的信号通过合并处理，可以形成可控的波束方向图，指向期望的方向。若改变合并处理的参数，则合并波束可以指向不同的方向。这样就能使天线系统把射频资源集中在某个特定方向上，同时尽量减少噪声、干扰和其它效应对信号质量的不利影响。当前智能天线技术有两种实现方法，一种是采用高速DSP技术动态计算合并参数，可根据实际情况调整波束方向，即自适应天线阵技术；另一种是采用固定波束形成网络，网络的合并参数是固定的，因此波束方向只能有若干个选择，根据需要对波束进行切换，即波束切换技术。第一种方法可以有较大的灵活性和天线阵处理增益，但结构复杂，成本高；第二种方法虽不如第一种灵活，处理增益也不如第一种高，但其结构简单，成本低，易于实现，目前已有广泛应用。

                        发明内容

本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种用于RFID阅读器上的智能天线系统。一方面，通过合并各阵元发射波束，使指定方向上射频能量增强，抑止其它方向上的辐射能量；另一方面，通过调整合并参数，控制波束方向，以使波束在一个扇形区域扫描，扩大阅读器识读读范围。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种RFID阅读器自适应天线系统，包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器，所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元，所述天线阵元与可调整双向加权单元相连，所述可调整双向加权单元依次通过合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、环形器、A/D下变频单元与DSP信号处理器相连，所述A/D下变频单元依次与DSP信号处理器的解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元与DSP信号处理器的选择控制单元相连，所述选择控制单元与单刀M掷射频开关相连，所述DSP信号处理器的编码/调制单元通过D/A上变频单元与环形器相连。

本发明的另一个目的是提供一种RFID阅读器自适应天线系统处理信号的方法，其处理信号步骤如下：

(1)外部信号经过编码/调制单元、D/A上变频单元和环形器送到单刀M掷射频开关，单刀M掷射频开关选通一个端口；

(2)信号进入某个合并/分馈单元，再分馈至一组可调整双向加权单元；

(3)信号经由与可调整双向加权单元相连的天线阵元发送到空中，无线信号在空中合并成有一定指向的窄波束；

(4)在窄波束范围内被激活的RFID标签将信号反射到天线阵，各阵元的接收信号经可调整双向加权单元和合并/分馈单元后到达单刀M掷射频开关的各端口；

(5)RFID标签信号经由选通的单刀M掷射频开关端口、环形器和A/D下变频后达到DSP数字信号处理器的解调/译码单元，DSP数字信号处理器的解调/译码单元对信号进行解调和译码；

(6)译码的结果进入DSP数字信号处理器的标签检测单元，进行检测，选择控制单元根据检测结果控制单刀M掷射频开关选择合适的端口；

(7)DSP数字信号处理器将译码后的RFID数据送往后端处理；

所述步骤(1)中编码/调制单元处理外部数据的步骤如下：

(1)对要发射数据进行编码；

(2)然后将所述编码进行模拟调制，生成模拟波形的数字序列；

(3)输出数字序列，该序列将送往D/A上变频单元。

所述步骤(5)中解调/译码单元处理信号的步骤如下：

(1)接收来自A/D下变频单元的数字序列；

(2)对数字序列进行解调和译码。

所述步骤(6)标签检测单元处理检测数据有效性，检测结果送往选择控制单元，另外的译码数据送往后端处理。

所述步骤(6)选择控制单元工作处理信号的步骤如下：

(1)初始化单刀M掷射频开关控制数据，控制单刀M掷射频开关选择其中一个触点；

(2)等待一个延时周期，使阅读器能完成在指定方向上的识读工作；

(3)根据所述标签检测检测结果决定是否再继续等待，若该方向有有效的标签，则进入继续等待循环，以便阅读器能充分识读该方向标签，若该方向没有有效标签，则选择另外一个波束方向，以识读另外角度的标签，形成扫描区域。

本发明相对于现有技术具有以下优点：结合了智能天线技术和RFID技术，缓解了RFID领域中存在的识读范围和识读距离之间的矛盾，既增加了RFID阅读器识读标签的距离，又提高了识读标签的速度和精确度。

                        附图说明

图1本发明的RFID智能天线阵原理图；

图2本发明的4天线RFID智能天线系统结构图；

图3本发明的4×4巴特勒矩阵(Butler Matrix)结构图；

图4本发明的4×4巴特勒矩阵阵元相位、波束方向关系表；

图5本发明的DSP处理程序流程图。

                     具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明提供的一种RFID阅读器智能天线系统，包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器，所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元，所述天线阵元与可调整双向加权单元相连，所述可调整双向加权单元依次通过合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、环形器、A/D下变频单元与DSP信号处理器相连，所述A/D下变频单元依次通货DSP信号处理器的解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元与DSP信号处理器的选择控制单元相连，所述选择控制单元与单刀M掷射频开关相连，所述DSP信号处理器的编码/调制单元通过D/A上变频单元与环形器相连。

如图2所示，本发明提供的一种基于4天线RFID智能天线系统，包括：天线201、202、203和204、巴特勒矩阵模块205、单刀射频4掷开关206、环形器207、模拟乘法器208和209、本地振荡器210、数字模拟转换器(D/A)211、模拟数字转换器(A/D)212、数字信号处理器(DSP)213。所述天线201、202、203和204分别与巴特勒矩阵模块205相连；所述巴特勒矩阵模块205分别与单刀射频4掷开关206和数字信号处理器(DSP)213相连；所述单刀射频4掷开关206与环形器207相连；所述环形器207分别与模拟乘法器208、209相连；所述模拟乘法器208、209分别与本地振荡器210相连；所述模拟乘法器208与数字模拟转换器(D/A)211相连；所述模拟乘法器209与模拟数字转换器(A/D)212相连；所述数字模拟转换器(D/A)211和模拟数字转换器(A/D)212分别与数字信号处理器(DSP)213相连；所述数字信号处理器(DSP)213与单刀射频4掷开关206相连。

上述数字信号处理器(DSP)213，其完成多个任务，包括：图1中解调/译码单元中的解调功能和译码功能、编码/调制单元中的编码和调制功能、标签检测单元和选择控制单元的功能。上述数字模拟转换器(D/A)211完成图1中DA/上变频单元的数字信号转换成模拟信号的功能。上述模拟数字转换器(A/D)212完成图1中AD/下变频单元的模拟转换数字功能。上述模拟乘法器208、209和210完成图1中AD/下变频单元和DA/上变频单元中的上、下变频功能。上述环形器207，完成图1中环形器功能。上述巴特勒矩阵模块205完成图1中合并/分馈单元和可调整双向加权单元的功能、上述单刀4掷射频开关206完成图1中单刀M掷射频开关单元的功能。

本发明的RFID智能天线阵的发射信号过程如下：

(1)在数字信号处理器(DSP)213中将数字基带信号调制成模拟基带信号的数字序列，并通过数字模拟转换器(D/A)211形成模拟基带信号；

(2)211将模拟基带信号送入模拟乘法器208，基带信号在模拟乘法器208中和来自本地振荡器210的本振信号相乘，完成上变频任务，形成待发射信号；

(3)模拟乘法器208将待发射信号输入至环形器207的输入端(图1的101端口)；

(4)环形器207将待发射信号送至输出端(图1的103端口)，并馈入所连接的单刀射频4掷开关206的单刀四掷开关的共同端口；

(5)单刀4掷射频开关206受数字信号处理器(DSP)213控制选通4个端口开关中的一个，待发射信号被馈送至该选通端口(单刀射频4掷开关206的4个开关端口与巴特勒矩阵模块205的四个信号端口相连，在工作时，只有一个端口有效)；

(6)待发射信号进入巴特勒矩阵模块205，巴特勒矩阵模块205是巴特勒矩阵(Butler Matrix)，巴特勒矩阵模块205使输入信号经不同相位加权后送至巴特勒矩阵模块205的天线接口；

(7)待发射信号被馈入天线，由4个天线分别发出有相位差异的信号；

本发明的RFID智能天线阵接收射频信号过程如下：

(1)来自天线201、202、203和204的射频信号被馈送至巴特勒矩阵模块205，巴特勒矩阵模块205对各信号进行加权，并且对所述加权后信号进行合并，合并输出被送至巴特勒矩阵模块205的4个信号端口，即图3的305、306、307、308端口，不同端口代表的是不同加权值合成结果；

(2)单刀4掷射频开关206通过单刀四掷开关，选通其中一种加权合成结果，并将结果送至环形器207(图1的103)；

(3)环形器207将接收信号送至模拟乘法器209(即从图1的102端口输出)；

(4)接收信号在模拟乘法器209中与来自本地振荡器210的本振信号进行模拟相乘，完成下变频，形成模拟基带信号；

(5)模拟基带信号被送入模拟数字转换器(A/D)212，模拟数字转换器(A/D)212将模拟基带信号转换为数字序列，并送入数字信号处理器(DSP)213；

(6)数字信号处理器(DSP)213对数字序列进行解调/译码、标签检测和控制加权参数等任务。

如图3所示，本发明提供的4×4巴特勒矩阵结构，301、302、303和304是所述结构连接天线的天线端口，它们分别与天线阵元309、310、311、312连接。304、305、306和307是所述结构的信号端口，与图2中206的四个开关端口连接。所述结构可以采用集成电路或电路板蚀刻实现，本领域工程技术人员可以参考现有方案。4×4巴特勒矩阵可以形成4个波束方向，每一个时间里，只能有其中一个方向工作。

如图4是4×4巴特勒矩阵阵元相位、波束方向关系表。第一行表示：信号从信号端口307馈入时，天线阵元309输出信号与307原信号相位相差-45°，天线阵元310输出信号与307原信号相位相差-180°，天线阵元311输出信号与307原信号相位相差45°，天线阵元312输出信号与307原信号相位相差-90°。各阵元发射信号在空中合并，形成合波束，以水平阵列方向为基准，合成波束方向为138.5°，即当所述单刀四掷开关接通所述信号端口307时，发射波束方向为138.5°，接收方向波束也是138.5°。通过波束形成技术使得所选择方向的天线发射功率最大，同时天线接收的灵敏度最高。若依次接通所述信号端口307-＞305-＞308-＞306，或反方向，则可以形成扇形电磁波扫描区域。

如图5所示，是本发明的数字信号处理器(DSP)处理程序流程图，DSP处理流程分为三个并行子处理流程，它们是：选择控制单元、解调/译码与标签检测/编码调制。

编码调制部分工作流程：(1)对要发射数据进行编码；(2)然后将所述编码进行模拟调制，生成模拟波形的数字序列；(3)输出数字序列，该序列将送往D/A上变频单元。

解调/译码工作流程：(1)接收来自A/D下变频单元的数字序列；(2)对数字序列进行解调和译码；

标签检测工作流程：检测数据有效性，检测结果送往选择控制单元，另外的译码数据送往后端处理。

选择控制单元工作流程：(1)初始化单刀四掷开关控制数据，控制单刀四掷开关选择其中一个触点；(2)等待一个延时周期，使阅读器能完成在指定方向上的识读工作；(3)根据所述标签检测检测结果决定是否再继续等待，若该方向有有效的标签，则进入继续等待循环，以便阅读器能充分识读该方向标签，若该方向没有有效标签，则选择另外一个波束方向，以识读另外角度的标签，形成扫描区域。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种RFID阅读器智能天线系统，其特征在于，包括由多个天线阵元组成的天线阵、可调整双向加权单元、合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、A/D下变频单元、D/A上变频单元、环形器、DSP信号处理器，所述DSP信号处理器包括解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元及选择控制单元，所述天线阵元与可调整双向加权单元相连，所述可调整双向加权单元依次通过合并/分馈单元、单刀M掷射频开关、环形器、A/D下变频单元与DSP信号处理器相连，所述A/D下变频单元依次与DSP信号处理器的解调/译码单元、编码/调制单元、标签检测单元与DSP信号处理器的选择控制单元相连，所述选择控制单元与单刀M掷射频开关相连，所述DSP信号处理器的编码/调制单元通过D/A上变频单元与环形器相连。

2、一种RFID阅读器自适应天线系统处理信号的方法，其特征在于，其处理信号步骤如下：

(1)外部信号经过编码/调制单元、D/A上变频单元和环形器送到单刀M掷射频开关，单刀M掷射频开关选通一个端口；

(2)信号进入某个合并/分馈单元，再分馈至一组可调整双向加权单元；

(3)信号经由与可调整双向加权单元相连的天线阵元发送到空中，无线信号在空中合并成有一定指向的窄波束；

(4)在窄波束范围内被激活的RFID标签将信号反射到天线阵，各阵元的接收信号经可调整双向加权单元和合并/分馈单元后到达单刀M掷射频开关的各端口；

(5)RFID标签信号经由选通的单刀M掷射频开关端口、环形器和A/D下变频后达到DSP数字信号处理器的解调/译码单元，DSP数字信号处理器的解调/译码单元对信号进行解调和译码；

(6)译码的结果进入DSP数字信号处理器的标签检测单元，进行检测，选择控制单元根据检测结果控制单刀M掷射频开关选择合适的端口；

(7)DSP数字信号处理器将译码后的RFID数据送往后端处理。

3、根据权利要求2所述的一种RFID阅读器智能天线系统处理信号的方法，其特征在于，所述步骤(1)中编码/调制单元处理外部数据的步骤如下：

(1)对要发射数据进行编码；

(2)然后将所述编码进行模拟调制，生成模拟波形的数字序列；

(3)输出数字序列，该序列将送往D/A上变频单元。

4、根据权利要求2所述的一种RFID阅读器智能天线系统处理信号的方法，其特征在于，所述步骤(5)中解调/译码单元处理信号的步骤如下：

(1)接收来自A/D下变频单元的数字序列；

(2)对数字序列进行解调和译码。

5、根据权利要求2所述的一种RFID阅读器智能天线系统处理信号的方法，其特征在于，所述步骤(6)标签检测单元处理检测数据有效性，检测结果送往选择控制单元，另外的译码数据送往后端处理。

6、根据权利要求2所述的一种RFID阅读器智能天线系统处理信号的方法，其特征在于，所述步骤(6)选择控制单元工作处理信号的步骤如下：

(1)初始化单刀M掷射频开关控制数据，控制单刀M掷射频开关选择其中一个触点；

(2)等待一个延时周期，使阅读器能完成在指定方向上的识读工作；

(3)根据所述标签检测检测结果决定是否再继续等待，若该方向有有效的标签，则进入继续等待循环，以便阅读器能充分识读该方向标签，若该方向没有有效标签，则选择另外一个波束方向，以识读另外角度的标签，形成扫描区域。

Images