CN101169821A - 提高射频标签识读率的信号发射/接收模块及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高射频标签识读率的信号发射/接收模块及其方法，其在发送端对代表信息的二进制信号序列先做频移键控(FSK)调制，接着以频移键控获得的信号作为控制信号进行频率调制(FM)；在接收端，对限幅和带通滤波器后的信号进行解调、信号检测及解码，从而获得所发送的信息。本发明采用频移键控加频率调制(FSK+FM)的方法实现信号的调制发射，在RFID应用中减少或消除由多径效应所导致的死区，从而提高了射频标签读取率。

Description

提高射频标签识读率的信号发射/接收模块及其方法

技术领域

本发明涉及射频电子标签(RFID)设计技术领域，特别是涉及一种提高射频标签识读率的收发器系统结构。

背景技术

无线射频识别技术(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频识别系统一般有两个部分构成，即电子标签和读写器。在RFID的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上，当带有电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，读写器自动以无接触的方式将电子标签中的信息读取出来。

如图1所示，在RFID的实际应用中，目前采用幅移键控(ASK)调制和相干解调方案，由于幅移键控调制后的信号仍保留有正弦或余弦信号的特点，其调制后的频率是恒定值。按驻波发生理论，发生驻波的必要条件是相互叠加的信号(包括电磁波、水波等信号)具有相同的频率，如果频率不一致，就不会发生驻波现象，所以目前常用的ASK方案中，调制后发射到空间的射频信号存在频率不变的信号，所以在多径效应下会发生相干现象，即死区现象。由于无线通信的多径效应所产生的死区(又称之暗岛，即空间耦合中射频信号能量比较弱的区域)原因，使得RFID识读率偏低；识读率是阻碍RFID技术被大规模采用的主要原因之一，特别在超市、零售业等单品级应用，对RFID的识读率要求更高。

英国调查公司IDTechEx最近发表一份零售业REID市场报告，报告中称：RFID在零售业市场仍然面临着很大挑战，不够完美的读取率进一步恶化相对疲软的需求。虽然Gen2 RFID技术的性能受到广泛的赞扬，但不完美的读取率仍是个大障碍，影响零售市场更广泛地采用RFID。对一些零售终端用户而言，他们对读取率的关注度，甚至超过长期以来被视为应用最大阻碍的标签成本问题。没有可靠的读取率，想要从RFID应用中获得投资回报是很难的。

TI和RFID4U于2006年12月发布了标题为“智能型封装的实际效能期望”(Practical Performance Expectations for Smart Packaging)的白皮书，该白皮书提出许多实用的建议来提高读取性能，包括采用灵敏度更高的标签、使用更灵敏的天线扩大读写器的询问范围、或在供应链的新位置增加更多读取区。白皮书介绍一种系统性做法，协助使用者和系统整合商提高超高频(UHF)RFID系统性能。这项做法包括建立初步效能基准、执行标签效能分析、并找出产品与封装材料以及托盘大小和箱子数量等各种变数。白皮书概要介绍测试种类、效能指针以及静态与动态方法的优缺点，为工程人员解答“如何测量标签效能”及“那些参数最重要”等问题。

由于RFID识读率问题的重要性，对此受到许多研究机构和产业界的关注。但大部分研究只进行识读率的现场测试，并进行影响识读率的因素分析，而提出实际的解决方法比较少。类似TI发布的白皮书中，也仅从系统的角度对提高读取性能做了总结。所以，目前还需要研究更有效地提高RFID识读率的方法。

发明内容

为了提高RFID的识读率，本发明提供了一种提高射频标签识读率的信号发射/接收模块及其方法。

本发明的提高射频标签识读率的信号发射模块，包括：频移键控调制单元，用于对代表信息的二进制信号序列进行频移键控调制，获得频移键控调制信号；频率调制单元，用于对所述频移键控调制信号进行频率调制，得到调制信号；带通滤波放大单元，用于对所述调制信号进行滤波和信号放大处理；及发射天线，用于将经过滤波后的信号发射到空间场。所述频率调制单元还包括：积分模块，用于对所述频移键控调制信号进行积分处理，获得积分信号；载波调频模块，用于对所述积分信号进行频率调制处理，获得调制信号。

本发明的信号接收模块，包括：接收天线，用于从空间场获得接收信号；限幅带通滤波单元，用于对所述接收信号进行限幅和滤除噪声处理；解调单元，用于对限幅滤波后的高频信号进行解调处理，获得含有频移键控调制信号的解调信号；检测单元，用于对所述解调信号进行数字信号检测处理，获得含有二进制形式的数字信号(所述解调单元和检测单元也可合并为一个单元，例如对输入信号进行包络检测)；及解码单元，用于对上述数字信号进行解码处理，还原被发送的代表信息的二进制信号序列。

本发明的提高射频标签识读率的信号调制发射方法，所述方法按照以下步骤进行：

A1、对代表信息的二进制信号序列做频移键控调制，获得频移键控调制信号；

B1、对所述频移键控调制信号进行频率调制，获得调制信号；

C1、对所述调制信号进行带通滤波处理和信号放大，并将处理后的调制信号通过发射天线发射到空间场。

其中，所述方法步骤A1中，通过二进制信号序列控制两个幅值相同的正弦信号或余弦信号的导通，来实现频移键控调制。所述两个幅值相同的正弦信号或余弦信号的角频率和幅值根据RFID空间接口标准所规定的发射频段和发射功率来决定。

其中，所述方法步骤B1中，通过先将频移键控调制信号进行积分处理，然后再加入余弦或正弦载波信号实现频率调制。

对应上述信号调制发射方法的信号接收解调方法，所述方法按照以下步骤进行：

A2、通过所述接收天线获取空间场信号；

B2、对所述获取的信号依次进行限幅、滤除噪声处理，获得限幅滤波信号；

C2、对所述限幅滤波信号进行解调处理，获得含有频移键控调制信号解调信号；

D2、对所述解调信号进行数字信号检测处理，获得含有二进制形式的数字信号；

E2、对所述数字信号进行解码处理，还原被发送的代表信息的二进制信号序列。

其中，所述方法步骤C2中，高频信号解调处理采用包络检波法、频率相干解调法。如采用包络检波法，则先对高频信号进行微分处理获得微分信号，然后利用包络检波法对微分信号进行取包络和隔直处理，获得含有频移键控调制信号的检测信号。如采用频率相干解调法，直接作相干处理实现降频。所述方法步骤D2还可以用过零检测法来获得二进制形式的数字信号。

本发明采用频移键控加频率调制(FSK+FM)的方法实现信号的调制发射，在RFID应用中减少或消除由多径效应所导致的死区，从而提高了射频标签读取率。在本发明中的方案，由于采用频移键控加频率调制的方式发送射频信号，虽然因多径效应信号间的相互作用仍然存在，但空间场中的不同位置其频率瞬间连续的变化，通过破坏发生驻波现象的前提条件即信号具备相同频率的条件，解决了消除或减少死区现象问题。

在RFID标签和阅读器都可以采用本发明的技术方案，于是在多径效应的环境下，射频标签所处的信号空间电磁场中将不会出现或减少死区现象，使信号的能量在空间分布变得相对均衡，从而较好地提高射频标签的识读率。

附图说明

图1为目前通常采用的幅移键控调制和相干解调的收发器系统结构示意图；

图2为本发明提出的一种提高射频标签识读率的收发系统结构示意图；

图3为本发明提出的一种提高射频标签识读率的信号处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的提高射频标签识读率的收发系统，其包括一个信号发射模块110和一个信号接收模块120。本发明的收发系统可以分设在射频标签和读写器中，因为通信是双向过程，所以射频标签和读写器都有收发动作，都应具备收发功能。

如图2所示，本发明的信号发射模块110包括：频移键控调制单元111、频率调制单元112、带通滤波放大单元113和发射天线114；频移键控调制单元111用于对代表信息的二进制信号序列m(t)进行频移键控调制获得节点Xa处的频移键控调制信号；频率调制单元112用于对上述获得频移键控调制信号进行频率调制、其中加入载波信号ω_c，就可以获得节点Xb处的调制信号；带通滤波放大单元113用于对节点Xb处的调制信号进行滤波处理和信号放大，抑制因调制引入的旁带信号并获得足够的信号功率；发射天线114用于将经过滤波后的信号发射到空间场。所述频率调制单元还包括：积分模块，其用于对节点Xa处的频移键控调制信号进行积分处理，获得积分信号；载波调频模块，其用于对所述积分信号进行频率调制处理，获得节点Xb处的调制信号。

如图2所示，本发明的信号接收模块120包括：接收天线125、限幅带通滤波单元124、解调单元123、检测单元122和解码单元121；接收天线125用于从空间场获得接收信号；限幅带通滤波单元124用于对上述接收信号进行限幅和滤除噪声处理；解调单元123用于对限幅滤波后的信号进行解调处理，获得节点Xc处的解调信号；检测单元122用于对上述节点Xc处的解调信号进行数字信号检测处理，获得节点Xd处的含有二进制形式的数字信号；解码单元121用于对上述数字信号(即节点Xd处的信号)进行解码处理，还原被发送的代表信息的二进制信号序列m′(t)。

从上述结构的描述可以看出，本发明的收发器系统结构在发送端对代表信息的二进制信号序列先做频移键控(FSK)调制，接着以频移键控获得的信号作为控制信号进行频率调制(FM)；相应的，在接收端，对限幅和带通滤波器后的信号进行解调、信号检测及解码，从而获得所发送的信息，可见，本发明能够消除在RFID应用中因多径效应而导致的死区，提高射频标签的识读率。

以下参照图3对本发明的信号调制发射和接收解调方法进行详细说明。如图3所示，本发明的信号调制发射方法，具体按照以下三个步骤进行(以下用s(t)表示实时处理、发射或接收的信号)：

第一步、对代表发送信息的二进制信号序列m(t)做频移键控调制，获得频移键控调制信号(即图3中节点Xa处的信号)。该步骤如果通过二进制信号序列m(t)控制两个频率为ω₁和ω₂且幅值相同的正弦信号的导通来实现频移键控调制，则频移键控调制信号可以按下式表示：

$S_{\mathrm{fsk}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}A\×\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right),& m\left(t\right)=0\\ A\×\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right),& m\left(t\right)=1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ω₁和ω₂代表两个正弦信号的给定角频率；m(t)代表射频识别中发送的信息，它是一个二进制信号序列，射频标签的信息就有一组特定长度的二进制序列构成，在不同时刻，其不同的信号值对应相应的频率值，实现频移键控；A代表正弦信号的幅值，不同频率下幅值保持相同。该步骤中，通过二进制信号m(t)控制两个频率为ω₁和ω₂且幅值相同的余弦信号的导通来实现频移键控调制，则上述公式(1)中就要相应的改为余弦函数表示。

第二步、对节点Xa处频移键控调制信号进行频率(FM)调制，获得节点Xb处的调制信号。上述公式(1)所表示的频移键控调制信号经过FM调制后，在节点Xb处的输出信号可按以下公式表示：

s(t)＝A_c×cos(ω_ct+2πk_f∫s_fsk(t)dt)    (2)

其中，k_f表示FM调制器设计的调频灵敏度；ω_c为设计系统所指定的固定载波频率，即射频标签的工作频率；A_c表示载波调制后的信号幅值。从上述公式(2)可以看出，该步骤中，通过先将频移键控调制信号进行积分处理，然后再加入余弦或正弦载波信号，来实现频率调制。将上述公式(1)所标示的频移键控调制信号S_fsk(t)代入到上述公式(2)中可得，

$s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{A}_c\×\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\β}}_{f1}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)],& m\left(t\right)=0\\ A_c\×\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\β}}_{f2}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)],& m\left(t\right)=1\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\β}}_{f1}=\frac{{2\mathrm{\πk}}_{f}A}{{\mathrm{\ω}}_1},& m\left(t\right)=0\\ {\mathrm{\β}}_{f2}=\frac{{2\mathrm{\πk}}_{f}A}{{\mathrm{\ω}}_2},& m\left(t\right)=1\end{array}\right.,$ 调频指数β_f1和β_f2分别同ω₁和ω₂的角频率对应，两个角频率ω₁和ω₂和幅值A由不同的RFID空间接口标准所规定的发射频段和发射功率来决定。

第三步、对FM调制后的信号(即节点Xb处的信号)进行信号放大和带通滤波处理，并将处理后的信号通过发射天线114发射到空间场。

与上述信号调制发射方法相对应的还有信号的接收解调方法，具体按照以下五个步骤进行：

第一步、通过所述接收天线125获取空间场信号s(t)(这里的s(t)即经过带通滤波后的上述公式(3)所标示的信号)；

第二步、对上述获取的信号s(t)依次进行限幅、滤除噪声处理，获得限幅滤波信号。接收波s(t)因噪声干扰使得幅值A_c不再是常数，而影响解调的效果，所以在对信号处理之前须先对接收波s(t)进行限幅，并以截止频率

的低通保留接收信号，其中，B_FM为频率调制的带宽，f_c为载波频率。

第三步、对限幅滤波处理后的信号进行解调处理，获得含有频移键控调制信号解调信号，即提取所需的节点Xc处的信号，此处的解调方法可以根据发送端的频率调制方式选择频率相干解调法、非相干解调(即包络检测方法)中的一种方法来实现。相干解调方法适合发送端采用窄带调频的解调，而包络检波法适合发送端采用宽带调频的解调。下面以包络检测方法作说明，频率相干解调法可参考常规的解调处理。

第四步、对上述节点Xc处的解调信号进行数字信号检测处理，用以获得二进制形式的数字信号(即节点Xd处的信号)，该步骤中可以采用过零检测法，这里的检测过程属于频移键控调制的逆过程，可以参见常规的数字信号解调方法。

第五步、对上述检测处理后的信号(即图3中节点Xd处的信号)进行解码处理还原被发送的二进制信号序列信息m′(t)。

以下以包络检波法为例说明上述步骤三至步骤五的信号过程，其中考虑到信号传输过程中接收与解调器非线性的影响、以及加性高斯噪声导致的包络起伏和已调振荡过零点的随机窜动，将其对传输后调频波的作用综合表示为干扰波S_n(t)，则在对Xc处的信号进行微分后，即得到以下微分信号：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}s\left(t\right)=-A_c[{\mathrm{\ω}}_c+k_f{S}_{\mathrm{fsk}}\left(t\right)]\sin ({\mathrm{\ω}}_c+{2\mathrm{\πk}}_f\∫S_{\mathrm{fsk}}\left(t\right)\mathrm{dt})+\frac{{\mathrm{dS}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

对上述公式(4)的微分信号取包络后，可得公式(5)所示的信号：

$A\left(t\right)=A_c({\mathrm{\ω}}_c+k_f{S}_{\mathrm{fsk}}\left(t\right))+\frac{{\mathrm{dS}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

上述公式(5)表示的信号隔直流后得到信号A₀(t)： $A_0\left(t\right)=A_c{k}_f{S}_{\mathrm{fsk}}\left(t\right)+\frac{{\mathrm{dS}}_n\left(t\right)}{\mathrm{dt}}.$

上述微分处理过程属于发射信号调制过程中积分处理的逆过程。

由于A_c、k_f为常数，去包络和隔直后的波形输出等效于在图3中节点Xa处的加入了随机干扰信号

的频移键控(FSK)调制信号S_fsk(t)。最后对A₀(t)进行解码处理即可得到被发送二进制信息m(t)。若实际中干扰过大，就要在解码之前做去噪处理。

从上述方法过程可以看出，本发明由于采用频移键控加频率调制的方式发送射频信号，则使得空间场中的不同位置的频率瞬间连续变化，从根本上破坏发生驻波现象的前提条件，从达到了消除或减少死区现象的目的。

上述各具体步骤的举例说明较为具体，并不能因此而认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种提高射频标签识读率的信号发射模块，其特征在于，所述信号发射模块包括：

频移键控调制单元，用于对代表信息的二进制信号序列进行频移键控调制，获得频移键控调制信号；

频率调制单元，用于对所述频移键控调制信号进行频率调制，得到调制信号；

带通滤波放大单元，用于对所述调制信号进行滤波和信号放大处理；

及发射天线，用于将经过滤波后的信号发射到空间场。

2.根据权利要求1所述的信号发射模块，其特征在于，所述频率调制单元还包括：

积分模块，用于对所述频移键控调制信号进行积分处理，获得积分信号；

载波调频模块，用于对所述积分信号进行频率调制处理，获得调制信号。

3.用于接收权利要求1所述模块发送信号的信号接收模块，其特征在于，所述信号接收模块包括：

接收天线，用于从空间场获得接收信号；

限幅带通滤波单元，用于对所述接收信号进行限幅和滤除噪声处理；

解调单元，用于对限幅滤波后的高频信号进行解调处理，获得含有频移键控调制信号的解调信号；

检测单元，用于对所述解调信号进行数字信号检测处理，获得二进制形式的数字信号；

解码单元，用于对所述数字信号进行解码处理，还原被发送的代表信息的二进制信号序列。

4.一种提高射频标签识读率的信号调制发射方法，其特征在于，所述方法按照以下步骤进行：

A1、对代表信息的二进制信号序列做频移键控调制，获得频移键控调制信号；

B1、对所述频移键控调制信号进行频率调制，获得调制信号；

C1、对所述调制信号进行带通滤波处理和信号放大，并将处理后的调制信号通过发射天线发射到空间场。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法步骤A1中，通过二进制信号序列控制两个幅值相同的正弦信号或余弦信号的导通，来实现频移键控调制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述两个幅值相同的正弦信号或余弦信号的角频率和幅值根据RFID空间接口标准所规定的发射频段和发射功率来决定。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法步骤B1中，通过先将频移键控调制信号进行积分处理，然后再加入余弦或正弦载波信号实现频率调制。

8.对应权利要求4所述方法的信号接收解调方法，其特征在于，所述方法按照以下步骤进行：

A2、通过所述接收天线获取空间场信号；

B2、对所述获取的信号依次进行限幅、滤除噪声处理，获得限幅滤波信号；

C2、对所述限幅滤波信号进行解调处理，获得含有频移键控调制信号解调信号；

D2、对所述解调信号进行数字信号检测处理，获得含有二进制形式的数字信号；

E2、对所述数字信号进行解码处理，还原被发送的代表信息的二进制信号序列。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法步骤C2中，高频信号解调处理可采用包络检波法或频率相干解调法。

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