CN101206712A - 使用频移的单边带调制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出在载波信号的射频调制发生之前通过基带信号的数字处理来实现使用上行链路载波频率和下行链路载波频率之间的载波偏移的RFID通信的系统和技术。其使用数字技术完成载波信号的生成和载波信号的调制。基带信号的数字表达被调制来创建乘以等于下行链路和上行链路载波频率之差的负的频率偏移的复数基带信号。该信号进行模数转换并且由上行链路频率的载波信号进行调制，复数基带信号包括同相分量和正交分量。在上行链路通信期间，复数基带信号的同相分量由常数值取代。正交分量由零信号取代。因此在上行链路通信期间，生成上行链路频率的未调制的载波信号。

Description

使用频移的单边带调制的方法和设备

技术领域

本发明总的涉及射频标识(RFID)通信的改善。更特别地，本发明涉及用来生成载波信号的改良的系统和技术，该载波信号使用用于下行链路通信的单边带幅移键控的数字实现来进行调制，数字实现允许在实际的物理载波信号调制之前执行的上行链路频率和下行链路频率之间的快速转换。

背景技术

RFID系统通常通过RFID阅读器的载波信号传输来进行操作。载波信号由RFID标签来调制，以及阅读器接收调制的信号并对其进行翻译。RFID系统可以使用通信中应用的多个不同调制技术中的一个调制技术。在和无源RFID标签通信中，RFID阅读器发送上行链路通信和下行链路通信的载波信号。在下行链路通信中，阅读器发送数据至标签，以及调制该载波信号以便于传送该数据。在上行链路通信中，RFID标签将阅读器调制由该阅读器发送的载波信号，并且该信号以调制的反向散射的形式返回至阅读器。在上行链路通信期间，阅读器发送的载波信号是未调制的。该载波信号驱动(power)该标签，并且为了提供标签到阅读器的通信，该载波信号以该标签调制。

使用的特定调制技术取决于多个因素，例如机构的偏好以及分配给这样用途的射频频谱。可用的频谱，以及分配给上行链路和下行链路通信的可用频谱部分取决于多个因素，例如政府规定或工业标准。在许多应用中，只有相对窄的频谱是可用的。这种情况在欧洲的应用中特别普遍，在欧洲只有相对窄的频率范围保留给RFID阅读器通信。此外，使用多个阅读器的安装通常以这样的方式管理频率分配，即为一个阅读器的下行链路通信的频率不覆盖另一个阅读器上行链路的通信的频率。在这样的应用中，常常使用单边带幅移键控，因为下行链路通信使用的频谱，也就是从阅读器发送到RFID标签的已调信号可以相对窄。在SSB-ASK通信中，RFID阅读器使用在下行链路和上行链路通信之间的载波信号的分开的载波频率。因此，在上行链路通信和下行链路通信之间每次进行转换时阅读器必须改变载波频率。

现有技术的系统通常以硬件实现需要的频率改变。快速的频率转换需要快速变化本地振荡器。快速变化振荡器的使用可能导致不稳定的操作和杂散带外发射。然而，缓慢变化振荡器的使用也会恶化性能，因为频率变化相对慢并且不能在频率变化期间进行通信，而必须等到载波信号稳定在新的频率。

发明内容

本发明针对这些问题和其他问题，以这样的方式进行调制，即在载波信号的实际射频调制进行之前，通过数据信号的数字处理来执行上行链路载波信号和下行链路载波信号之间的载波偏移。载波信号的生成和载波信号的调制在需要时可能适于使用数字信号处理技术来实现。基带信号的数字表达被调制到载波信号上，该载波信号具有与RFID阅读器发送的载波信号的上行链路和下行链路载波频率之间的频率偏移相等的负的频率。这个调制创建了具有同相和正交分量的复数基带信号。然后这个复数基带信号进行模拟到数字的转换和调制。同相和正交分量相应的转换成模拟形式，并且通过同相/正交调制器，该同相/正交调制器使用上行链路频率的载波信号来调制同相分量，以及使用上行链路频率的载波信号的90度频率偏移来调制正交分量。在上行链路通信期间，恒定信号被加在同相分量上。零信号或没有信号取代正交分量。因此，在上行链路通信期间，同相/正交调制器在未调制的上行链路频率处生成载波信号。

本发明的更完整理解以及本发明的进一步的特征和优点可以通过以下的详细描述和附图变得清楚了。

附图说明

图1示出根据本发明的一方面的RFID阅读器。

图2示出根据本发明的一方面的RFID通信过程。

图3示出根据本发明的一方面的RFID通信系统。

图4示出根据本发明的一方面在单边带幅移键控调制的通信中采用的示例的频谱和信号。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一方面的RFID阅读器100。阅读器100包括数据处理单元102和通信单元104，而且还可能包括外部接口，以便接收传送给RFID标签的数据以及中继从RFID标签接收的数据。通信单元104使用载波信号和RFID标签通信，该载波信号在下行链路通信期间使用单边带幅移键控(SSB-ASK)调制，而在上行链路通信期间不调制。为了发送数据到标签，例如标签106，通信单元104接收来自数据处理单元102的数据，以及使用该数据调制在下行链路通信期间用于传送数据给标签106的载波信号。在下行链路通信期间，以选定的频率发送该载波信号，方便的称为下行链路频率。

通信单元104交替的处于下行链路传输到标签106和与标签106上行链路通信之间。在上行链路期间，通信单元104发送到标签106的载波信号是未调制的，并且是与下行链路通信期间的载波信号不同的频率。下行链路频率与上行链路频率相差适当的负频率偏移。

在上行链路通信期间，载波信号驱动标签106，并且该载波信号由标签106调制，以便通过已调的反向散射给通信单元104传送信息。为了执行上行链路通信和下行链路通信，通信单元104必须在上行链路频率和下行链路频率之间快速转换，在标签106接收下行链路传输之后，载波信号尽可能快地获取上行链路频率，并在接收上行链路通信之后，尽可能快地转换至下行链路频率。为了实现上行链路频率和下行链路频率的快速转换，通信单元104使用数字信号处理技术来创建信号，以及在进行载波信号的射频调制之前实现载波频率偏移。

为了执行SSB-ASK调制，通信单元104使用数字信号处理器(DSP)108来处理由数据处理单元102产生的数字数据信号，以及创建载波信号的数字表达。为了产生通信单元104发送的信号，这个数字表达被转换为模拟形式并进一步被调制。数字信号处理器将数据处理单元102产生的数据信号分成同相，或I分量和正交，或Q分量，生成为数字信号处理108的I和Q输出，109和110。将I和Q输出109和110分别提供给数模转换器(D/A转换器)111和112，将该数字信号转换成为模拟信号。然后将由D/A转换器111和112生成的模拟信号提供给I/Q调制器114。I/Q调制器114生成发送给标签106的射频信号。

在下行链路通信期间，载波信号使用单边带幅移键控调制进行调制。这可以通过使用抑制载波生成双边带调制信号来实现，双边带抑制载波信号是基于90度相移的载波信号。

获得这个结果的步骤可以由下面的定义和操作来描述：

S_n(t)是不归零编码的基带(数据)信号，包括逻辑“1”和“0”数据符号的序列，由正数为逻辑“1”和等量值的负数逻辑“0”来表示。如在此示出的，S_n(t)是数据处理单元102的输出。

是S_n(t)的90度相移(希耳伯特(Hilbert)变换)拷贝，其中cos(ωt)是调制载波信号，sin(ωt)是-90度偏移的载波信号。

Cos(ωt)是调制载波信号。

Sin(ωt)是载波信号的负90度或-90度偏移。

S_s(t)是通信单元104发送的单边带射频信号。也就是，S_s(t)是I/Q调制器114的输出。

在复数域，S_s(t)可以表示如下：

S_s(t)＝Re{S_c(t)×e^jωt}，其中 $S_c\left(t\right)=S_n\left(t\right)+j{\hat{S}}_n\left(t\right)$ 以及e^jωt是复数载波。在给定的例子中，由通信单元104发送的物理输出信号是复数乘法的实部，并且由I/Q调制器114以硬件实现。

DSP 108接收来自数据处理单元102的数据信号S_n(t)，并执行对信号的处理。在这里为了易于图示，示出的DSP 108包括不同的处理单元(element)，但是应该认识到，在这里示出的单元表示在DSP 108中由适当的编程实现的功能。

特别地，为了限制根据应用规则和标准产生的信号频谱，DSP 108首先实现滤波操作116。然后划分滤波后的信号并进行Hilbert变换118来生成上面的复数表达式的虚部。该信号也进行延时操作120，以便该信号的实部和虚部的定时相匹配，这是进行由Hilbert变换118产生的延时。

然后信号的实部和虚部作为DSP的输出109和110通过D/A转换器111和112。提供D/A转换器111和112的输出作为I/Q调制器114的输入。I/Q调制器114也接收载波信号cos(ω_Ct)作为输入。载波信号传给乘法器122，并且与DSP 108的实部输出相乘。载波信号也传给相位移位器124，并进行90度相移，这个90度相移的载波信号传给乘法器126，并与DSP 108的虚部输出相乘。然后乘法器122和126的输出提供给求和单元128来生成发送的信号S_s(t)作为I/Q调制器114的输出。发送的信号S_s(t)通过天线130发送至标签106。

如果Hilbert变换118和延时操作120的输出提供给I/Q调制器114而不进行进一步的处理，则产生单边带调制信号，需要本地振荡器和额外的硬件在下行链路通信期间由I/Q调制器114产生的已调信号和在上行链路通信期间由阅读器100产生的未调制信号之间进行转换。这个未调制信号由阅读器100在上行链路通信期间发送，以便激励在范围内的RFID标签，例如标签106。为了提供该标签和阅读器100之间的通信，未调制信号由RFID标签调制，并且返回至阅读器。

然而，为了避免本地振荡器和额外的硬件，Hilbert变换118和延时操作120的输出由DSP 108进行如下描述的额外处理。

DSP 108使用等于在下行链路传输和上行链路传输之间的期望的频率偏移的负载波频率调制基带信号S_n(t)。如果期望的载波频率表示为ω，上行链路的未调制载波频率可以表示为ω_C，而频率偏移可以表示为ω_δ。这个关系可以表示为：

ω＝ω_C-ω_δ

S_C(t)是复数表示，允许使用负的频率偏移。

S_C(t)＝S_n(t)+jHilbert(S_n(t))，其中S_n(t)是数据处理单元102的输出，而jHilbert(S_n(t))是S_n(t)的复数Hilbert变换。如上讨论的，单边带信号S_s(t)可以表示如下：

S_s(t)＝Re{S_c(t)×e^jωt}。将关系ω＝ω_C-ω_δ代入，产生

$S_s\left(t\right)=\mathrm{Re}\{S_c\left(t\right)\×e^{j{\mathrm{\ω}}_{C}t}\×e^{j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\δ}}t}\},$ 这与 $S_s\left(t\right)=\mathrm{Re}\{S_c\left(t\right)\×e^{-j{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\δ}}t}\×e^{j{\mathrm{\ω}}_{C}t}\}$ 是等效的。

单边带载波频率偏移可以首先通过以负载波频率偏移来调制DSP 108中的复数基带信号，然后为了将复数基带信号调制到未调制的上行链路信号，使用同相/正交调制器进一步调制复数边带信号来转变这样调制的复数基带信号至用来传输的物理信号。以负载波频率调制的复数基带信号的同相和正交分量被提供给I/O调制器114。

如上所指出的，为了限制根据应用规则和标准产生的信号频谱，DSP 108首先在信号S_n(t)上实现滤波器操作116。然后将滤波的信号分开并且进行Hilbert变换118，生成S_C(t)的虚部。该信号也进行延时操作120，产生S_C(t)的实部作为输出。延时操作120确保S_C(t)的实部和虚部的定时相匹配，该虚部进行由Hilbert变换118生成的延时。

下一个操作是复数信号S_C(t)和复数负频率信号e^-jωδt的复数乘法。这个复数乘法等效于cos(-ω_δt)+sin(-ω_δt)。这个复数乘法由四个乘法完成，由乘法器132、134、136和138执行。乘法器136和138输出之和生成复数乘法的实部，而乘法器132和134输出之和生成乘法的虚部。

图1示出的实现首先将来自Hilbert变换118和延时操作120的信号进行划分。来自Hilbert变换118的信号传给乘法器132和134，分别乘以-sin(-ω_δ)和cos(-ω_δ)。乘以-sin(-ω_δ)的乘法调制Hilbert变换118的输出至频率偏移的载波的-90度相移，取得负的载波。乘以cos(-ω_δ)的乘法调制Hilbert变换118的输出至该频率频移的载波。

来自延时操作120的信号被传送给乘法器136和138，因此分别乘以cos(-ω_δ)和sin(-ω_δ)。来自延时操作120的信号调制在频率偏移的同相和-90度相移的载波信号上。

乘法器136和乘法器132的输出传送给求和单元140，这样从频率偏移的实部同相载波信号中减去频率偏移的虚部-90度相移的载波信号。乘法器138和136的输出传送给求和单元142，这样从频率偏移的同相虚部载波信号加上频率偏移的实部-90度相移的载波信号。求和单元140和求和单元142的输出产生求和单元的输出144和146。

为了生成已调信号，求和单元输出144和146的输出用作DSP 108的输出109和110。这些信号使用D/A转换器111和112被转换至实时信号。下一步，为了生成信号S_s(t)，执行与载波信号的复数乘法。这是使用正交调制器114完成的。因为仅需要生成实时信号，所以仅需要执行两个乘法。可以忽略信号S_C(t)的虚部。在此，不存在负频率信息，因为通过和载波信号相乘，负频率信息已经被消除了。这一操作的输出是输出128的发送信号S_s(t)。

为了提供在已调载波频率ω和未调载波频率ω_C之间的快速转换，该转换用于从操作的下行链路通信阶段转变到上行链路通信阶段，DSP 108实现额外的单元，这些单元可能用它们自己的输出代替求和单元140和142的输出144和146。开关功能148连接求和单元140的输出144和恒定信号源150至输出109。DSP 108也在求和单元142的输出146和输出110之间实现开关功能152。

DSP 108的输出109和110分别提供给D/A转换器111和112，将它们转换成实时信号。在下行链路通信阶段期间，开关功能148和152将求和单元140和求和单元142的输出144和146引导到在下行链路通信阶段期间的DSP108的输出109和110。D/A转换器111和112将出现在输出109和110的信号转换成数字形式，并且将它们传送给I/Q调制器114，在那里该信号与未调制的上行链路信号和负90度相移的上行信号进行调制，形成位于下行链路频率的已调下行链路信号。

在上行链路通信阶段期间，开关功能148将求和单元140的输出144传送给输出109。开关功能152阻止求和单元142的输出146，因此没有信号，或者是零信号出现在输出110。因此在上行链路通信阶段期间，恒定信号源提供给I/Q调制器114，并且调制到未调制载波频率的载波上。开关功能148和152作为软件操作实现，如同DSP 108的其他操作，所以由DSP 108的下行链路操作产生的已调载波频率和DSP 108的上行链路操作产生的已调载波频率之间的偏移以非常高的速度发生。

图2示出根据本发明的一个方面的RFID阅读器的通信信号生成的过程200。在步骤202，选择由RFID接收机发送的已调下行链路信号的载波频率和未调上行链路信号的载波频率。在步骤204，计算表示已调上行链路信号和已调下行链路信号之间的不同的频率偏移。在步骤206，使用等于频率偏移的负载波频率调制基带信号。如上描述的，该调制是适于通过对基带信号的数字表示执行恰当的操作来完成，并且可以使用数字信号处理器来恰当的完成。这一过程产生了乘以负频率偏移的复数基带信号。在步骤208，使用下行链路载波频率对复数基带信号执行同相/正交调制，复数基带信号被转换成实际的物理下行链路信号。对每个同相和正交信号使用数模转换器转换同相和正交信号的数字表达为模拟形式，以及使用具有同相和正交信号作为输入的同相/正交调制器以及下行链路载波信号调制同相和正交信号，这个转换被恰当的完成。在步骤210，在下行链路通信阶段期间，发送物理下行链路信号。在步骤212，在上行链路通信阶段期间，复数基带信号被抑制来进行未调制上行链路载波信号的传输。通过在复数信号的数字表达的同相部分施加恒定的信号，以及阻止复数信号的数字表达的正交部分，实现这个结果，导致未调制上行链路载波信号的传输。

图3示出根据本发明的一个方面的射频识别系统300。系统300可以恰当的应用在仓库302和用于库存控制。多个固定的RFID阅读器304A-304D分别邻近门306A-306D放置。如上讨论的，阅读器304A-304D的每一个可以和图1的阅读器100相类似，使用带有频率偏移的单边带幅移键控，该频率偏移是在传输的物理信号生成之前通过数字处理实现的。阅读器304A-304D发送询问来感知例如标签308A-308E的RFID标签的存在。标签308A-308E分别可以恰当的附在容器309A-309E上，容器309A-309E容纳要跟踪的货物。当阅读器304A-304D之一，例如阅读器304C感知到范围内的标签，它检查适于存储在服务器312中状态数据库310来识别与标签相关的货物并且确定是否该货物的移动被授权。如果移动没有被授权，阅读器发出告警，该告警适于被发送至服务器312来进行进一步的动作，使例如警铃312的本地警铃发出声音，或者同时进行两种措施。

系统300也可以包括便携RFID阅读器，例如阅读器316A-316C，优选的类似于图1的阅读器100。阅读器316A-316C可以在仓库300周围搬运，例如，由库存控制工人携带或者附在用于搬运货物的叉车上。阅读器316A-316E可以用于定位附上RFID标签的货物，来确定附有RFID标签的货物是否在指定的位置，或者协助执行与货物的识别相关的任何其他的任务。

可以看到，系统300包括多个RFID阅读器，互相之间相对接近。特别地，一个或几个便携阅读器316A-316C可以在任何时候移动到和其他阅读器十分接近的程度。每一个阅读器304A-304D和阅读器316A-316C适于使用与其他阅读器使用的信道分开的单独的信道，以便避免阅读器通信之间的冲突和重叠。为了适应阅读器的通信需要，分配给每一个的阅读器304A-304D和316A-316C的通信信道相对的窄，为了由每个RFID阅读器使用相对窄的传输的频谱来实现通信，诸如系统300这样的系统可能适于使用单边带幅移键控。此外，使用和上面讨论的阅读器100相似的阅读器304A-304D和316A-316C，系统300获得高的性能，因为每个阅读器获得相对快的频移而不存在不稳定性和带外发射。

图4是示出频谱可以如何分配给使用单边带幅移键控进行的RFID通信的例子的曲线400，如同可以根据本发明的一个方面可进行的，以及通信的不同部分占用的频率范围。在图4中，分配给RFID阅读器上行链路和下行链路通信的频率是200kHz信道402，可以是在多个阅读器环境下由不同的阅读器使用的多个信道之一。该信道包括保护频带404A和404B，并且由RFID阅读器生成的传输限制在落在这两个保护频带之间频率。示出了未调制上行链路载波信号406和已调下行链路载波信号408，后者具有与上行链路载波信号406分开的频率。如同来自RFID标签的上行链路响应412A和412B，也示出了由载波信号308的调制产生的单边带信号的波形410的实例。工作在所示的频谱的RFID阅读器必须每次从上行链路通信到下行链路通信转换时在未调制信号406和已调信号408之间转换，以及每次从下行链路通信到上行链路通信转换时在已调信号408和未调制上行链路信号406之间转换。本发明提供快速的载波变换而不需要快速的合成器，并且因此最小化或消除了带外传输以及随之而来的与邻近信道的阅读器干扰。

尽管在当前的较佳实施例的上下文中揭示了本发明，但可以意识到，本领域普通技术人员可以利用与上述讨论和所附的权利要求一致的方式从事各种实施。

Claims (10)

1.一种射频识别(RFID)阅读器，用于通过发送载波信号至RFID标签来和RFID标签进行通信，其特征在于包括如下步骤：

数据处理单元，用于生成数据信号；和

通信单元，用来接收该数据信号和调制该数据信号，该调制使用单边带幅移键控调制在下行链路通信过程中在该阅读器和该标签之间的下行链路频率生成已调下行链路信号，该通信单元进一步操作在上行链路频率生成未调制上行链路信号，该上行链路频率和该下行链路频率具有频率偏移，该通信单元进一步操作通过由该通信单元发送的载波信号生成之前数据信号的数字处理在该上行链路频率和该下行链路频率之间实现频率偏移。

2.根据权利要求1所述的阅读器，其特征在于：该数据信号是数字基带信号，并且该数字基带信号是使用表示上行链路和下行链路频率之间的频率偏移的负载波频率进行调制的。

3.根据权利要求2所述的阅读器，其特征在于：该数字基带信号的调制生成了乘以负频率偏移的复数基带信号，以及通过使用载波信号的上行链路频率在复数基带信号上执行同相/正交调制来将该复数基带信号转换成为由该通信单元发送的已调信号。

4.根据权利要求3所述的阅读器，其特征在于：该数字基带信号的调制是由数字信号处理器执行的。

5.根据权利要求4所述的阅读器，其特征在于：在上行链路通信期间，其中该数字信号处理器生成表示在下行链路通信期间该复数基带信号的同相和正交分量的同相和正交输出。

6.根据权利要求5所述的阅读器，其特征在于：该数字信号处理器在上行链路通信期间生成恒定信号作为同相输出，并生成无信号或零信号作为正交输出，因此允许在上行链路通信期间生成的通信载波信号成为提供给同相/正交调制器的未调制的上行链路频率信号。

7.一种利用射频识别(RFID)阅读器生成通信信号的方法，其特征在于包括如下步骤：

生成基带数据信号；

使用具有负频率的载波信号调制该基带数据信号，该负频率等于该载波信号的上行链路频率和该通信信号的下行链路频率之间的频率偏移，来生成乘以负频率偏移的复数基带信号，该负频率偏移等于该载波信号的下行链路和上行链路频率之间的频率差；以及

执行该复数载波信号的同相/正交调制来生成由该阅读器传输的物理通信信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：该基带数据信号是数字信号，以及该基带信号的调制是通过数字信号的数字处理来执行的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：该复数基带信号包括同相和正交分量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在上行链路通信期间，用常数值取代该复数基带信号的同相分量，和用零信号或无信号取代该复数基带信号的正交分量，使得由RFID阅读器生成的载波信号将具有未调制的上行链路频率。

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