CN101233700A - 射频识别读取器和射频识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种RF读取器和RF系统。所述RF读取器包括：多个天线；用于选择RF信号的发射路径或接收路径的路径选择器；用于处理通过路径选择器的发射路径或接收路径接收的RF信号的RF处理器；以及控制器，用于控制选择路径的路径选择器。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频识别读取器和一种射频识别系统。
背景技术
无所不在的传感器网络(USN)意味着：将电子标签附着在每个需要的点上；检测物体的精确的基本数据以及周围的环境数据，例如温度、湿度、污染程度以及裂缝数据；将这些数据连接到网络以及管理这些数据。USN赋予所有物体计算或通信的功能，以实现在任何时间、任何地点进行通信的无所不在的环境。
这种USN是由射频识别(RFID)技术发展而来的，并且通过附加地具有传感功能而形成网络的形式。
上述RFID是一种通过利用射频从附着在物体上的电子标签接收和发射数据的技术。
RFID系统利用分别具有不同用途和实际应用的多种频带，例如低频、高频、UHF、微波。
在这些频带中，因为UHF可以将信号传输非常远的距离，因此UHF遍及生活的全部领域，包括分配、后勤。
图1是表示传统的RFID系统的图示。
参照图1，RFID系统100包括RFID读取器101和电子标签102。RFID读取器101包括通过传播有源信号形成电磁场，即RF（射频）场的内置或外置天线。如果电子标签102进入RF场105中，则电子标签102接收由天线传播的有源信号，并通过利用所接收的有源信号将在标签上存储的数据传输到RFID读取器。之后，RFID读取器101接收并分析由电子标签传输的数据，以获得关于该电子标签所附着在的物体的具体数据。
而且，在RFID读取器101上获得的具体数据在分配/后勤管理，例如分配、制造、价格波动、市场交易中提供了基本的作用。
根据芯片制造、最小化、无线通信技术以及各种解决程序的发展，期望这种RFID技术能够遍及各个领域，例如农业、医疗服务、航空工业、分配、后勤、制造业等。
然而，传播环境由于诸如RFID读取器的RF场中电子标签的位置和速度、附着有标签的产品的包装材料(例如，在货盘运输的情况下)等因素而变化。由传播环境的变化产生的数据错误率、稳定性或读取范围的不同成为一种降低电子标签的识别率和RFID系统的可靠性的因素。
如上所述，根据内部或外部因素而改进RFID读取器的识别率的技术正处于发展之中。
发明内容
本发明的一个实施方案提供了一种RFID读取器，其中可以布置多个天线。
本发明的一个实施方案提供了一种被配置为隔离发射或接收路径的RFID。
本发明的一个实施方案提供了一种电子标签和一种被配置为发射通过各种调制方式调制的RF信号的RFID读取器。
本发明的一个实施方案提供了一种无源电子标签和一种被配置为发射通过各种调制方式调制的RF信号的RFID读取器和RFID系统。
在本发明的一个实施例中，提供了一种RFID读取器，包括：多个用于发射或接收RF信号的天线；用于选择RF信号的发射路径或接收路径的路径选择器；用于处理被发送到路径选择器的发射路径或接收路径的RF信号的RF处理器；以及用于控制路径选择器的路径选择的控制器。
在本发明的一个实施例中，提供了一种RFID读取器，包括：将输入的RF信号变换为具有第一相位的第一RF信号和具有第二相位的第二RF信号并根据数据调制RF信号的移相器；用于根据调制方式选择第一RF信号或第二RF信号的信号选择器；以及用于控制信号输出路径和移相器以及信号选择器的周期的控制器。
在本发明的一个实施例中，提供了一种RFID系统，包括一个或多个无源电子标签；以及具有多个天线并根据编码格式通过不同的调制方式与电子标签通信的RFID读取器。
根据本发明的RFID读取器和RFID系统可以降低发射和/或接收的错误率，并且通过在RFID读取器中隔离RF信号的发射路径或接收路径来改进接收灵敏度。
而且，通过在单个RFID读取器中布置多个天线，能够减小RFID读取器的尺寸并增加读取范围。
而且，RFID读取器和RFID系统可以通过利用由各种调制方式调制的RF信号而与电子标签进行通信，其中所述调制方式适用于编码格式。因此，RFID读取器和RFID系统可以向电子标签发送所需的功率而不会产生损耗，并且与电子标签稳定地进行通信。
附图说明
图1是根据传统的RFID系统的结构图；
图2是根据本发明的一个实施例的结构图；
图3是根据本发明的电子标签的详细的结构图；
图4是根据本发明的一个实施例的RFID读取器的模块图；
图5是表示根据本发明的一个实施例的RFID读取器的路径选择器的操作的模块图；
图6是表示根据本发明的一个实施例的RFID读取器的RF发射器的模块图；
图7是在传统的RFID读取器上发射的或接收的信号的波形图；
图8是在根据本发明的RFID读取器上发射或接收的信号的波形图；
图9是被根据本发明的RFID读取器调制的信号的波形图，(a)表示被进行双边带幅移键控(DSB-ASK)或单边带幅移键控(SSB-ASK)调制的RF信号，以及(b)表示被进行反向幅移键控(PR-ASK)调制的RF信号；
图10是表示在根据本发明的一个实施例的RFID读取器上的PIE符号的视图；
图11是表示在RFID读取器中进行PR-ASK调制的RF包络的图表；
图12是表示图11中RF包络的参数的表格。
具体实施例
在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。
图2是表示根据本发明的一个实施例的RFID系统200的结构图。
参照图2，RFID系统200包括电子标签(被称为“标签”、“应答器”或“标记”)201、RFID读取器(被称为“读取器”或“询问器”)210以及处理从电子标签201读取的数据的主机计算机(未示出)。
电子标签201存储物体的数据，其中，所述电子标签201印刷在物体上或附着在物体上。例如，电子标签可以以扬声器的形式制造并粘贴在通过后勤检查区域的每个物体上。
RFID读取器210与一个或多个电子标签201无线地进行通信，并执行解译和解码电子标签201中具体数据的功能。
RFID读取器210包括多个天线211-214，通过利用多个天线211-214顺序地发射RF信号，并且从电子标签201接收RF信号。每个天线可以被布置在电子标签201通过的区域内。例如，第一天线211和第二天线212在电子标签201通过的区域的一侧(左侧)执行通信，第三天线213和第四天线214在电子标签201通过的区域的另一侧(右侧)执行通信。而且，可以布置第一天线211到第四天线214，使一个天线的辐射角度不同于其它天线的辐射角度。
这里，RFID读取器210借助于快速地控制多个天线211-214的切换，通过这些天线中的一个与电子标签201进行通信。这种RFID读取器210通过利用多个天线211-214来辐射数据请求信号。接着，电子标签201在接收到数据请求信号之后生成标签识别数据并将该标签识别数据发射到RFID读取器210，RFID读取器210接收并辨别标签识别数据。
图3是根据本发明的实施方案的详细的模块图。
参照图3，电子标签201根据其是否具有内置电源而被分类为有源型标签或无源型标签，并且被用于各种频带中，例如低频(125kHz、135kHz)、高频(13.56MHz)、UHF(400MHz-960MHz)、微波(2.45GHz)。在下文中，将解释在UHF频带工作的无源型标签。
电子标签201包括天线202、解调器203、调制器205、控制器206以及存储器207。天线202可以被包含在偶极天线中。
解调从天线202接收的数据请求信号的解调器203将数据请求信号传送到控制器206。接着，控制器206生成相应于该数据请求信号的标签识别数据，并根据通信协议执行通信。调制器205调制标签识别数据并通过天线202输出标签识别数据。
这样，电子标签201接收RFID读取器的信号并通过调整和/或增加RF功率而将RF功率用作电功率的来源。同时，电子标签201逆散射-调制从RFID读取器接收的频率信号，并为了发送数据而发射该调制信号。
为了获得进行工作的能量，电子标签201接收通过利用RFID标准编码格式调制的RF信号，其中RFID标准编码格式例如是脉冲间隔编码(PIE)格式或曼彻斯特格式类型，例如双边带幅移键控(DSB-ASK)、单边带幅移键控(SSB-ASK)以及反相幅移键控(PR-ASK)。
图4是根据本发明的实施方案的详细的模块图。
参照图4，RFID读取器210包括多个天线211-214、路径选择器220、RF处理器230、基带处理器240、Q-RSSI部分251。
路径选择器220包括第一开关到第三开关：221、222、223，第一开关221连接到发射或接收RF信号的多个天线211到214，第二开关222连接到第一开关221，用于选择发射路径或接收路径。在发射模式中，第三开关223将接收侧与发射侧相隔离，以保护电路上的接收侧。在接收模式中，第三开关223建立接收路径。
这里，第一开关221通过顺序地或随机地连接到多个天线211-214并且每秒执行一次几个开关的快速切换操作，可以连续地监视电子标签可以运动通过的区域。
第一开关到第三开关221、222、223可以以各种形式实现，例如，半导体开关器件，如单刀四掷开关(SPQT)和单刀双掷开关(SPDT)，或逻辑元件，如复用器/解复用器(MUX/DEMUX)。
RF处理器230包括RF接收器231和RF发射器232，RF处理器230执行调制和/或解调RF信号的功能。
在接收模式中，在RF接收器231消除了通过第三开关223接收的信号的背景噪声并放大了所需要的频带的信号之后，RF接收器231解调信号，并将解调的信号输出到基带处理器240中。
RF发射器232将从基带处理器240输入的数据调制为RF信号，将该调制的RF信号放大到发射功率，并且将放大的信号输出到第二开关222。
基带处理器240将在RF接收器231中解调的数据转换为数字信号，或者将从数字数据转换而来的模拟信号发送到RF发射器232。
Q-RSSI(接收的信号强度显示)部分251和I-RSSI部分252是用于测量Q(正交)和I(同相)信号强度、检测和校正由于干扰噪声或其它噪声引起的信号的异常强度或不规则性的电路。
控制器260包括有通信协议，控制电子标签和无线通信，并周期地将数据请求信号发射到电子标签。同时，控制器260通过对从基带处理器240输入的数字数据分析并提取标签识别数据，根据从I-RSSI部分252和Q-RSSI部分251接收的信号的强度来控制RF发射器的发射功率、调制方式等。
这里，现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理(DSP)电路可以用作控制器260。
控制器260将从基带处理器240发射的关于数字数据或I/Q信号强度等的信息发送到主机计算机。而且，控制器260通过根据是发射模式还是接收模式而控制第一开关到第三开关221、222、223的切换来执行RF信号的发射或接收。
接着，控制器260通过执行反射关于切换周期和顺序等的数据的程序来发送控制信号。
下面将更加充分地解释这种RF系统的操作。
参照图2到4，在RFID读取器的操作中，控制器260根据是发射模式还是接收模式来控制第二开关222和第三开关223的切换操作和连接周期。
在发射模式中，路径选择器220的第二开关和第三开关被连接到发射路径。接着，第三开关223通过将接收侧与发射侧相隔离来防止发射信号流入接收侧。
而且，控制器260向基带处理器240传递数据请求信号，基带处理器240将该数据请求信号转换为模拟信号，并将该模拟信号发送到RF发射器232。RF发射器232调制RF信号并将该信号放大到发射电平，该信号通过第二开关222和第一开关221而被发送到一个天线中。
在接收模式中，路径选择器220的第二开关和第三开关被连接到接收路径。接着，通过一个天线在第一开关221处接收电子标签201的RF信号，并沿着第二开关222和第三开关223的接收路径将该RF信号输入到RF接收器231中。
接着，RF接收器231在执行RF信号的低噪声放大和解调后，将RF信号输出到基带处理器240。同时，基带处理器240将被解调的信号转换为数字数据，并将该数字数据输出到I-RSSI部分252、Q-RSSI部分251以及控制器260。
I-RSSI部分252和Q-RSSI部分251测量I/Q信号的接收强度，将其发射到控制器260，控制器260通过利用I/Q信号的接收强度来校正由干扰或噪声引起的不规则性。同时，控制器260将从基带处理器240输入的数字数据辨别为标签识别数据。
图5是根据本发明的实施例的详细的模块图。
参照图5，第一开关221根据控制器260的第一控制信号Vctrl1和第二控制信号Vctrl2，即输入到第一解码器224的第一控制信号和第二控制信号，而被连接到四个天线端子a：b-e。
第二开关222根据控制器260的第三控制信号Vctrl3，即输入到第二解码器225的第三控制信号，而被连接到发射端子a-c或接收端子a-b。
第三开关223根据第四控制信号Vctrl4，即输入到第三解码器226的第四控制信号，而被连接到接地端子a-b或接收端子a-c。
这里，在发射模式中，通过第二开关222发送来自RF发射器232的大功率信号(EIRP＝4W)，发射的信号的一部分(例如约5dBm)可能流入到接收路径中。此时，第三开关通过被连接到GND来防止发射的信号流入接收端子a-c，第三开关可以保护接收电路。同时，第三开关223降低在发射模式转换为接收模式过程中由于RF发射信号进入接收路径造成的包括杂散信号等的杂波分量的流入。因此，第三开关223通过防止输入到RF接收器的所接收的信号的电平变化来更准确地恢复标签信号，这具有降低在发射模式中流入接收路径的信号超过25dB的效果。
图7a是传统的在发射路径和接收路径之间不进行隔离的方案中发射的或接收的信号的波形图，图7b是在根据本发明的在发射路径和接收路径之间进行隔离的方案中发射的或接收的信号的波形图。
参照图7a，当在发射部分D1中发射RF信号Rt时，指定大小(约3.2V)L1的噪声电平流入接收路径。在这种情况下，到接收部分D2的转移导致接收的标签信号Rs的电平被不稳定地检测。因此，降低了标签辨别率。发射部分D1和接收部分D2是根据发射模式或接收模式的切换保持时间。
参照图7b，当在发射部分D11中发射RF信号Rt时，输入到接收路径的信号流入GND。那么，任何噪声都几乎不流入接收路径。同时，尽管转移到接收部分D12，也可以稳定地检测到标签信号Rs的电平。因此，提高了标签辨别率。发射部分D11和接收部分D12是发射模式和接收模式中的切换保持时间。
参照图5所示，可以在第二开关222和第三开关223之间包括接收滤波器227。并且，可以在第二开关222和RF发射器232之间包括发射滤波器228。这里，接收滤波器227和发射滤波器228可以被包含在消除信号的噪声成分的表面声波(SAW)滤波器中。并且隔离器229连接到RF发射器232的输出侧。隔离器229可以在发射方向上发射信号而不会产生损耗，但是阻止相反方向上的反射信号。这种隔离器可以被安装在接收路径上。
图6是根据本发明的一个实施例的RF发射器232的详细的模块图。
参照图6，RF发射器232包括锁相环(PLL)233、信号分配器234、移相器235、信号选择器238以及功率放大器239。
当RF信号从PLL233输出时，信号分配器234将RF信号分配到两条路径中，输出第一和第二RF信号。
移相器235包括第一移相器236和第二移相器237。第一相移器236和第二相移器237使第一RF信号和第二RF信号产生相移，使得在第一RF信号和第二RF信号之间产生180度的相位差。换句话说，第一相移器236使RF信号的相位Sin(2πf0t)移相第一相位Φ1，第二移相器237使RF信号的相位Sin(2πf0t)移相第二相位Φ2。因此，在第一RF信号S的相位Φ1和第二RF信号S’的相位Φ2之间存在180度的相位差。
这种移相器235将从基带处理器输入的数据调制为RF信号，并输出该RF信号。
信号选择器238选择性地输出具有不同相位的两个信号之一。信号选择器238受控制器260的控制可以输出具有期望相位的RF信号。换句话说，信号选择器238可以输出经过期望的调制方式调制的RF信号。
接着，控制器260控制着连接到移相器235的输出的、信号选择器238的切换操作。因此，信号选择器238可以获得经过RFID标准编码格式中的一种来调制的RF信号，其中的RFID标准编码格式例如是PIE格式或曼彻斯特格式类型，例如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK。
功率放大器239将调制的RF信号放大到发射功率，并输出该发射功率。本发明的RFID发射器232可以指向RF读取器的天线中的一个或多个。
图9a是表示经过DSB-SSB方式调制的RF信号的波形图，图9b是表示经过PR-ASK方式调制的RF信号的波形图。可以通过(A-B)/A获得经过PR-ASK方式调制的RF信号的调制度。并且，相位Φ是第一RF信号的第一相位Φ1，相位-Φ是第二RF信号的第二相位Φ2。
这里，可以采用根据UHF RFID协议，例如ISO18000-A、ISO18000-B、ISO18000-C、电子产品编码(EPC)等级0(EPC0代)、EPC等级1(EPC1代、EPC2代)的格式。但是，根据2代UHF RFID协议的编码格式可以用在本发明的实施例中。EPC等级1的2代可以用于18000-6、ISO格式标准。
并且，控制器260可以控制移相器235和信号选择器238的切换周期。这种切换周期是相应于电子标签的响应时间的时间间隔。例如，切换周期被设置在脉冲宽度(PW)部分之内，即根据PR-ASK调制格式的0.265Tari到0.525Tari。
如上所述，本发明选择性地输出来自移相器235的具有第一相位的第一RF信号S或具有第二相位的第二RF信号S’，采用编码格式调制方式中的一种来调制RF信号，并控制调制的RF信号的脉冲宽度。因此，本发明可以根据编码格式向电子标签201发射不同调制方式的调制信号。
图10是表示PIE符号的视图。这里，Tari指的是从RFID读取器发射到电子标签的信号的参考时间间隔。并且，Tari是数据0的持续时间。RFID读取器通过采用从6.25μs到25μs的Tari值进行通信。Tari来源于ISO/IEC18000-6标准。
图11是放大根据PR-ASK调制方式的、RF包络上的相位相反部分的图。可以根据0.5*(A+B)获得PW。脉冲宽度是RF包络的脉冲宽度。并且，脉冲宽度处于约RF调制信号脉冲的一半处。
图12是图11中所示参数的表格，定义了脉冲调制度、上升时间tr、下降时间tf以及脉冲宽度PW。
因此，在根据PR-ASK调制格式的、预定的0.265-0.525Tari的脉冲宽度的情况下，RFID读取器的控制器260控制移相器235和信号选择器238的切换来输出调制的RF信号。接着，保持电子标签的响应时间，即移相器235和信号选择器238的输出条件。
本发明的RF读取器的RF发射器232控制移相器235和信号选择器，以输出经过如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK的调制方式之一所调制的RF信号。因此，本发明可以发射电子标签所期望的功率而不会产生损耗，并且可以与电子标签稳定地进行通信。
根据本发明的RFID读取器可以向电子标签发射通过各种调制方式如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK处理过的RF信号。因此，本发明可以发射电子标签期望的功率而不会产生损耗，并且可以与电子标签稳定地进行通信。
尽管这里参考本发明的优选实施例描述和说明了本发明，但是对所属领域技术人员来说明显的是，可以在其中进行各种改变和变化而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在涵盖处于随附的权利要求及其等同物的范围内的本发明的改变和变化。
根据本发明的实施例的RFID读取器和RFID系统具有降低发射数据和接收数据的错误率并提高接收灵敏度的效果。
并且，在一个RFID读取器中，布置多个用于发射和接收RF信号的天线。可以降低RFID读取器的大小。并且可以增加电子标签的辨别距离。
而且，本发明可以通过利用各种根据编码格式的调制方式调制的RF信号而与电子标签进行通信。因此，本发明可以发射电子标签期望的功率而不会产生损耗，并且可以与电子标签进行通信。
Claims (21)
1.一种射频识别读取器，包括：
多个用于发射/接收射频信号的天线；
用于选择射频信号的发射路径或接收路径的路径选择器；
用于处理被发送到所述路径选择器的发射路径或接收路径的射频信号的射频处理器；以及
用于控制所述路径选择器的路径选择的控制器。
2.如权利要求1所述的射频识别读取器，其中所述多个天线通过发射或接收射频信号与一个或多个电子标签进行通信。
3.如权利要求1所述的射频识别读取器，其中所述多个天线包括：
用于在所述电子标签的运动范围的一侧发射或接收射频信号的第一天线和第二天线；以及
用于在所述电子标签的运动范围的另一侧发射或接收射频信号的第三天线和第四天线。
4.如权利要求1所述的射频识别读取器，其中所述路径选择器包括：
顺序连接到所述多个天线的第一开关；以及
连接到所述第一开关的、用于选择射频信号的发射路径或接收路径的第二开关。
5.如权利要求4所述的射频识别读取器，其中所述路径选择器包括：根据发射模式或接收模式将通过所述第二开关输入的信号接地或连接到接收路径的第三开关。
6.如权利要求4所述的射频识别读取器，其中所述开关是半导体开关。
7.如权利要求1所述的射频识别读取器，其中所述射频处理器包括：
用于消除通过所述路径选择器接收的射频信号的噪声、放大所述射频信号以及解调所述放大的信号的射频接收器；以及
用于调制所发射的射频信号并将所述射频信号输出到所述路径选择器的射频发射器。
8.如权利要求1所述的射频识别读取器，其中所述射频识别读取器包括：用于将在所述射频处理器接收的射频信号转换为数字数据、将所述数字数据发送到所述控制器以及将所述数字数据转换为模拟信号的基带处理器。
9.如权利要求7所述的射频识别读取器，其中所述射频发射器根据被编码的调制方式例如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK中之一而选择性地进行操作。
10.如权利要求7所述的射频识别读取器，其中所述射频发射器利用电子产品编码等级1和ISO18000-6UHF射频识别协议之一的调制格式。
11.如权利要求7所述的射频识别读取器，其中所述射频发射器包括：
生成射频信号的锁相环部分；
将所输入的射频信号变换为具有第一相位的第一射频信号和具有第二相位的第二射频信号并根据数据调制所述射频信号的移相器；以及
选择性地输出经所述移相器调制的第一射频信号和第二射频信号的信号选择器。
12.如权利要求11所述的射频识别读取器，其中所述移相器用于调整所述第一射频信号和第二射频信号，使得在所述两个射频信号的第一相位和第二相位之间具有180度的相位差。
13.如权利要求11所述的射频识别读取器，其中所述移相器和所述信号选择器输出的射频信号的脉冲宽度的值为0.265到0.525Tari。
14.如权利要求7所述的射频识别读取器，其中所述射频处理器通过利用从6.25μs到25μs的Tari值进行通信。
15.如权利要求11所述的射频识别读取器，其中所述脉冲宽度在脉冲的50％的点上测量。
16.一种射频识别读取器，包括：
将输入的射频信号变换为具有第一相位的第一射频信号和具有第二相位的第二射频信号并根据数据调制所述射频信号的移相器；
用于根据调制方式选择第一射频信号或第二射频信号的信号选择器；以及
用于控制信号输出路径以及所述移相器和信号选择器的周期的控制器。
17.如权利要求16所述的射频识别读取器，其中所述控制器根据调制方式例如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK中之一而选择性地进行操作。
18.如权利要求16所述的射频识别读取器，其中所述移相器用于调整第一射频信号和第二射频信号，使得在所述两个射频信号的第一相位和第二相位之间具有180度的相位差。
19.一种射频识别系统，包括：
一个或多个无源电子标签；以及
具有多个天线并通过根据编码格式的不同调制方式与所述电子标签进行通信的射频识别读取器。
20.如权利要求19所述的射频识别系统，其中所述射频识别读取器包括用于选择性地输出射频信号的发射路径或接收路径的路径选择器。
21.如权利要求19所述的射频识别系统，其中所述射频识别读取器包括：用于输出通过诸如DSB-ASK、SSB-ASK以及PR-ASK的调制方式中之一而选择性地调制的射频信号的射频发射器。
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