CN101261686A - 超高频射频识别读写器及其信号收发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高频射频识别读写器，包括读写器主芯片、发射机、接收机以及天线，读写器主芯片的输出端与发射机的输入端相耦合，读写器主芯片的输入端与所述接收机的输出端相耦合，发射机的输出端和接收机的输入端耦合到天线，还包括导流与衰减单元，导流与衰减单元包括信号直导线路和信号衰减线路，发射机的输出端通过信号直导线路与所述天线相连，接收机的输入端通过信号衰减线路与天线相连。通过导流与衰减单元有限度地限制输入信号的强度来遏制自阻塞信号的强度，可在不影响读写器读写距离的前提下，简化读写器对大强度信号的处理，降低设计的复杂度，减少产品的成本。

Description

超高频射频识别读写器及其信号收发方法

【技术领域】

本发明涉及射频信号识别的抗干扰技术，具体涉及一种超高频射频识别(Ultra High Frequency Radio Frequency Identification，UHF RFID)读写器及其信号处理方法。

【背景技术】

UHF RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，在快速扫描、小型化、抗污染、耐久性好、可重复使用、可穿透性阅读、数据记忆量大和数据可靠安全等方面有着巨大的优势，正广泛应用于各种行业，如物流仓储、智能交通、自动收费、海空港口货物管理、超市零售管理、医疗器械管理、邮政货物追踪等等，在边境管理、人员安全、体育运动方面也有广阔的应用天地，推动着全球数字智能管理的发展。

对于无源UHF RFID系统，由于标签的工作是通过从读写器发出的高频载波获得能量，采用对载波的调制并反射载波来传输信号，这就决定了该系统是同频系统，而且是发射和接收同时工作的系统。因此，读写器接收端在接受到标签发射信号的同时，也接收到强度比标签发射信号强得多的同频载波信号，该信号也称作自阻塞信号，如图1，图中展示了自阻塞信号和有用信号在信道中的位置和强度对比。除此之外，目前的UHF RFID系统的读写灵敏度也由标签的启动功率决定。这样的特点决定了要识别更远距离的标签，读写器必须发出尽量大的载波能量，故也会导致有较大的自阻塞信号耦合到接收机的输入端。

现有技术一般采用环形器进行发射端、接收端和天线的隔离和导波，这虽然能够实现将天线信号最大程度地导入接收端，但也把大幅度的载波信号输入到接收端，导致了接收端对大信号的复杂接收或者高性能要求。不仅如此，由于环形器通常采用铁氧体，体积庞大，不便于小型化和集成，而且价格昂贵。以图2所示的读写器为例，发射机TX的输出功率达到30dBm，环行器将端口1的信号导流到端口2，由于天线的阻抗匹配通常能实现反射系数在-15dB左右，故将有15dBm的自阻塞信号通过端口2导流到端口3并进入系统的接收机RX。对于集成芯片来说，要处理15dBm的信号本身就是一个很大的挑战，意味着需要特殊工艺、特殊设计，大大增加了产品的设计成本和加工成本。何况还需要处理大信号同时把微弱的有用信号提取出来，几乎使设计变得不可能。因此，传统采用环形器的设计方案并不适合集成芯片的输入、输出与天线的连接。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种UHF RFID读写器及其信号收发方法，能有降低系统处理大强度信号的要求，简化读写器设计，降低产品成本。

为实现上述目的，本发明提供一种超高频射频识别读写器，包括读写器主芯片、发射机、接收机以及天线，所述读写器主芯片的输出端与所述发射机的输入端相耦合，所述读写器主芯片的输入端与所述接收机的输出端相耦合，所述发射机的输出端和所述接收机的输入端耦合到所述天线，其特征在于，还包括导流与衰减单元，所述导流与衰减单元包括信号直导线路和信号衰减线路，所述发射机的输出端通过所述信号直导线路与所述天线相连，所述接收机的输入端通过所述信号衰减线路与所述天线相连。

所述导流与衰减单元为定向耦合器，所述定向耦合器包括主线和耦合线，所述发射机的输出端通过所述主线与所述天线相连，所述耦合线的对应于所述主线接天线的那一端的耦合端与所述接收机的输入端相连。

所述耦合线的对应于所述主线接天线的那一端的隔离端与所述接收机的本地振荡信号输入端相连。

所述定向耦合器的耦合度的选取满足以下条件：发射器输出功率+天线失配+定向耦合器的耦合度＜接收机输入1dB压缩点，其中的参数取值分别为各物理量采用如下单位或对应单位时的数值：

发射器输出功率：dBm；

天线失配：dB；

定向耦合器的耦合度：dB；

接收机输入1dB压缩点：dBm；

为实现上述目的，本发明还提供一种超高频射频识别读写器的信号收发方法，包括读写器信号发送步骤和读写器信号接收步骤，其特征在于，在所述读写器信号接收步骤中，还包括：在天线接收到信号之后，且信号送入接收机之前，将信号进行衰减的步骤。

在所述读写器信号发送步骤中，还包括：在信号输出发射机之后，且天线将信号发出之前，将信号分流作为接收机的本地振荡信号的步骤。

所述将信号进行衰减的步骤和将信号分流接收机的本地振荡信号的步骤采用定向耦合器执行。

本发明的有益效果是：

本发明将UHF RFID读写器的发射机、接收机和天线通过导流与衰减单元连接，通过有限度地限制输入信号的强度来遏制自阻塞信号的强度，可在不影响系统读写距离和成功率的前提下，简化UHF RFID系统对大强度信号的处理。由于UHF RFID系统属于上行不足，下行富余的系统，读写器对标签的读写距离通常由读写器发射的载波能量是否可以启动标签来决定，而标签一旦启动，其调制并反射的电磁波通常都能够被读写器读出，因此，牺牲一部分多余的灵敏度来换取接收端自阻塞信号的降低，对系统灵敏度并没有明显的影响，但同时却大大降低读写器接收端的设计复杂度和芯片成本。

在进一步的方案中，本发明的UHF RFID读写器以定向耦合器代替传统的环形器，实现导流、隔离与信号衰减作用，降低了成本并更利于UHFRFID系统的小型化。

在进一步的方案中，读写器发射机的输出端通过主芯片外的定向耦合器耦合到接收机的本地振荡输入端，从发射机输出的大功率信号中分流出一部分作为接收机的本振信号，与耦合回接收机输入端的自阻塞信号相混频，由于这两部分信号同源，所以相似度最高，因此能够最大限度地将自阻塞信号混频成直流信号，减少对有用信号的干扰，增强系统的灵敏度，提高系统的解调性能。

【附图说明】

图1为自阻塞信号和有用信号在信道中的对比示意图；

图2为现有采用环形器的读写器外围电路示意图；

图3为本发明一实施例UHF RFID读写器的主芯片外围电路示意图；

图4为本发明另一实施例UHF RFID读写器的主芯片外围电路示意图；

图5为本发明一实施例UHF RFID读写器的读写距离与标签所获功率的关系图；

图6为本发明一实施例UHF RFID读写器的读写距离与灵敏度要求的关系图；

图7a和图7b分别为本发明一实施例UHF RFID读写器信号收发方法的信号接收和发送流程图。

【具体实施方式】

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

请参考图3，UHF RFID读写器包括主芯片、发射机、接收机、天线以及导流与衰减单元。导流与衰减单元包括信号直导线路和信号衰减线路，导流与衰减单元采用定向耦合器来实现。此外，还包括锁相环电路，其信号输出端连接至接收机和发射机。如图3所示，定向耦合器包括主线A-B和耦合线C-D，发射机的输出端TX_OUT与主线的B端相连，主线的另一端即A端与天线相连。耦合线的对应于主线A端的耦合端为C端，C端与接收机的输入端RX_IN相连。当读写器接收信号时，根据定向耦合器的特性，主线接天线的A端作为定向耦合器的输入端，主线接发射机的B端为定向耦合器的输出端，耦合线与接收机的输入端RX_IN相连的C端为定向耦合器的耦合端，耦合线与接收机的本地振荡信号输入端LO_IN相连的D端为定向耦合器的隔离端。主线A-B构成信号直导线路，发射机送出的信号经主线A-B由天线发射出去。主线A端和耦合线C端之间构成信号衰减线路，天线接收的信号经A端到C端产生衰减后再送入接收机。

由于天线收到的射频信号先通过定向耦合器，发生衰减后再由耦合线送至接收机的输入端RX_IN，这样，UHF RFID读写器接收的自阻塞信号要通过天线和定向耦合器的双重衰减才进入读写器的输入端，从而对自阻塞信号的强度进行了有效遏制。

定向耦合器的参数(主要是耦合度)可根据UHF RFID读写器输出信号的强度和读写器输入端对自阻塞信号的可忍耐程度来适当选取。本实施例中，定向耦合器的耦合度可根据以下数值关系式来选取：

发射器输出功率+天线失配+耦合器的耦合度＜接收机输入1dB压缩点

上式中各项具体的物理含义如下：

发射器输出功率：发射器的输出功率，式中以dBm形式表示。

天线的失配：天线的输入型号的反射，即为天线的S11，式中以dB形式表示。

耦合器的耦合度：耦合器的耦合线和主线的功率之比，式中以dB形式表示。

接收机输入1dB压缩点：接收机在大信号输入下放大倍数低于小信号情况下1dB时候的输入能量，式中以dBm形式表示。

下面给出了本发明实施例的一组典型配置数据并作仿真和分析。系统各主要参数配置如下：

芯片输出功率：30dBm；

读写器灵敏度：-80dBm；

定向耦合器的耦合度：30dB；

读写器天线增益：5dB；

标签天线增益：2.15dB；

标签启动功率：-10dBm

工作频率：915MHz；

天线失配：-15dB(天线的S11)；

按照以上参数配置仿真后的结果，图5展示了读写器芯片的输出功率为30dBm情况下标签获得的功率和读写距离的关系。当标签启动功率取-10dBm时，标签的最大启动距离(即可读写距离)在7m左右。图6展示了读写距离对读写器的灵敏度要求。图中，-80dBm直线表示读写器的灵敏度，考虑到接收机前端定向耦合器的30dB信号衰减，接收机的灵敏度等效为-50dBm。从图中可以看到，-50dBm的灵敏度可以接受到5m处外标签反射回来的功率，即读写器的读写距离为5m。

在采用上述典型配置的情形下，读写器接收的自阻塞信号的强度变化如下。系统中的自阻塞信号主要来自于天线失配导致的输出功率发射。读写器芯片发射出30dBm的信号，忽略定向耦合器的衰减，由于天线失配(-15dB)，从天线端反射回来的信号为15dBm，由于信号要经过耦合度为30dB的定向耦合器的耦合线才能进入到接收机前端，该信号又被衰减30dBm，最终变成-15dBm。

此外，为了不失真地处理自阻塞信号和有用信号，接收机的输入1dB压缩点(input 1-dB compression point：P-1dBin)还须满足至少为-12dBm。这种要求的接收机输入1dB压缩点对于一般CMOS射频工艺来说是完全可以达到的。

请参考图4，作为对前一实施例的改进，还将定向耦合器的耦合线的对应于主线A端的隔离端即D端与接收机的本地振荡信号输入端LO_IN相连。即，耦合线的两端分别连接接收机的输入端RX_IN和本地振荡信号输入端LO_IN。这样，当读写器发送信号时，主线接发射机的输出端TX_OUT的B端作为定向耦合器的输入端，耦合线与接收机的本地振荡信号输入端LO_IN相连的D端作为耦合端，通过B端至D端的耦合导流，将发射机输出的大功率信号中分流出一部分作为接收机的本地振荡信号送至接收机，使之与发射机的输出信号耦合回接收机输入端的自阻塞信号相混频。由于这两部分信号同源，所以相似度最高，因此能够最大限度地将自阻塞信号混频成直流信号，从而减少对有用信号的干扰，提高系统的解调性能，增强系统的灵敏度，也更便于后续电路处理，进一步达到简化读写器设计的目的。

在本发明的另一方面，还提供的超高频射频识别读写器的信号收发方法，其包括信号的接收和信号的发送。参考图7a和图7b，一种实施例中的信号接收流程和信号发送流程分别如下：

一、信号接收

1、天线接收射频信号；

2、将信号进行衰减；

3、将衰减后信号送入接收机；

4、接收机处理后送入主芯片。

二、信号发送

1、主芯片向发射机提供信号；

2、发射机处理后输出；

3、将信号分流一部分作为接收机的本地振荡信号；

4、通过天线发出射频信号。

UHF RFID系统属于上行不足，下行富裕的系统，UHF RFID读写器对标签的读写距离通常由读写器发射的载波能量是否可以启动标签来决定，而标签一旦启动，其调制并反射的电磁波信号通常都能够被读写器读出。因此，本发明采用定向耦合器作为读写器接收机、发射机和天线之间的信号导流器件，牺牲系统一部分富余的灵敏度来换取接收端自阻塞信号的降低，使进入接收机前端的信号能量适当衰减，以有效抑制大幅度的自阻塞信号。通过有限度的限制输入信号的强度来遏制载波信号的强度，简化了系统对大强度信号的处理，降低了系统的复杂度，减少了芯片设计成本和产品加工成本，同时，系统在灵敏度上并没有明显的变化，不影响系统读写距离和成功率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超高频射频识别读写器，包括读写器主芯片、发射机、接收机以及天线，所述读写器主芯片的输出端与所述发射机的输入端相耦合，所述读写器主芯片的输入端与所述接收机的输出端相耦合，所述发射机的输出端和所述接收机的输入端耦合到所述天线，其特征在于，还包括导流与衰减单元，所述导流与衰减单元包括信号直导线路和信号衰减线路，所述发射机的输出端通过所述信号直导线路与所述天线相连，所述接收机的输入端通过所述信号衰减线路与所述天线相连。

2.如权利要求1所述的超高频射频识别读写器，其特征在于，所述导流与衰减单元为定向耦合器，所述定向耦合器包括主线和耦合线，所述发射机的输出端通过所述主线与所述天线相连，所述耦合线的对应于所述主线接天线的那一端的耦合端与所述接收机的输入端相连。

3.如权利要求2所述的超高频射频识别读写器，其特征在于，所述耦合线的对应于所述主线接天线的那一端的隔离端与所述接收机的本地振荡信号输入端相连。

4.如权利要求2或3所述的超高频射频识别读写器，其特征在于，所述定向耦合器的耦合度的选取满足以下条件：发射器输出功率+天线失配+定向耦合器的耦合度＜接收机输入1dB压缩点，其中的参数取值分别为各物理量采用如下单位或对应单位时的数值：

发射器输出功率：dBm；

天线失配：dB；

定向耦合器的耦合度：dB；

接收机输入1dB压缩点：dBm；

5.一种超高频射频识别读写器的信号收发方法，包括读写器信号发送步骤和读写器信号接收步骤，其特征在于，在所述读写器信号接收步骤中，还包括：在天线接收到信号之后，且信号送入接收机之前，将信号进行衰减的步骤。

6.如权利要求5所述的超高频射频识别读写器的信号收发方法，其特征在于，在所述读写器信号发送步骤中，还包括：在信号输出发射机之后，且天线将信号发出之前，将信号分流作为接收机的本地振荡信号的步骤。

7.如权利要求6所述的超高频射频识别读写器的信号收发方法，其特征在于，所述将信号进行衰减的步骤和将信号分流接收机的本地振荡信号的步骤采用定向耦合器执行。

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