CN101344933A - 一种有源射频识别标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源射频识别标签及其实现方法。标签通过锁相环跟踪接收到的载波的频率和相位信息，生成一个与载波同频同相的本地振荡信号，需要发送的数据被调制在这个本地振荡信号上，经功率放大后传输给读写器。标签不需要外接晶体振荡器作为参考基准，标签的参考基准来自于标签天线接收到的载波。标签内部有一个电源管理电路，对标签的进行开关控制、收发模式切换和功耗管理。当标签处于接收模式时，锁相环对载波进行跟踪，而当标签处于发送模式时，本地振荡信号将维持前一刻的状态自由振荡。

Description

一种有源射频识别标签

技术领域

本发明涉及自动识别技术领域，特别涉及有源射频识别标签的实现方法。

背景技术

自动识别技术是一种包括了条形码、生物特征识别、光信号识别、智能卡和射频识别等多种识别技术的统称。由于这些技术各自有着不同的优缺点，它们被推广和应用在了在不同的场合中。这其中，射频识别技术由于具有非接触、体积小、成本低、保密性强等特点，在包括物流、仓储、交通、门禁和票证等方面得到了越来越多的应用。

如图1所示，一个典型的射频识别系统由PC机(1)、读写器(2)、读写器天线(3)、标签天线(4)和标签(5)组成。读写器(2)通过读写器天线(3)发射电磁波，寻找到位于其场区内的标签(5)，进行特定的读和写操作，标签(5)在接收到电磁波的感应后，对读写器(2)发送的数据进行处理，并将其自身携带的信息交还给读写器(2)，PC机(1)收集读写器对标签进行访问和操作的信息，将其汇总并用于数据管理和人机交互。根据工作频段的不同，射频识别系统可以分为低频、高频、超高频或微波三个频段，其中低频频段的典型工作频率有125kHz和225kHz，高频频段的典型工作频率为13.56MHz，超高频或微波频段的典型工作频率有433MHz、868MHz、915MHz和2.45GHz。根据工作方式的不同，射频识别系统又可以分为无源、半有源和有源三种方式。在无源和半有源射频识别系统中，标签利用电磁反向散射耦合的方式实现标签到读写器的通信，而有源标签则利用本身携带的电源向读写器主动发射能量进行通信。由于在有源射频识别系统中，标签具有稳定的电源供电，从而可以比无源射频识别系统获得更好的稳定性以及更复杂和多样化的功能。同时，由于有源标签到读写器的通信不依赖于读写器发射到标签的能量，从而可以满足更远距离的通信要求。有源射频识别系统的这些优点，为其在不停车收费、港口货运和危险品管理等领域提供了广阔的应用空间。

迄今为止，国际上已经有了较为通用的无源射频识别标准，无源射频识别标签在高频和超高频频段的技术也已经较为成熟。而与之相比，有源射频识别系统由于结构复杂、功能要求多样化，其研究和应用的水平都有待进一步地发展。

发明内容

本发明的目的在于提出一种有源射频识别标签及其实现方法，它不仅可以向下兼容目前的无源射频识别系统，同时也为有源射频识别系统的向上发展留有空间。

本发明提出的有源射频识别标签的实现方法，主要是通过标签内部的锁相环，跟踪标签接收到的载波的频率和相位，得到一个与载波频率相同的本地振荡(简称本振)，然后，将需要返回给读写器的信息调制到这个本振频率上，通过功率放大器发送给读写器。根据读写距离的需求，可以改变功率放大器的发射功率，当距离较近时，降低发射功率，减小标签的功耗，而当距离较远时，增大发射功率，满足读写器对于返回信号强度的需求。

在有源射频识别系统中，读写器的灵敏度受到噪声、带宽和频带内干扰等因素的限制，而标签的则受到其供电的电源(通常是纽扣电池和薄膜电池)的容量和最大工作电流的限制，输出功率有限，因此，有源射频识别系统的读写距离往往受限于标签向读写器发射的信号强度。在有源标签里，功率放大器可以实现功率传输的要求，借助功率放大器，可以将标签需要发送的数据调制在一个本振信号上发送给读写器。在现有的电路设计水平下，生成一个频率准确的本振信号通常需要给标签外接一个晶体振荡器。但是，过多外接的元器件会降低标签的成品率，并带来封装成本上的提高。本发明通过使用接收到的载波的频率和相位信息作为参考基准，从而不需要借助外接的晶体振荡器，便可以在标签内部生成稳定和准确的本振信号。由于标签返回给读写器的信号与读写器发送给标签的信号频率相同，它可以在物理上兼容目前的无源和半有源射频识别系统的通信协议。同时，由于标签采用主动的功率发射，它可以在一定电源管理模式下实现完整的有源射频识别系统的通信协议。

图2给出了本发明的结构框图。它包括了天线(4)、双工器(6)、接收匹配网络(7)、限幅电路(8)、电源管理电路(9)、解调电路(10)、锁相环(11)、基带信号处理与数字控制电路(12)、存储器(13)、发送匹配网络(14)、功率放大器(15)、混频器(16)和成形滤波器(17)。本发明的核心在于锁相环(11)的使用。通过锁相环，可以获得一个与天线上接收到的载波同频同相的本振信号。标签的基带信号处理与数字控制电路(12)根据解调电路(10)解调出的信号进行相应的协议处理和逻辑控制，实现对存储器(13)的读写操作，并将需要发送的数据交由成形滤波器(17)后获得调制信号。混频器(16)将调制信号与本振信号相乘，从而将需要返回给读写器的数据调制到与输入频率相同的载波上，通过功率放大器(15)的放大后最终由天线(4)发送给读写器。电源管理电路(9)的作用分为三部分：一是根据是否需要建立通信以及能否建立通信的要求，唤醒和关断标签其它部分的电路；二是当通信建立以后，检测输入能量的强度，从而判断读写距离的远近，当输入的能量足够强时，减小功率放大器(14)的发射功率，节省标签的功耗，同时打开限幅电路(8)，减小输入信号的幅度；三是对标签的发送和接收链路进行控制，通过双工器(6)将标签在接收模式和发送模式间切换，实现收发的时分双工。当标签处于接收模式时，锁相环(11)正常工作，用来锁定本振和载波之间的频率以及相位，而当标签处于发送模式时，锁相环将不再跟踪载波，其输出的本振将维持前一刻的振荡状态而自由振荡，当发送结束之后，再重新进行环路的锁定，如此往复循环。

附图说明

图1是一个典型的射频识别系统的示意图。

图2是本发明提出的有源射频识别标签的结构框图。

图3是锁相环(11)的一种具体实施实例图。

具体实施方式

下面结合图2，详细描述实施本发明的一个具体实例。

在这个实施实例中，能量管理电路始终工作。当通信开始时，首先由读写器向标签发送一定强度的信号，当能量管理电路检测到这个信号满足通信需求时，双工器(6)被切到接收链路，同时打开解调电路(10)和锁相环(11)。解调电路(10)对载波上携带的有用信息进行解调，并将其交由基带信号处理与数字控制电路(12)进行操作。基带信号处理与数字控制电路(12)根据读写器发送过来的指令，进行协议处理和读写存储器的操作。在完成解调、基带协议处理以及读写存储器的过程中，锁相环(11)完成了锁定，它能够输出一个与载波同频同相的本振信号。此时电源管理电路将标签切换到发送模式，在这个模式下，解调电路(10)被关断，包括成形滤波器(17)、混频器(16)和功率放大器(15)的发送链路被打开，双工器被切换到发送链路。此时，锁相环(11)不再对载波进行锁定，而是根据前一个时刻的振荡状态维持输出的本振信号。在发送链路中，成形滤波器(17)根据调制方式以及相应的频率规范的要求，对输入的调制信号进行处理，其输出的信号经过混频器(16)与本振信号相乘后，被调制到本振的频率(也就是输入的载波频率)上，功率放大器(15)对调制后的信号进行功率放大，由天线发回给读写器，完成一次数据通信。在数据发送完成后，电源管理电路(9)关断发送链路，重新将标签切回到接收模式下，锁相环(11)也再次开始对载波进行锁定。

图3给出了在本发明中实施锁相环(11)的一个具体实例。它的参考基准V_in是天线上采到的载波信号，而输出V_out则用来作为标签内部的本振信号。参考基准分频器(18)将载波信号分频至一个较低的频率进行锁相处理，鉴相器(19)在环路中起到误差放大器的作用，用来最小化其输入之间的相位误差，这个误差信号经过环路滤波器(21)后被转换成一个电压信号用来控制压控振荡器(22)的振荡频率，压控振荡器(22)的输出经过预分频器(24)和主分频器(23)分频后被送回鉴相器(19)进行相位比较。当标签处于接收模式时，开关K(20)闭合，锁相环(11)正常工作，用来锁定本振的频率和相位，而当标签处于发送模式时，开关K(20)打开，压控振荡器(22)将维持前一刻的振荡状态自由振荡。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种有源射频识别标签，其特征在于包括天线(4)、双工器(6)、接收匹配网络(7)、限幅电路(8)、电源管理电路(9)、解调电路(10)、锁相环(11)、基带信号处理与数字控制电路(12)、存储器(13)、发射匹配网络(14)、功率放大器(15)、混频器(16)和成形滤波器(17)这些部分组成，通过标签内部的锁相环(11)，跟踪标签接收到的载波的频率和相位，得到一个与载波频率相同的本地振荡，将需要返回给读写器(2)的信息调制到这个本地振荡频率上，通过功率放大器(15)发送给读写器(2)。

2.根据权利要求1所述的锁相环(11)，其特征在于提取和恢复载波的频率和相位信息，生成标签内部的本地振荡信号。

3.根据权利要求2所述的锁相环(11)，其特征在于能够在标签的接收和发射两种模式下切换，当标签处于接收模式时，进行频率和相位锁定，当标签处于发射模式时，维持其前一刻的振荡状态。

4.根据权利要求1所述的解调电路(10)，其特征在于对天线(5)上接收到的信号进行解调，它可以是使用锁相环(11)生成的本地振荡信号进行的相干解调，也可以是提取载波信号的包络后进行的非相干解调。

5.根据权利要求1所述的电源管理电路(9)，其特征在于根据是否需要建立通信以及能否建立通信的要求，唤醒和关断标签其它部分的电路；当通信建立以后，检测输入能量的强度，从而判断读写距离的远近，当输入的能量足够强时，减小功率放大器(15)的发射功率，节省标签的功耗，同时打开限幅电路(8)，减小输入信号的幅度；对标签的发射和接收链路进行控制，通过双工器(6)将标签在接收模式和发射模式间切换，实现标签接收和发送的时分双工。

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