CN103226720B - 一种超高频电子标签读写器的载波相消方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，包括如下步骤：使功率合成器输出为自干扰信号；控制检测模块对自干扰信号进行检测，检测数据上传至MCU；MCU根据设计输出相应数字信号至与DAC，将幅度相位控制电路的取样输入端接取样点接入射频信号，DAC输出控制可变增益放大器输出与功率合成器第一端口功率相近的射频信号，并经可控移相器后送至功率合成器进行载波相消，检测模块对载波相消结果进行评估；根据评估结果，对可控移相器的控制电压进行粗调，分别评估载波相消结果确定最佳粗调结果并记录；在粗调结果上按同样方法进行细调，确定最佳值并记录，通过本发明，可消除或减小读写器接收信道的高功率自干扰，提高读写器灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于射频电子标签(RFID)领域，涉及一种载波相消方法，具体为一种超高频电子标签读写器的载波相消方法。
背景技术
射频识别技术(Radio Frequency Identification，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自动识别目标对象并获取相关信息，实现自动识别。作为一项关键技术，RFID由于其众多便利的特点和广泛的应用领域，越来越受到人们的普遍关注。RFID技术有着十分广泛的应用前景，其可以应用于物流仓储中的仓库管理、身份识别、交通运输、食品医疗、动物管理、门禁防盗以及工业军事等多种领域，给人们生活带来了极大的便利。
在RFID系统中，相对于13.56MHz及更低频率的系统而言，超高频识别技术(UHF RFID)由于其工作频段电磁波的波长较短，因此标签可以采用物理尺寸相对很小的天线收发信号，从而为标签的小型化和低成本奠定了基础，因此超高频射频识别技术(UHF RFID)是近年来的重点发展方向。
目前对于超高频技术，国际标准ISO18000-6C规定了860-960MHz的工作频段，ISO18000-4规定了2.45GHz的工作频段，而世界各国也分别制定了各自国家的许可工作频段，大概每个频段4～20MHz宽度不等，如我国规定840-845MHz及920-925MHz频段用作UHF RFID。对于UHF RFID系统简单而言，由标签(Tag)、RFID读写设备(Reader)以及应用软件平台构成。标签和RFID读写设备是UHF RFID系统的硬件基础，其工作原理为：(1)RFID读写设备发射电磁波给标签，对标签进行指令控制、信息写入读出操作；(2)标签一方面接收RFID读写设备发射来的电磁波信号，另一方面，对于无源标签而言，利用RFID读写设备发射来的电磁波转化为直流电源电压，作为标签的工作电源；(3)标签将RFID读写设备发射的电磁波通过背向散射机制将标签的信息返回RFID读写设备。
可见，读写器作为UHF RFID硬件基础的RFID读写设备，其性能对于UHFRFID系统至关重要。目前，读写器有几种方案，一是采用专用单芯片来实现，二是用分离元器件来实现，但不管采用何种方式，普遍采用直接变频技术。图1为现有技术的一种超高频电子标签读写器电路图。如图1所示，读写器包括天线101、环形器102、发射模块103、接收模块104、锁相环电路105、数字处理电路106以及包括电源、主控、通信等模块的其他电路107，现有技术中，接收模块104将接收到的射频信号直接送到零中频下变频器换为低频模拟信号并去直流和进行模数转换再进行数字处理，有时甚至要对接收到的射频信号进行衰减后才送至零中频下变频器，其根本原因在于超高频电子标签系统通信时的收发同频，而且在接收时发射链路必须打开发射纯载波(Carrier Wave，CW)给标签返回信息提供能量，否则标签没有足够能量完成和读写器的通信。在接收时，由于发射链路在发射大功率载波，不论发射和接收通道是否共用天线，接收天线由于反射或空间接收总会引入很大的载波分量，其幅度一般在0～18dBm之间，共用天线时由于环形器或定向耦合器等方向器件会泄漏，发射链路会有一部分能量耦合至接收链路，其幅度一般在8～18dBm之间，这两路载波对超高频电子标签系统来说是固有的自干扰。
对于一般的接收机，为了提高灵敏度，在天线和下变频器之间往往接入低噪声放大器，然而，由于低噪声放大器都是处理小信号的，所处理的信号一般小于0dBm，若将低噪声放大器接入现有技术的读写器，其存在的高功率自干扰会使得低噪声放大器立即饱和丢失掉幅度调制的返回信号甚至损坏器件，因此不能在接收天线和下变频器间增加低噪声放大器来提高读写器的灵敏度。而由于高功率的自干扰的存在，现有技术的超高频电子标签读写器的实际灵敏度一般都很差(-40～-60dBm)，远低于一般通信系统的指标如-103dBm。因此，实有必要提出一种技术手段，在射频链路上消除自干扰以使超高频电子标签读写器能提高灵敏度或进一步接入低噪声放大器以提高灵敏度。
发明内容
为克服上述现有技术存在的高功率自干扰而导致灵敏度差的问题，本发明之目的在于提供一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其通过产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号与接收信道接收到的射频信号合成以消除或减小接收信道上的高功率自干扰，提高了读写器的灵敏度。
为达上述及其它目的，本发明提出一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，应用于具有包括MCU、检测模块、DAC模块及幅度相位控制电路的载波相消模块的读写器，包括如下步骤：
步骤一，使功率合成器第二端口输入为0，该功率合成器输出为自干扰信号；
步骤二，控制该检测模块对该自干扰信号进行检测，检测获得与该自干扰信号功率成正比的直流电压，将其模数转换后上传至MCU储存；
步骤三，根据获得的直流电压的数字信号，MCU根据设计输出相应数字信号至与可变增益放大器的DAC，将幅度相位控制电路的取样输入端接取样点接入射频信号，MCU输出的数字信号经数模转换后输出控制电压控制该可变增益放大器输出与该功率合成器第一端口功率相近的射频信号，经可控移相器后送至该功率合成器进行载波相消，并控制该检测模块对载波相消结果进行评估；
步骤四，根据载波相消的评估结果，增加或减小该可控移相器的控制电压进行粗调，分别评估载波相消的结果以确定相位调节方向，确定最佳粗调结果并记录；以及
步骤五，在粗调结果上按步骤四的方法进行细调，确定最佳值并记录。
进一步地，于步骤五之后，该方法还可以包括如下步骤：
微调该可变增益放大器的控制电压使输出功率在PCT±nε范围内按步长ε/k变化，分别微调可控移相器的控制电压分别获取最佳值，记录该检测模块所检测到的合成信号功率最小时的最佳值为本次载波相消的最佳值，其中PCT该功率合成器的第一端口的功率，ε为该可控移相器的幅度的不平坦度。
进一步地，于步骤四中，使可控移相器相位改变10-20度，分别评估载波相消的结果以确定相位调节方向，确定最佳粗调结果并记录。
进一步地，于步骤五中，使该可控移相器相位控制精度为1-2度，确定最佳值并记录。
进一步地，于步骤三中，该可控移相器的控制电压采用缺省值。
进一步地，该方法还包括如下步骤：
遍历各个工作频点，分别测量最佳控制电压并记录，在不改变应用条件时可直接调用，在改变应用条件时以此作起始默认值。
进一步地，当长时间工作读写器各参数出现变化时，调用该默认值，重复步骤一至步骤五获取新的最佳值。
进一步地，n为2-3之间的数值，k为小于10的整数。
进一步地，于步骤一之前，还可以包括如下步骤：
打开发射链路发射纯载波，预热。
进一步地，于步骤一中，将该可变增益放大器的取样输入端接匹配阻抗使该可变增益放大器的输入为零，该可控移相器的输出为零，则该功率合成器输出为该自干扰信号。
与现有技术相比，本发明一种载波相消的超高频电子标签读写器的载波相消方法，通过产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号与接收信道接收到的射频信号合成以消除或减小接收信道上的高功率自干扰，提高了读写器的灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中超高频电子标签读写器的电路结构图；
图2为本发明所应用之超高频电子标签读写器的系统架构图；
图3为本发明一种超高频电子标签读写器的载波相消方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明所应用之超高频电子标签读写器的系统架构图。如图2所示，本发明所应用之超高频电子标签读写器，包括天线201、环形器202、载波相消模组203、接收模组204、发射模组205、锁相环模块206、数字处理电路207以及包括电源、主控、通信等模块的其他电路208。
其中，天线201、环形器202、接收模组204、发射模组205、锁相环模块206、数字处理电路207以及包括电源、主控、通信等模块的其他电路208均为常规设计，在此不予赘述。载波相消模组203包括MCU210、DAC模块211、幅度相位控制电路212、以及检测模块213，MCU210连接锁相环，用于输出数字的幅度控制信号及相位控制信号至DAC模块211，DAC模块211包括DAC-2及DAC-3，分别将数字的相位控制信号及幅度控制信号经数模转换转换成模拟电压信号，幅度相位控制电路212包括一功率合成器、一可控移相器以及一个可变增益放大器，MCU210输出数字的相位控制信号，经DAC-2变换后输出一模拟电压，用此电压改变可控移相器输出射频信号的相位，使移相网络输出的射频信号的相位和接收信道的相位相差170°～190°，最好是180°，即越接近180°越佳，改变DAC-3的输入数字信号，用DAC-3的模拟输出电压控制可变增益放大器的增益，使移相网络输出的射频信号的幅度和接收信道的幅度相等或相近，幅度误差应小于1dB，幅度越接近相等越佳，功率合成器具有两个输入端口：端口1及端口2，端口1用于接收环形器202接收端输出的射频信号，端口2用于接收可控移相器的输出，两者经功率合成器相加后，接收通道的自干扰射频信号被消除或减小。由于电路不可能做到完全等幅，两个信号相位也不能做到完全相反，因此，功率合成器的输出总还是有残余载波的，控制残余载波的幅度，完全可以保留有用信号。检测模块213包括取样模块、检波模块以及ADC模块，功率合成输出的射频信号中的干扰载波大部分被消除，经取样模块、检波模块取样和检波放大后输出一直流电压，即检波电压，将该检波电压送入ADC模块，若ADC输出数值高即检波输出电压高则改变可变增益放大器和可控移相器的电压直至检波输出为零或很低。
图3为本发明一种超高频电子标签读写器的载波相消方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，包括如下步骤：
步骤301，使功率合成器端口2输入为0，功率合成器输出为自干扰信号；
步骤302，控制检测模块对自干扰信号进行检测，检测获得与自干扰信号功率成正比的直流电压，将其模数转换后上传至MCU储存；
步骤303，根据获得直流电压的数字信号，MCU根据设计输出相应数字信号至DAC-3，此时可控移相器的控制电压用缺省值，将幅度相位控制电路的取样输入端接取样点接入射频信号，数模转换器DAC-3输出控制电压控制可变增益放大器输出与功率合成器端口1功率PCT相近(最好为相等)的射频信号，经可控移相器后送至功率合成器进行载波相消，并控制检测模块对载波相消结果进行评估；
步骤304，根据载波相消的评估结果，增加或减小可控移相器的控制电压进行粗调，如使可控移相器相位改变10-20度，分别评估载波相消的结果以确定相位调节方向，确定最佳粗调结果并记录；
步骤305，在粗调结果上按步骤304的方法进行细调，此时可控移相器相位控制精度为1-2度，确定最佳值并记录；
步骤306，考虑到可控移相器的幅度的不平坦度ε，微调可变增益放大器的控制电压使输出功率在PCT±nε范围内(较佳地，n为2-3之间的数值)按步长ε/k变化(较佳地，k为小于10的整数)，分别微调可控移相器的控制电压分别获取最佳值，记录检测模块所检测到的合成信号的功率最小时的最佳值为本次载波相消的最佳值；
步骤307，需要的话，遍历各个工作频点，分别测量最佳控制电压并记录，在不改变应用条件如天线、电缆或场景介质(有时需要把读写器包裹于某介质如含盐雾空气)时可以直接调用，在改变应用条件时也可以以此作起始默认值，便于快速获取新的最佳值。
长时间工作后，读写器各参数会出现变化，调用步骤308的默认值，重复上述步骤获取新的最佳值。
于步骤301之间，还可以包括如下步骤：
打开发射链路发射纯载波CW，预热。
较佳的，于步骤301中，将可变增益放大器的取样输入端接匹配阻抗(通常为50欧)使可变增益放大器的输入为零，可控移相器的输出为零，则功率合成器输出即为自干扰信号。
可见，本发明一种载波相消的超高频电子标签读写器的载波相消方法，通过产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号与接收信道接收到的射频信号合成以消除或减小接收信道上的高功率自干扰，提高了读写器的灵敏度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，应用于具有包括MCU、检测模块、DAC模块及幅度相位控制电路的载波相消模块的读写器，包括如下步骤：
步骤一，使功率合成器第二端口输入为0，该功率合成器输出为自干扰信号；
步骤二，控制该检测模块对该自干扰信号进行检测，检测获得与该自干扰信号功率成正比的直流电压，将其模数转换后上传至MCU储存；
步骤三，根据获得的直流电压的数字信号，MCU根据设计输出相应数字信号至与可变增益放大器的DAC，将幅度相位控制电路的取样输入端接取样点接入射频信号，MCU输出的数字信号经数模转换后输出控制电压控制该可变增益放大器输出与该功率合成器第一端口功率相近的射频信号，经可控移相器后送至该功率合成器进行载波相消，并控制该检测模块对载波相消结果进行评估；
步骤四，根据载波相消的评估结果，增加或减小该可控移相器的控制电压进行粗调，分别评估载波相消的结果以确定相位调节方向，确定最佳粗调结果并记录；以及
步骤五，在粗调结果上按步骤四的方法进行细调，确定最佳值并记录。
2.如权利要求1所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于，于步骤五之后，该方法还可以包括如下步骤：
微调该可变增益放大器的控制电压使输出功率在PCT±nε范围内按步长ε/k变化，分别微调可控移相器的控制电压分别获取最佳值，记录该检测模块所检测到的合成信号功率最小时的最佳值为本次载波相消的最佳值，其中PCT该功率合成器的第一端口的功率，ε为该可控移相器的幅度的不平坦度。
3.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：于步骤四中，使可控移相器相位改变10－20度，分别评估载波相消的结果以确定相位调节方向，确定最佳粗调结果并记录。
4.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：于步骤五中，使该可控移相器相位控制精度为1－2度，确定最佳值并记录。
5.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：于步骤三中，该可控移相器的控制电压采用缺省值。
6.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：
遍历各个工作频点，分别测量最佳控制电压并记录，在不改变应用条件时可直接调用，在改变应用条件时以此作起始默认值。
7.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：当长时间工作读写器各参数出现变化时，调用默认值，重复步骤一至步骤五获取新的最佳值。
8.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：n为2-3之间的数值，k为小于10的整数。
9.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于，于步骤一之前，还可以包括如下步骤：
打开发射链路发射纯载波，预热。
10.如权利要求2所述的一种超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于：于步骤一中，将该可变增益放大器的取样输入端接匹配阻抗使该可变增益放大器的输入为零，该可控移相器的输出为零，则该功率合成器输出为该自干扰信号。
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