CN103295036B - 一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器及其相消方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器及其相消方法，该读写器除包含天线、耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、锁相环模块以及电源、主控、通信模块外，还包括一相消模组，该相消模组接于该耦合设备的接收端与该接收模组之间，通过利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小，通过本发明，消除或减小了读写器接收信道上的高功率自干扰，提高了读写器的灵敏度。

Description

一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器及其相消方法

技术领域

本发明属于电子标签(RFID)领域，涉及一种超高频电子标签读写器及其相消方法，具体为一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器及其相消方法。

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转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接入低噪声放大器以提高读写器的灵敏度。

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锁相载波相消的超高频电子标签读写器及其相消方法，其通过利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号以消除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，本发明实现了一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，至少包含天线、耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、锁相环模块以及电源、主控、通信模块，该读写器还包括一相消模组，该相消模组接于该耦合设备的接收端与该接收模组之间，通过利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小。

进一步地，该相消模组包括：

MCU，生成并输出数字的控制信号以控制该载波相消模块产生与该自干扰信号幅度相等或相近的射频信号；

载波相消模块，与该耦合设备及该接收模组的接收信道相连，通过两次锁相窄带跟踪产生一个与该自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号至接收信道以消除或减小自干扰信号；以及

检测模块，接于该载波相消模块输出端，接收经过消除自干扰信号的射频信号，检测自干扰的相消结果，并将检测结果送入MCU进行调整。

进一步地，该载波相消模块包括功分器、功率合成器、第一跟踪锁相环、第二跟踪锁相环、可变增益放大器以及数模转换器，该功分器接该耦合设备与该接收模组的接收信道，将接收信号分为两路，一路经相位补偿送入该功率合成器输入端，另一路送入该第一跟踪锁相环，经该第一跟踪锁相环后输出一个与输入的接收信号相差90°的同频信号，该第二跟踪锁相环一输入端接该同频信号，输出端接该可变增益放大器输入端，另一输入端对该可变增益放大器的输出进行采样，该可变增益放大器还通过该数模转换器接于MCU以受MCU的数字控制信号控制，该同频信号经该第二跟踪锁相环及可变增益放大器后输出一个与该接收信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号至该功率合成器。

进一步地，该载波相消模块还包括一缓冲器，该缓冲器设置于该第一跟踪锁相环与该第二跟踪锁相环之间，该缓冲器将该同频信号缓冲后送入该第二跟踪锁相环。

进一步地，该第一跟踪锁相环包括鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器，该鉴相器之一输入端接该功分器，另一输入端接该压控振荡器，该鉴相器将接收的一路接收信号与该压控振荡器的采样信号进行相位比较，比较结果经该环路滤波器环路滤波后送至该压控振荡器。

进一步地，该第二跟踪锁相环包括鉴相器、环路滤波器及压控振荡器，该鉴相器一端接该缓冲器输出端，另一输入端接该可变增益放大器，该鉴相器将该同频信号与该可变增益放大器输出的采样信号进行相位比较，比较结果经该环路滤波器滤波后，送至压控振荡器，该压控振荡器输出一个与输入的同频信号相差90度的信号至该可变增益放大器。

进一步地，该检测模块包括取样电路、检波放大电路以及模数转换器，该检测模块连接于该功率合成器的输出端，功率合成输出的射频信号中的干扰载波大部分被消除，经该取样电路、该检波放大电路取样和检波放大后输出一检波电压，将该检波电压送入该模数转换器，若该模数转换器输出数值高则该MCU改变控制该可变增益放大器的电压直至检波输出为零或很低。

进一步地，该检测模块控制该功率合成器输出的残余载波的幅度，保留有用信号。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器的载波相消方法，包括如下步骤：

步骤一，在载波相消开始时，由检测模块获得自干扰信号的功率并存入MCU；

步骤二，MCU根据获得的自干扰信号的功率输出数字控制信号至载波相消模组；

步骤三，该载波相消模组利用两次锁相窄带跟踪并在MCU输出的控制信号控制下产生与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号以将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小。

进一步地，步骤一还包括如下步骤：

将功分器之第二端口接匹配负载，功率合成器之第二端口接匹配负载；

由检测模组的取样电路对自干扰信号进行取样，经检波放大电路检波放大后进入模数转换器，模数变换后的数据被送入MCU存储。

与现有技术相比，本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，通过载波相消模组利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除，通过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为本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器的系统架构图；

图3为本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器之相消模块的电路示意图；

图4为本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器之较佳实施例的电路示意图；

图5为本发明一种锁相载波相消的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为本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器的系统架构图。如图2所示，本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器200，包括天线201、定向耦合设备202(以下以环形器说明)、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。

天线201，从空间接收射频RF信号或向空间发射射频RF信号，通过射频电缆与环形器202相连；环形器202用于实现射频天线的收发复用，其分别与接收模组204及发射模组205连接，其也可以为其他定向耦合设备，此为现有技术，在此不予详述；相消模组203，接于环形器202的接收端与接收模组204之间，利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收到的自干扰信号消除或减小；接收模组204包括下变频器、滤波器、可变增益放大器1以及ADC模数转换器，接收模组204从载波相消模组203接收消除了自干扰信号的射频RF信号，经下变频、滤波、增益放大以及模数转换处理后，送至数字处理电路207进行处理；发射模组205，包括DAC-1(数模转换器)、调制器、可变增益放大器2及功率放大器，将数字处理电路207输出的调制数字信号，进行数模转换、OOK或ASK调制、增益放大及功率放大后通过环形器202送至天线201发射出去；锁相环模块206用于产生发射接收时的连续载波(发射时提供载波，接收时提供本振和发射载波)，其包括锁相环及缓冲器，锁相环由MCU控制频率，缓冲器输出连接接收模块的下变频器及发射模块的调制器；数字处理电路207，接收ADC模数转换器输出的数字信号，进行处理，将处理结果上传给系统，发射时将基带数据的数字信号输出给DAC数模转换器；以及其他电路208，包含系统控制、稳压电路以及通信接口等模块，这些均是现有读写器的常用模块，在此则不予详述。

在本发明较佳实施例中，相消模组203包括MCU210、载波相消模块211以及检测模块212，MCU210连接锁相环及数字处理电路207，输出控制信号至载波相消模块211以控制载波相消模块输出与接收信道幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号以将接收信道的自干扰信号消除或减小；载波相消模块211与环形器202及接收模组204的接收信道相连，通过两次锁相窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近(幅度差小于1dB，越接近相等越佳)、相位相差为170°～190°(最好是180°，越接近180°越佳)的射频信号至接收信道以消除或减小自干扰信号；检测模块212接于载波相消模块211输出端的接收信道，接收经过自干扰信号相消的射频信号，检测自干扰的相消结果，并将检测结果送入MCU210进行调整。

图3为本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器之相消模块的电路示意图。在本发明较佳实施例中，载波相消模块211包括功分器310、功率合成器311、第一跟踪锁相环(PLL1)312、第二跟踪锁相环(PLL2)313、缓冲器314、可变增益放大器315以及数模转换器(DAC)316，检测模块212包括取样电路、检波放大电路以及模数转换器(ADC)，MCU210包括MCU及其附属电路如存储器等。

接收信号RX包含大量载波信息，利用该载波信息可以获得反相载波，首先利用功分器310将接收信号RX分为两路，一路经相位补偿送入功率合成器311输入端，另一路送入第一跟踪锁相环312之鉴相器PD1的第一输入端，鉴相器PD1的另一输入端接第一跟踪锁相环312之压控振荡器VCO1，鉴相器PD1将接收的一路接收信号RX与压控振荡器VCO1的采样信号(取样1)进行相位比较，比较结果经环路滤波器LF1环路滤波后送至压控振荡器VCO1，压控振荡器VCO1输出一个和输入的接收信号RX相差90°的同频信号CW1，经缓冲器314缓冲后，该载波被送入第二跟踪锁相环313的鉴相器PD2的第一输入端，鉴相器PD2的另一输入端接可变增益放大器得315输出端，鉴相器PD2将同频信号CW1与可变增益放大器315输出的采样信号(采样2)进行相位比较，比较结果经环路滤波器LF2环路滤波后送至压控振荡器VCO2，压控振荡器VCO2输出一个和输入的同频信号CW1相差90°的信号，经可变增益放大器315放大后输出载波CW2至功率合成器311，如此，载波CW2相对接收信号RX移相180°，即反相。

在本发明较佳实施例中，在载波相消开始时，由检测模块212获得自干扰信号的功率：首先将功分器310端口2接匹配负载，功率合成器311端口2接匹配负载，发射模组(TX)205发射纯载波CW，接收信道接收到的为自干扰信号，检测模组212的取样电路3对自干扰信号进行取样，经检波放大电路检波放大后进入模数转换器(ADC)，模数变换后的数据被送入MCU210存储。

MCU210输出数字控制信号，经载波相消模块211的数模转换器(DAC)316变换后输出一模拟电压，用此模拟输出电压控制可变增益放大器315的增益，使锁相环链输出的射频信号的幅度和接收信道的幅度相等或相近；经功率合成器相加后，接收通道的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。功率合成输出的射频信号中的干扰载波大部分被消除，经取样和检波放大后输出一直流电压(检波电压)，将该检波电压送入ADC电路，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的电压直至检波输出为零或很低，功率合成后的射频输出无论直接送至下变频器还是经过低噪声放大器后再送至下变频器(图4)都能显著提高灵敏度。

图5为本发明一种锁相载波相消的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5所示，本发明一种锁相载波相消的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501，在载波相消开始时，由检测模块获得自干扰信号的功率并存入MCU；

步骤502，MCU根据获得的自干扰信号的功率输出数字控制信号至载波相消模组；

步骤503，载波相消模组利用两次锁相窄带跟踪并在MCU输出的控制信号控制下产生与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小。

具体地说，在步骤501中，首先将功分器310端口2接匹配负载，功率合成器311端口2接匹配负载，发射模组(TX)205发射纯载波CW，接收信道接收到的为自干扰信号，检测模组212的取样电路3对自干扰信号进行取样，经检波放大电路检波放大后进入模数转换器(ADC)，模数变换后的数据被送入MCU210存储。

于步骤502中，MCU210输出数字控制信号，经载波相消模块211的数模转换器(DAC)316变换后输出一模拟电压，用此模拟输出电压控制可变增益放大器315的增益，以使锁相环链输出的射频信号的幅度和接收信道的幅度相等或相近。

可见，本发明一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，通过载波相消模组利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小，通过消除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 (9)

1.一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，至少包含天线、耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、锁相环模块以及电源、主控、通信模块，其特征在于：该读写器还包括一相消模组，该相消模组接于该耦合设备的接收端与该接收模组之间，通过利用锁相的窄带跟踪产生一个与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小，该相消模组进一步包括，

MCU，生成并输出数字的控制信号以控制载波相消模块产生与该自干扰信号幅度相等或相近的射频信号；

载波相消模块，与该耦合设备及该接收模组的接收信道相连，通过两次锁相窄带跟踪产生一个与该自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号至接收信道以消除自干扰信号；以及

检测模块，接于该载波相消模块输出端，接收经过消除自干扰信号的射频信号，检测自干扰的相消结果，并将检测结果送入MCU进行调整。

2.如权利要求1所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该载波相消模块包括功分器、功率合成器、第一跟踪锁相环、第二跟踪锁相环、可变增益放大器以及数模转换器，该功分器接该耦合设备与该接收模组的接收信道，将接收信号分为两路，一路经相位补偿送入该功率合成器输入端，另一路送入该第一跟踪锁相环，经该第一跟踪锁相环后输出一个与输入的接收信号相差90°的同频信号，该第二跟踪锁相环一输入端接该同频信号，输出端接该可变增益放大器输入端，另一输入端对该可变增益放大器的输出进行采样，该可变增益放大器还通过该数模转换器接于MCU以受MCU的数字控制信号控制，该同频信号经该第二跟踪锁相环及可变增益放大器后输出一个与该接收信号幅度相等、相位相差180°的射频信号至该功率合成器。

3.如权利要求2所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该载波相消模块还包括一缓冲器，该缓冲器设置于该第一跟踪锁相环与该第二跟踪锁相环之间，该缓冲器将该同频信号缓冲后送入该第二跟踪锁相环。

4.如权利要求2所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该第一跟踪锁相环包括鉴相器、环路滤波器以及压控振荡器，该鉴相器之一输入端接该功分器，另一输入端接该压控振荡器，该鉴相器将接收的一路接收信号与该压控振荡器的采样信号进行相位比较，比较结果经该环路滤波器环路滤波后送至该压控振荡器。

5.如权利要求3所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该第二跟踪锁相环包括鉴相器、环路滤波器及压控振荡器，该鉴相器一端接该缓冲器输出端，另一输入端接该可变增益放大器，该鉴相器将该同频信号与该可变增益放大器输出的采样信号进行相位比较，比较结果经该环路滤波器滤波后，送至压控振荡器，该压控振荡器输出一个与输入的同频信号相差90度的信号至该可变增益放大器。

6.如权利要求2所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该检测模块包括取样电路、检波放大电路以及模数转换器，该检测模块连接于该功率合成器的输出端，功率合成输出的射频信号中的干扰载波大部分被消除，经该取样电路、该检波放大电路取样和检波放大后输出一检波电压，将该检波电压送入该模数转换器，若该模数转换器输出数值高则该MCU改变控制该可变增益放大器的电压直至检波输出为零或很低。

7.如权利要求6所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器，其特征在于：该检测模块控制该功率合成器输出的残余载波的幅度，保留有用信号。

8.一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器的载波相消方法，包括如下步骤：

步骤一，在载波相消开始时，由检测模块获得自干扰信号的功率并存入MCU；

步骤二，MCU根据获得的自干扰信号的功率输出数字控制信号至载波相消模组；

步骤三，该载波相消模组利用两次锁相窄带跟踪并在MCU输出的控制信号控制下产生与自干扰信号幅度相等或相近、相位相差为170°～190°的射频信号以将接收信道接收到的自干扰信号消除或减小。

9.如权利要求8所述的一种锁相载波相消的超高频电子标签读写器的载波相消方法，其特征在于，步骤一还包括如下步骤：

将功分器之第二端口接匹配负载，功率合成器之第二端口接匹配负载；

由检测模组的取样电路对自干扰信号进行取样，经检波放大电路检波放大后进入模数转换器，模数变换后的数据被送入MCU存储。