CN104285381A - 用于在反向散射射频识别系统中产生专用数据信道的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种包括天线的通信装置，所述天线根据其反射系数特性来反向散射传入的RF信号。该通信装置包括至少一个低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器，所述调制器调制其输入端上的信号并以数字方式控制可变阻抗电路的输出，其中天线的反射系数基于可变阻抗电路的输出而变化。该通信装置可用在诸如RFID标签的应用中。

Description

用于在反向散射射频识别系统中产生专用数据信道的方法和装置

技术领域

本发明大体上涉及一种用于在反向散射射频通信网络中产生专用数据传输信道的方法和装置。

背景技术

射频识别(RFID)系统通常用于对近场通信网络中的物品进行定位和跟踪，其中该近场通信网络包括读取装置和至少一个无线终端或标签。在给定的RFID网络或系统中，将含有载波信号的激励时变电磁射频(RF)波从读取器传输到标签。标签使用反向散射技术来将读取器的RF信号反射回到读取器，在此期间对该信号进行调制以进行编码并传输数据。

图1示出了现有技术的RFID系统，在该系统中，在相同的频率信道或频谱104上进行从标签101a-c到读取装置103的数据传输。通过使用所建立的反向散射技术，RFID系统或网络中多个标签的每个标签通常在相同的经反向散射的载波信号上发送RF信号。因此，来自每个标签的经反向散射的RF信号在与给定读取装置/RFID网络相关联的相同RF频谱内与其他标签的RF信号重叠。

因此，当多个标签被相同的RFID读取器激励，并且多个标签同时将它们各自的重叠信号反射回到使用给定频率信道的读取器中时，RFID系统中就会发生标签冲突。因此，每当在同一RF场中必须同时读取大量标签时，标签冲突问题就会加剧。当同时产生的信号相冲突时，读取器无法区分这些信号。标签冲突使读取器发生混淆，产生了数据传输错误，并通常会减少RFID系统或网络内的数据吞吐量。

已提出了各种系统来对个体标签进行隔离。例如，在一种专门降低冲突错误的技术中，当读取器认识到已经发生标签冲突时，该读取器会发送特殊的“间隙脉冲”信号。在接收到该信号时，每个标签询问随机数计数器以确定在发送其数据之前要等待的间隔。由于每个标签都得到唯一数目的间隔，因此标签能在不同时间发送它们的数据。然而，就数据吞吐率而言，仍然存在对整个RFID系统性能的不利影响。

目前已知的是，通过使用诸如相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)这样的信号调制方案来对标签所接收的信号进行调制并将调制的信号以反向散射方式再次辐射到读取器，其中标签通过改变各状态之间的阻抗匹配来改变其反射系数。然而，仍然存在由给定频率信道上的经反向散射信号的重叠所导致的标签冲突的不利影响。

发明内容

本发明提供一种用于反向散射传入的射频(RF)信号的天线装置。所述天线装置包括能根据天线的反射系数特性来反向散射传入的RF信号的天线、具有与所述天线电连接的输出端的可变阻抗电路以及至少一个低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器，所述调制器耦接于所述可变阻抗电路并以数字方式控制所述可变阻抗电路的输出，其中基于所述可变阻抗电路的输出来调节所述天线的反射系数(Γ)。

在一个实施例中，至少一个低通Delta-Sigma调制器的输出在两种状态之间切换所述可变阻抗电路的输出，以调节反射系数。

在另一实施例中，施加于所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号由相对于传入的射频信号偏移了+/-ω_o的复合调制信号中的一个信号构成。

所述复合调制信号可以由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中的任一项构成。

在又一实施例中，所述天线装置还至少包括耦接于所述可变阻抗电路的第二低通Delta-Sigma调制器，其中所述可变阻抗电路的输出还由所述第二低通Delta-Sigma调制器以数字方式控制。

在又一实施例中，传送至所述天线装置的第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输入信号分别包括同相(I)信号和正交(Q)信号。

附图说明

下面仅参考以下附图通过举例对本发明进行描述，其中：

图1示出了现有技术的RFID系统，其中从标签到读取器的数据传输执行在相同的频率信道上；

图2示出了在一个实施例中用于产生针对反向散射的变化阻抗的装置；

图3示出了在一个实施例中用于产生由数字信号源(如直接数字合成器)的频率偏移的IQ信号的装置；

图4示出了在一个实施例中用于产生由数字信号源(如直接数字合成器)的频率偏移的OFDM信号的装置；

图5a示出了在一个实施例中基于IQ信号输入来产生交织的SSB信号的调制装置；

图5b示出了使用图5a的调制装置所产生的SSB信号的代表性输出信号；

图6示出了RFID系统的实施例，其中通过从标签到读取器的反向散射来在专用频率信道上进行数据传输；

图7示出了在一个实施例中用于产生QAM信号的装置；

图8a示出了在一个实施例中用于产生GMSK信号的调制装置；

图8b示出了使用图5a的调制装置所产生的GMSK信号的代表性输出；

图8c示出了在使用图5a的调制装置所产生的反射信号中可能产生的正交误差的表示；

图9a示出了控制数据率对功率的表示；和

图9b示出了链路预算对标签和读取器间的距离的表示。

具体实施方式

本文所使用的术语“调制”是指：通过这种处理，射频识别(RFID)无线终端或标签改变了读取器天线的载波射频(RF)信号以传达信息。例如，在相位调制中，将从读取装置传输到标签的数据编码到由RFID读取装置所发送的载波的相位变化中。

图2示出了在一个实施例中的如射频识别(RFID)通信网络的无源或半无源无线通信系统中的天线装置200，其用于在天线203处产生变化阻抗205以反向散射传入的射频(RF)信号，如来自RFID网络的读取装置的射频(RF)信号。作为RFID通信网络中标签器终端的一部分的天线203根据其反射系数(Γ)特性来反向散射传入的RF信号。

仍然参考图2，其示出了用于设计可变阻抗电路205的一个实施例，其中该可变阻抗电路用于从天线203产生反向散射波。这里，阻抗Z_L依据控制位而在两种状态之间切换。当控制位为高时，Z_L在频率f_rf处呈现类似零阻抗，由此，反向散射Γ(f_rf)＝1。注意，Z_L设计为具有高阻抗，而不是具有f_rf。在2f_rf处，阻抗有助于减少2f_rf的折叠。当控制位为低时，Z_L>>50欧姆。因此，Γ＝0，没有信号被反向散射。

变化阻抗还可设计为能在反向散射波中产生相移。即，

${\mathrm{\Γ}}_i={\mathrm{\αe}}^{{\mathrm{j\φ}}_i}$

其中，φ具有两种状态，即φ₁和φ₂，并且α为常数。由此，反向散射阻抗由下式给出：

$Z_i=\frac{Z_s(1+{\mathrm{\αe}}^{{\mathrm{j\φ}}_i})}{(1-{\mathrm{\αe}}^{{\mathrm{j\φ}}_i})}$

其中，Z_l具有两种状态，即Z₁和Z₂。这里，φ_i可设计为具有状态φ₁＝0°并且φ₂＝180°。这里，Z_s为天线阻抗。由于天线阻抗根据其环境而调节，因此可以简单地对有效Γ进行旋转和缩放。这可以通过假设Z_s变为来说明，其中β为缩放因子，而为旋转度。因此，Γ变为：

或者，

鉴于此，Z_s中的变化导致分别通过β^-1和来缩放和旋转Z。在这种复杂的调制方案中，可以利用Γ的相位变化，而不是幅度变化。

在一实施例中，可变阻抗电路可以有一个或多个滤波器，从而从低通Delta-Sigma调制器中滤除带噪输出。

图3示出了在一个实施例中用于产生由数字信号源的频率偏移的同相正交(IQ)信号(308,309)的装置300，其中在一个实施例中所述数字信号源可以是直接数字合成器(DDS)307。低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器302可用于产生复合调制信号。这里提及的是，低通Delta-Sigma调制器产生表示输入数据的从DC电平到某预定设计带宽BW的输出比特流。信号超出预定设计带宽BW的话，低通Delta-Sigma调制器的量化噪声会增加，直到在某设计临界点处该信号将被视为具有太多的量化噪声为止。

仍然参考图3，至混频器的信号由DDS307产生。

图4示出了在一个实施例中用于产生偏移数字信号源的频率的正交频分复用(OFDM)信号的装置400。

在图3和图4的示例中，复合调制信号在f_rf+δf和f_rf-δf处产生；即，它们是双边带并具有高、低侧频带。

图5a示出了在一个实施例中基于IQ信号输入508,509来产生交织SSB信号的调制器装置500。

还可以产生单边带(SSB)信号，但需要两个低通ΔΣ调制器502a,502b。这两个低通ΔΣ调制器502a,502b提供还将Γ改变了0°、90°、180°或270°(或者通常为偏移量+0、偏移量+90、偏移量+180或偏移量+270°)的信号；参见图5a。第一和第二低通Delta-Sigma调制器502a,502b的输入信号可分别包括同相(I)和正交(Q)信号508,509。在一个实施例中，施加到低通Delta-Sigma调制器502a,502b的输入信号由将传入的射频信号偏移+ω_o或-ω_o或零的复合调制信号构成。

仍然参考图5a，第一ΔΣ(即(ΔΣ)_I)具有也使Γ变化0°或180°的输出，而另一ΔΣ(即(ΔΣ)_Q)具有也能使Γ变化90°或270°的输出。然而，输出相互交织，在第一ΔΣ和第二ΔΣ之间交替切换。因此，如果(ΔΣ)_I产生0，180，180，0，0，180...，以及(ΔΣ)_Q产生90，90，270，270，...，则将Γ控制为变化了0，90，180，90，180，270，0，270，...。通过使用这种架构可以产生单边带信号SSB。

图5b示出了使用图5a的调制装置500所产生的SSB信号的代表性输出信号510。图5b示出了这种结构的输出，其中施加给它的信号是分别针对(ΔΣ)_I和(ΔΣ)_Q的sinω_bbt和cosω_bbt。这里，ω_bb变化为三种不同的频率。

可以通过上面的等式来确定与相位对应的阻抗。例如，如果α＝1/sqrt(2)，φ＝0，90，180，270，f_rf＝lGHz，Z_s＝50Ω，则阻抗分别变为50+100j，10+20j，10-20j和50-100j。

如果Z中存在任何误差，那么这将导致反射信号中的有效IQ偏移量。然而，这可以通过使用已知的IQ校正方案在读取装置内进行校正。如果天线阻抗改变，则可对RFID读取器加以均衡。

图6示出了RFID通信网络600的实施例，其中通过产生针对RFID通信网络600中所使用的标签601a-c中的每一标签的独立信道605,606,607，采用针对低通Delta-Sigma调制的复合调制装置及方法在专用频率信道上进行从标签反向散射到读取器的数据传输。这里，针对低通Delta-Sigma调制的复合调制装置及方法称为并表示为“Γ-ΔΣ方案”。根据天线603a-c的反射系数特性，各个标签终端601a-c中的天线603a-c对例如来自读取装置602传入的RF信号进行反向散射。可变阻抗电路(图6中未示出)具有与天线603a-c电连接的输出。低通Delta-Sigma调制器耦接于可变阻抗电路的输入端，以数字式控制可变阻抗电路的输出，使得可通过改变可变阻抗电路的输出来调节天线603a-c的反射系数Γ。

图7示出了在一个实施例中用于产生正交调幅(QAM)信号的调制装置700。将数据位施加于LUT(查找表)701，随后施加于ΔΣ调制器702a,702b。

图8a示出了在一个实施例中用于产生高斯最小频移键控(GMSK)信号的调制装置800。通过采用SSB方案，可以产生诸如GMSK、nPSK、正交相移键控(QPSK)、OFDM、nQAM等复杂的调制信号，其中n表示整数。

在一个实施例中，低通Delta-Sigma调制器802a-b的输出可以是归零值(RTZ)，因此，如果数据为1101101，那么输出则将是10100010100010；注意，各比特位之间有零。在备选实施例中，低通Delta-Sigma调制器802a-b的输出可以是非归零(NRZ)类型的信号；例如，如果数据为1101101，则输出为1101101，并且对数据流不做任何添加。

图8b示出了使用图8a的调制装置800所产生的GMSK信号的代表性输出。这里，使用一阶ΔΣ。可以很容易地通过应用更高阶ΔΣ调制器来改善频谱。中心频率为2.179归一化单位。反射系数的相位可能具有误差；即，Γ_oexp(j0°)，(Γ_o+ε₁)exp(j180°+φ₁)，(Γ_o+ε₂)exp(j90°+φ₂)，以及(Γ_o+ε₃)exp(j270°+φ₃)，其中ε₁，φ₁，ε₂，φ₂，ε₃和φ₃代表误差。这些误差在由天线反射回的信号中产生正交误差。

图8c是在δf的偏移量处产生SSB时的反射信号的表示。由于这个误差，产生在-δf处的误差音调(error tone)；理想情况下，误差信号不存在。这种正交误差可通过(i)调节施加于低通ΔΣ调制器的I和Q信号来校正，或者(ii)在RFID通信网络自身的读取器内进行校正。

例如，在读取器中度量的是E(Q^2)-E(I^2)和E(IQ)，其中E(x)是平均期望值。项E(Q^2)-E(I^2)是增益失配的度量，而E(IQ)是相位失配的度量。可以对I(或Q)信道的增益进行校正，直到E(Q^2)-E(I^2)＝0为止，并且可以对相位进行校正直到E(IQ)＝0为止。这可以在闭环方案中例如使用最小均方滤波器来完成。

所使用的矩阵：

Icorrected＝I*D

Qcorrected＝sin(phase_error)*I+cos(phase_error)*Q

其中，D是I与Q之间的增益失配的度量，并且

phase_error是I与Q之间的相位误差。如果没有任何误差，则D＝1且phase_error＝0°。

针对由无线标签终端所利用的、诸如用于驱动Delta-Sigma调制器的计时功能而言，该计时功能的产生可由标签读取器中的时钟电路来提供，或者通过基于由RFID网络的读取装置所提供的传入RF信号的频率的时钟电路发生器来提供。

例如，在使用读取器的信号作为时钟的示例中，如果读取器在f_rf处，由标签所使用的时钟将为f_rf，或者某些频率f_rf/N，其中N是某整数(即，f_rf被N分频以产生时钟)。

图9a示出了控制数据率对功率的表示。根据数据率以及调制类型，并基于标签与读取器间的距离r，可引入功率管理系统。当读取器足够接近(即，r<r_min)时，标签便获得足够功率以进行开启。从r_min到r_critical，标签使用较慢的时钟和ASK或PSK进行传输。由于r<r_critical，标签能够使用64QAM开始进行传输。针对RF反向散射技术，由标签所接收的功率(即，P_RX(r))由下式给出：

$P_{\mathrm{RX}}\left(r\right)={\left(\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;r}}\right)}^2{P}_{\mathrm{TX}}{G}_{\mathrm{TX}}{G}_{\mathrm{RX}}$

其中λ为载波信号的波长，r为标签与读取器之间的距离，P_TX为发射器的功率，G_TX是读取器的天线增益，并且G_RX是标签的天线增益。然后，来自标签的调制功率由读取器接收。

图9b示出了链路预算对标签和读取器间的距离的表示。标签与读取器之间的链路预算显示为标签-阅读器间距离的函数。由标签所接收的功率随着标签进一步远离读取器而减小。在某些此类位置处，标签的反向散射功率在其传回到读取器时被衰减。信噪比(SNR)由相对于读取器中振荡器的相位噪声的读取器所接收的功率来给出。

例如，由于来自读取器的功率下降为(1/r^2)，因此可在读取器更接近时应用复合调制技术。随着读取器变远，可使用更低级调制。应当理解，复合调制的应用要求更高的SNR和更大的功率。

尽管本文针对无源和半无源RFID通信网络对本发明的优选实施例进行了描述，但是本领域的技术人员可以想到，也确实能理解的是，本文所展示的方案还可应用于无线通信的其他方面。因此，本领域普通技术人员应当理解，本文所描述的具体实施例仅作为说明但不一定全面。因此，在不脱离由权利要求书所限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可以做出其他各种修改。

Claims (21)

1.一种用于反向散射传入的射频RF信号的天线装置，包括：

天线，其根据天线的反射系数特性来反向散射传入的RF信号；

可变阻抗电路，其具有电连接到所述天线的输出端；和

至少一个低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器，其耦接于所述可变阻抗电路并以数字方式控制所述可变阻抗电路的输出；

其中，基于所述可变阻抗电路的输出来调节所述天线的反射系数Γ。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其中，所述至少一个低通Delta-Sigma调制器的输出端在两种状态之间切换所述可变阻抗电路的输出，以调节反射系数。

3.根据权利要求1或2所述的天线装置，其中，施加于所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号包括将传入的射频信号偏移了+/-ω_o的复合调制信号中的一个信号。

4.根据权利要求3所述的天线装置，其中，所述复合调制信号由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中的一项构成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线装置，其中，所述低通Delta-Sigma调制器的输出是归零RTZ和非归零NRZ类型的信号之一。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线装置，还包括耦接于所述可变阻抗电路的至少第二低通Delta-Sigma调制器，其中所述可变阻抗电路的输出还由所述至少第二低通Delta-Sigma调制器以数字方式进行控制。

7.根据权利要求6所述的天线装置，其中，至第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输入信号分别包括同相I信号和正交Q信号。

8.根据权利要求6或7所述的天线装置，其中，第一和第二低通Delta-Sigma调制器的组合输出在四种状态之间切换所述可变阻抗电路的输出，以调节所述天线的反射系数。

9.根据权利要求8所述的天线装置，其中，所述反射系数包括四个状态，所述四个状态相对于彼此相隔Γ_oexp(j0°)、Γ_oexp(j180°)、Γ_oexp(j90°)以及Γ_oexp(j270°)。

10.根据权利要求9所述的天线装置，其中，第一低通Delta-Sigma调制器((ΔΣ)_I)在0度与180度之间切换状态。

11.根据权利要求10所述的天线装置，其中，第二低通Delta-Sigma调制器((ΔΣ)_Q)在90度与270度之间切换状态。

12.根据权利要求10或11所述的天线装置，其中，第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输出彼此之间交替切换，其中如果(ΔΣ)_I产生0，180，180，0，0，180...并且(ΔΣ)_Q产生90，90，270，270，...，那么将Γ控制为以0，90，180，90，180，270，0，270，...来调节。

13.根据权利要求6所述的天线装置，其中，施加于所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号包括相对于传入的RF信号的频率偏移了ω₁的正弦及余弦波形式，其中ω₁为正值或负值。

14.根据权利要求6所述的天线装置，其中，施加于所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号由相对于传入的RF信号的频率偏移了+ω_o、-ω_o和0之一的复合调制信号构成。

15.根据权利要求13或14所述的天线装置，其中，所述复合调制信号由GMSK、nPSK、QPSK、nQAM和OFDM信号中的一项构成。

16.根据权利要求6至15中任一项所述的天线装置，其中，所述低通Delta-Sigma调制器的输出由归零RTZ和非归零NRZ类型的信号之一构成。

17.根据权利要求7至14中任一项所述的天线装置，其中，I信号和Q信号经调节以补偿在产生Γ_oexp(j0°)，Γ_oexp(j180°)，Γ_oexp(j90°)，Γ_oexp(j270°)时可能出现的误差。

18.根据权利要求17所述的天线装置，其中，在电磁耦接于所述天线的射频识别RFID读取装置中对所述误差进行补偿。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的天线装置，还包括位于所述可变阻抗电路处的至少一个滤波装置，以滤除来自所述至少一个低通Delta-Sigma调制器的带噪输出。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的天线装置，其中，所述天线装置包括在含有读取装置的射频识别RFID系统的标签终端内，其中仅当所述标签终端位于所述读取装置的预定临界距离内时，所述天线装置才被激活以反向散射RF信号。

21.根据权利要求1至19中任一项所述的天线装置，其中，所述天线包括标签终端的一部分，所述标签终端电磁耦接于射频识别RFID系统中的读取装置，所述RFID系统包括对所述低通Delta-Sigma调制器计时，其中计时由所述标签读取装置内的时钟电路和基于传入的RF信号的频率所产生的时钟电路中的一个时钟电路来产生。