CN104348437B - 扩展频谱rfid无源标签并行应答功率控制 - Google Patents

Abstract

本发明“扩展频谱RFID无源标签并行应答功率控制”用于缓解扩展频谱RFID空中接口无源标签并行应答传输中的远近效应引起的干扰，选择开环控制方法，用并联二极管链串联电阻构成分流支路，多个不同长度二极管链分流支路与负载支路并联构成可变衰减器；用二极管管压降V_J作衡量标签接收电平的尺度，用不同长度的二极管链检测接收载波大小，通过二极管链导通与截止状态控制信号功率分流，实现功率控制，以检测电压E_A＝V_J为起控点，按E_A等于V_J的整数倍设分流控制点。可变功率控制设在标签接收载波到达调制器之前，载波信号经衰减器输出到调制器，返回应答信号发射经过二次衰减，因此对读写器接收信号衰减量是可变衰减器衰减量的二倍。

Description

扩展频谱RFID无源标签并行应答功率控制

技术领域

本发明属于短距离通信领域，射频识别(RFID)技术。与甚高频(VHF)，超高频(UHF)，微波(MW) 频段RFID空中接口系统和设备设计有关。

背景技术

短距离通信是近年来异常活跃的新的技术领域之一。无线传感器网络(WSN)和射频识别(RFID)技术 尤为突出，具有极大的产业前景。WSN与RFID同属短距离通信，技术上存在着某些共性。

射频识别(RFID)空中接口技术的发展过程，是从低频到高频，再到超高频和微波的提升过程，也是 从接触式到非接触式，从感应场应用到辐射场应用的发展过程。国际上适合于辐射场应用的最有代表性的 技术规范是ISO/IEC18000-4/-6/-7系列射频识别(RFID)系统的空中接口通信参数标准。这些标准中关 于基本传输体制的规定中明确指出，直接序列扩展频谱(DSSS)为不被采用的技术。近年来，国内外，陆 续出现有基于CDMA的RFID技术研究的报导，涉及利用GOLD序列扩展频谱(DSSS)实现有源射频识别(RFID) 空中接口只发不收的研究成果，尚没有关于无源标签并行应答研究成果报道.

直接序列扩展频谱(DSSS)技术在其它通信系统中有广泛的应用，如CDMA蜂窝移动通信系统IS-95。 由于CDMA空中接口存在远近效应，引起系统内部自干扰，为使系统容量最大化，在CDMA蜂窝移动通信系 统中，应用了复杂的功率控制设计。包括前向链路功率控制，反向链路功率控制。

与移动通信相似，在RFID空中接口无源标签扩展频谱RFID无源标签并行应答传输中同样存在远近 效应，也会造成系统内自干扰，必需对标签返回信号实施功率控制。功率控制使每个标签的发射功率保持 最小，既能符合最低的通信要求，又能避免对其它标签应答信号产生不必要的干扰。

移动通信的反向链路功率控制相当于射频识别(RFID)空中接口码分并行应答功率控制。为适应移动 通信的应用环境需求，其反向链路功率控制采用开环功率控制与闭环功率控制相结合的设计，实现方法非 常复杂。移动通信的反向链路功率控制实现方法不可能被RFID空中接口沿用。

移动通信属于双工通信，反向信道工作的同时前向信道可以提供控制信息，RFID空中接口虽然在阅读 器接收状态仍然有载波或受时钟调制的载波发射，但是不能承载信息，所以难于实施闭环控制。

移动通信属于连续通信，可以通过闭环连续不断地进行功率控制，RFID空中接口属于突发工作方式， 标签每次通信只发送一个突发帧结构，不能连续发送，因此，功率控制必需一步到位。

移动通信移动台是有源设备，允许较为复杂的设计，可以承受较大的功率消耗，RFID无源标签没有自 供电能力，芯片限于单纯CMOS工艺，不可能自测接收信号的信号干扰比。

移动通信基站到移动台距离几十米至几十千米，接收信号强度变化量超过100dB，RFID空中接口读写 器到标签距离1～6米，无源标签接收信号强度变化范围一般小于13dB。无源标签RFID空中接口的读写器 接收信号需经过下行载波传输和上行应答信号传输两次传播过程，到达读写器信号强度是单路径变化量的 二倍，因为本设计功率控制是在标签接收载波到达调制器之前，信号经衰减器输出到调制器，返回应答信 号发射又经过二次衰减，所以可变衰减器实际衰减需求量还是13dB，因此，相对移动通信，对可变衰减动 态范围的要求相差很多.致使射频识别码分并行应答功率控制可能用简单的方法实现。

发明内容

本发明采用由标签主导实施的开环控制，由分流式可变衰减器实现功率控制，一次到位的方法，方案 涉及标签接收信号大小检测和可变衰减控制两个环节，用二极管的管压降作为衡量标签接收载波信号大小 的尺度，以二极管串连成二极管串，两个长度相等的二极管串反方向并联形成二极管链，每个二极管链 与一个电阻相连构建一个分流支路，多个不同二极管数及相应电阻值的分流支路，与负载支路并联，成为 分流式可变衰减器。

由接收信号大小差异控制不同长度的二极管链导通或截止，所有导通分流支路总分流量与负载支路电 流之和对负载支路电流之比为分流比，分流比平方取对数即衰减量，由此实现可变衰减控制。

附图说明

图1.分流式可变衰减器原理图

图1给出的是分流式可变衰减器原理图，图中天线提供感应电压E_A，二极管链D₁，D₂，D₃，D₄，D₅构成分流支路1，2，3，4，5；负载R_L构成负载支路。

具体实施方法

1.设计思路

1.1扩展频谱RFID空中接口功率控制需求分析示例

RFID空中接口的特点包括：

无源标签的发射信号载波来自读写器，对来自读写器的载波进行功率控制就同时实现了对标签返回信 号功率控制。

设计按照以下条件为例：标签适用的距离范围取1m-6m，工作频段800/900MHz，阅读器发射功率 P_READER，T=33dBm。按照自由空间传播的基本传播损耗L_S：

L_S=-27.56+20lg d(m)+20lg f(MHz)

在不计其它损耗与增益条件下，可获得标签接收信号功率电平：

P_TAG，R(dbm)=P_READER，T-L_S。

无源标签可能接收到的信号功率电平P_TAG，R(dBm)如表1。

表1d=1～6m，标签功率控制动态范围需求

1.2.以二极管管压降为检测尺度，用分流式可变衰减器实现可变衰减

以倍压整流二极管管压降V_J为检测标尺，其意义在于：以无源标签无线功率传输接收灵敏度E_A＝V_J为起控点，和按E_A=V_J的整数倍设步进控制点；同时，E_A＝V_J还代表标签对阅读器最远工作距离接收场强， 步进控制就是根据接收信号大小分步控制不同长度的二极管链的导通或截止，从而获得不同的衰减量，实 现分步功率控制。

2.分流式可变衰减器实现方法

码分射频识别无源标签并行应答采用开环分流式功率控制方案，由检测单元直接控制衰减量选择，一 步到位，接收电平检测与衰减控制结合设计，如图1。

采用接收电平检测与衰减控制结合设计。用二极管的管压降作为衡量标签接收载波信号大小的尺度， 以二极管串连形成二极管串，两个二极管串反方向并联形成二极管链，根据可变功率控制的动态范围的需 要，每个二极管串包含的二极管数分别为1，2，3，4和5个。

每个二极管链与一个电阻相连构建一个分流支路，每个分流支路的分流量与接收信号大小，二极管链 包含的二极管数及该支路电阻值有关；多个不同二极管数及相应电阻值的分流支路，再与负载支路并联， 成为分流式可变衰减器。

由图1可见：标签天线输出口并接5个分流支路，构成分流式可变衰减器，根据二极管链接通情况，可 变衰减器存在6种状态，分别是：

状态1：输入信号E_A＜V_j，所有二极管链均不导通，对应可变衰减量b₁＝0dB，

状态2：输入信号V_j＜E_A＜2V_j，分流支路(二极管链)D₁导通，对应可变衰减量b₂，

状态3：输入信号2V_j＜E_A＜V_j，分流支路(二极管链)D₁和D₂导通，对应可变衰减量b₃，

状态：4：输入信号3v_j＜E_A＜V_j，分流支路(二极管链)D₁，D₂和D₃导通，对应可变衰减量b₄，

状态5：输入信号4V_j＜E_A＜5V_j，分流支路(二极管链)D₁，D₂，D₃和D₄导通，对应可变衰减量b₅，

状态6：输入信号5V_j＜E_A，分流支路(二极管链)D₁，D₂，D₃，D，₄和D₅导通，对应可变衰减量b₆。

当接收信号E_A低于二极管管压降V_j，即E_A＜V_j时，所有二极管链截止，没有电流流过，不产生信号功 率分流，分流比等于1，衰减量为b₁＝0dB；

当接收信号E_A高于二极管管压降(V_j)，小于二倍二极管管压降(2V_j)，即V_j＜E_A＜2V_j时，单个二极管互 相反接组成的分流支路D₁导通，产生分流电流I₁，并在该二极管链上产生管压降，其它二极管链截止，对 应于一个较低的衰减量b₂；

当接收信号E_A高于二极管管压降两倍时(2V_j)，小于三倍二极管管压降(3V_j)，即2V_j＜E_A＜3V_j时，，由两个 二极管组成二极管串所构成的二极管链导通，并在该二极管链上产生管压降，产生分流电流I₂，单个二极 管互相反接组成的分流支路D₁导通电流I₁增大，其它二极管链截止，对应于一个增高的衰减量b₃；

依此类推，当接收信号E_A高于5个二极管管压降(5V_j)，即5V_j＜E_A时，前述二极管组成串的二极管链 D₁，D₂，D₃，D₄导通电流I₁，I₂，I₃，I₄都将继续增强，由5个二极管组成串所构成的二极管链D₅导通， 产生分流电流I₅，总分流支路数等于5，对应于一个最高的衰减量b₆。

3衰减量计算

3.1.分流支路电流：分流支路电流等于感应电压减去本支路管压降，再除以本支路串连电阻：

I_i＝(E_A-iV_j)/R_i (1)

式中E_A为感应电压，i为所属支路号，I_i为第i支路电流，R_i为第i支路串联电阻。

3.2.分流比：分流比等于所有分流支路电流与负载支路电流和与负载支路电流之比。

式中k为分流比，为各分流支路电流之和，I_L为负载支路电流。

3.3.衰减量：衰减量等于分流比的平方取对数：

b＝20lg k (3)

4.举例

天线感应电压E_A，二极管链D₁，D₂，D₃，D₄和D₅构成分流支路1，2，3，4，5；各分流支路电阻分别为 R₁，R₂，R₃，R₄和R₅，负载R_L构成负载支路。

设各分流支路和负载支路电阻数值关系为：R₃，R₄R₅R＝R₁/2＝R₂/2＝2R₃＝2R₄4R₅＝R_L/2，感应电压E_A减 去整数倍管压降的剩余部分为ΔV＝V_j/2。则分流式可变衰减器有以下6种状态：

状态1.天线感应电压E_A小于二极管管压降V_J，，E_A＜V_J

则 分流支路1，2，3，4，5断开，各路电流I₁＝I₂＝I₃＝I₄＝I₅＝0，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝0.25V_J/R。

分流比 k＝∑I/I_L＝1，

衰减量 b₁＝20lg k₁＝0dB。

状态2.天线感应电压E_A大于二极管管压降V_J，，小于二倍二极管管压降，V_J＜E_A＜2V_J，

则 分流支路1导通，

支路电流I₁＝(E_A-V_J)/R₁＝ΔV/R₁＝1/2R＝0.25V_J/R，

分流支路2，3，4，5，6断开，各支路电流I₂＝I₃＝I₄＝I₅＝0，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝V₁/R_L+ΔV/R_L＝V_J/2R+ΔV/2R＝0.75V_J/R。

分流比 k₂＝∑I/I_L＝1.33，

衰减量 b₂＝20lg k₂＝2.6dB。

状态3.天线感应电压E_A大于二倍二极管管压降V_J，，小于三倍二极管管压降，2V_J＜E_A＜3V_J，

则 分流支路1，2导通，

支路电流I₁＝(E_A-V_J)/R₁＝(V_J+ΔV)/R₁，＝V_J/2R+ΔV/2R＝0.75V_J/R，

支路电流I₂＝(E_A-2V_J)/R₂＝ΔV/2R＝0.25V_J/R，

分流支路3，4，5断开，各支路电流I₃＝I₄＝I₅＝0，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝2V_J/R_L+ΔV/R_L＝2V_J/2R+ΔV/2R＝1.25V_J/R。

分流比 k₃＝∑I/I_L＝1.8，

衰减量 b₃＝20lg k₃＝5.1dB。

状态4.天线感应电压E_A大于三倍二极管管压降V_J，，小于四倍二极管管压降，3V_J＜E_A＜4V_J，

则 分流支路1，2，3导通，

支路电流I₁＝(E_A-V_J)/R₁＝(2V_J+ΔV)/R₁，＝2V_J/2R+ΔV/2R＝1.25V_J/R，

支路电流I₂＝(E_A-2V_J)/R₂＝(V_J+ΔV)/R₂，＝V_J/2R+ΔV/2R＝0.75V_J/R，

支路电流I₃＝(E_A-3V_J)/R₃＝ΔV/R₃＝2ΔV/R＝1V_J/R，

分流支路4，5断开，各支路电流I₄＝I₅＝0，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝3V_J/R_L+ΔV/R_L＝3V_J/2R+ΔV/2R＝1.75V_J/R。

分流比 k₄＝∑I/I_L＝2.71

衰减量 b₄＝20lg k₄＝9dB。

状态5.天线感应电压E_A大于四倍二极管管压降V_J，，小于五倍二极管管压降，4V_J＜E_A＜5V_J，

则 分流支路1，2，3，4导通，

支路电流I₁＝(E_A-V_J)/R₁＝(3V_J+ΔV)/R₁＝3V_J/2R+ΔV/2R＝1.75V_J/R，

支路电流I₂＝(E_A-2V_J)/R₂＝(2V_J+ΔV)/R₂，＝2V_J/2R+ΔV/2R＝1.25V_J/R，

支路电流I₃＝(E_A-3V_J)/R₃＝(V_J+ΔV)/R₃，＝V_J/R₃+ΔV/R₃＝2V_J/R+2ΔV/R＝2.5V_J/R，

支路电流I₄＝(E_A-4V_J)/R₄＝ΔV/R₄＝2ΔV/R＝1V_J/R，

分流支路5断开，支路电流I₅＝0，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝4V_J/R_L+ΔV/R_L＝4V_J/2R+ΔV/R＝2.25V_J/R。

分流比 k₅＝∑I/I_L＝8.25/2.25＝3.66，

衰减量 b₅＝20lg k₅＝11.3dB。

状态6.天线感应电压E_A大于五倍二极管管压降V_J，，小于六倍二极管管压降，5V_J＜E_A＜6V_J，

则 分流支路1，2，3，4，5导通，

支路电流I₁＝(E_A-V_J)/R₁＝(4V_J+ΔV)/R₁，＝4V_J/2R+ΔV/2R₁＝2.25V_J/R，

支路电流I₂＝(E_A-2V_J)/R₂＝(3V_J+ΔV)/R₂，＝3V_J/2R+ΔV/2R＝1.75V_J/R，

支路电流I₃＝(E_A-3V_J)/R₃＝(2V_J+ΔV)/R₃，＝2V_J/R+ΔV/R＝2.5V_J/R，

支路电流I₄＝(E_A-4V_J)/R₄＝(V_J+ΔV)/R₄，＝2V_J/R+ΔV/R＝2.5V_J/R，

支路电流I₅＝(E_A-4V_J)/R₅＝ΔV/R₅＝4ΔV/R＝2V_J/R，

负载支路电流I_L＝E_A/R_L＝5V_J/R_L+ΔV/R_L＝5V_J/2R+ΔV/2R＝2.75V_J/R。

分流比 k₆＝∑I/I_L＝8.25/2.75＝4.64

衰减量 b₆＝20lg k₆＝13.3dB。

预计衰减需求与分流控制可变衰减器衰减值对比如表2。

表2，预计衰减需求与分流控制可变衰减器衰减值对比

可变衰减器设于天线输出端与调制器中间，对接收来自阅读器的载波提供衰减，对调制后反向馈送到 天线的发射信号同样提供衰减，所以到达阅读器的应答信号实际上被衰减量为表中数据的二倍。

Claims (2)

1.一种扩展频谱RFID无源标签并行应答功率控制方法，其特征是：由标签主导实施开环控制，由分流式可变衰减器实现功率控制；

方案涉及标签接收信号大小检测和可变衰减控制两个环节，用二极管的管压降作为衡量标签接收载波信号大小的尺度，以二极管串连成二极管串，每串二极管数分别为1，2，3，4，5个，两个长度相等的二极管串反方向并联形成二极管链，每个二极管链与一个电阻相连构建一个分流支路，每个分流支路的分流量与接收信号大小，和二极管链包含的二极管数及电阻值有关；多个不同二极管数及相应电阻值的分流支路，与负载支路并联，成为分流式可变衰减器；

以无源标签无线功率传输接收灵敏度E_A＝V_J为起控点，和按E_A＝V_J的整数倍设起控制点；同时，E_A＝V_J还代表标签对阅读器最远工作距离接收场强，分流控制就是根据接收信号大小分别控制不同长度的二极管链的导通或截止，从而获得对接收信号不同的分流量，通过分流实现功率控制。

2.根据权利要求1扩展频谱RFID无源标签并行应答功率控制方法，其特征是：

当接收信号E_A低于二极管管压降V_j，即E_A＜V_j时，所有二极管链截止，没有电流流过，不产生信号功率分流，分流比等于1，衰减量为b₁＝0dB；

当接收信号E_A高于二极管管压降(V_j)，小于二倍二极管管压降(2V_j)，即V_j≤E_A＜2V_j时，单个二极管互相反接组成的分流支路D₁导通，产生分流电流I₁，并在该二极管链上产生管压降，其它二极管链截止，对应于一个较低的衰减量b₂；

当接收信号E_A高于二极管管压降两倍时(2V_j)，小于三倍二极管管压降(3V_j)，即2V_j≤E_A＜3V_j时，，由两个二极管组成二极管串所构成的二极管链导通，并在该二极管链上产生管压降，产生分流电流I₂，单个二极管互相反接组成的分流支路D₁导通电流I₁增大，其它二极管链截止，对应于一个增高的衰减量b₃；

依此类推，当接收信号E_A高于5个二极管管压降(5V_j)，即5V_j≤E_A时，前述二极管组成串的二极管链D₁，D₂，D₃，D₄导通电流I₁，I₂，I₃，I₄都将继续增强，由5个二极管组成串所构成的二极管链D₅导通，产生分流电流I₅，总分流支路数等于5，对应于一个最高的衰减量b₆；

可变衰减器的衰减量计算入下：

分流支路电流等于感应电压减去本支路管压降，再除以本支路串连电阻，

I_i＝(E_A-iV_j)/R_i；

式中E_A为感应电压，i为所属支路号，I_i为第i支路电流，R_i为第i支路串联电阻；

分流比等于所有分流支路电流与负载支路电流和与负载支路电流之比，

式中k为分流比，为各分流支路电流之和，I_L为负载支路电流，

衰减量等于分流比的平方取对数：b＝20lg k。