CN104484690A - 一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，位于RFID读写器端，其包括环形器，所述环形器信号输入端TX-S连接PA模块的输出端，载波信号TX-S经过PA模块进行功率放大，并通过环形器传输至天线，标签返回信号RX-S返回环形器的RX-S信号端，还包括一载波消除LNA差分放大电路、以及前置的幅值相位调节电路、控制和调节幅值相位调节电路的数字控制电路。本发明通过载波消除LNA的差分放大电路的高共模抑制比实现对泄漏的载波信号的抑制消除，并且电路结构简单、成本低、易于实现，可使窄带收发电路有极高的隔离度，完全满足读写器高接收灵敏度和远距离识别的需求。

Description

一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统

技术领域

本发明涉及载波消除领域，特别是一种在超高频射频识别读写器中用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统。

背景技术

随着物联网概念的提出，射频识别技术得到高速发展，在工业、农业、商业等领域得到广泛的应用，例如公交收费系统、物流管理、人员的安全监控以及生产过程的控制和超市的商品管理等，射频识别技术已经深入到人们生活的方方面面。

射频识别系统主要由读写器，应答器（标签）和后台数据处理系统组成，其中读写器的灵敏度和应答器（标签）的灵敏度及反向散射性能决定了系统的读取距离。

由于应答器（无源标签）没有直流电源供应，读写器必须发射一个连续波信号激活应答器，然后应答器将含有数据信息的调制信号反向散射回读写器，经过后台处理后得到所需要的信息。由于发射信号和接收信号的频率相同，不能用滤波器将它们分离，所以一般用环形器将读写器的收发信号分开，并在接收电路加上载波消除电路进行闭环反馈控制，从而达到对载波泄漏信号进一步消除的目的。

环形器的隔离度一般只有 25dB 左右，在读写器发射机输出功率为 1W（30dBm）的情况下，在接收回路泄露的载波功率在5dBm左右。而典型的读写器接收机接收灵敏度为 -80dBm，如果天线增益为 5dBi，那么在接收回路泄露的载波功率将比接收信号大 80dB。这么大的泄露信号不仅能够淹没接收信号，造成接收灵敏度降低，而且容易造成接收回路饱和，使得接收机不能正常工作，因此，可以通过在接收机前端加上载波消除电路对载波泄漏信号进一步消除，以提高接收机灵敏度。

为了能够降低和消除接收回路的载波信号，近年来很多科学工作者提出了各种载波消除的方法。W.Lim 和 J.Yu 等人在其专利Balanced circulator structure with enhanced isolation characteristics中提出采用两个天线来分离发射和接收信号的方法，虽 然 这 种 方 法能够提高隔离度，但是同时也增加了系统的复杂程度和成本；Pekka Pursula 等人在专利Mikko Kiviranta and Heikki Seppa. UHF RFID Reader with Reflected Power Canceller中提出了正交反馈的载波消除电路，可以使接收机的动态范围增大 10dB 左右；由张君、严秀成在一种超高频RFID自干扰载波消除装置中提出的应用 PIN 二极管构成反射调制器的定向耦合器型载波消除电路，接收端的载波被抑制了42dB。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其基于闭环反馈控制的窄带读写器载波泄露低噪声电路系统，简单，易于实现，实现成本低，隔离度高。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，位于RFID读写器端，其包括环形器，所述环形器信号输入端TX-S连接PA模块的输出端，载波信号TX-S经过PA模块进行功率放大，并通过环形器传输至天线，标签返回信号RX-S返回环形器的RX-S信号端，还包括一载波消除LNA差分放大电路、以及前置的幅值相位调节电路、控制和调节幅值相位调节电路的数字控制电路：

所述载波消除LNA差分放大电路主要包括载波消除LNA模块，载波消除LNA模块一输入端连接环形器的RX-S信号端，载波消除LNA模块后端直接连接至读写器接收机电路；

所述幅值相位调节电路主要包括幅值相位调节模块，幅值相位调节模块的输入端通过buf模块和功放模块连接PA模块的输出端TX，幅值相位调节模块的输出端连接载波消除LNA模块的另一输入端；

所述数字控制电路主要包括数字控制模块和峰值检测器，峰值检测器通过buf模块连接载波消除LNA模块的后端引出部分，数字控制模块通过ADC采样模块连接峰值检测器的电压信号输出端，数字控制模块信号输出端连接并控制幅值相位调节模块。

进一步的，所述载波消除LNA模块是由MOS电路构成的共源共栅结构的差分放大电路和带中心抽头的差分电感共同构成的差分电路载波泄漏消除器。

进一步的，所述载波消除LNA模块前端使用的共源共栅结构通过减小共源管输入到输出的电压增益（ ），使得的Miller效应减小来提高反向隔离度。

进一步的，所述载波消除LNA模块的负载采用为和的谐振网络，通过L、C谐振电路的选频功能，同时谐振网络在直流状态下不消耗电路的电压裕度，并且在电路中添加MOS电容用以滤除偏执电路中的耦合噪声。

进一步的，所述载波消除LNA模块中还设置有尾电流源MOS管，用于稳定电流，避免在电源线上形成较大的噪声，另一方面是抑制共模输入到共模输出的增益（）。

进一步的，所述峰值检测器采用双极型晶体管来作为整流器件。

本发明的有益效果是:

（1）电路结构简单、成本低、易于实现。

（2）采用本发明后可使窄带收发电路有极高的隔离度，完全可以满足读写器高接收灵敏度和远距离识别的需求。

（3）本发明特别适用于中国的UHF RFID系统中。

附图说明

图1为本发明的载波泄漏消除电路系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，在本实施例中，读写器发射机发射的载波信号TX-S经过PA模块将载波信号功率进行放大，然后通过环形器传输至天线，标签返回的信号RX-S再通过环形器传输至载波消除LNA模块，LNA模块之后直接连接至读写器接收机电路，同时LNA模块还连接至buf模块和峰值检测器，并通过ADC模块采出电压值传输至数字控制模块，进而控制幅值相位调节模块调节从图1中A端点经功分电路传输过来的发射机信号TX的幅值和相位，进而通过载波消除LNA差分放大电路的高共模抑制比实现对泄漏的载波信号的抑制消除。

其中，在载波消除中载波消除LNA模块主要是放大两个同频信号的差异，抑制相同成分的载波泄漏信号；而在载波消除完成后，载波消除LNA模块进入正常工作状态，主要功能是放大微弱的接收信号，即放大带调制命令的高频有用信号。

载波消除LNA模块主要是由MOS电路构成的共源共栅结构的差分放大电路和带中心抽头的差分电感共同构成的差分电路载波泄漏消除器。载波消除LNA模块利用差分电路的特点，通过提高电路的共模抑制比，达到对从发射机泄漏过来的载波信号的抑制。

载波消除LNA模块结构采用共栅结构的主要目的是为了提高电路的信号放大线性度，并且利用共栅结构具有较好的频率特性，使得该LNA放大电路更好的应用在RFID超高频电路中。

载波消除LNA模块的前端使用的共源共栅结构提高反向隔离度的方法是通过减小共源管输入到输出的电压增益（），使得的Miller效应减小而实现的。

载波消除LNA模块的负载采用为和的谐振网络，利用L、C谐振电路的选频功能，同时谐振网络在直流状态下不消耗电路的电压裕度。并在电路中添加合适的MOS电容达到滤除偏执电路中的耦合噪声的作用。

载波消除LNA模块中添加尾电流源MOS管，一方面使得在输入工模信号变化比较大的情况下稳定电流，避免在电源线上形成较大的噪声，提高了电源电路的稳定性；另一方面是抑制共模输入到共模输出的增益（）。

峰值检测器所实现的目标是将载波消除LNA模块之后出的信号的峰值大小以电压的形式输出，进而通过ADC采样模块可以向数字控制电路提供峰峰值的电压表示数值，进而控制幅值相位调节电路实现载波泄漏信号的抑制。

高频的峰值检测器采用双极型晶体管来作为整流器件实现，这是由于双极型晶体管的I-V特性易于控制，峰值检测器的输出响应也可以得到较为精确地预测。

峰值检测电路采用非线性的整流管构成的MOS差分电路，同时偏置电路为输出提供参考电平，使得输入信号为零时输出电压也为零。采用共源共栅电流镜结构提供偏置电流，这样可以使得输出阻抗高，比较接近理想电流源的特性。

数字控制幅值相位调节电路，该电路的所实现的目标是将从环形器A端点处传输过来的发射机发射过来的载波信号通过数字控制电路调节其幅值和相位的大小。幅值在足够大的范围内连续或阶段可调，相位在0°-360°范围连续或阶段可调，从而使得经过载波消除LNA模块后，载波泄漏信号能被抑制到最低。

根据附图1所示为本发明载波消除电路的结构图，该电路的主要工作原理为：RFID读写器工作周期主要分为三个部分T1、TX、TR，在T1阶段，发射机向天线持续发射无任何调制命令的高频载波用于给无源标签供给能量，TX阶段发射机将命令调制在高频载波上通过天线向外发射，处于有效场区的无源标签对接收到的高频信号进行检波、解调得到命令，TR阶段无源标签根据返回数据调节本身天线的反射系数，从而调制该连续载波，并将调制后的连续载波背向散射回读写器，完成数据的返回。在这三个阶段中，发射机无论在哪个阶段都需要向无源标签发射发射很大的载波信号，载波信号通过环形器泄漏到接收机前端即为载波泄漏信号。

 由于在T1阶段发射机发射的为无命令调制的载波信号，该阶段接收机不会接收到有用信号，仅有载波泄漏信号存在，在该阶段如果将载波消除电路调节至对载波泄漏信号最大抑制作用那么在接下来的两个有用阶段载波泄漏信号将被抑制到最低，因此，对于每个读写器周期，本实施例将在T1阶段实现对载波消除电路的调节。

发射机发射的高频载波信号经过功率放大器PA模块实现对较低能量的高频信号的功率放大，接下来高频信号传输至环形器。而载波泄漏信号即是在该环形器处由A端点泄漏至C端点到达接收机前端。从A端点再引出部分高频在信号，简称信号F，则该信号F必是和载波泄漏信号同源的高频信号，即它们的频率相同，相位噪声也相近。由于信号F和载波泄漏信号从环形器的A端点分离到他们均传输在载波消除LNA模块经历了一系列的电路导致它们的相位、幅值均有所改变不再相同。通过调幅调相电路的作用使得信号F与载波泄漏信号在到达LNA输入端时的相位、幅值尽可能一致，从而在载波消除LNA模块高共模抑制比的作用下抑制消除载波泄漏信号。因此，在载波消除LNA模块后端引出部分信号传输至峰值检测器，将峰值的大小转化成电压信号，并通过ADC采样模块将电压信号转化为数字信号传输给数字控制电路对调幅调相电路进行控制，实现电路的闭环调节控制。在理想状态下，载波消除LNA模块之后信号的峰值将会是零，即载波泄露信号完全被抑制。

数字控制电路控制调幅、调相电路的原理分析如下：首先数字控制电路先控制幅度相位调节电路处于一个初始状态，即幅度和相位被赋于一个初始值。然后固定幅度不变，根据峰值检测器传输回来的电压信号不断调节相位，直到该电压信号达到最小。然后固定住相位不变，继续根据峰值检测器传输回来的电压信号不断调节幅值，直到该电压信号达到最小。由此完成整个调节过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，位于RFID读写器端，其包括环形器，所述环形器信号输入端TX-S连接PA模块的输出端，载波信号TX-S经过PA模块进行功率放大，并通过环形器传输至天线，标签返回信号RX-S返回环形器的RX-S信号端，其特征在于，还包括一载波消除LNA差分放大电路、以及前置的幅值相位调节电路、控制和调节幅值相位调节电路的数字控制电路：

所述载波消除LNA差分放大电路主要包括载波消除LNA模块，载波消除LNA模块一输入端连接环形器的RX-S信号端，载波消除LNA模块后端直接连接至读写器接收机电路；

所述幅值相位调节电路主要包括幅值相位调节模块，幅值相位调节模块的输入端通过buf模块和功放模块连接PA模块的输出端TX，幅值相位调节模块的输出端连接载波消除LNA模块的另一输入端；

所述数字控制电路主要包括数字控制模块和峰值检测器，峰值检测器通过buf模块连接载波消除LNA模块的后端引出部分，数字控制模块通过ADC采样模块连接峰值检测器的电压信号输出端，数字控制模块信号输出端连接并控制幅值相位调节模块。

2.根据权利要求1所述的用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其特征在于，所述载波消除LNA模块是由MOS电路构成的共源共栅结构的差分放大电路和带中心抽头的差分电感共同构成的差分电路载波泄漏消除器。

3.根据权利要求2所述的用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其特征在于，所述载波消除LNA模块前端使用的共源共栅结构通过减小共源管输入到输出的电压增益（                                               ），使得的Miller效应减小来提高反向隔离度。

4.根据权利要求1所述的用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其特征在于，所述载波消除LNA模块的负载采用为和的谐振网络，通过L、C谐振电路的选频功能，同时谐振网络在直流状态下不消耗电路的电压裕度，并且在电路中添加MOS电容用以滤除偏执电路中的耦合噪声。

5.根据权利要求1、2或4所述的用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其特征在于，所述载波消除LNA模块中还设置有尾电流源MOS管，用于稳定电流，避免在电源线上形成较大的噪声，另一方面是抑制共模输入到共模输出的增益（）。

6.根据权利要求1所述的用于消除接收回路载波干扰的载波消除电路系统，其特征在于，所述峰值检测器采用双极型晶体管来作为整流器件。