CN105335768A - 适用于超高频读写器的通用型载波消除模块及超高频读写器载波消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于超高频读写器的通用型载波消除模块及超高频读写器载波消除方法，所述载波消除模块主要包括矢量调制器、衰减器、单片机、功率检测器及功率合成器；本发明载波消除电路形成了闭环，通过单片机控制矢量调制器的两路正交输入即能得到一个与读写器接收通路上待消除的载波信号幅度相等、相位相反的信号，并与标签返回的信号和待消除的载波信号进行叠加，其结果是消除了载波信号，而只留下信号幅度微小的标签信号。本发明能在宽频带内消除读写器接收通路中的载波信号，提高读写器的接收信噪比及读取标签的距离，有效解决超高频读写器载波泄露造成灵敏度低的问题，适用于任意超高频读写器和天线。

Description

适用于超高频读写器的通用型载波消除模块及超高频读写器载波消除方法

技术领域

本发明是一种超高频(UHF)射频识别(RFID)技术，具体涉及应用于该领域的适用于超高频读写器的通用型载波消除模块。所述超高频的频段在860MHz-960MHZ。

背景技术

目前，RFID技术已经在各行各业得到广泛的应用，常规的无源反向散射式的RFID系统由读写器和无源标签组成，但读写器由于载波泄露严重而灵敏度较低。造成载波泄露主要有三个方面的原因：一方面，由于读写器前端的定向耦合器隔离度不够，导致发射通路的载波信号泄露到接收通路；另一方面，读写器在接收时还要不断地发射载波以提供能量给标签，若天线与读写器射频前端不匹配，这样在接收标签信号的同时就会有严重的载波泄露；最后，由于环境变化，特别是在天线周围有很多障碍物时，障碍物反射的载波被天线直接接收。这些泄露的载波导致射频前端的低噪放或混频器前端饱和，从而严重恶化接收信噪比，使得读写器读取标签距离下降和解调误码率增加。在读写器中增加载波消除模块能够很好地解决上述分析的载波泄露问题。目前，传统的载波消除主要通过在读写器耦合器端或者天线端增加分立元件调节阻抗实现。这类方法不足之处在于：载波消除只能在某一段窄带内实现，并且当外界环境发生改变时，载波消除效果恶化严重。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种适用于超高频读写器的通用型载波消除模块，有效解决超高频读写器载波泄露造成灵敏度低的问题。为此，本发明采用以下技术方案：

适用于超高频读写器的通用型载波消除模块，其特征在于：所述载波消除模块主要包括矢量调制器、衰减器、单片机、功率检测器及功率合成器；所述功率合成器的第一输入端和定向耦合器的隔离端对应连接；所述衰减器的输入端和定向耦合器的耦合端对应连接，对该端信号进行采样；所述衰减器的输出端和矢量调制器的输入端连接，矢量调制器的输出端和功率合成器的第二输入端连接；

功率合成器的输出端与超高频读写器的接收通路对应连接，所述功率检测器接在读写器接收通路上，检测泄露的载波信号幅度，功率检测器与单片机的外围电路连接，使单片机能够分析功率检测器送来的采样信号，单片机的外围电路还与矢量调制器连接，根据阈值控制矢量调制器输出信号的相位和幅度使得功率检测器所监测到的载波信号幅度最小。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种采用上述通用型载波消除模块的超高频读写器载波消除方法。为此，本发明采用以下技术方案：

所述载波消除模块从定向耦合器的耦合端上对信号进行采样；然后，将从耦合端取出的所述信号经过衰减器后送入矢量调制器；利用功率合成器合成矢量调制器的输出信号和定向耦合器的隔离端上泄漏的信号，得到载波消除后的读写器接收通路信号；在与功率合成器的输出端对应连接的读写器接收通路上利用功率检测器检测泄露的载波信号幅度，用单片机分析检测到的信号，控制矢量调制器输出信号的相位和幅度使得监测的载波信号幅度最小。

载波消除模块工作时，单片机在固定时间间隔内扫描矢量调制器，使得在更换天线或外部环境改变时，确保载波消除效果，实现载波消除模块的自适应性。

由于采用本发明的技术方案，载波消除电路形成了闭环，通过单片机控制矢量调制器的两路正交输入即能得到一个与读写器接收通路上待消除的载波信号幅度相等、相位相反的信号，并与标签返回的信号和待消除的载波信号进行叠加，其结果是消除了载波信号，而只留下信号幅度微小的标签信号。本发明能在宽频带内消除读写器接收通路中的载波信号，提高读写器的接收信噪比及读取标签的距离，有效解决超高频读写器载波泄露造成灵敏度低的问题，适用于任意超高频读写器和天线。

附图说明

图1是本发明载波消除模块的的实现框架图。

图2是本发明载波消除模块消除载波的原理图。

图3是本发明载波消除模块和读写器的连接框架图。

图4是本发明载波消除的效果示意图。

图5是本发明载波消除效果仿真与实测结果对比图，左侧为仿真结果图，右侧为实测结果图。

具体实施方式

参照图1、3，本发明所提供的适用于超高频读写器的通用型载波消除模块，主要包括矢量调制器1-5、衰减器1-3、单片机1-9、功率检测器1-8及功率合成器1-7；所述功率合成器1-7的第一输入端1-1和定向耦合器3-5的隔离端3-51对应连接；所述衰减器的输入端1-2和定向耦合器3-5的耦合端3-52对应连接，对该端进行信号采样即取出定向耦合器耦合端1-2的信号；所述衰减器1-3的输出端和矢量调制器1-5的输入端连接，矢量调制器1-5的输出端和功率合成器1-7的第二输入端连接。

功率合成器1-7的输出端与超高频读写器3-2的接收通路1-11对应连接，所述功率检测器1-8接在读写器接收通路上，检测泄露的载波信号幅度，功率检测器1-8与单片机1-9的外围电路1-10连接，使单片机1-9能够分析功率检测器1-8送来的采样信号，单片机1-9的外围电路1-10还与矢量调制器1-5连接，根据阈值控制矢量调制器1-5输出信号的相位和幅度使得功率检测器1-8所监测到的载波信号幅度最小。这样，载波消除电路形成了闭环，通过单片机控制矢量调制器正交输入即能得到一个与接收通路上待消除的载波信号幅度相等、相位相反的信号，并与标签信号和待消除载波信号进行叠加，其结果是消除了载波信号，而只留下信号幅度微小的标签信号。

包含泄露载波和标签信号与矢量调制器的输出信号叠加，在功率合成器输出端输出。功率检测器检测该信号，并将得到的电压信息通过ADC芯片反馈到单片机1-9，单片机依据阈值判断抵消效果。若载波消除的效果不明显或未达到预期目标，单片机则通过DAC芯片改变矢量调试器的两路正交的电压幅度，继续调节，直至功率检测器检测出的功率值很小为止。

电路中矢量调制器的芯片可采用ADI公司的AD8340，该芯片可以调制0.7GHz～1.0GHz的信号，最大输入功率为13dBm，调制幅度范围从-2dB到-32dB，相位调制范围可达360°；功率检测器的芯片可采用ADI公司的AD8318，该芯片是一个对数放大器，用输出电压信息表述输入功率的大小，它能够精确测量1MHz～8GHz带宽内的射频信号，输入动态范围达60dB；单片机输入信号的模数转换器的芯片可采用ADI公司的AD7276，具有12位的分辨率，最高速率可达3MHz；单片机输出信号的数模转换器的芯片可采用TI公司的DAC122S085，该芯片具有12位分辨率，建立时间最长为8.5us。

图2是载波消除原理示意图。图中箭头D为泄露载波矢量信号，箭头E为与泄露载波等幅反相的载波消除矢量信号，箭头F为标签矢量信号。从图中可以直观地得到，通过信号的矢量叠加，最终可以消除泄露载波，得到标签信号。

图3是载波消除模块和读写器的连接框架图。读写器3-2与载波消除模块3-3的连接方式如图中线条所示。载波消除模块通过端口1-1和和功率合成器的输出端连接入读写器的接收通路中，同时端口1-2连接至定向耦合器的耦合端。

图4是载波消除的效果示意图。该示意图基于3位分辨率的DAC得出，每个单元格幅度为1，共有2³*2³＝64个单元格。Pcarrier表示满幅的载波幅度4，Pcarrier_can表示载波消除过程中的剩余误差幅度则相应的载波消除效果为：

20Log(Pcarrier/Pcarrier_can)

＝12.6dB

即当载波功率较大，采用4位分辨率ADC的载波消除模块最差的载波消除效果为-12.6dB。图中蓝色小圆部分为最差消除效果的区域。

推广到一般情况下，假设DAC具有N位的分辨率，则

Pcarrier＝2^N-1 $\mathrm{Pcarrier}\_\mathrm{can}=1*\sqrt{2}/2$

最差的抑制效果为：

20Log(Pcarrier/Pcarrier_can)

＝6.02*N-3

电路中使用了12位的DAC，所以在器件理想的情况下，载波消除的效果应在69dBc以上。

图5是载波消除效果仿真与实测结果对比图。其中左侧图为在matlab中仿真的理想情况下载波消除效果图，当矢量调制器的I、Q两路取合适值时，最好的消除效果达到70dBc；右侧图为载波消除模块实际消除载波的效果图，由于器件存在非线性，实际最好的消除效果约为60dBc。

Claims (3)

1.适用于超高频读写器的通用型载波消除模块，其特征在于：所述载波消除模块主要包括矢量调制器、衰减器、单片机、功率检测器及功率合成器；所述功率合成器的第一输入端和定向耦合器的隔离端对应连接；所述衰减器的输入端和定向耦合器的耦合端对应连接，对该端信号进行采样；所述衰减器的输出端和矢量调制器的输入端连接，矢量调制器的输出端和功率合成器的第二输入端连接；

功率合成器的输出端与超高频读写器的接收通路对应连接，所述功率检测器接在读写器接收通路上，检测泄露的载波信号幅度，功率检测器与单片机的外围电路连接，使单片机能够分析功率检测器送来的采样信号，单片机的外围电路还与矢量调制器连接，根据阈值控制矢量调制器输出信号的相位和幅度使得功率检测器所监测到的载波信号幅度最小。

2.一种采用权利要求1所述通用型载波消除模块的超高频读写器载波消除方法，其特征在于所述载波消除模块从定向耦合器的耦合端上对信号进行采样；然后，将从耦合端取出的所述信号经过衰减器后送入矢量调制器；利用功率合成器合成矢量调制器的输出信号和定向耦合器的隔离端上泄漏的信号，得到载波消除后的读写器接收通路信号；在与功率合成器的输出端对应连接的读写器接收通路上利用功率检测器检测泄露的载波信号幅度，用单片机分析检测到的信号，控制矢量调制器输出信号的相位和幅度使得监测的载波信号幅度最小。

3.如权利要求2所述的超高频读写器载波消除方法，其特征在于载波消除模块工作时，单片机在固定时间间隔内扫描矢量调制器，使得在更换天线或外部环境改变时，确保载波消除效果，实现载波消除模块的自适应性。