CN105678203B - 一种适用于rfid阅读器采样时钟的产生方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统，方法包括：通过运算放大器对输入信号和内部基准电压信号进行比较，得到同步的I路时钟信号；根据I路时钟信号，生成得到与其正交的Q路时钟信号，并进而将两者通过采样时钟产生电路处理，得到所需的采样时钟信号。系统包括：包括I路时钟提取电路、Q路时钟产生电路和采样时钟产生电路。本发明通过从输入信号中提取时钟信号，从而保证了时钟信号与输入信号频率始终保持一致，有效避免了输出信号信噪比降低的情况，而且保证采样点落在输入载波的波峰处，使采样输出结果达到最优，并且还能简化电路，有效节省芯片的面积。本发明可广泛应用于RFID阅读器中。

Description

一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统
技术领域
本发明涉及信号采样领域，尤其涉及一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统。
背景技术
射频识别(RadfoFrequencyIdentification，简称RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过电磁波或电感祸合方式传递信号，以完成对目标对象的自动识别。与条形码、磁卡、接触式IC卡等其它自动识别技术相比，即RFID技术具有识别过程无须人工干预、可同时识别多个目标、信息存储量大、可工作于各种恶劣环境等优点。因此，RFID技术已经被广泛地应用于固定资产管理、生产线自动化、动物和车辆识别、公路收费、门禁系统、仓储、商品防伪、航空包裹管理、集装箱管理等领域。典型的射频识别系统可以分为标签、阅读器和后端数据处理系统三个部分。
根据高频RFID协议，标签到阅读器的数据传输采用的是幅度调制方式，从时域角度看，解调的过程实质上是去除载波信号、提取数据信号的过程；从频域角度看，解调的过程实质上是一个频谱搬移，恢复基带信号的过程。
还可以依据采样定理，采用开关电容采样电路进行解调，这种方法在相当多的文献中得到了应用，电路结构也较为简单。采样的过程相当于将基带信号频谱在整个频率范围内周期延拓，那么将采样后的信号经过低通滤波器即可恢复基带数据信号。
但是现在一般的采样时钟与输入信号不能保持同频，导致在采样输出处就会引入其他的频率成分，造成输出信号信噪比降低。Kyung-Won Min等提出的采样电路采用本地晶振电路产生的时钟，但天线上载波并不与晶振时钟同步。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能与输入信号同步，且提高采样输出的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统。
本发明所采取的技术方案是：
一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法，包括以下步骤：
A、通过运算放大器对输入信号和内部基准电压信号进行比较，得到同步的I路时钟信号；
B、根据I路时钟信号，生成得到与其正交的Q路时钟信号，并进而将两者通过采样时钟产生电路处理，得到所需的采样时钟信号。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法的进一步改进，所述步骤B包括：
B1、将I路时钟信号输入至延时阵列中的多个延时单元中；
B2、通过延时控制器对多个延时单元进行控制，每经过一个I时钟，将延时控制器中计数器的数值送到译码器，并产生新的延迟阵列控制信号，使得Q时钟的相位发生改变；
B3、当延时控制器检测到Q时钟与I时钟相位差达180度时，延时控制器取计数器中数值的一半作为最终的延迟阵列的延迟，并控制延时阵列产生Q时钟，得到Q路时钟信号；
B4、根据I路时钟信号和Q路时钟信号，结合复位信号，通过采样时钟产生电路处理得到采样时钟信号。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法的进一步改进，所述步骤B4中采样时钟信号的逻辑表达式为：
；
；
其中，CLK1和CLK2表示采样时钟信号，clkI表示I路时钟信号，clkQ表示Q路时钟信号，reset表示复位信号。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，包括I路时钟提取电路、Q路时钟产生电路和采样时钟产生电路，所述I路时钟提取电路的输出端的I路时钟信号分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端，所述Q路时钟产生电路的输出端的Q路时钟信号输出连接至采样时钟产生电路的Q路输入端。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的进一步改进，所述I路时钟提取电路采用单级运算放大器，所述单级运算放大器的同相输入端接入输入信号，所述单级运算放大器的反相输入端接入内部基准电压信号，所述单级运算放大器的输出端分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的进一步改进，所述Q路时钟产生电路包括延时控制器和延时阵列，所述延时阵列包括多个延时单元，所述I路时钟提取电路的输出端分别连接至延时控制器的第一输入端和多个延时单元的第一输入端，各所述延时单元的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，所述最后一个延时单元的输出端的Q路时钟信号分别输出连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端，所述延时控制器的多个控制输出端分别一一与各延时单元的控制端连接，所述延时控制器的复位端接入复位信号。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的进一步改进，所述延时单元包括二选一多路数据选择器和反相器，所述二选一多路数据选择器的一路输入端连接至I路时钟提取电路的输出端，所述二选一多路数据选择器的另一路输入端连接至上一级延时单元的输出端，所述二选一多路数据选择器的控制端连接至延时控制器的控制输出端，所述二选一多路数据选择器的输出端连接至反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，所述最后一个延时单元的反相器的输出端分别连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端。
作为所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的进一步改进，所述采样时钟产生电路包括第一与非门、第二与非门、第一或非门、第二或非门、第一反相器、第二反相器和第三反相器，所述复位信号通过第一非门后分别输出连接至第一与非门的第一输入端和第二与非门的第一输入端，所述Q路时钟信号输出至第一与非门的第二输入端，所述Q路时钟信号通过第二反相器后输出至第二与非门的第二输入端，所述第一与非门的输出端连接至第一或非门的第一输入端，所述第二与非门的输出端连接至第二或非门的第一输入端，所述I路时钟信号输出连接至第一或非门的第二输入端，所述I路时钟信号通过第三反相器后输出至第二或非门的第二输入端，所述第一或非门输出得到第二采样时钟信号，所述第二或非门输出得到第一采样时钟信号。
本发明的有益效果是：
本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统通过从输入信号中提取时钟信号，从而保证了时钟信号与输入信号频率始终保持一致，有效避免了输出信号信噪比降低的情况，而且通过产生相互正交的I路和Q路两路时钟信号，I路时钟信号也与输入信号同频同相，从而保证采样点落在输入载波的波峰处，使采样输出结果达到最优，并且还能简化电路，有效节省芯片的面积。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法的步骤流程图；
图2是本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法步骤B的步骤流程图；
图3是本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的原理方框图；
图4是本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统中I路时钟提取电路的电路原理图；
图5是本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统的具体实施例的单级运算放大器结构示意图；
图6是本发明中Q路时钟产生电路的结构示意图；
图7是本发明中延时单元的结构示意图；
图8是本发明中采样时钟产生电路的结构示意图。
具体实施方式
参考图1，本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法，包括以下步骤：
A、通过运算放大器对输入信号和内部基准电压信号进行比较，得到同步的I路时钟信号；
B、根据I路时钟信号，生成得到与其正交的Q路时钟信号，并进而将两者通过采样时钟产生电路处理，得到所需的采样时钟信号。
参考图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤B包括：
B1、将I路时钟信号输入至延时阵列中的多个延时单元中；
B2、通过延时控制器对多个延时单元进行控制，每经过一个I时钟，将延时控制器中计数器的数值送到译码器，并产生新的延迟阵列控制信号，使得Q时钟的相位发生改变；
B3、当延时控制器检测到Q时钟与I时钟相位差达180度时，延时控制器取计数器中数值的一半作为最终的延迟阵列的延迟，并控制延时阵列产生Q时钟，得到Q路时钟信号；
B4、根据I路时钟信号和Q路时钟信号，结合复位信号，通过采样时钟产生电路处理得到采样时钟信号。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤B4中采样时钟信号的逻辑表达式为：
；
；
其中，CLK1和CLK2表示采样时钟信号，clkI表示I路时钟信号，clkQ表示Q路时钟信号，reset表示复位信号。
参考图3，本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，包括I路时钟提取电路、Q路时钟产生电路和采样时钟产生电路，所述I路时钟提取电路的输出端的I路时钟信号分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端，所述Q路时钟产生电路的输出端的Q路时钟信号输出连接至采样时钟产生电路的Q路输入端。
参考图4，进一步作为优选的实施方式，所述I路时钟提取电路采用单级运算放大器，所述单级运算放大器的同相输入端接入输入信号，所述单级运算放大器的反相输入端接入内部基准电压信号，所述单级运算放大器的输出端分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端。其中，图4中的VMID表示内部基准电压信号，RX表示输入信号。
优选的，为了保证提取的时钟信号与载波信号相位差别足够小，运放的摆率和带宽必须足够大，而对运放的增益要求则不高。因此采用如下图5所示的单级运放，使MOS管的宽长比尽量大以增大运放的摆率和带负载能力。
其中，vbias为运放的偏置电压，vinp、vinn和vout分别为运放的同相输入、反相输入以及输出。摆率被定义为最大输出电压变化率。该运放的摆率是由流过M3管的偏置电流Ibias以及输出节点vout的总电容量C决定的，如下面公式所示。为提高运放摆率，M3管的宽长比应尽量大。
本发明实施例中提取的时钟与载波之间的延时在2ns以内，相对于74ns的载波周期而言，时钟基本上与载波同步。
进一步作为优选的实施方式，所述Q路时钟产生电路包括延时控制器和延时阵列，所述延时阵列包括多个延时单元，所述I路时钟提取电路的输出端分别连接至延时控制器的第一输入端和多个延时单元的第一输入端，各所述延时单元的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，所述最后一个延时单元的输出端的Q路时钟信号分别输出连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端，所述延时控制器的多个控制输出端分别一一与各延时单元的控制端连接，所述延时控制器的复位端接入复位信号。
进一步作为优选的实施方式，所述延时单元包括二选一多路数据选择器和反相器，所述二选一多路数据选择器的一路输入端连接至I路时钟提取电路的输出端，所述二选一多路数据选择器的另一路输入端连接至上一级延时单元的输出端，所述二选一多路数据选择器的控制端连接至延时控制器的控制输出端，所述二选一多路数据选择器的输出端连接至反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，所述最后一个延时单元的反相器的输出端分别连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端。
进一步作为优选的实施方式，所述采样时钟产生电路包括第一与非门NAND1、第二与非门NAND2、第一或非门NOR1、第二或非门NOR2、第一反相器NOT1、第二反相器NOT2和第三反相器NOT3，所述复位信号通过第一非门后分别输出连接至第一与非门NAND1的第一输入端和第二与非门NAND2的第一输入端，所述Q路时钟信号输出至第一与非门NAND1的第二输入端，所述Q路时钟信号通过第二反相器NOT2后输出至第二与非门NAND2的第二输入端，所述第一与非门NAND1的输出端连接至第一或非门NOR1的第一输入端，所述第二与非门NAND2的输出端连接至第二或非门NOR2的第一输入端，所述I路时钟信号输出连接至第一或非门NOR1的第二输入端，所述I路时钟信号通过第三反相器NOT3后输出至第二或非门NOR2的第二输入端，所述第一或非门NOR1输出得到第二采样时钟信号，所述第二或非门NOR2输出得到第一采样时钟信号。
本发明通过产生相互正交的I路和Q路两路时钟，再将I、Q时钟进行逻辑运算，从而获得采样电路所需的时钟信号。本发明采用简单的RC移相方法，通过延时控制器检测Q时钟相位不断修正相移量，最终达到正交的相移。
Q路时钟产生电路的原理框图如图6所示，该电路主要由延时控制器以及延时阵列组成。其中，延时阵列用于调整Q时钟ClkQ相对于I时钟ClkI的延时，使Q时钟与I时钟相位差为90度；延时控制器用于控制延时阵列中延时单元的接入与否。
芯片上电复位引起复位信号reset发生变化，或者数字部分控制Calib端口产生一个脉冲信号就会触发Q路时钟产生电路。延时控制器内有一个计数器和译码器，Q路时钟产生电路启动后，每经过一个I时钟，计数器的数值送到译码器，产生新的延迟阵列控制信号，使Q时钟的相位发生一定的改变。这样经过若干个延时单元后，延时控制器检测到Q时钟与I时钟相位差达180度时，延时控制器就取计数器数值的一半作为最终的延迟阵列的延迟，并控制延时阵列产生Q时钟。Delay[4:0]信号用于预先设置延迟数值，本发明实施例中，延迟阵列内共有30组的延时单元，保证了Q时钟与I时钟90度相位差的精度。
所述延时单元如图7所示，主要由二选一多路数据选择器以及反相器组成。延时单元产生一个反相器的延时，该延时由反相器的P管和N管宽长比决定。延时控制器输出的控制信号C的电平决定该延时单元的输入是I时钟，还是上一级延时单元的输出，通过改变串联的延时单元的数目改变总的Q时钟的延时。
相互正交的I时钟和Q时钟信号经过图8所示的采样时钟产生电路后产生最终的采样时钟CLK1、CLK2及其反相时钟。
CLK1和CLK2的逻辑表达式如下面公式所示。由于I时钟与输入信号同频同相，且Q时钟与I时钟相位差90度，那么可以保证采样电路的采样点落在输入载波的波峰处，使采样输出结果达到最优。
；
；
其中，CLK1和CLK2表示采样时钟信号，clkI表示I路时钟信号，clkQ表示Q路时钟信号，reset表示复位信号。
从上述内容可知，本发明一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法及系统通过从输入信号中提取时钟信号，从而保证了时钟信号与输入信号频率始终保持一致，有效避免了输出信号信噪比降低的情况，而且通过产生相互正交的I路和Q路两路时钟信号，I路时钟信号也与输入信号同频同相，从而保证采样点落在输入载波的波峰处，使采样输出结果达到最优，并且还能简化电路，有效节省芯片的面积。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、通过运算放大器对输入信号和内部基准电压信号进行比较，得到同步的I路时钟信号；
B、根据I路时钟信号，生成得到与其正交的Q路时钟信号，并进而将两者通过采样时钟产生电路处理，得到所需的采样时钟信号；
所述步骤B包括：
B1、将I路时钟信号输入至延时阵列中的多个延时单元中；
B2、通过延时控制器对多个延时单元进行控制，每经过一个I时钟，将延时控制器中计数器的数值送到译码器，并产生新的延迟阵列控制信号，使得Q时钟的相位发生改变；
B3、当延时控制器检测到Q时钟与I时钟相位差达180度时，延时控制器取计数器中数值的一半作为最终的延迟阵列的延迟，并控制延时阵列产生Q时钟，得到Q路时钟信号；
B4、根据I路时钟信号和Q路时钟信号，结合复位信号，通过采样时钟产生电路处理得到采样时钟信号。
2.根据权利要求1所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生方法，其特征在于：所述步骤B4中采样时钟信号的逻辑表达式为：
其中，CLK1和CLK2表示采样时钟信号，clkI表示I路时钟信号，clkQ表示Q路时钟信号，reset表示复位信号。
3.一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，其特征在于：包括I路时钟提取电路、Q路时钟产生电路和采样时钟产生电路，所述I路时钟提取电路的输出端的I路时钟信号分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端，所述Q路时钟产生电路的输出端的Q路时钟信号输出连接至采样时钟产生电路的Q路输入端。
4.根据权利要求3所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，其特征在于：所述I路时钟提取电路采用单级运算放大器，所述单级运算放大器的同相输入端接入输入信号，所述单级运算放大器的反相输入端接入内部基准电压信号，所述单级运算放大器的输出端分别输出至Q路时钟提取电路的输入端和采样时钟产生电路的I路输入端。
5.根据权利要求3所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，其特征在于：所述Q路时钟产生电路包括延时控制器和延时阵列，所述延时阵列包括多个延时单元，所述I路时钟提取电路的输出端分别连接至延时控制器的第一输入端和多个延时单元的第一输入端，各所述延时单元的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，最后一个延时单元的输出端的Q路时钟信号分别输出连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端，所述延时控制器的多个控制输出端分别一一与各延时单元的控制端连接，所述延时控制器的复位端接入复位信号。
6.根据权利要求5所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，其特征在于：所述延时单元包括二选一多路数据选择器和反相器，所述二选一多路数据选择器的一路输入端连接至I路时钟提取电路的输出端，所述二选一多路数据选择器的另一路输入端连接至上一级延时单元的输出端，所述二选一多路数据选择器的控制端连接至延时控制器的控制输出端，所述二选一多路数据选择器的输出端连接至反相器的输入端，所述反相器的输出端连接至下一级延时单元的第二输入端，所述最后一个延时单元的反相器的输出端分别连接至延时控制器的第二输入端和采样时钟产生电路的Q路输入端。
7.根据权利要求5所述的一种适用于RFID阅读器采样时钟的产生系统，其特征在于：所述采样时钟产生电路包括第一与非门、第二与非门、第一或非门、第二或非门、第一反相器、第二反相器和第三反相器，所述复位信号通过第一非门后分别输出连接至第一与非门的第一输入端和第二与非门的第一输入端，所述Q路时钟信号输出至第一与非门的第二输入端，所述Q路时钟信号通过第二反相器后输出至第二与非门的第二输入端，所述第一与非门的输出端连接至第一或非门的第一输入端，所述第二与非门的输出端连接至第二或非门的第一输入端，所述I路时钟信号输出连接至第一或非门的第二输入端，所述I路时钟信号通过第三反相器后输出至第二或非门的第二输入端，所述第一或非门输出得到第二采样时钟信号，所述第二或非门输出得到第一采样时钟信号。
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