CN106877899B - 一种rfid读写器载波泄露消除系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种RFID读写器载波泄露消除系统，包括自动增益控制电路、功率分配器、衰减器、移相调节器、限幅器和功率合成器；在RFID读写器中，由于环行器的隔离度不高，所以有一部分载波泄露到接收回路。而天线接收的反向散射信号功率远远小于泄露载波的功率，将造成接收回路的低噪声放大器饱和失真，导致接收灵敏度很低，读写距离变短。本发明通过在接收回路提取部分载波，再经过移相调节器和限幅器的调整，和泄露的载波进行抵消，有效降低了接收回路泄露的载波功率，提高数据和载波的功率比，提高读写器的接收灵敏度，增大和标签之间的读写距离。本发明可用于目前UHF频段的读写器，提高RFID的读写距离，满足物联网迅速发展的需求。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波电路技术领域，具体是一种RFID读写器载波泄露消除系统。
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应用。无线射频识别技术已经深入到人们生活的方方面面，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等。无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，简称：RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的RFID读写器包含有RFID射频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。
由于电子标签是一个无源系统，本身没有直流电源，需要捕获读写器发射的高频电磁波，经过整流得到芯片工作所需要的直流电压。读写器为了接收标签的响应，必须向标签发射连续波信号；标签被唤醒后，再将含有数据信息的调制信号反向散射回读写器，经过后台处理得到所需要的信息。由于发射信号和接收信号的频率非常接近，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。但是传统的环行器隔离度太低，会有大量的发射功率泄露到接收回路，造成接收回路饱和失真，大大降低了读写器的接收灵敏度。
为了降低和消除接收回路泄露的载波信号，近年来很多学者提出各种载波消除的方法。
文献1：Lim W, Yu J. Balanced circulator structure with enhancedisolation characteristics. Microwave and Optical Technology Letters, 2008, 50(9): 2389-2391.公开了采用两个天线来分离发射和接收信号，增加了隔离度，但是由于同时使用了两个环形器，两个耦合器和两面天线，大大增加了成本。
文献２：Lasser G, Robert L, Robert D, et al. Broadband Leaking CarrierCancellation for RFID Systems. Microwave Symposium Digest (MTT),2012: 1-3.公开了在RFID系统中使用一个模拟横向滤波器组成的宽带载波泄漏抑制电路, 在35 MHz带宽上可以达到52 dB的隔离度，但是需要两个接收电路。
文献３：Bin You, Bo Yang, Xuan Wen, et al. Implementation of Low-costUHF RFID Reader Front-Ends with Carrier Leakage Suppression Circuit.International Journal of Antennas and Propagation. 2013,(3):1-8.公开了用功率检测读写器接收电路的泄露载波，通过微处理器再去控制消除电路中一部分泄露载波的幅度和相位达到消除的目的。收发隔离在中心频率改善45dB，在20MHz频带范围内改善30dB。输出功率为23dBm时，读写距离达到4.95米。但是需要用到微处理器，系统复杂。
文献４：Sung-Chan Jung, Min-Su Kim, Youngoo Yang. A ReconfigurableCarrier Leakage Canceller for UHF RFID Reader Front-Ends. IEEE Transactionson circuits and systems-I:regular papers. 2011,58(1):70-76.公开了一种可重构的载波泄露消除器，采用平行耦合线定向耦合器、功率检测电路和微处理器完成泄露载波消除的目的。收发隔离度达到65dB以上。读写器的灵明度提高了11dB。输出功率为30dBm时，读写距离提高了30%，从4.3米提高到5.6米，但是依旧成本较高。
文献５：Jae-Young Jung, Chan-Won Park, Kyung-Whan Yeom. A novel carrierleakage suppression front-end for UHF RFID reader. IEEE transactions onmicrowave theory and techniques. 60(5):1468-1477.公开了由平行线定向耦合器、接收信号强度检测电路和微控制器控制相移的载波泄露消除前端电路。收发隔离度达到55dB，输入功率为10dBm时，读写距离20米。但是需要用到微处理器，D/A转换，电路复杂。
文献６：Yilei Li, Kefeng Han, Chuansheng Dong, et al. A Multi-band low-noise transmitter with digital carrier leakage suppression and linearityenhancement. IEEE transactions on circuits and systems. 2013,60(5):1209-1219.公开了基于功率检测电路、ADC转换和通过算法控制相关参数的移动通信的载波泄露系统，泄露的载波可以减小35dB，通过设计功率检测电路使结构更加的复杂，成本也提高了。
已公开发明专利１：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(CN201410401891.1)，此专利公开了用矢量调节器、衰减器、单片机、功率检测其和功率合成器组成的载波消除模块。主要通过单片机控制矢量调节器的两路正交输入来达到载波消除的目的，但是采用单片机控制的闭环设计不仅结构复杂而且提高了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种RFID读写器载波泄露消除系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种RFID读写器载波泄露消除系统，包括自动增益控制电路、功率分配器、移相调节器、限幅器、功率合成器、低噪放大器和环形器；所述环形器上设置有天线，环形器连接至自动增益控制电路，自动增益控制电路连接至功率分配器，功率分配器分别连接至移相调节器和限幅器，所述功率分配器与移相调节器之间还设置有衰减器；功率分配器与限幅器之间还设置有带通滤波器；所述移相调节器和限幅器的输出端均连接至功率合成器，功率合成器连接至低噪放大器，低噪放大器连接至调制解调器，调制解调器一端连接至数字基带，调制解调器的另一端连接至振荡器，振荡器通过功放连接回环形器。
作为本发明进一步的方案：所述限幅器用于提取载波。
作为本发明再进一步的方案：所述衰减器的衰减量为恒定值。
作为本发明再进一步的方案：所述调节移相器的相移为恒定值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种结构简单，易于抵消，成本低廉的RFID读写器泄露载波消除的系统。本发明采用开环设计，将接收回路泄露的载波和接收的数据用功率分配器分为两部分，将其中一部分载波和数据通过带通滤波器和限幅器，将载波单独提取出来；将另一路的载波的幅值调节到和限幅器出来的载波一样，相位反相。这两路幅值相等，相位反相的载波通过功率合成器合成后，泄露载波就抵消了。采用开环设计，去掉了传统方法采用的功率检测和单片机控制等电路的闭环设计，不需要跟踪天线端环境的变化和频率变化带来泄露载波功率和相位的变化，具有明显的优势。
本发明成本低，结构简单，不需要闭环控制，不需要功率检测电路和单片机实时控制载波幅度和相位。且泄露载波抵消效果好，数据载波比小。
附图说明
图1表示采用环行器分离收发信号的读写器简图。
图2 表示传统的闭环控制载波泄露消除方案。
图3 表示本发明提出RFID读写器载波泄露消除系统。
图4 表示发射电路功放输出功率为30 dBm时，经过本系统载波泄露消除电路后载波的功率。
图5 表示载波为922.5MHz时，读写器接收回路的载波和数据频谱。
图6表示载波为920 MHz时，读写器接收回路的载波和数据频谱。
图7载波为925 MHz时，读写器接收回路的载波和数据频谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
RFID系统的标签是无源标签，需要读写器发射连续波功率唤醒才能工作，所以读写器要发送1 W的连续波，附图1是采用环行器分离收发信号的读写器简图，由于环行器隔离度只有25-30dB，而发射的连续波功率为1W－4W，就有大量的连续载波泄露到接收电路；由于天线不匹配或者天线的阻抗随外部环境变化就会有一部分载波从天线端反射回接收电路，这两部分信号构成了接收回路总的泄露载波。由于环行器隔离度只有25～30 dB，这样泄露到接收回路的载波还有大概0～5 dBm，而接收的数据信号功率随着距离的远近，会到-60～-100 dBm的变化，这些功率远远小于泄露的载波功率，要想增大读写距离，必须采用载波泄露消除技术。
技术背景里的文献和发明专利大都采用附图2的结构，这种结构采用闭环控制，单片机首先通过功率检测技术的检测接收回路泄露载波的功率和相位的变化；接着通过发射电路功率放大器输出端的功率耦合器耦合一部分载波，单片机根据检测到的数据实时调节功率耦合电路中的衰减器和移相器，控制它们的功率和接收电路的功率相等，相位和接收回路泄露载波相位反相，然后用功率合成器合成后抵消。该方案虽然也能大幅度地消除泄露载波，提高读写器的灵敏度，增大读写距离。但是由于该方案采取的是闭环系统，载波频率变化和外界环境变化时需要实时调整载波的幅度和相位，系统复杂，要求精度高。
本发明的RFID读写器载波泄露消除系统采用开环的结构，如附图3所示，包括自动增益控制电路、功率分配器、移相调节器、限幅器、功率合成器、低噪放大器和环形器；所述环形器上设置有天线，环形器连接至自动增益控制电路，自动增益控制电路连接至功率分配器，功率分配器分别连接至移相调节器和限幅器，限幅器用于提取载波，所述功率分配器与移相调节器之间还设置有衰减器；功率分配器与限幅器之间还设置有带通滤波器；所述移相调节器和限幅器的输出端均连接至功率合成器，功率合成器连接至低噪放大器，低噪放大器连接至调制解调器，调制解调器一端连接至数字基带，调制解调器的另一端连接至振荡器，振荡器通过功放连接回环形器；
总的泄露载波从环形器进入自动增益控制电路(AGC)，自动增益控制电路动态范围很大，输入端载波功率在大范围内变化时，输入保持不变，但是相位会随着频率改变改变。此时泄露载波被功率分配器等分为两部分，一路进入限幅器提取载波，另一路进入移相调节器。进入限幅器的载波幅值要足够大，这样限幅器就能滤除调制信号，选出载波。另一路进入移相调节器的首先经过衰减器把载波幅值衰减到限幅器输出端载波的幅值就可以了，无论AGC输入端载波功率如何变化，衰减器的衰减量是一个恒定值。载波经过限幅电路相位的变化量是个定值，这个变化量和幅值相位调节电路移相器输出的载波相位相差180°就可以使两路的载波反相，调节移相器的相移也是一个定值。输入到AGC输入端的载波相位变化，在功率合成器输入端的两路载波相位总能保持反相不变。
本发明是开环系统，它的优势就是当限幅器，移相调节器和衰减器设置好以后，不管外界环境和载波频率的改变，无需改变这些设置，都能大幅度的消除泄露载波。
图4是基于本方案的接收回路泄露的载波功率曲线，当发送电路功放输出30 dBm的功率时，经过本发明方案消除泄露载波后，接收电路泄露的载波功率。在中心频率922.5MHz处，泄露的载波功率被抑制到了-97.2 dBm，抑制度达到了127 dB；在920 MHz和925 MHz处，泄露的载波功率被抑制到-78.8 dBm左右，抑制度达到109 dB。也就是说在920-925 MHz频带内，载波抑制度达到109 dB。
图5、图6和图7分别为数据和载波频谱在载波频率分别为922.5 MHz，920 MHz和925 MHz的频谱，数据调制信号为500 kHz，从这三个曲线可以看出，采用本发明的方案后，数据载波比得到显著提高，极大地提高了读写器的接收灵敏度。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种RFID读写器载波泄露消除系统，其特征在于，由自动增益控制电路、功率分配器、移相调节器、限幅器、功率合成器、低噪放大器和环形器组成；所述环形器上设置有天线，环形器连接至自动增益控制电路，自动增益控制电路连接至功率分配器，功率分配器分别连接至移相调节器和限幅器，所述功率分配器与移相调节器之间还设置有衰减器；功率分配器与限幅器之间还设置有带通滤波器；所述移相调节器和限幅器的输出端均连接至功率合成器，功率合成器连接至低噪放大器，低噪放大器连接至调制解调器，调制解调器一端连接至数字基带，调制解调器的另一端连接至振荡器，振荡器通过功放连接回环形器，所述限幅器用于提取载波，所述衰减器的衰减量为恒定值，所述调节移相器的相移为恒定值。
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