CN111342855A - 一种用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于反向散射通信技术领域，具体为一种用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机。本发明的接收机主要包括射频前端，模数转换器，数字基带与存储器等电路模块。所述的接收机采用多载波调制，射频前端电路利用了包络检波器传递函数中的平方项提取载波之间的频差，得到确知中频信号。并对此中频信号进行相干解调，能够实现较高的接收灵敏度。另外，不同于传统有源接收机相干解调的方式，该接收机芯片不需要高频本振信号，因此可以节约大量的功耗。该接收机可被应用于反向散射通信系统中，能够有效地提高通信距离，同时满足反向散射通信协议对于接收机低功耗的要求。

Description

一种用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机
技术领域
本发明属于反向散射通信技术领域，具体涉及一种应用于远距离反向散射通信系统的接收机芯片。
背景技术
物联网技术的迅速发展极大地改变了人们的生活，而伴随着物联网技术，射频识别技术(Radio Frequency Identification)有了更广阔的应用场景。通常可以根据读写器和标签之间通信频率的不同，将射频识别系统分为低频(LF：low Frequency)、高频(HF：High Frequency)、超高频(UHF：Ultra High Frequency)几个大类，其中低频和高频的RFID系统使用的是电磁耦合的通信方式。超高频的RFID系统使用的是电磁波发射以及电磁波反向散射的方式。反向散射的传输方式具有较高的识别速率和较长的通信距离，被广泛应用于仓储、物流和零售等领域。
但是，通信距离仍然是限制反向散射通信系统的重要因素。目前，无源接收机的通信距离大多在1-10m左右。长距离的反向散射通信技术可以打破反向散射技术的僵局，为反向散射通信打开一个全新的领域。
反向散射系统正常工作，必须满足的条件为：基站发出的信号经过前向链路衰减后，功率需要大于接收机的接收灵敏度。传统的无源接收机，其采用的是如图2所示的接收机芯片解调基站发送过来的信号。由无源二极管构成的包络检波器320的输入直接接到了射频输入端口310，输出接到了解调比较器330的输入。解调比较器330的输出连接到了数字基带与存储器340。此类接收机的解调方式属于非相干解调，由于无源二极管具有开启电压的特性，在小输入功率下，会使得包络检波器320无法正常工作，因此这类解调方式灵敏度较低。在长距离反向散射通信中，基站发出的信号经过长距离的衰减到达接收机时功率已经很低，因此此类接收机不适用于远距离的反向散射通信系统。
针对上述问题，本发明提出了一种用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机。本发明接收机采用多载波调制，利用包络检波器传递函数中的平方项，提取出多子载波信号中不同载波之间的差频信号。避免使用高频振荡器，能够满足通信协议对于接收灵敏度的要求，同时具有较低功耗，适用于远距离的反向散射通信系统。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能够用于远距离反向散射通信系统的高灵敏度低功耗接收机，其能够正确解调基站发送过来经过长距离衰减的信号，并且能够保持较低的功耗。
本发明提供的接收机，其电路系统如图1所示，包括：射频输入端口110、无源滤波器120、包络检波器130、混频器140、本振信号150、基带放大器160、模数转换器170以及数字基带与存储器180。其中无源滤波器120、包络检波器130、混频器140、本振信号150属于射频前端电路。
其中，从基站发送过来的信号，经过衰减，进入射频输入端口110。无源滤波器120连接在射频输入端口110和包络检波器130之间。包络检波器130的输入与无源滤波器120相连，输出与混频器140的输入相连。与混频器140的一个输入端口和包络检波器120相连，另一个输入端口和本振信号150的输出相连，实现混频功能。基带放大器160的输入与混频器140相连，输出与模数转换器170的输入相连。模数转换器170的输入端口与基带放大器160相连，完成将模拟信号转换为数字信号的功能，输出端口连接到数字基带与存储器180的输入端口。数字基带与存储器180的输入端口与模数转换器170的输出端口相连，实现解码以及存储数据。
本发明中，所述的接收机采用多载波调制，利用包络检波器130传递函数中的平方项特征，提取参考载波与含有信息的载波的频率差分量，该分量为低中频信号。本振信号150的频率与低中频信号频率相等，用以将低中频信号下混频至基带。模数转换器170以及数字基带与存储器180对基带信号进行解调。
本发明中，所述的接收机相对于传统的无源接收机来说，其信号接收通路上增加了混频器140与基带放大器160，采用类似于有源接收机相干解调的方式，能够提高接收机的解调灵敏度。但相对于传统的有源接收机来说，本发明所述的接收机所需的本振信号150的频率较低，因此不需要高频本振信号以及锁相环，从而可以节省大量的功耗。高接收灵敏度以及低功耗使得它满足反向散射通信系统的协议要求。
本发明的高灵敏度低功耗接收机的典型应用场景为超高频射频识别系统。
如图3所示，在超高频射频识别系统中，天线530、高灵敏度低功耗接收机540、以及负载调制器550构成了标签芯片501。天线530通过前向链路接收阅读器510通过天线520发送过来的信号。天线530接收到的信号进入本发明的高灵敏度接收机540进行解调。其中本发明的接收机中的数字基带与存储器190根据协议的规定对于基带数字信号进行解码以及相应的处理，将最终的处理结果传输给负载调制器550。负载调制器550根据收到的信号改变接收机的输入阻抗，将信号从反向链路返回给阅读器。阅读器根据标签返还的信息，正确地识别标签的信息。由于标签芯片501中包含本发明的高灵敏接收机，所以其可以在较低接收功率下完成正确解调，因此提高了阅读器与标签之间通信距离。同时还可以满足协议对于标签功耗的要求。
附图说明
图1为应用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机结构图。
图2为传统无源接收机结构图。
图3为超高频射频识别系统应用举例。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，接收机的射频输入端口110收到基站发出的多载波调制信号。假设参考载波位于ωc,1处，其表达式为：x1(t)＝Vin,1·sin(ωc,1t)。调制信号的表达式为：x2(t)＝m(t)·Vin,2·sin(ωc,2t)，其载波频率为ωc,2，其中m(t)为调制信息。包络检波器130的输出直流电压与输入射频信号电压幅度成平方关系，其表达式为：y＝k·x2此双载波信号经过包络检波器，得到输出表达式：
Figure BDA0002418228020000031
其中2·Vin,1·Vin,2m(t)·sin(ωc,1t)sin(ωc,2t)这一项中含有确知中频ωc,1-ωc,2的信号。本振信号140的频率与确知中频信号频率相等。确知中频信号经混频器140与同频的本振信号进行下混频。基带放大器160具有低通滤波功能，将混频后的基带信号进行放大，同时滤除其他信号。模数转换器170将基带信号转化为数字信号。数字信号进入数字基带与存储器180，完成解码以及协议处理等功能。
本发明的接收机采用多载波调制，利用包络检波器传递函数中的平方特性，提取参考载波与含有信息的载波的频率差得到确知中频信号，对此确知中频信号进行相干解调。相比于传统的无源接收机，减少了噪声带宽，提高解调灵敏度。同时，所需要的本振信号频率较低，一般仅为数MHz。避免使用高频本振信号，可以大大降低功耗。本发明的接收机能够应用于远距离反向散射通信，并能满足实际通信指标的前提下保持较低的功耗。

Claims (3)

1.一种用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机，其特征在于，包括：射频输入端口（110）、无源滤波器（120）、包络检波器（130）、混频器（140）、本振信号（150）、基带放大器（160）、模数转换器（170）以及数字基带与存储器（180）；其中，无源滤波器（120）、包络检波器（130）、混频器（140）、本振信号（150）属于射频前端电路；
从基站发送过来的信号，经过衰减，进入射频输入端口（110）；无源滤波器（120）连接在射频输入端口（110）和包络检波器（130）之间；包络检波器（130）的输入与无源滤波器（120）相连，输出与混频器（140）的输入相连；混频器（140）的一个输入端口和包络检波器（120）相连，另一个输入端口和本振信号（150）的输出相连，实现混频功能；基带放大器（160）的输入与混频器（140）相连，输出与模数转换器（170）的输入相连；模数转换器（170）的输入端口与基带放大器（160）相连，完成将模拟信号转换为数字信号的功能，输出端口连接到数字基带与存储器（180）的输入端口；数字基带与存储器（180）的输入端口与模数转换器（170）的输出端口相连，实现解码以及存储数据。
2.根据权利要求1所述的用于远距离反向散射通信系统的低功耗接收机，其特征在于，接收机采用多载波调制，利用包络检波器（130）传递函数中的平方项特征，提取参考载波与含有信息的载波的频率差分量，该分量为低中频信号；本振信号（150）的频率与低中频信号频率相等，用以将低中频信号下混频至基带；模数转换器（170）以及数字基带与存储器（180）对基带信号进行解调。
3.一种以权利要求1所述的低功耗接收机作为接收机的远距离反向散射通信系统，其特征在于，包括阅读器（510）、天线（520），以及由天线（530）、低功耗接收机（540）和负载调制器（550）构成标签芯片（501）；天线（530）通过前向链路接收阅读器（510）通过天线（520）发送过来的信号；天线（530）接收到的信号进入高灵敏度接收机（540）进行解调；其中，接收机中的数字基带与存储器（190）根据协议的规定对于基带数字信号进行解码以及相应的处理，将最终的处理结果传输给负载调制器（550）；负载调制器（550）根据收到的信号改变接收机的输入阻抗，将信号从反向链路返回给阅读器；阅读器根据标签返还的信息，正确地识别标签的信息；由于标签芯片（501）中包含低功耗接收机，所以其可以在较低接收功率下完成正确解调，因此提高了阅读器与标签之间通信距离；同时还可以满足协议对于标签功耗的要求。
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