CN114548133B - 超高频rfid收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配置方法 - Google Patents

超高频rfid收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配置方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配置方法，其中超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统包括零中频收发系统、复用切换单元、载波抑制单元、功率合成单元以及至少两根天线。复用切换单元包括信号分离单元、切换开关单元和模式选择单元。其中，模式选择单元可通过交叉开关实现。本申请实现了收发一体与收发分离复用功能，使得读写系统有更广的应用面。用户可根据使用环境自由配置收发模式，在强反射空间盘点、标签RSSI定位、大量标签堆叠盘点等特定应用环境下选择收发分离模式；在良好环境下，选择收发一体模式，在保证读取性能稳定的前提下，参与工作的电路简单，元器件更少，便于维护。

Description

超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配 置方法
技术领域
本发明专利属于超高频RFID技术领域，涉及一种超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配置方法。
背景技术
超高频RFID是一种无线射频识别技术，可通过特定频段电磁波激活标签并读写相关数据，无需读写器设备和标签建立机械或者光学接触。标签本身不带电源类供电系统，通过耦合吸收读写器设备发射的电磁波工作。根据GB/T 29768-2013规定，超高频RFID频段为840MHz~845MHz和920MHz~925MHz，其中大部分场景使用920MHz~925MHz。
目前超高频RFID应用领域普遍采用收发一体方案，该方案的特点是射频收发结构简单，只需一根天线即可满足超高频RFID系统读写需求。但在某些特定应用场合，如：强反射空间盘点、标签RSSI定位、大量标签堆叠盘点等，采用收发一体方案会使接收链路混入大量干扰信号，多种干扰信号的共同作用会对载波抑制造成很大压力，在周围环境恶劣情况下读取性能会变得不稳定，此时需要对特定的应用场景定制相应的射频前端方案，定制方案对现场施工有一定专业性要求，实施难度高。
发明内容
本申请的目的在于解决收发一体方案在恶劣环境下应用读取性能不稳定的技术问题，提供了一种超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统及其自适应配置方法。
本申请采用以下技术方案来实现：超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，包括：n根天线，其中n≥2；零中频收发系统，用于发出射频信号、接收标签信号；模式选择单元，用于设置系统工作模式，工作模式包括发射链路和接收链路共用一根天线的收发一体模式、发射链路和接收链路均采用独立天线的收发分离模式；切换开关单元，用于选择当前工作模式下处于对应工作状态的天线；当系统处于收发一体模式时，信号分离单元用于分离出所述射频信号中的载波信号、发射信号和接收链路信号，所述接收链路信号包括标签信号和干扰信号；当系统处于收发分离模式时，信号分离单元用于分离出所述射频信号中的载波信号和发射信号；载波抑制单元，用于处理所述载波信号，生成载波抑制信号；功率合成单元，用于将所述载波抑制信号和干扰信号进行功率和相位对冲，提取所述标签信号传输至零中频收发系统。
本申请实现了收发一体与收发分离复用功能，使得读写系统有更广的应用面。用户可根据使用环境自由配置收发模式，在强反射空间盘点、标签RSSI定位、大量标签堆叠盘点等特定应用环境下选择收发分离模式，发射链路和接收链路均采用独立天线，因此接收链路不受天线反射信号和耦合器载波泄漏信号影响；在良好环境下，选择收发一体模式，在保证读取性能稳定的前提下，参与工作的电路简单，元器件更少，便于维护。通过功率合成单元将载波抑制信号和接收链路信号中的干扰信号进行功率和相位对冲，可有效去除接收链路中的干扰信号。多根天线可以辐射不同范围，使读写系统接收来自各个方向的信号，或将射频信号发送至不同方向的电子芯片，提高读写系统的有效适用范围。
作为优选，所述切换开关单元包括第一选择开关、第二选择开关以及用于控制n根天线的n个开关；当系统处于收发一体模式时，所述第一选择开关用于选择处于接收状态的天线；当系统处于收发分离模式时，所述第一选择开关用于选择发射射频信号的天线，第二选择开关用于选择作为接收天线的天线。
本申请中，切换开关单元用于控制选择不同天线的工作状态和用途，提供多种配置收发方案。
作为优选，所述信号分离单元为10dB定向耦合器。
作为优选，所述信号分离单元包括环形器和载波信号获取单元。
信号分离单元用于发射信号中载波信号、发射信号和接收链路信号的分离提取，不限于采用10dB定向耦合器或是环形器实现。
作为优选，所述载波抑制单元包括依次连接的功率调节单元、相位调节单元，所述功率调节单元用于将所述载波信号的功率大小调整为与干扰信号功率大小一致，所述相位调节单元将所述载波信号的相位调整为与干扰信号相位相反。
与接收链路信号中的标签信号相比，干扰信号的占比非常高，远远超过标签信号的占比，所以本申请在进行载波抑制时，载波抑制单元根据接收链路信号调节载波信号的大小和相位，使得载波信号与接收链路信号功率相同或相近、相位相反，再进入功率合成单元时相互对冲，从而减弱接收链路信号中的干扰信号。本申请的载波抑制单元经过4次调整检测后确定相位调整所在扇区，最多再经过6次调整可找到最佳相位，动态响应快，不追求完全消除载波，当检测到干扰信号已削弱到不影响信号收发系统中接收系统灵敏度时，即停止载波抑制单元相位调整。
作为优选，所述相位调节单元包括由180°电桥、90°电桥1、90°电桥2以及第三选择开关组成的0°、90°、180°、270°相位调节电路和由3dB 90°耦合器、压控电容C1以及压控电容C2组成的移相器，所述移相器配合相位调节电路形成4个90°扇区，4次调整检测后确定相位调整所在扇区，再通过移相器寻找最佳相位调整位置。
本申请中，四象限的相位调节电路使得能够快速定位到对应象限，再加上移相器的配合，快速实现相位调节的目的。
作为优选，所述功率合成单元和接收天线之间有限幅器。
本申请中，限幅器用于保护接收链路强信号输入，防止强信号对后级射频系统造成破坏性损伤。
本申请还提出了一种超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统的自适应配置方法，适用于超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，包括：
S10、安装所述读写系统和天线，模拟实际应用场景在待盘点位置放置标签；
S20、开启超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，设置场景需求；
S30、配置收发模式，开始盘点；所述收发模式包括多种收发一体模式和多种收发分离模式；
S40、当系统处于收发一体模式时，缓存盘点数据后进入下一收发模式；当系统处于收发分离模式时；判断接收链路信号是否触发限幅器保护，若是，则反馈并跳过当前收发模式，进入下一收发模式；否则，则缓存盘点数据后进入下一收发模式；
S50、直至所有的收发模式均已轮询完毕，获取盘点数据；
S60、判断所获取的盘点数据是否满足场景需求，若均不满足场景需求，则重新调整天线安装位置，跳转至S40继续执行；若有满足场景需求的数据或数据组合，则按照盘点效果排序，生成工作模式表；
S70、根据各天线的空间辐射功率和功率合成单元的输入功率，预设功率调节单元的增益参数，将所述采样数据和增益参数保存进工作模式表中，完成自适应配置。
作为优选，所述场景需求包括要盘点到的标签数量、次数以及最小RSSI。
作为优选，所述盘点数据包括盘点到的标签数量、次数以及RSSI。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统结构框图；
图2为零中频收发系统结构图；
图3为采用环形器的实现框图；
图4为采用10db定向耦合器的实现框图；
图5为收发一体模式下的信号走向示意图；
图6为收发分离模式下的信号走向示意图；
图7为载波抑制单元结构框图；
图8为图7的具体实现电路图；
图9为本申请的载波抑制效果实测图。
具体实施方式
为了使本发明专利实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明专利。
实施例一：
超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，如图1所示，包括零中频收发系统、复用切换单元、载波抑制单元、功率合成单元以及至少两根天线，本实施例以4根天线为例，记为天线1~天线4。复用切换单元包括信号分离单元、切换开关单元和模式选择单元。其中，模式选择单元可通过交叉开关实现。零中频收发系统由FPGA主控单元、基带处理单元、调制器、解调器、本地振荡系统、功分器、滤波器1、滤波器2、滤波器3、数控衰减器1、数控衰减器2、功率放大器以及低噪声放大器组成，如图2所示。
零中频收发系统发射端与信号分离单元输入端连接，信号分离单元天线端通过切换开关单元与天线连接。
信号分离单元可以通过环形器和载波信号获取单元共同实现，其中载波获取单元可用简单的电阻分压实现。环形器发射端（即1端）对应信号分离单元输入端，环形器天线端（即2端）对应信号分离单元天线端，环形器接收端（即3端）对应信号分离单元接收链路端。载波信号获取单元输入端与环形器发射端连接，输出端相当于信号分离单元载波信号输出端。选用环形器时，系统结构如图3所示。
信号分离单元还可以选用10dB定向耦合器，10dB定向耦合器1端口对应信号分离单元输入端，10dB定向耦合器2端口对应信号分离单元天线端，10dB定向耦合器3端口对应信号分离单元接收链路端，10dB定向耦合器4端口对应信号分离单元载波信号输出端。选用10dB定向耦合器时，系统结构如图4所示。
本实施例以10dB定向耦合器为例。进一步地，切换开关单元包括第一选择开关（记为开关5）、第二选择开关（记为开关6）以及用于控制4根天线的4个开关，记为开关1~4。10dB定向耦合器2端口与开关5第一端连接，开关5第二端包括4个档位，每个档位分别与一个开关的第一状态位连接，开关处于第一状态位时，天线处于发射模式。
交叉开关和开关6之间设置有限幅器，限幅器用于保护接收链路强信号输入。交叉开关1端口与10dB定向耦合器3端口连接，交叉开关2端口与开关6第一端连接，交叉开关3端口通过负载接地，交叉开关4端口输出接收链路信号。开关6第二端包括4个档位，每个档位分别与一个开关的第二状态位连接，开关处于第二状态位时，天线处于接收模式。开关5和开关6可选用单刀四掷开关来实现。
交叉开关配置为1-4/2-3，发射链路和接收链路公用一根天线，系统处于收发一体模式，开关1~开关4均配置为发射模式，开关5用于选择处于工作状态的天线。如图5所示，通过开关5选择天线1作为收发天线。天线1作为发射天线时，从零中频收发系统输出的发射信号经10db定向耦合器、开关5、开关1后由天线1发出，一部分载波信号从10db定向耦合器的4端口流向载波抑制单元；天线1接收到的接收链路信号经开关1、开关5进入10db定向耦合器，其中干扰信号（包括标签返回信号、载波泄漏信号、天线反射信号以及空间反射信号）从3端口流出，经交叉开关1、4端口流入功率合成单元。图5中实曲线表示发射信号的走向，虚曲线表示接收链路信号的走向。
交叉开关配置为1-3/2-4，发射链路和接收链路均采用独立天线，如图6所示，开关1~开关4根据各天线类型配置为发射或者接收模式，开关5用于选择用做发射信号的天线，开关6用于选择用做接收信号的天线，系统处于收发分离模式。采样1~采样4用于实时监控各接收模式天线接收的空间反射信号强度（即空间辐射功率），载波抑制单元根据空间辐射功率预设对应的数控衰减器3和自动增益控制器参数，配合采样5~采样7，实现快速动态响应效果。采样5用于检测功率合成单元输入功率。采样6用于检测功率合成单元输出功率。采样7检测载波抑制单元输出信号功率大小。采样8用于检测功率放大器输出功率。载波抑制单元从10dB定向耦合器4端口获取原始载波信号，进行功率调整和相位调整后，与接收链路信号一起经功率合成单元合成后与零中频收发系统接收端连接。
如图7所示，载波抑制单元包括依次连接的功率调节单元和相位调节单元，功率调节单元用于将原始载波信号的功率大小调整为与接收链路信号中的干扰信号的功率大小一致，相位调节单元将原始载波信号的相位调整为与干扰信号的相位相反。
具体地，载波抑制单元结构如图8所示，功率调节单元从信号分离单元即10dB定向耦合器4端口获取原始载波信号。功率调节单元包括数控衰减器和自动增益控制器，数控衰减器3和自动增益控制器用于调整输出功率大小，在自适应配置模式，可通过调用工作模式表内数据快速完成功率调整。相位调节单元包括由180°电桥、90°电桥1、90°电桥2以及第三选择开关组成的0°、90°、180°、270°相位调节电路和由3dB 90°耦合器、压控电容C1以及压控电容C2组成的移相器，C1、C2受FPGA主控单元系统控制，移相器配合相位调节电路形成4个90°扇区，4次调整检测后确定相位调整所在扇区，再通过移相器寻找最佳相位调整位置。
具体地，90°电桥1、90°电桥2、180°电桥、开关7构成0°、90°、180°、270°相位调整电路，其中射频线L21、L22之间需保持等长，射频线L41、L42、L43、L44之间需保持等长。假设L41链路为0°相位信号，则L42链路延迟90°，L43链路延迟180°，L44链路延迟270°。3dB 90°耦合器、压控电容C1、压控电容C2组成0°~ 95°移相器，L41链路配合移相器实现0°~ 90°相位调节。L42链路配合移相器实现90°~ 180°相位调节。L43链路配合移相器实现180°~ 270°相位调节。L44链路配合移相器实现270°~ 360°相位调节，移相步径2°~ 3.5°。移相器先调整到0°位置，配合开关7和L41链路、L42链路、L43链路、L44链路形成4个90°扇区，4次调整检测后确定相位调整所在扇区，再通过移相器寻找最佳相位调整位置，最多再经过6次调整可找到最佳相位。原始载波信号经过载波抑制单元功率调整、相位调整处理后，通过功率合成单元与接收链路信号混合，削弱接收链路信号中的干扰信号。通过对比采样6和采样5，可检测干扰信号的削弱程度，本发明载波抑制单元的特点是快速动态响应，不追求完全消除载波，当采样6检测到干扰信号已削弱到不影响接收系统灵敏度时，即停止载波抑制单元相位调整。
因为移相步径2°~3.5°的存在，载波抑制单元输出信号存在最大1°~ 1.75°的相位误差。接收链路的干扰信号用Acos (ωt+θ0)表示，载波抑制单元输出信号用Bcos (ωt+θ0+(180°+Δθ))表示，A表示干扰信号振幅，B表示载波抑制单元输出信号振幅，ω表示相速度，θ0表示干扰信号初始相位，Δθ表示载波抑制单元输出信号相位误差。通过功率合成单元后的信号可表示为：
Acos (ωt+θ0) + Bcos (ωt+θ0+(180°+Δθ))
= Acos (ωt+θ0) - Bcos (ωt+θ0+Δθ)
通过数控衰减器3和自动增益控制器调整，采样5、采样7功率检测，振幅B可调整到与振幅A相近，所以上述公式可以进一步化简为：
Acos (ωt+θ0) - Bcos (ωt+θ0+Δθ)
≈A*-2sin(ωt+θ0+Δθ/2)*sin(-Δθ/2)
＝Asin(ωt+θ0+Δθ/2) *2 sin(Δθ/2)
载波抑制效果为：-20lg |2 sin(Δθ/2)|。
在本发明载波抑制单元中最大相位误差为1°~ 1.75°，因此载波抑制效果为：
- 20lg | 2 sin(1.75°/ 2) |~-20lg | 2 sin(1°/ 2) |
即：30.3dB~35.2dB
受限于器件精度和功率调整误差的原因，经过实测，本发明的载波抑制单元在超高频RFID频段内载波抑制效果为27dB~32dB。
参见图9：本发明专利载波抑制效果实测图，对922.5MHz载波可达到31dB抑制效果。
实施例二：
超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统的自适应配置方法，适用于的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，包括：
S10、安装读写系统和天线，模拟实际应用场景在待盘点位置放置标签。其中，标签放置的数量需超过实际应用场景的极限数量。
S20、开启超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，设置场景需求，其中，场景需求包括要盘点到的标签数量、次数以及最小RSSI。
S30、配置收发模式，开始盘点。本实施例中，共包括16种收发模式，模式1~4为收发一体模式，分别对应天线1~4作为工作天线，模式5~16为收发分离模式，分别对应以天线1作为发射天线，天线2/3/4作为接收天线，以天线2作为发射天线，天线1/3/4作为接收天线，以天线3作为发射天线，天线1/2/4作为接收天线，以天线4作为发射天线，天线1/2/3作为接收天线这12种情况。
S40、当系统处于收发一体模式时，缓存盘点数据后进入下一收发模式；当系统处于收发分离模式时；判断接收链路信号是否触发限幅器保护，若是，则反馈并跳过当前收发模式，进入下一收发模式；否则，则缓存盘点数据后进入下一收发模式；。其中盘点数据包括获取到的标签个数、次数、RSSI值、采样1~采样5数据。
S50、直至所有的收发模式均已轮询完毕，获取盘点数据。
S60、判断所获取的盘点数据是否满足场景需求，若均不满足场景需求，则重新调整天线安装位置，跳转至S40继续执行；若有满足场景需求的数据或数据组合，则按照盘点效果排序，生成工作模式表。其中，工作模式表可以是一种收发模式，也可以是几种收发模式组合的形式。
S70、根据各天线的空间辐射功率和功率合成单元的输入功率，预设功率调节单元的增益参数，将采样数据和增益参数保存进工作模式表中，完成自适应配置。
以上显示和描述了本发明专利的基本原理、主要特征和本发明专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明专利不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明专利范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，包括：
n根天线，其中n≥2；
零中频收发系统，用于发出射频信号、接收标签信号；
模式选择单元，用于设置系统工作模式，工作模式包括发射链路和接收链路共用一根天线的收发一体模式，和发射链路和接收链路均采用独立天线的收发分离模式；
切换开关单元，用于选择当前工作模式下处于对应工作状态的天线；
当系统处于收发一体模式时，信号分离单元用于分离出所述射频信号中的载波信号、发射信号和接收链路信号，所述接收链路信号包括标签信号和干扰信号；当系统处于收发分离模式时，信号分离单元用于分离出所述射频信号中的载波信号和发射信号；
载波抑制单元，用于处理所述载波信号，生成载波抑制信号；
功率合成单元，用于将所述载波抑制信号和干扰信号进行功率和相位对冲，提取所述标签信号传输至零中频收发系统；
所述载波抑制单元包括依次连接的功率调节单元、相位调节单元，所述功率调节单元用于将所述载波信号的功率大小调整为与干扰信号功率大小一致，所述相位调节单元将所述载波信号的相位调整为与干扰信号相位相反；
所述相位调节单元包括由180°电桥、90°电桥1、90°电桥2以及第三选择开关组成的0°、90°、180°、270°相位调节电路和由3dB 90°耦合器、压控电容C1以及压控电容C2组成的移相器，所述移相器配合相位调节电路形成4个90°扇区，4次调整检测后确定相位调整所在扇区，再通过移相器寻找最佳相位调整位置。
2.根据权利要求1所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，
所述切换开关单元包括第一选择开关、第二选择开关以及用于控制n根天线的n个开关；
当系统处于收发一体模式时，所述第一选择开关用于选择处于接收状态的天线；
当系统处于收发分离模式时，所述第一选择开关用于选择发射射频信号的天线，第二选择开关用于选择作为接收天线的天线。
3.根据权利要求1所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，所述信号分离单元为10dB定向耦合器。
4.根据权利要求1所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，所述信号分离单元包括环形器和载波信号获取单元。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，所述功率合成单元和接收天线之间有限幅器。
6.超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统的自适应配置方法，适用于权利要求5所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，其特征在于，包括：
S10、安装所述读写系统和天线，模拟实际应用场景在待盘点位置放置标签；
S20、开启超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统，设置场景需求；
S30、配置收发模式，开始盘点；所述收发模式包括多种收发一体模式和多种收发分离模式；
S40、当系统处于收发一体模式时，缓存盘点数据后进入下一收发模式；当系统处于收发分离模式时；判断接收链路信号是否触发限幅器保护，若是，则反馈并跳过当前收发模式，进入下一收发模式；否则，则缓存盘点数据后进入下一收发模式；
S50、直至所有的收发模式均已轮询完毕，获取盘点数据；
S60、判断所获取的盘点数据是否满足场景需求，若均不满足场景需求，则重新调整天线安装位置，跳转至S40继续执行；若有满足场景需求的数据或数据组合，则按照盘点效果排序，生成工作模式表；
S70、根据各天线的空间辐射功率和功率合成单元的输入功率，预设功率调节单元的增益参数，将所述盘点数据和增益参数保存进工作模式表中，完成自适应配置。
7.根据权利要求6所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统的自适应配置方法，其特征在于，所述场景需求包括要盘点到的标签数量、次数以及最小RSSI。
8.根据权利要求6所述的超高频RFID收发一体与收发分离复用读写系统的自适应配置方法，其特征在于，所述盘点数据包括盘点到的标签数量、次数以及RSSI。
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