CN1741514B - 反向散射询问器接收方法和已调反向散射系统的询问器 - Google Patents

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Abstract

在反向散射询问器接收方法中，将频率为fc的连续载波信号(P1)经由无线链路从询问器(100)发送到标记装置(110)，标记装置(110)利用已调反向散射信号(P2)发射数据到询问器(100)，接收的已调反向散射信号(P2)由询问器(100)解调，以恢复从标记装置(110)发射的数据。按照本发明，询问器(100)估算包含在接收的已调反向散射信号(P2)中的带内干扰信号的相位和振幅，产生具有与估算的带内干扰信号相反的相位和相同的振幅的抵消信号，并将所述抵消信号和所述接收的已调反向散射信号(P2)组合在一起，以减小所述带内干扰信号的影响。此外，提出了两级干扰信号抵消方案。

Description

反向散射询问器接收方法和已调反向散射系统的询问器
技术领域
本发明涉及反向散射询问器的接收方法以及用于已调反向散射系统(MBS)的询问器。
背景技术
已调反向散射系统(MBS)在业界已众所周知，它是最近开发的所谓射频识别(RFID)系统的基础。这些RFID系统用于例如识别和/或跟踪设备、库存、人或动物。RFID系统是无线电通信系统，可以在无线电收发信机(称为询问器)和至少一个所谓标记之间进行通信。在RFID系统中询问器和标记通信，方法是询问器发射未调制的无线电信号，由标记接收、调制并发回到询问器。
图1中示出作为已调反向散射系统的基础的一般概念。和雷达技术领域类似，反向散射通信基于电磁波被物体反射的概念。物体反射电磁波的效率由其雷达截面来描述。与碰撞的波前发生谐振的物体(例如在适当频率下的天线的情况)具有特别大的雷达截面。
在图1所示的通用已调反向散射系统中，信号P1从询问器100的发射电路101发射出来，其中一小部分P1’到达标记110的天线111。
一部分入射功率P1’被标记110的天线111反射并且以功率P2的形式返回。可以通过改变连接到天线111的负载来影响天线111的反射特性。为了把数据从标记111发射到询问器110，在图1的实施例中，将两个不同的负载阻抗值Z和Z’与待发射的数据流合拍地交替地与天线111连接。这样，可以调制从标记110反射的功率P2的幅度，产生已调反向散射信号。
从标记110反射的功率P2又辐射到自由空间，它的一小部分P2’被询问器100的天线103拾取。所以反射信号反向进入询问器100的天线连线，被去耦并发送到询问器100的接收器102，在接收器102中所述信号被解调以便恢复由标记110发射的信息。或者，可以把天线103分为空间上分隔的单独的发射天线和单独的接收天线，这样在询问器100中就不需要去耦器了。
使用反向散射通信会发生的一个问题是出现很强的所谓带内干扰信号。在上述已调反向散射系统中，来自询问器100的发射的射频波形P1的一部分被反馈到询问器接收器102。在此，它与本机振荡器(LO)信号相乘，产生不希望有的基带信号，所述信号与来自询问波形的泄漏功率、询问器100和本机100之间的差分时延等成正比。结果，降低了询问器接收器102的性能并减小了已调反向散射系统的可用范围。
发明内容
所以，本发明的一个目的是通过提供一种用于已调反向散射系统的询问器来解决上述问题，其中询问器的接收器灵敏度性能得到改进。
本发明提出一个新颖的概念来降低称为带内干扰信号的询问RF波形的泄漏效应，可以获得改进的接收器灵敏度。
由于带内干扰信号总是存在于已调反向散射系统中，而且比接收的反向散射信号本身强得多，按照本发明的第一方面，提出了采用锁相环(PLL)原理，以便跟踪强带内干扰信号的相位和振幅，并产生与带内干扰信号振幅相等但具有180°相差的抵消信号。然后将所述产生的抵消信号与接收信号组合，以便实现带内干扰信号抵消，然后再将接收信号转发到下一级，信号最终被解调，以便恢复从标记发射的数据。通过利用这种技术，带内干扰信号的功率电平被显著降低并可获得改进的接收器灵敏度。
按照本发明的第一方面，提出了反向散射询问器接收方法，其中：
-将频率为fc的连续未调制载波信号经由无线链路从询问器发送到一个或多个标记装置，
-标记装置利用已调反向散射信号把数据发射到询问器，所述已调反向散射信号是通过利用或不利用中频fi调制所述接收的载波信号而产生的，以及
-所述询问器将所述接收的已调反向散射信号解调，以便恢复从所述标记装置发射的数据，
其中询问器估算包含在接收的已调反向散射信号中的并具有对应于载波频率的频率fc的带内干扰信号的相位和振幅，
询问器产生具有与估算的带内干扰信号相反的相位和相同的振幅的抵消信号，并组合所述抵消信号和接收的已调反向散射信号，以便减小带内干扰信号的影响。
而且，按照本发明的第一方面，提出了用于已调反向散射系统的询问器，它包括：
-发射装置，用于将频率为fc的连续未调制载波信号发射到标记装置；
-接收装置，用于接收通过对所述载波信号的调制而获得的反向散射信号；
-解调装置，用于恢复从标记装置发射的数据，
其中询问器还包括带内干扰信号的抵消装置，所述抵消装置用于：
a)估算包含于接收的已调反向散射信号中且其频率fc对应于载波频率的带内干扰信号的相位和振幅，
b)产生具有与估算的带内干扰信号相反的相位和相同的振幅的抵消信号，以及
c)组合所述抵消信号和接收的已调反向散射信号，以便减小带内干扰信号的影响。
对于从标记到询问器的长距离反向散射传输(例如大于5米)，带内干扰信号可比接收的已调反向散射信号强60db。此时，通常用于已知的先有技术中的一级带内干扰信号抵消不能够足够有效的抵消带内干扰信号。因此，不能保证良好的接收器灵敏度和大动态范围。
因此按照本发明的第二方面，本发明提出一种改进的接收器结构，所述结构级联两级带内干扰信号抵消方案，以便有效地消除带内干扰信号。具体地说，本发明建议一种改进的超外差接收器，可以利用这种接收器来获得良好的接收器灵敏度。
按照本发明的第二方面，提出了反向散射询问器接收方法，其中：
-将频率为fc的连续未调制载波信号经由无线链路从询问器发射到一个或多个标记装置，
-标记装置利用已调反向散射信号发射数据到询问器，所述已调反向散射信号是通过利用或不利用中频fi调制接收的载波信号而产生的，以及
-询问器解调接收的已调反向散射信号，以便恢复从标记装置发射的数据，
其中在两个连续级中降低了包含于接收的已调反向散射信号中的带内干扰信号的影响。最好将接收的已调反向散射信号下变频到中频f0、在中频f0下对其进行带通滤波并且以一对基带陷波滤波器再次对其进行滤波，以减小带内干状信号的影响。
而且，按照本发明的第二方面，提出了用于已调反向散射系统的询问器，它包括：
-发射装置，用于将频率为fc的连续未调制载波信号发射到标记装置；
-接收装置，用于接收通过调制载波信号而获得的反向散射信号；以及
-解调装置，用于恢复从标记装置发射的数据，
其中询问器还包括两个抵消电路，用两个连续级来降低包含于接收的已调反向散射信号中的带内干扰信号的影响。
附图说明
以下参考附图说明本发明的优选实施例。
图1用示意图说明已调反向散射系统的原理。
图2是说明典型的中频已调反向散射调制方案的曲线图。
图3示出中频MBS信号的典型频谱。
图4示出用于已调反向散射系统的已知的询问器接收器结构。
图5示出按照本发明第一方面的改进的询问器接收器结构。
图6用示意图说明两级带内干扰信号抵消的三种不同可能性，其中单箭头表示实标量信号，双箭头表示具有同相或正交相位分量的复合信号。
图7示出按照本发明第二方面的询问器接收器结构的实施例，其中引入了附加的中频并实现两级带内干扰信号抵消。
具体实施方式
已参阅图1对已调反向散射通信的原理作了说明。为了调制询问器100发射的信号P1，标记110的天线111的负载阻抗在例如代表数据信号”1”和”0”的数值之间改变。从询问器100的观点来看，标记110所反射的询问射频波形的振幅(和/或相位)在这两个数值之间转换。当开关接通时，天线111电等效于单一的半波长天线，反射部分功率；当开关断开时，天线111电等效于两个四分之一波长天线，反射非常少的功率。这种效应对应于调制深度很小的振幅移位键控(ASK)调制。
已调反射信号P2称为MBS信号，该MBS信号和强带内干扰信号一起由询问器100接收。为了减少带内干扰信号以及询问器100的本机振荡器(LO)引入的相位噪声、闪烁噪声和抖动等的影响，MBS信号的频谱应远离所述询问RF载波频率的泄漏(称为带内干扰信号)，可以通过引入中频来实现这一点。各种中频MBS调制方案的实例示于图2中。
图3示出询问器100的天线101接收的中频MBS信号的典型频谱，其中fc是询问载波信号P1的载波频率，而fi是MBS中频。在典型的RFID情况下，带内干扰信号功率高于MBS反射信号功率大约25dB。如果询问器100和本机110之间的距离加长，例如大约5米，那么，反射的MBS信号的功率还要降低约35dB，甚至更多。所以，带内干扰信号功率可以高于MBS信号功率大约60dB。
在询问器100中，带内干扰信号将与本机振荡信号相乘，产生不希望有的基带噪声。这种噪声的一部分与MBS信号的频谱重叠，所述部分基带噪声与带内干扰信号的功率电平、询问器100和本机110之间的往返行程时延等成正比。如果噪声电平接近于MBS信号的电平，反射的MBA信号就不能被解调，可靠的数据传输就不能得到保证。
现在，本发明提供一种改进的询问器接收器结构，它可以通过减小带内干扰信号效应来扩展传统的已调反向散射系统的工作范围。
按照本发明建议的接收器结构基于已知的接收器结构，示于图4。所述已知结构组合了直接下变频体系结构和低中频(IF)体系结构的优点。在说明本发明的改进之前，将图4的已知接收器结构的功能简短地概述如下。
在这种已知的接收器结构中，天线2接收的MBS信号首先通过预选滤波器3，以便去除带外信号能量并部分地抑制图像信号。通过所述滤波器后，信号由低噪声放大器(LNA)4放大。
所述信号由两个正交混频器5a和5b混频并下变频到中频，产生下变频信号的实部和虚部，即，所谓同相分量(接收器结构的上部)和正交相位分量(下部)。
两种信号分量通过两个DC陷波滤波器6a、6b到达两个自动增益控制器(AGC)7a、7b，后者将放大的信号分量发送到低通滤波器8a、8b，再到放大器9a、9b。由放大器9a、9b放大的信号分量由两个模拟/数字变换器(A/D)10a、10b变换，并再次在包括四个混频器11a到11d以及两个加法器11e和11f的复合混频配置11中进行复合混频。最后，信号再次通过两个基带选择滤波器12a和12b并由数字信号处理器13解调。
图4所示的接收器结构在J.Crols和M.S.J.Steyaert的”Low-IFTopologies for High-Performance Analogue Front Ends of FullyInterrogated Receivers”以及Shariar Mirabbasi和Ken Martin的”Classical and Modern Receiver Architecture”中已有说明。这种接收器拓扑是已知的外差和零差接收器结构的组合。有关接收器结构各组成的详细功能的进一步信息，请参阅上述两篇出版物。
本发明的第一方面对已知接收器结构作了进一步的发展，如图5所示。具体地说，本发明的第一方面涉及图中的阴影部分，它位于低噪声放大器(LNA)4和由两个变频器5a和5b组成的第一下变频级之间，用来在信号进入下一级之前降低带内干扰的功率，类似于已经从图4了解的情况。
阴影部分提供了带内干扰信号预抵消结构20，用于显著降低带内干扰信号的功率。预抵消结构20的元件首先是跟踪装置21和功率估算装置22，用于估算从低噪声放大器4接收的信号中包含的带内干扰信号的相位和振幅。根据从跟踪装置21和功率估算装置22获得的信息，由抵消信号发射器23产生抵消信息，所述抵消信号与由低噪声放大器4发送的延迟的MBS信号组合。因此，预抵消结构20还包括用于延迟MBS信号的延迟电路24和组合这两个信号的组合电路25。
两个信号(延迟的MBS信号和抵消信号)组合的结果是，带内干扰信号的功率电平显著地降低，因为抵消信号和原来的带内干扰信号振幅相等但有180°相差。这样，在把接收的MBS信号转发到下一级之前，减小了带内干扰信号的影响因而提高了总体接收器性能。
应当指出，已经以图4已知接收器结构的改进的形式示出带内干扰信号的预抵消。但本发明决不限于所述具体接收器结构，而是可与其它接收器结构一起使用，以便在信号解调开始时就降低带内干扰的影响。
回到图4所示的接收器结构，在所述已知结构中使用的一级带内干扰信号抵消方案很简单且对于传统的RFID系统已足够好，因为所需的接收器灵敏度大约为-70dBm，而带内干扰信号比MBS信号大约强25dB。但已知结构的性能对于支持长距离的MBS传输不够好，长距离的MBS传输要求在存在带内干扰信号时(带内干扰信号可比MBS信号强60dB)，接收器灵敏度要优于-100dBm。
根据本发明的第二方面，提出工作在不同频率的两级带内干扰信号抵消的有效级联，说明如下。
可以将抵消电路理解为滤波器，后者可以或者以传统的超外差结构中的IF SAW(表面声波)带通滤波器的形式或者以传统的零差结构中的一对DC陷波滤波器(用于同相和正交相位分量)的形式来实现。这两种情况各有其优缺点。例如，一对DC陷波滤波器可以降低带内干扰信号，并同时消除了共模噪声，但其动态范围和频道选择性受到影响。另一方面，IF带通滤波器可以降低带内干扰信号，并同时获得良好的动态范围和频道选择性，但却很昂贵，难于集成到芯片设计中，而且不能消除共模噪声。
如果引入两级带内干扰信号抵消方案，那么，可以用不同的方式安排不同的分量，如图6所示：
按照图6a所示的第一种可能性，在第二混频器之后使用两个连续的抵消电路以降低所产生的噪声电平。抵消电路很便宜，因为它们工作在基带或靠近基带。但由于在两个抵消电路之前整个RF链路在强带内干扰信号之下应是线性的，所以采用图6a的结构看来是不现实的。
在图6b所示的第二方案中，两个连续的抵消电路设置在第一混频器之后，此时背景噪声电平仅由一个混频器产生并且部分地与MBS信号的频谱重叠。假定噪声系数应维持不变，所述混频器的设计就难于实现。此外。两个IF SAW带通滤波器更贵，且共模噪声不能被消除。
图6c中示出新颖和更有效的两级抵消电路的级联，其中可以在不增加额外的复杂性的情况下降低噪声电平。在第一下变换混频器之后使用非正交抵消电路，后者比图6a所示的正交抵消电路便宜并且不会发生同相干扰重叠。第二抵消电路使用正交抵消电路(一对DC陷波滤波器)，因为它们工作在基带或靠近基带，比较便宜。这样，可以降低共模噪声。
总之，利用图6c的结构，接收器性能在以下各方面得到改进：
a)可以有效地级联带内干扰信号，因此，可以彻底消除高于60dB的带内干扰信号的影响。于是，可以获得良好的接收器灵敏度。
b)可以实现IF SAW带通滤波器和一对陷波滤波器的优点的组合，即，良好的动态范围、频道选择性和抵消共模噪声的组合。
c)与利用单个IF SAW滤波器的超外差接收器体系结构相比，零件数和成本仅稍有增加。
图7中相同的参考符号表示图4和5的结构中的相同的部件，该图示出上述改进的两级干扰信号抵消接收器体系结构的方框图。插入了附加的中频f0，以实现第一级干扰信号抵消电路和频道选择滤波器。在这一级，最好采用非正交解决方案，因为滤波器不便宜。这样，从低噪声放大器4获得的信号首先在混频器30中与第一混频频率fc-f0混频，然后发送到第一级带内干扰线性抵消滤波器31和放大器32。而第二干扰信号抵消电路是用设置在两个混频器5a、5b输出端的一对DC陷波滤波器33a、33b来实现的，从而采用正交处理既用来降低带内干扰信号又用来抵消共模噪声。
总之，本发明提供一种简单价廉的解决方案来显著地提高用于MBS系统的询问器的接收器灵敏度。因此，可以获得可靠的数据传输并扩展了MBS系统的可用范围。

Claims (10)

1.一种反向散射询问器接收方法，其中：
-将频率为fc的连续载波信号(P1)经由无线链路从询问器(100)发送到标记装置(110)，
-所述标记装置(110)利用已调反向散射信号(P2)发射数据到所述询问器(100)，以及
-所述接收的已调反向散射信号(P2)由所述询问器(100)解调，以便恢复从所述标记装置(110)发射的数据，
其特征在于：
-所述询问器(100)估算包含在所述接收的已调反向散射信号(P2)中的并且频率fc对应于载波频率的带内干扰信号的相位和振幅，
-所述询问器(100)产生具有与所述估算的带内干扰信号相反的相位和相等的振幅的抵消信号，并且组合所述抵消信号和所述接收的已调反向散射信号(P2)，以便减小所述带内干扰信号的影响，
其中所述接收的已调反向散射信号(P2)在与所述抵消信号组合之前被延迟。
2.如权利要求1所述的方法，其中在组合所述抵消信号和所述接收的已调反向散射信号(P2)之前对所述接收的已调反向散射信号(P2)进行预滤波和放大。
3.一种反向散射询问器接收方法，其中：
-将频率为fc的连续载波信号(P1)经由无线链路从询问器(100)发送到标记装置(110)，
-所述标记装置(110)利用已调反向散射信号(P2)发射数据到所述询问器(100)，以及
-所述接收的已调反向散射信号(P2)由所述询问器(100)解调，以恢复从所述标记装置(110)发射的数据，
其特征在于：
在顺序的两个级中降低包含在所述接收的已调反向散射信号(P2)中的带内干扰信号的影响，
其中将所述接收的已调反向散射信号(P2)下变频到中频f0，在所述中频f0附近进行带通滤波，并且在基带中利用一对陷波滤波器再次进行滤波，以便减小所述带内干扰信号的影响。
4.如权利要求3所述的方法，其中在减小所述带内干扰信号的影响之前对所述接收的已调反向散射信号(P2)进行预滤波和放大。
5.一种用于已调反向散射系统的询问器(100)，所述询问器(100)包括：
-发射装置(101)，用于将频率为fc的连续载波信号(P1)发射到标记装置(110)；
-接收装置(102)，用于接收通过调制所述载波信号(P1)而获得的反向散射信号(P2)；
-解调装置，用于恢复从所述标记装置(110)发射的数据，
其中所述询问器(100)还包括带内干扰信号抵消装置(20)，所述带内干扰信号抵消装置(20)用于：
a)估算包含在所述接收的已调反向散射信号(P2)中的且其频率fc对应于载波频率的带内干扰信号的相位和振幅，
b)产生具有与所述估算的带内干扰信号相反的相位和相等的振幅的抵消信号，以及
c)组合所述抵消信号和所述接收的反向散射信号(P2)，以便减小所述带内干扰信号的影响，及
其中所述带内干扰信号抵消装置(20)包括延迟电路(24)，所述延迟电路(24)用于在所述接收的已调反向散射信号(P2)与所述抵消信号组合之前延迟所述接收的已调反向散射信号(P2)。
6.如权利要求5所述的询问器，其中所述带内干扰信号抵消装置(20)包括跟踪装置(21)，用于估算所述带内干扰信号的相位。
7.如权利要求5或6所述的询问器，其中所述带内干扰信号抵消装置(20)包括功率估算装置(22)，用于估算所述带内干扰信号的功率。
8.一种用于已调反向散射系统的询问器(100)，所述询问器(100)包括：
-发射装置(101)，用于将频率为fc的连续载波信号(P1)发射到标记装置(110)；
-接收装置(102)，用于接收通过调制所述载波信号(P1)而获得的反向散射信号(P2)；以及
-解调装置，用于恢复从所述标记装置(110)发射的数据，
其中所述询问器(100)还包括两个抵消电路(31，33a，33b)，用于在顺序的两个级中降低包含在所述接收的已调反向散射信号(P2)中的带内干扰信号的影响，
其中第一抵消电路是带通滤波器(31)，及
其中在所述带通滤波器(31)前面设置混频器(30)，用于将所述接收的已调反向散射信号(P2)下变换到中频f0。
9.如权利要求8所述的询问器，其中第二抵消电路包括一对DC陷波滤波器(33a，33b)。
10.如权利要求9所述的询问器，其中在所述一对DC陷波滤波器(33a，33b)的前面设置包括两个混频器(5a，5b)的正交混频器。
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