TWI533229B

TWI533229B - Ｒｆｉｄ讀取器

Info

Publication number: TWI533229B
Application number: TW103135325A
Authority: TW
Inventors: 張忠平; 劉坤松; 劉嘉展; 莊俊雄
Original assignee: 啟碁科技股份有限公司
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2016-05-11
Also published as: KR20160043502A; US20160104015A1; JP6577309B2; US9520902B2; JP2016082581A; TW201614549A

Description

RFID讀取器

本發明係有關於無線通訊技術，尤指適用於RFID系統之讀取器。

無線射頻辨識(Radio Frequency IDentification，下稱RFID)是一種無線通訊技術，可以通過RFID讀取器發射無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。

現有RFID讀取器多採用定向耦合器(Direction Coupler)隔離訊號傳送端和輸入端，會嚴重的衰減輸入端的信號，導致接收端靈敏度嚴重不足。

因此需要一種讀取器，其可增加接收端靈敏度，同時提供傳送端和輸入端之良好的隔離度。

本發明一實施例揭露了一種讀取器，包括一功率放大器(Power Amplifier)、一低雜訊放大器(Low Noise Amplifier)、一環行器(circulator)、一自動調整匹配電路、以及一控制電路。該功率放大器發出一第一射頻(RF)傳送訊號。該低雜訊放大器傳送對應上述第一RF傳送訊號之一第一RF感應訊號。該環行器耦接於上述功率放大器和低雜訊放大器之間，傳送上述第一RF傳送訊號至一RF連接端進行傳送或由上述RF連接端接收上述第一RF感應訊號。該自動調整匹配電路耦接上述環行器，對上述RF連接端和上述環行器進行阻抗匹配。該控制電路耦接上述自動調整匹配電路，調整上述自動調整匹配電路以對上述RF連接端和上述環行器進行阻抗匹配。

本發明又一實施例更揭露了一種RF讀取器，包括一功率放大器、一低雜訊放大器、一混頻器、一可選濾波器、一環行器、一自動調整匹配電路、以及一控制電路。該功率放大器發出一第一RF傳送訊號。該低雜訊放大器傳送對應上述第一RF傳送訊號之一第一RF感應訊號，其中上述第一RF感應訊號帶有一上標籤訊號以及一下標籤訊號，以及上述第一RF傳送訊號和上述第一RF感應訊號具有一相同的RF頻率。該混頻器耦接上述低雜訊放大器，將上述第一RF感應訊號進行下轉換。該可選濾波器，耦接上述混頻器，對上述下轉換後之上標籤訊號和上述下標籤訊號進行濾波，以及由上述濾波後之上標籤訊號和上述下標籤訊號中選擇較為清晰之一者輸出。該環行器耦接於上述功率放大器和低雜訊放大器之間，傳送上述第一RF傳送訊號至一RF連接端進行傳送或由上述RF連接端接收上述第一RF感應訊號。該自動調整匹配電路耦接上述環行器，對上述RF連接端和上述環行器進行阻抗匹配。該控制電路耦接上述自動調整匹配電路，調整上述自動調整匹配電路以對上述RF連接端和上述環行器進行阻抗匹配。

1‧‧‧RFID系統

10‧‧‧RFID讀取器

100‧‧‧傳收器

102‧‧‧PA

104‧‧‧LNA

105‧‧‧方向耦合器

106‧‧‧天線

12‧‧‧RFID

120‧‧‧被動標籤

122‧‧‧天線

2‧‧‧RFID讀取器

200‧‧‧PA

202‧‧‧環行器

204‧‧‧自動調整匹配電路

206‧‧‧控制電路

208‧‧‧LNA

210‧‧‧混頻器

212‧‧‧可選濾波器212

214‧‧‧ADC

Sctrl‧‧‧控制訊號

Sout、Sout’‧‧‧輸出訊號

Sin、Sin’‧‧‧輸入訊號

LO‧‧‧下轉換時脈

Ssel‧‧‧選擇訊號

Din‧‧‧數位輸出

C‧‧‧載波訊號

BPF1、BPF2‧‧‧帶通濾波器範圍

T_U、T_L‧‧‧較高及較低Tag回傳訊號

S_{up_adj_ch}、S_{lo_adj_ch}‧‧‧較高及較低相鄰通道訊號

f_{up_adi_ch}、f_{lo_adj_ch}‧‧‧較高及較低相鄰通道頻率

第1圖係為本發明實施例中一種RFID系統1的方塊圖。

第2圖係為本發明實施例中一種RFID讀取器2的方塊圖。

第3A和3B圖係為表示第2圖可選濾波器212運作方式的波型圖。

在此必須說明的是，於下揭露內容中所提出之不同實施例或範例，係用以說明本發明所揭示之不同技術特徵，其所描述之特定範例或排列係用以簡化本發明，然非用以限定本發明。此外，在不同實施例或範例中可能重覆使用相同之參考數字與符號，此等重覆使用之參考數字與符號係用以說明本發明所揭示之內容，而非用以表示不同實施例或範例間之關係。

第1圖係為本發明實施例中一種RFID系統1的方塊圖，包括RFID讀取器10以及RFID標籤12。RFID標籤12係為一種沒有內部供電電源的被動式裝置。其內部集成電路通過接收到的電磁波進行驅動。RFID讀取器10首先發出電磁波，當RFID標籤12收到足夠的電磁波能量時，便會向RFID讀取器10發出標籤數據，上述標籤數據包括獨一無二的標籤序列號，或是例如為儲藏量、份額、批號、生產日期這樣的與產品相關的具體資訊，並可更包括預先存在於RFID標籤12 中電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)中的數據。被動式標籤具有價格低廉，無需電源的優點。目前市場的RFID標籤主要是被動式的。

RFID讀取器10包括傳收器100、功率放大器(Power Amplifier，PA)102、低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，LNA)104、方向耦合器105、以及天線106。RFID標籤12包括天線122、以及被動標籤120。

RFID讀取器10透過PA102和天線106傳送電磁波至空氣中，RFID標籤12的天線122接收帶有能量的電磁波進而對應產生RF感應訊號透過天線122回傳至RFID讀取器10。RFID標籤12回傳的RF感應訊號和RFID讀取器10所傳送的電磁波頻率相同，且帶有被動標籤120內儲存的標籤資訊。方向耦合器105雖有在傳送端和接收端之間具有良好的電性絕緣(isolation)，可讓傳送端和接收端能同時動作，但方向耦合器105卻會嚴重的衰減接收端收到的信號。另外，電性絕緣不良的方向耦合器105會引起自我干擾(Self-jamming)和相鄰通道干擾(Adjacent/Co-channel interference)的問題。

RFID讀取器10可由第2圖中的RFID讀取器2實現。第2圖係為本發明實施例中一種RFID讀取器2的方塊圖，包括功率放大器200、環行器(circulator)202、自動調整匹配電路204、控制電路206、低雜訊放大器208、混頻器210、可選濾波器212、以及類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter，ADC)214。

功率放大器200加強輸出訊號Sout之功率，透過環行器202將放大輸出訊號Sout’(第一RF傳送訊號)送至RF連接端。上述RF連接端包括RF繞線、RF開關、RF電纜、線圈或天線等等。放大輸出訊號Sout’係為一種RF傳送訊號，透過線圈或天線在空中傳播，藉以感應和讀取附近一或多個RFID標籤(未圖示)。低雜訊放大器208透過環行器202由上述RF連接端接收對應放大輸出訊號Sout’之RF感應訊號Sin’(第一RF感應訊號)並輸出放大輸入訊號Sin。RF感應訊號Sin’帶有具有RFID標籤資訊的上標籤訊號和下標籤訊號。環行器202耦接於功率放大器200和低雜訊放大器208之間。自動調整匹配電路204耦接環行器202，對上述RF連接端之一阻抗進行匹配。控制電路206耦接上述自動調整匹配電路204，調整自動調整匹配電路204以對上述RF連接端環行器202進行阻抗匹配。

RFID讀取器2採用環行器202從功率放大器200傳送輸出訊號Sout’至RF連接端以及由RF連接端接收輸入訊號Sin’至低雜訊放大器208。由於環行器202具有傳送端和接收端間之良好隔離度，且具有極小的介入損失(insertion loss)，所以能獲得最少的接收路徑損失，進而能有效的提升接收靈敏度(sensitivity)。由於介入損失變小，因此需要自動調整匹配電路204來讓環行器202與前端RF連接端獲得良好的匹配，以降低傳送輸出訊號Sout’時由於部分訊號反射所造成的自我干擾(Self-jamming)訊號。

另外，由於特高頻(Ultra High Frequency，UHF) 頻段的RFID通道採跳頻機制，且前端RF繞線阻抗並不固定，可能會因為印刷電路板(Printed Circuit board，PCB)和元件製程變化、RF電纜更換、或天線更換，而使RF連接端的阻抗有所改變，故不能使用固定的匹配方式。使用具有調整功能的自動調整匹配電路204才能有效降低自我干擾。自動調整匹配電路204包括可調電容、電感和電阻元件。控制電路206可根據放大輸入訊號Sin調整自動調整匹配電路204直到達到最小的自我干擾為止。

在阻抗匹配調整時傳送端的功率放大器200可發送一單音訊號(single tone)，並且低雜訊放大器208的輸出端會相應輸出放大輸入訊號Sin。當阻抗匹配不佳時低雜訊放大器208會收到較多單音訊號的反射訊號，並輸出相應的放大輸入訊號Sin。控制電路206會根據放大輸入訊號Sin的值，使用自動阻抗匹配調整演算法透過控制訊號Sctrl來調整自動調整匹配電路204中的可調電容、電感和電阻元件，以降低放大輸入訊號Sin。控制電路206可藉由複數回合的調整來降低放大輸入訊號Sin及移除環行器202和RF連接端間的電阻失配(mismatch)，藉以大幅降低自我干擾。因此，自動調整匹配電路204和控制電路206搭配環行器202可有效加強靈敏度。

混頻器210從低雜訊放大器208的輸出端接收放大輸入訊號Sin，並透過時脈L將放大輸入訊號Sin下轉換至中頻(Intermediate Frequency，IF)或零頻(Zero Frequency)。下轉換後的RF感應訊號Sin’帶有具有相同RFID標籤資訊的下轉換上標籤訊號和下轉換下標籤訊號。可選濾波器212耦接混頻器210，對下轉換後之上標籤訊號和下標籤訊號進行濾波，以及由濾波後之上標籤訊號和下標籤訊號中選擇較為清晰之一者輸出。類比數位轉換器214耦接混頻器212，將濾波後之上標籤訊號和上述下標籤訊號轉換為數位訊號。一控制器或處理器再根據上述數位轉換後之上標籤訊號和上述下標籤訊號判定何者較為清晰，並選擇較為清晰的標籤訊號進行訊號處理以獲得RFID標籤資訊。第3A和3B圖顯示上標籤訊號和下標籤訊號的選擇方法。

為降低相鄰通道干擾(adjacent channel interference)問題，故採用可選濾波器212來降低相鄰通道干擾，在前面提到，由於複數個RFID讀取器所採用的通道頻段與標籤(Tag)回傳訊號在頻段上相當接近，所以信號干擾的影響相當嚴重。採用傳統單一的濾波器方式不能有效濾除，故提出實施例中的可選濾波器212來減低或濾除相鄰通道干擾。

由於UHF RFID是採用跳頻機制，而同時被左右兩個相鄰通道的RFID讀取器干擾的機率遠低於被單一個相鄰通道的RFID讀取器干擾的機率。請參考第3A和3B圖，其中顯示第2圖可選濾波器212運作方式的波型圖。如第3A和3B圖所示，由於回傳的上標籤訊號T_U和下標籤訊號T_L在頻域上是坐落於載波主頻C左右，再將左右兩個上標籤訊號T_U和下標籤訊號T_L降至中頻後透過可選濾波器212各自濾波，再將濾波結果經類比數位轉換器214數位化經比較後便可選其較清晰的訊號，則可有效降低相鄰通道干擾問題。

如第3A圖，若干擾訊號來自較高頻相鄰通道 S_{up_adj_ch}，則經比較後，數位控制器或處理器會判定較低的下標籤訊號T_L會比較高的上標籤訊號T_U來的清晰，所以會選擇較低的下標籤訊號T_L，即可選濾波器212在載波主頻C左邊以帶通濾波範圍BPF1濾波後的結果。反之，如第3B圖，若干擾訊號來自較低頻相鄰通道S_{lo_adj_ch}，則經比較後，數位控制器或處理器會判定較高的上標籤訊號T_U會比較低的下標籤訊號T_L來的清晰，所以會選擇較高的Tag回傳訊號T，即可選濾波器212在載波主頻C右邊以帶通濾波範圍BPF2濾波後的結果。

實施例中揭示的RFID讀取器在傳送端和接收端間使用環行器傳遞RF訊號，增加接收端靈敏度，同時提供傳送端和輸入端間良好的隔離度。另外，透過自動調整匹配電路和控制電路可對環行器和RF連接端進行阻抗匹配，進而降低或移除自我干擾；透過可選濾波器可由接收到之上標籤訊號和上述濾波後之下標籤訊號中選擇較為清晰之一者輸出，進而降低或移除相鄰通道干擾。

雖然第1、2、3A和3B圖說明的是RFID系統以及RFID讀取器的運作，但本發明不以此為限，熟習此技藝者可知其他的微波單頻收發系統，例如雷射系統，也可以使用實施例所揭示的架構實現。

熟習於本技藝人士可更理解說明書中所述之各個邏輯區塊、模組、處理器、執行裝置、電路和演算法步驟可由電路硬體(例如數位實現硬體、類比實現硬體，或兩者的結合，其可由來源碼或或其他相關技術加以設計實現)，使用指令之各種形式的程式碼或設計碼(這裡可另外稱為軟體或軟體模組)，或上述兩者的結合而加以實現。為了清楚顯示上述軟體和硬體的互換性，說明書描述之各種圖示元件、區塊、模組、電路、及步驟通常以其功能進行描述。這些功能要以軟體或硬體實現會會和完整系統的特定應用和設計限制有關。熟習於本技藝人士可針對每個特定應用而以各種方式實現描述之功能，但是實現方式的決定不會偏離本發明的精神和範圍。

另外，本發明描述之各種邏輯區塊、模組、以及電路可以使用積體電路(Integrated Circuit，IC)實現或由接入終端或存取點執行。積體電路可包括通用處理器、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、特定應用積體電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可程式規劃邏輯元件(Field Programmable Gate Array，FPGA)或其他可程控邏輯元件、離散式邏輯電路或電晶體邏輯閘、離散式硬體元件、電性元件、光學元件、機械元件或用於執行本發明所描述之執行的功能之其任意組合，其可執行積體電路內駐、外部，或兩者皆有的程式碼或程式指令。通用處理器可以為微處理器，或者，該處理器可以為任意商用處理器、控制器、微處理器、或狀態機。處理器也可由計算裝置的結合加以實現，例如DSP和微處理器、複數個微處理器、一或多個微處理器以及DSP核心、或其他各種設定的結合。

熟習於本技藝人士可理解本發明揭露程序步驟的特定順序或序列僅為舉例。根據設計偏好，熟習於本技藝人士可理解只要不偏離本發明的精神和範圍，本發明揭露程序步驟的特定順序或序列可以以其他順序重新排列。本發明實施例之方法和要求所伴隨的各種步驟順序只是舉例，而不限定於本發明揭露程序步驟的特定順序或序列。

所述之方法或演算法步驟可以以硬體或處理器執行軟體模組，或以兩者結合的方式實現。軟體模組(例如包括可執行指令和相關資料)及其他資料可內駐於資料記憶體之內，如RAM記憶體、快閃記憶體、ROM記憶體、EPROM記憶體、EEPROM記憶體、暫存器、硬碟、軟碟、光碟片、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體。資料儲存媒體可耦接至機器，如電腦或處理器(其可稱為“處理器”)，處理器可從儲存媒體讀取及寫入程式碼。資料儲存媒體可整合至處理器。處理器和儲存媒體可內駐ASIC之內。ASIC可內駐在用戶設備。或者處理器和儲存媒體可以以離散元件的形式駐在用戶設備之內。

本發明雖以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。