一種RFID閱讀器前端載波抑制方法

晏龍波

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 611731）

近年來(lái)RFID發(fā)展迅猛，特別是UHF RFID發(fā)展很快，在我國(guó)應(yīng)用也越來(lái)越廣，例如停車場(chǎng)收費(fèi)，安防，智能交通，移動(dòng)支付等領(lǐng)域。常規(guī)的無(wú)源反向散射式的RFID系統(tǒng)[1]，主要是由RFID閱讀器和無(wú)源標(biāo)簽組成。標(biāo)簽僅僅靠接收到或者感應(yīng)到的電磁能量工作，同時(shí)利用調(diào)節(jié)天線或線圈負(fù)載特性[2]的方法產(chǎn)生信號(hào)，并向閱讀器回傳信息[3]。但是由于標(biāo)簽天線尺寸的限制，使得閱讀器射頻前端接收到的標(biāo)簽反射信號(hào)非常微弱[4]。另一方面，由于閱讀器在接收時(shí)，還要不斷地發(fā)射連續(xù)載波以提供能量給標(biāo)簽，這樣在接收的同時(shí)就會(huì)由于嚴(yán)重的載波泄露，導(dǎo)致射頻接收前端的LNA或者帶有增益的下混頻器的前端飽和，從而嚴(yán)重惡化接收信噪比，導(dǎo)致閱讀器識(shí)別距離下降和解調(diào)誤碼率增加，使整個(gè)閱讀器性能急劇下降。

為了解決這種載波泄露的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]采用了定向耦合器和載波抑制相結(jié)合的辦法，獲得了45 dB的載波抑制的效果。但是這種方法只能抑制相位和幅度穩(wěn)定的載波泄露信號(hào)，對(duì)于由于環(huán)境改變導(dǎo)致的反射干擾信號(hào)就不能抑制。

文獻(xiàn)[6]采用了數(shù)字控制技術(shù)的自適應(yīng)抵消環(huán)路，雖然能抑制背景反射干擾，獲得了42 dB的載波抑制效果，但并沒(méi)有完全抑制載波泄露的主要源頭。所以其抑制效果并不太理想。

文中提出了比較徹底的解決辦法：一般的解決方案只是解決了一個(gè)或者兩個(gè)載波泄露的問(wèn)題，要解決所有的載波泄露至少需要三路抵消，并且對(duì)于因?yàn)樽杩共黄ヅ湓斐傻姆瓷?，抵消不能達(dá)到最終目的（因?yàn)榉瓷湓酱?，發(fā)射的有效功率就越小，標(biāo)簽得到的能量就越?。?，還應(yīng)該考慮到自動(dòng)阻抗匹配的問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)中，采用了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，以達(dá)到更徹底的載波抑制效果。

1 工作原理

載波泄漏主要由3部分組成：

1）由于接放大器輸出端的定向耦合器隔離度度不夠，導(dǎo)致相對(duì)于標(biāo)簽反射信號(hào)大得多的載波泄露到接收端。

2）由于天線與閱讀器射頻前端阻抗不匹配，造成反射的載波直接進(jìn)入到接收端。

3）由于環(huán)境變化，特別是在天線前面有很多障礙物時(shí)，導(dǎo)致障礙物反射的載波直接被天線接收，與有用信號(hào)疊加在一起。

為了解決以上分析的載波泄露問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了如下的載波抵消電路：

閱讀器射頻前端載波抵消電路原理框圖如圖1所示。

原理圖說(shuō)明：

圖1 載波抵消電路原理框架圖Fig.1 The framework of carrier cancellation circuit diagram

射頻收發(fā)前端由發(fā)射鏈路和接收鏈路組成，在一個(gè)閱讀器指令操作周期開(kāi)始后，閱讀器在發(fā)射完指令后，持續(xù)地發(fā)送連續(xù)載波以提供能量給標(biāo)簽。此時(shí)在接收端將會(huì)至少有定向耦合器的泄露載波、天線不匹配引起的反射載波、環(huán)境產(chǎn)生的反射載波、標(biāo)簽返回有用信號(hào)這4種信號(hào)。本電路采用ADI公司的AD8302，該芯片能同時(shí)檢測(cè)從低頻到2.7 GHz的2個(gè)信號(hào)的相位和幅度差。其幅度測(cè)量范圍可達(dá)60 dB，相位測(cè)量范圍可達(dá)180度。當(dāng)從定向耦合器載波輸出的耦合端獲得3路載波信號(hào)，用AD8302檢測(cè)其中3路與接收端返回的信號(hào)相位和幅度差，其輸出信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的AD口，單片機(jī)獲取相位和幅度差以后通過(guò)DA口分別控制3路上的可調(diào)衰減電阻和可調(diào)移相器，改變其幅度和相位，使得其幅度相位分別與泄露的載波幅度相等和相差180度。

對(duì)于3路載波抵消，因?yàn)槭?路泄露的載波混合起來(lái)的矢量信號(hào)，因此同時(shí)測(cè)出3路不通載波的幅度與相位差是極其困難的，但是發(fā)現(xiàn)：

1）由于定向耦合器隔離度不夠，產(chǎn)生的泄露，其泄露的載波相位變化（與所采用的定向耦合器有關(guān)）是基本固定的，其幅度也基本可以依據(jù)定向耦合器的隔離度與PA發(fā)射功率大致確定。

2）由于天線與射頻前端不匹配產(chǎn)生的反射載波，我們也可以大致確定其幅度和相位變化，因?yàn)榉瓷涞妮d波相位變化由定向耦合器輸出端至天線的射頻線長(zhǎng)度決定，而反射載波的幅度大小則由不匹配程度（駐波系數(shù)）決定。

3）最有可能變化的是由于環(huán)境產(chǎn)生的反射載波，這部分載波的幅度和相位變化隨著環(huán)境改變而不斷變化，因此才需要閉環(huán)反饋回路來(lái)不斷調(diào)節(jié)，直到找到一個(gè)比較準(zhǔn)確的值去抵消該路載波。

反饋調(diào)節(jié)：由于存在測(cè)量誤差或者其他原因，做一次測(cè)量并不能完全抵消，因此在抵消后的接收支路上接了一個(gè)功率檢測(cè)芯片，該芯片將檢測(cè)后的值送入單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)這個(gè)值判斷抵消效果，如果不明顯，則繼續(xù)調(diào)節(jié)，直至功率檢測(cè)芯片檢測(cè)出的值很小。

自動(dòng)阻抗匹配調(diào)節(jié)有2種方法：

1）在進(jìn)行載波抵消之前，可以讓閱讀器發(fā)送空載波，此時(shí)在閱讀器接收端用功率檢測(cè)檢測(cè)反射功率，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的值粗調(diào)節(jié)阻抗匹配電路。調(diào)節(jié)后，再檢測(cè)，再調(diào)節(jié)，直至檢測(cè)的功率最小為止。

2）在進(jìn)行載波抵消時(shí)進(jìn)行自動(dòng)阻抗匹配調(diào)節(jié)，但這時(shí)因?yàn)橥瑫r(shí)在進(jìn)行載波抵消，可能在時(shí)間開(kāi)銷上會(huì)增加很多。所以MCU的處理能力要滿足RFID協(xié)議規(guī)定的時(shí)間要求。

常見(jiàn)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 Π型衰減阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Π attenuation impedance matching network

該自動(dòng)阻抗匹配通過(guò)調(diào)節(jié)電阻或者電容電感值實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

常見(jiàn)移相網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 阻容相移網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Impedance and capacitance phase shift network

2）載波抵消軟件流程

主MCU的處理過(guò)程，流程圖如圖4所示。

圖4 載波抵消軟件流程圖Fig.4 Flow chart of carrier cancellation software

從流程圖可以看出，實(shí)現(xiàn)載波抵消的關(guān)鍵在于反饋調(diào)節(jié)，而怎樣設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)的間隔從而快速找到一個(gè)合適的值，實(shí)現(xiàn)最大程度的載波抑制，才是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而反饋調(diào)節(jié)需要滿足RFID通信協(xié)議，也需要MCU有足夠的處理能力。當(dāng)然如果對(duì)整個(gè)RFID閱讀器性能要求不高，就不用每次對(duì)標(biāo)簽的操作都進(jìn)行上述操作，可以在MCU的控制程序中設(shè)定一定的間隔時(shí)間或操作次數(shù)后進(jìn)行。而實(shí)際應(yīng)用環(huán)境也不可能變化很快，所以上述方法可以滿足絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

2 結(jié) 論

筆者針對(duì)RFID閱讀器射頻前端的載波泄露，首先完整分析了產(chǎn)生載波泄露的原因，并分析了以前載波抵消方法的不足之處，然后提出了新的載波抵消的辦法—通過(guò)3路抵消和閉環(huán)反饋回路的辦法。提出的方法是從工程的角度出發(fā)，所以很難進(jìn)行仿真，并且由于實(shí)驗(yàn)條件所限，沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但從工程上是可以實(shí)現(xiàn)的。其中需要注意的是

1）反饋調(diào)節(jié)的算法，算法是否可以快速收斂，以滿足協(xié)議里對(duì)于時(shí)間等的要求。

2）注意AD8302的輸入是有一個(gè)范圍的，所以最好在輸入端加一個(gè)衰減器，再進(jìn)行測(cè)量。

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