一種超高頻手持式閱讀器載波泄露的解決方法

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(天津科暢慧通信息技術有限公司 研發(fā)部，天津 300300)

引 言

在800～900 MHz超高頻頻段中，GB/T 29768空口協(xié)議使用了其中的820～825 MHz和920～925 MHz頻段[1]。在GB/T 29768空口協(xié)議的閱讀器和電子標簽系統(tǒng)中，閱讀器通過發(fā)送連續(xù)載波來給電子標簽提供能量[2]。超高頻系統(tǒng)包括固定式閱讀器系統(tǒng)、手持式閱讀器系統(tǒng)、固定桌面式發(fā)卡器系統(tǒng)，這三類系統(tǒng)中的閱讀器都存在持續(xù)發(fā)送載波時的泄露問題[3-4]，導致閱讀器的反向靈敏度下降，進而影響識讀距離。其中固定式閱讀器可通過天線收發(fā)分離設計解決泄露問題[5]，固定桌面式發(fā)卡器系統(tǒng)需要近距離識讀，因而可不考慮泄露問題，而手持式閱讀器是單天線設計，使用單天線引起的載波泄露問題在傳統(tǒng)的國內(nèi)手持式閱讀器上沒有得到很好的解決[6]。本文提出的方案解決了手持式閱讀器載波泄露的問題，并進行了實驗驗證。

1 基本原理

超高頻閱讀器使用TPP對基帶數(shù)據(jù)進行編碼，使用DSB-ASK或者SSB-ASK方式調(diào)制射頻載波，向一個或者多個標簽發(fā)送命令。命令發(fā)送后，讀寫器繼續(xù)發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的射頻載波[1，7]，并監(jiān)聽來自標簽的響應數(shù)據(jù)包。標簽從讀寫器發(fā)送的射頻載波中獲得工作能量，使用FM0或者米勒編碼對基帶數(shù)據(jù)進行編碼，反向散射調(diào)制射頻載波的幅度和(或)相位。讀寫器和標簽之間使用半雙工方式進行通信。通信時，讀寫器先發(fā)送命令，標簽根據(jù)讀寫器的命令執(zhí)行相應的操作,需要時發(fā)送響應數(shù)據(jù)包。

圖1 射頻電路

手持式閱讀器普通的射頻電路設計[8]見圖1，射頻控制輸入后通過功放輸出到天線來發(fā)送載波[9]，發(fā)送載波的一部分會泄露到正常射頻電路中，從而提高噪聲影響標簽的載波調(diào)制[10]。

射頻電路前向功率[11]為30 dBm，發(fā)送單音后的噪聲如圖2所示，噪聲的幅度[12]最大接近于1.4 V，在這種情況下，反向靈敏度不超過-40 dBm，電子標簽和手持式閱讀器天線距離不超過2 m，因此為了提升識讀距離必須進行泄露對消。

圖2 發(fā)送單音后噪聲

2 泄露對消設計

手持式閱讀器單天線為了對消載波泄露，需要在原有的射頻電路設計中增加泄露對消電路。整個對消系統(tǒng)可以簡化為圖3所示，其中R(s)為反向接收的信號，E(s)為合路后的誤差函數(shù)，C(s)為數(shù)字域里經(jīng)過處理運算后的控制信號，F(xiàn)(s)為控制信號[13]。

圖3 泄露對消電路設計

對消電路系統(tǒng)可以表示為：

2.1 泄露對消硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖設計[14]如圖4所示，在射頻電路一側增加耦合電路將反向泄露通過反饋電路傳遞到噪聲采樣電路，以確定下一步的對消控制，設定預估初值對消后耦合到射頻電路，再重復同樣的步驟，以完成最終將泄露的噪聲對消的過程。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 泄露對消算法設計

實際實現(xiàn)中通過控制輸出I和Q[15]，采樣I和Q的值，并計算I^2 + Q^2的值來判斷是否滿足對消的要求，本設計中設置閾值為500，低于500，則表示泄露對消成功。泄露對消算法選用穩(wěn)定可靠的分層步進遍歷搜索算法具體方法如下：

① 每階段搜索空間為(2n-1)×(2n-1)，考慮2的整數(shù)次冪倍數(shù)處理方便，(2n-1)的取值搜索的級數(shù)和每級搜索點數(shù)盡量相當，這樣搜索的點數(shù)最少；

② 搜索到泄漏最小的點，以此點為新的原點進入下一階段搜索；

③ 分階段搜索達到目標精度；

④ 搜索區(qū)域考慮重疊，由于對消控制參數(shù)與對消值的非線性，在上一階段搜索的最小點可能不是離目標點最近的點，因此搜索區(qū)域需要足夠重疊；

⑤ 搜索步進最小，減小信號變化。

分層步進搜索算法實現(xiàn)中，由于I和Q的數(shù)值區(qū)間是 [-999，+999]，因此算法的搜索空間是1999×1999，第1階段選步進值為250，第2到第5階段分別選64、16、4、1：

第1階段{-999,-749,-499,-249,1,251,501,756,999}；

第2階段{-192,-128,-64,0,64,128,192}；

第3階段{-48,-32,-16,0,16,32,48}；

第4階段{-12,-8,-4,0,4,8,12}；

第5階段{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

共搜索7×7×4+9×9=277次，按每個點30 μs計算，則所有點搜索一遍的時間是83 ms。實際測試表明，當搜索到第4階段時，I^2+Q^2值已經(jīng)可以收斂到個位數(shù)。

3 實現(xiàn)驗證

手持式閱讀器增加硬件泄露對消電路和軟件泄露對消算法的設計，實現(xiàn)后通過示波器抓取波形如圖5所示，前半段是發(fā)送單音后的噪聲達到805 mV，中間部分是對消過程，后半段是對消成功后的噪聲288 mV，噪聲減小了517 mV，在這種情況下，反向靈敏度可以達到-60 dBm，閱讀器識讀標簽的距離能超過8 m。

圖5 示波器抓取波形

結 語