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(shù)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(biāo)簽系統(tǒng)中，閱讀器通過(guò)發(fā)送連續(xù)載波來(lái)給電子標(biāo)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(lèi)系統(tǒng)中的閱讀器都存在持續(xù)發(fā)送載波時(shí)的泄露問(wèn)題[3-4]，導(dǎo)致閱讀器的反向靈敏度下降，進(jìn)而影響識(shí)讀距離。其中固定式閱讀器可通過(guò)天線收發(fā)分離設(shè)計(jì)解決泄露問(wèn)題[5]，固定桌面式發(fā)卡器系統(tǒng)需要近距離識(shí)讀，因而可不考慮泄露問(wèn)題，而手持式閱讀器是單天線設(shè)計(jì)，使用單天線引起的載波泄露問(wèn)題在傳統(tǒng)的國(guó)內(nèi)手持式閱讀器上沒(méi)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(wèn)題，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理

超高頻閱讀器使用TPP對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使用DSB-ASK或者SSB-ASK方式調(diào)制射頻載波，向一個(gè)或者多個(gè)標(biāo)簽發(fā)送命令。命令發(fā)送后，讀寫(xiě)器繼續(xù)發(fā)送未經(jīng)調(diào)制的射頻載波[1，7]，并監(jiān)聽(tīng)來(lái)自標(biāo)簽的響應(yīng)數(shù)據(jù)包。標(biāo)簽從讀寫(xiě)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(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，反向散射調(diào)制射頻載波的幅度和(或)相位。讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間使用半雙工方式進(jìn)行通信。通信時(shí)，讀寫(xiě)器先發(fā)送命令，標(biāo)簽根據(jù)讀寫(xiě)器的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作,需要時(shí)發(fā)送響應(yīng)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(shè)計(jì)[8]見(jiàn)圖1，射頻控制輸入后通過(guò)功放輸出到天線來(lái)發(fā)送載波[9]，發(fā)送載波的一部分會(huì)泄露到正常射頻電路中，從而提高噪聲影響標(biāo)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(guò)-40 dBm，電子標(biāo)簽和手持式閱讀器天線距離不超過(guò)2 m，因此為了提升識(shí)讀距離必須進(jìn)行泄露對(duì)消。

圖2 發(fā)送單音后噪聲

2 泄露對(duì)消設(shè)計(jì)

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

圖3 泄露對(duì)消電路設(shè)計(jì)

對(duì)消電路系統(tǒng)可以表示為：

2.1 泄露對(duì)消硬件設(shè)計(jì)

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

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 泄露對(duì)消算法設(shè)計(jì)

實(shí)際實(shí)現(xiàn)中通過(guò)控制輸出I和Q[15]，采樣I和Q的值，并計(jì)算I^2 + Q^2的值來(lái)判斷是否滿足對(duì)消的要求，本設(shè)計(jì)中設(shè)置閾值為500，低于500，則表示泄露對(duì)消成功。泄露對(duì)消算法選用穩(wěn)定可靠的分層步進(jìn)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(jí)數(shù)和每級(jí)搜索點(diǎn)數(shù)盡量相當(dāng)，這樣搜索的點(diǎn)數(shù)最少；

② 搜索到泄漏最小的點(diǎn)，以此點(diǎn)為新的原點(diǎn)進(jìn)入下一階段搜索；

③ 分階段搜索達(dá)到目標(biāo)精度；

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

⑤ 搜索步進(jìn)最小，減小信號(hào)變化。

分層步進(jìn)搜索算法實(shí)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(jìn)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(gè)點(diǎn)30 μs計(jì)算，則所有點(diǎn)搜索一遍的時(shí)間是83 ms。實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)搜索到第4階段時(shí)，I^2+Q^2值已經(jīng)可以收斂到個(gè)位數(shù)。

3 實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

手持式閱讀器增加硬件泄露對(duì)消電路和軟件泄露對(duì)消算法的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)后通過(guò)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(dá)到805 mV，中間部分是對(duì)消過(guò)程，后半段是對(duì)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(dá)到-60 dBm，閱讀器識(shí)讀標(biāo)簽的距離能超過(guò)8 m。

圖5 示波器抓取波形

結(jié) 語(yǔ)