CN104335494B - 用于在采用带通调制的电感耦合的rfid系统中产生专用数据信道的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
用于修改传入的射频(RF)信号的电感耦合装置包括电感元件。可变阻抗电路包括电耦合至电感元件的输出。带通Delta‑Sigma耦合至可变阻抗电路并以数字方式控制可变阻抗电路的输出。传入的RF信号在根据可变阻抗电路的输出调节电感元件的耦合阻抗时而被修改。
Description
发明领域
本发明总体上涉及用于在采用带通调制的电感耦合的射频通信网络中产生专用数据传输信道的方法及装置。
背景技术
射频识别(RFID)系统通常用于定位并跟踪包括读取装置和至少一个无线终端或者标签的近场通信网络中的物品。在给定的RFID网络或系统中，将含有载波信号的激励时变电磁射频(RF)波从读取器发送到标签。可利用电感耦合借助于两个电路之间的互感将能量从一个电路(例如导电天线线圈及相关电路)传输到另一个电路。标签中所感应出的电压能够被整流并用于向标签电路供电。RFID网络可包括标签和读取器，其中，标签和读取器利用它们的电感耦合天线(或者天线线圈)间的这种电感耦合来交换信息。为了使信息能够从标签传递到读取器，标签电路会改变负载或者使负载发生变化，该负载在本文中指的是与电感耦合线圈或者元件相关的耦合阻抗。由于互感耦合的原因，读取器能够检测到此改变，借此，标签能修改源自读取器的RF信号以传送编码数据。
图1a描述了现有技术的RFID系统，在该系统中，在相同的频率信道或频谱104上进行从标签101a-c到读取装置103的数据传输。在利用已有的电感耦合技术时，通常处于RFID系统或网络中的多个标签中的每个标签利用修改后的载波信号发送RF信号。因此，来自各标签的修改后的RF信号在与RFID网络中的给定读取装置相关的相同RF频谱内与其它标签的修改后的RF信号重叠。
因此，当多个标签被相同的RFID读取装置激励，同时利用给定频率信道对返回至读取器的它们各自的、重叠的信号进行修改时，在RFID系统中会发生标签冲突。这样，每当在同一RF场中必须同时读取大量标签时，标签冲突问题就会加重。当同时产生的信号发生冲突时，读取器不能区分这些信号。标签冲突会使读取器混淆，产生数据传输错误，并通常会降低RFID系统或网络内的数据吞吐量。
已提出了许多系统来对个体标签进行隔离。例如，在一种专门减少冲突错误的技术中，当读取器意识到已发生标签冲突时，该读取器会发送特殊的“间隙脉冲”信号。当接收到此信号时，各标签会询问随机数计数器以确定发送其数据前要等待的间隔。由于各个标签得到唯一的数字间隔，因此标签会在不同时间发送它们的数据。然而，就数据吞吐率而言，仍然存在对整个RFID系统性能的不利影响。
目前已知的是，通过利用例如相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)这样的信号调制方案来对标签所接收到的信号进行调制并将调制后的信号电感耦合至读取装置，其中标签通过改变状态之间的阻抗匹配来改变其相关的阻抗。然而，当使用这些已知的信号调制方案时，仍然存在由给定频率信道上重叠的修改后的信号导致的标签冲突的不利影响。
此外，在RFID网络的读取装置环境下，尤为相关的是读取装置中DC偏移量的影响以及读取器的相位噪声的影响。
在电感耦合的RFID系统中，基础线圈(underlying coils)由它们的物理尺寸和结构确定。已熟知的是，等效的变压器能替代两个线圈的耦合系统。这两个线圈之间的关系由磁场(B)和基础值(underlying value)给出，以表示此关系即为互感(M)和/或耦合因子(k)。
图1b示出了现有技术的电感耦合的RFID系统。适用的毕奥-萨伐尔Biot-Savart关系式为：
这使得每点处磁场的计算为电流i1和几何量的函数。在式(1)中，μ0表示磁导率，x代表距离，S表示沿线圈的积分路径。
除此之外，互感和耦合因子通过下式给定：
这里，A2表示第二线圈的面积，而L1和L2表示两个线圈的电感。读取器的线圈与应答器的线圈之间的距离也可确定耦合因子。
仍然参照图1b，如读取装置所视为的阻抗为：
Zin＝ω2M2[Y1+Y2]
其中ω为以rads/s为单位的工作频率，M为互感，Y1+Y2为在标签装置内的导纳。这里，L1和L2分别与电容C1和C2产生共振。调制Y1+Y2导纳以将信息传回读取器。可经由幅度(ASK)或相位(PSK)调制Y1+Y2。也能利用多相位PSK和多幅值ASK调制Y1+Y2，但是这会造成针对L1C1和L2C2的共振Q的问题。
调制导纳Y1+Y2使得大多数频域数据接近DC。由于必须要从可能由读取器本身产生的DC偏移量中区分出真实信号，因此会产生针对读取装置的问题；例如，读取器的工作频率泄露回到自身从而产生DC，或者读取器中使用的振荡器的相位噪声(不期望地)叠加在调制后的信号上。
发明内容
本发明提供了一种用于修改传入的射频(RF)信号的电感耦合装置。该电感耦合装置包括电感线圈或者元件、具有电耦合至电感元件的输出的可变阻抗电路以及至少一个带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器，该调制器耦合至可变阻抗电路并数字式控制可变阻抗电路的输出，其中，根据基于可变阻抗电路的输出进行调节的电感元件的耦合阻抗特征来修改传入的RF信号。
在一个实施例中，至少一个带通Delta-Sigma调制器的输出在两个状态间切换可变阻抗电路的输出以调节耦合阻抗Z。
在另一实施例中，施加至带通Delta-Sigma调制器的输入信号由将传入的射频信号偏移+/-ω0的复合调制信号其中之一组成。
复合调制信号可由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中的任意信号组成。
在电感耦合的装置的实施例中，带通Delta-Sigma调制器的输出为归零(RTZ)和非归零(NRZ)类信号中的一个信号。
在一个实施例中，电感耦合装置可包括IQ上变频调制器，其中根据输入至带通Delta-Sigma调制器的同相-正交(IQ)上变频信号产生数字式受控的输出。
在又一实施例中，提供给IQ上变频模块的输入数据由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中的一个信号组成。
电感耦合装置可包括电磁耦合至射频识别(RFID)系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中基于标签终端内置的时钟电路来从IQ上变频调制器中产生数据。
在另一个实施例中，基于利用读取装置的被M分频后的载波信号频率frf的时钟电路来从IQ上变频调制器中产生数据，其中M表示正数值。
在一个实施例中，可基于标签终端内置的时钟电路对IQ上变频调制器进行计时。
在另一个实施例中，可基于利用读取装置的被N分频后的载波信号频率frf的时钟电路对IQ上变频调制器进行计时，其中N表示正数值。
在电感耦合装置的另一实施例中，电感元件包括标签终端的部分，标签终端电磁耦合至射频识别(RFID)系统中的读取装置，RFID系统包括利用在标签终端内的时钟电路对带通Delta-Sigma调制器进行计时。
在备选的实施例中，利用基于传入的被L分频后的RF信号频率产生的时钟电路对带通Delta-Sigma调制器进行计时，其中L表示正数值。
附图说明
现在将仅参照下列附图示例性地描述本发明，其中：
图1a示出了现有技术的电感耦合的RFID网络，在该系统中，在相同的频率信道中进行从标签到读取器的数据传输；
图1b示出了现有技术的电感耦合的RFID系统的代表模型；
图2示出了一个实施例中的采用带通调制的的装置，其用于产生耦合至电感元件的可变阻抗；
图3示出了一个实施例中的用于产生偏移了数字信号源(例如直接数字式频率合成器)的频率的IQ信号的装置；
图4示出了一个实施例中的利用带通调制的用于产生偏移了数字信号源(例如是直接数字式频率合成器)的频率的正交频分复用(OFDM)信号的装置；
图5示出了RFID系统的实施例，在该系统中，经由标签和读取器之间的电感耦合的数据传输可利用带通调制在专用频率信道上进行；
图6a示出了一个实施例中的用于产生QAM信号的电感耦合的带通调制器装置；
图6b示出了一个实施例中的用于实现利用带通调制产生64QAM数据的系统的过程；
图6c示出了图6a的64QAM系统装置的具有信噪比13dB的输出的星座示意图；以及
图6d示出了图6a的64QAM系统装置的具有信噪比22dB的输出的星座示意图。
具体实施方式
本文使用的术语调制指的是射频识别(RFID)无线终端或标签改变读取器电感耦合装置的载波射频(RF)信号以对信息进行编码和传递的过程。例如，在相位调制中，将从读取装置传输到标签的数据编码到由RFID读取装置发出的载波的相位变化中。
图2示出了一个实施例中的如射频识别(RFID)通信网络的无线通信系统的电感耦合装置200，该RFID通信网络可以为无源或半无源式的，其用于在电感元件203上产生可变(或者调制)阻抗205以修改例如来自RFID网络的读取装置的传入的射频(RF)信号。可作为RFID通信网络的标签终端的一部分的电感元件203根据其时变的负载或者阻抗的特征ZL(t)来修改传入的RF信号。这里，将数字波形207应用于单比特带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器202。应用单比特带通ΔΣ调制器202的输出以控制可变阻抗205的至少两个状态。
图3示出了一个实施例中的用于产生偏移了数字信号源的频率的同相-正交(IQ)信号(308,309)的装置300，其中在一个实施例中数字信号源可以是直接数字式频率合成器(DDS)307。至混频器的IQ信号(308,309)由DDS307产生。可应用带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器302来产生复合调制信号。如本文所述，带通Delta-Sigma调制器产生代表下述输入数据的输出比特流，该输入数据接近带通Delta-Sigma调制器的采样频率(表示为fs)被4分频后的频率。高于或低于fs/4时，带通Delta-Sigma调制器的量化噪声会一直增加，直到在某设计截止点处该信号被认为具有过多的量化噪声为止。
仍然参照图3，至混频器的IQ信号可由直接数字式频率合成器(DDS)307或者时钟在fs/4处进行上变频。然后将上变频后的输出信号施加给带通Delta-Sigma调制器302。在采样频率fs上应用带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器302以产生复合调制信号。如本文所述，带通Delta-Sigma调制器产生代表从fs/4-BW/2到fs/4+BW/2范围内的输入信号的输出比特流，其中fs代表带通Delta-Sigma调制器的采样频率，BW代表设计带通Delta-Sigma调制器的预定带宽。标签装置的电感元件的复合IQ信号在frf+/-fs/4左右，其中frf为RFID网络中读取装置的频率。由于输出比特流相对于读取装置信号的频率偏移了fs/4，因此这既减少了读取装置中DC偏移量的影响，也减少了读取装置的相位噪声的影响。
在此情形下，可采用任何类型的复合调制，其中包括高斯最小频移键控(GMSK)、多相相移键控(nPSK)、正交相移键控(QPSK)、多相正交幅度调制(nQAM)以及OFDM信号，其中，n表示整数，施加至带通Delta-Sigma调制器的输入信号由将读取装置的传入的射频信号偏移了+/-ω0的复合调制信号组成，其中ω0表示相对于传入的RF信号所偏移的频率。
在一个实施例中，电感耦合装置可包括电磁耦合至RFID网络或系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中可基于读取装置的被L分频后的载波信号频率frf来驱动带通Delta-Sigma调制器的计时，其中L表示正数值。
在另一个实施例中，电感耦合装置可包括电磁耦合至RFID网络或系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中由标签终端内置的时钟电路来驱动产生来自IQ上变频调制器的数据。
备选地，电感耦合装置可包括电磁耦合至RFID网络或系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中由基于读取装置的载波信号频率frf被M分频后的频率的时钟电路来驱动产生来自IQ上变频调制器的数据，其中M表示正数值。
在一个实施例中，带通Delta-Sigma调制器302的输出可以为归零值(RTZ)，因此，如果数据为1101101，则输出为10100010100010；注意在各比特位之间有0。在备选实施例中，带通Delta-Sigma调制器302的输出可以为非归零(NRZ)类信号；例如，如果数据为1101101，则输出为1101101，且不对数据流进行任何添加。
在一实施例中，在可变阻抗电路中会存在一个或多个滤波器以滤除来自带通Delta-Sigma调制器302的带噪输出。
图4示出了一个实施例中的针对Z-ΔΣ方案的、用于产生偏移了数字信号源(例如DDS407)的频率的正交频分复用(OFDM)信号的装置400。由直接数字式频率合成器(DDS)407或者时钟将至混频器的输入信号上变频至fs/4。然后将输出信号施加给带通Delta-Sigma调制器402。在采样频率fs上应用带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器402以产生复合调制信号。
图5示出了RFID通信网络500的实施例，其中通过产生针对RFID通信网络500中所使用的各个标签501a-c的不同频率信道505,506,507，利用针对带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制的复合调制装置和方法在专用频率信道上进行从标签到读取器的数据传输。这里，针对耦合阻抗的带通Delta-Sigma(ΔΣ)调制的复合调制方法和装置是指并表示为“Z-ΔΣ方案”。各个标签终端501a-c中的电感元件503a-c根据电感元件503a-c的耦合阻抗特征Z来修改例如来自读取装置502的传入的射频信号。可变阻抗电路(在图5中未示出)具有电连接至电感元件503a-c的输出。带通Delta-Sigma调制器耦合至可变阻抗电路的输入，以数字式控制该可变阻抗电路的输出，使得可通过改变该可变阻抗电路的输出来调节电感元件503a-c的耦合阻抗Z。
图6a示出了在一个实施例中用于产生正交调幅(QAM)信号的电感耦合的Z-ΔΣ装置600a。将输入数据比特施加到查找表(LUT)601以产生I和Q信号608,609。然后将I和Q信号608,609上变频至fs/4后，再施加给在fs上进行采样的带通Delta-Sigma调制器502。
图6b示出了在一个实施例中用于实现产生64QAM数据的系统的过程600B。在步骤611中，采用步骤610中传入的IQ数据来产生64QAM数据。然后，在步骤612中对数据进行上采样，并在步骤613中将该数据上变频至fs/4。随后，在步骤614中将四阶带通Delta-Sigma调制器应用于该信号，以调制RFID系统的标签装置的电感元件603的耦合阻抗。然后，输出可由RFID系统的读取器进行解调，并可绘制出针对不同等级的信噪比(SNR)的附带的输出星座图。
图6c示出了具有信噪为13dB的64QAM系统装置的输出的星座示意图。
图6d示出了具有信噪比22dB的64QAM系统装置的输出的星座示意图。
图6c和6d的星座图示出了通过应用包括带通Delta-Sigma调制器的Z-ΔΣ方案产生的64QAM调制。星座图是通过获取来自标签装置的电感元件的输出(即带通Delta-Sigma调制器所要驱动的)、然后经由读取装置将其传递的方式而产生的。读取装置利用该读取装置的载波信号RF频率进行下变频，经由模数转换器(ADC)将数据数字化，然后对数据进行下采样并将经由数字滤波器来传递，最后解调该IQ数据。图6c和6d所示的星座点表示解调后的数据。
针对由无线标签终端所利用的、例如用于驱动带通Delta-Sigma调制器的计时功能而言，该计时功能的产生可以由标签读取器中的时钟电路来提供，或者基于由RFID网络的读取装置所提供的传入的RF信号的频率的时钟电路发生器来提供。
例如，在利用来自读取器的信号来启用时钟功能的实例中，如果读取器处于frf处，则标签使用的时钟将为frf，或者某频率frf/N，其中N为某整数；即frf被N分频以产生时钟功能。
虽然本文针对无源和半无源RFID通信网络对本发明优选的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员可以想到，也确实能理解的是，本文中提出的方案还可应用于无线通信的其它方面。因此，本领域普通技术人员应当理解本文所描述的具体实施例仅是说明性的而不一定是全面的。在不脱离如权利要求所限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员能够做出这些或其它多种修改。
Claims (16)
1.一种用于修改传入的射频RF信号的电感耦合装置，其包括：
电感元件；
可变阻抗电路，其具有电耦合至所述电感元件的输出；以及
至少一个带通Delta-SigmaΔΣ调制器，其耦合至所述可变阻抗电路并数字式控制所述可变阻抗电路的输出；
其中当根据所述可变阻抗电路的输出调节所述电感元件的耦合阻抗Z时，修改传入的射频信号。
2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其中，至少一个带通Delta-Sigma调制器的输出在至少两个状态之间切换所述可变阻抗电路的输出，以调节所述耦合阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的电感耦合装置，其中，施加给所述带通Delta-Sigma调制器的输入信号包括将传入的射频信号偏移+/-ω0的复合调制信号，其中，ω0表示相对于传入RF信号所偏移的频率。
4.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其中，所述复合调制信号由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中之一组成。
5.根据权利要求1或2所述的电感耦合装置，其中所述带通Delta-Sigma调制器的输出为归零RTZ和非归零NRZ类信号中的一种信号。
6.根据权利要求1或2所述的电感耦合装置，其包括IQ上变频调制器，其中由输入至所述带通Delta-Sigma调制器的同相-正交IQ上变频信号来产生数字式受控的输出。
7.根据权利要求6所述的电感耦合装置，其中，所述IQ上变频调制器将数据上变频至fs的4分频，其中fs为带通Delta-Sigma调制器的采样频率。
8.根据权利要求6所述的电感耦合装置，其中，提供至所述IQ上变频模块的输入数据由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号格式中之一组成。
9.根据权利要求1或2所述的电感耦合装置，其还包括所述可变阻抗电路处的至少一个滤波装置，以滤除来自带通Delta-Sigma调制器的带噪输出。
10.根据权利要求6所述的电感耦合装置，所述电感耦合装置包括电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中基于标签终端内置的时钟电路产生来自IQ上变频调制器的数据。
11.根据权利要求6所述的电感耦合装置，所述电感耦合装置包括电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置的标签终端的一部分，所述读取装置提供具有载波信号频率的传入的RF信号，其中基于采用M分频后的载波信号频率frf的时钟电路产生来自IQ上变频调制器的数据，其中M表示正数值。
12.根据权利要求6所述的电感耦合装置，所述电感耦合装置包括电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置的标签终端的一部分，其中基于标签终端内置的时钟电路对IQ上变频调制器进行计时。
13.根据权利要求6所述的电感耦合装置，所述电感耦合装置包括电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置的标签终端的一部分，所述读取装置提供具有载波信号频率的传入的RF信号，其中基于采用N分频后的所述载波信号频率frf的时钟电路对IQ上变频调制器进行计时，其中N表示正数值。
14.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其中，所述电感元件是标签终端的一部分，所述标签终端电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置，所述RFID系统包括利用在标签终端内的时钟电路对带通Delta-Sigma调制器进行计时。
15.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其中，所述电感元件是标签终端的一部分，所述标签终端电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置，所述读取装置提供具有载波信号频率的传入的RF信号，所述RFID系统包括采用基于L分频后的所述载波信号频率产生的时钟电路来对带通Delta-Sigma调制器进行计时，其中L表示正数值。
16.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其中，所述电感元件是标签终端的一部分，所述标签终端电磁耦合至射频识别RFID系统中的读取装置，所述读取装置提供具有载波信号频率的传入的RF信号，其中所述读取装置利用所述载波信号频率对修改后的RF信号进行下变频，经由模数转换器ADC来将IQ数据数字化，对数字化的IQ数据进行数字滤波，然后解调数字滤波后的IQ数据。
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