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        超高頻RFID密集讀寫器臨近信道抑制濾波器設(shè)計(jì)*

        2013-12-30 09:48:40柴永強(qiáng)胡圣波
        電子器件 2013年4期
        關(guān)鍵詞:比雪夫低通濾波器頻響

        柴永強(qiáng),胡圣波,2*

        (1.貴州師范大學(xué)智能信息處理研究所,貴陽(yáng)550001;2.貴州省教育廳射頻識(shí)別與傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心,貴陽(yáng)550001)

        在大規(guī)模密集UHF RFID讀寫器的部署應(yīng)用場(chǎng)所[1],讀寫器與標(biāo)簽之間會(huì)因鄰近信道干擾而發(fā)生通信沖突,從而導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別率降低或者無(wú)法根本讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。因此,在密集讀寫環(huán)境下,鄰近信道干擾引起的碰撞已成為制約密集讀寫環(huán)境下RFID性能的瓶頸之一。

        目前,針對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)主要從減少讀寫器重復(fù)覆蓋區(qū)域方面著手,通過(guò)部署調(diào)整天線位置和讀寫器配置參數(shù)來(lái)規(guī)劃RFID射頻網(wǎng)絡(luò),從而降低沖突提高系統(tǒng)性能,但是部署模型和信道分配算法較為復(fù)雜[2-3]。而國(guó)外主要從空分復(fù)用(SDM)、頻分復(fù)用(FDM)和時(shí)分復(fù)用(TDM)這3個(gè)方面著手來(lái)研究密集讀寫器環(huán)境下RFID讀寫器通信干擾問(wèn)題,并提出了讀寫器“同步”概念和“Listen Before Talk”通信機(jī)制[4-5]。這種基于同步的通信機(jī)制,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所有的讀寫器互聯(lián)起來(lái)并由中央處理單元統(tǒng)一控制,以保證所有讀寫器配置相同并且嚴(yán)格同步,即所有讀寫器在同一時(shí)刻開始“偵聽”,在偵聽周期結(jié)束之后,又開始同步地進(jìn)行“會(huì)話”。中央處理單元給所有RFID讀寫器動(dòng)態(tài)地分配通信子信道,從而使信道的頻譜利用率達(dá)到最優(yōu)。但是這種通信機(jī)制需要額外的“LBT傳感器”硬件支撐和更為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)配置,增加了部署成本和系統(tǒng)開銷。因此,為了降低成本密集部署讀寫器,本文從頻域著手,通過(guò)設(shè)計(jì)一種臨近信道抑制濾波器,研究一種基于臨近信道抑制的密集讀寫方法。本文的組織結(jié)構(gòu)是:第1節(jié)引出臨近信道干擾;第2節(jié)描述EPC C1 G2密集讀寫模式下頻譜規(guī)范;第3節(jié)設(shè)計(jì)密集讀寫濾波器;第4節(jié)性能測(cè)試;最后總結(jié)全文。

        1 密集讀寫器模式下臨近信道干擾

        密集讀寫器模式下臨近信道干擾[6-7]是:在密集讀寫器環(huán)境下RFID讀寫器因鄰近信道信號(hào)頻率重復(fù)覆蓋而發(fā)生通信沖突,并導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別率降低或者無(wú)法讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

        本文中研究的RFID讀寫器干擾碰撞問(wèn)題是指:一臺(tái)RFID讀寫器的查詢信號(hào)對(duì)另一臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信RFID讀寫器的干擾和碰撞,如圖1所示。當(dāng)Reader 1訪問(wèn)標(biāo)簽時(shí),標(biāo)簽會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較弱的應(yīng)答信號(hào),如果此時(shí)在臨近區(qū)域內(nèi)工作的Reader 2產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的查詢信號(hào),那么此查詢信號(hào)會(huì)很容易使標(biāo)簽對(duì)Reader 1產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)產(chǎn)生失真變形,從而導(dǎo)致Reader 1和標(biāo)簽之間不能建立正常的通信鏈路。

        圖1 讀寫器干擾碰撞

        在大規(guī)模密集UHF RFID讀寫器部署應(yīng)用場(chǎng)所,要求RFID讀寫器的射頻信號(hào)能夠覆蓋一個(gè)大面積區(qū)域,需要通過(guò)切實(shí)有效的方法對(duì)多讀寫器進(jìn)行管理控制,將實(shí)時(shí)完整的RFID數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)。但是密集讀寫器模式下臨近信道干擾問(wèn)題,不僅會(huì)降低整個(gè)RFID射頻網(wǎng)絡(luò)的頻帶利用率,還會(huì)引起系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn),從而使RFID系統(tǒng)性能下降。

        2 密集讀寫器模式及其頻譜規(guī)范

        EPC C1 G2是在860 MHz~960 MHz超高頻段內(nèi)進(jìn)行RFID通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。EPC C1 G2定義了兩種讀寫器模式[8]:多讀寫器模式和密集讀寫器模式。多讀寫器模式是指在操作環(huán)境中激活讀寫器的數(shù)量少于可利用通信信道的數(shù)量,而密集讀寫器模式是指在操作環(huán)境中激活讀寫器的數(shù)量多于或等于可利用通信信道的數(shù)量。本文主要討論密集讀寫器模式。

        由于RFID系統(tǒng)采用后向散射通信方式,電子標(biāo)簽需要獲取讀寫器發(fā)送的RF能量,其傳回讀寫器的信號(hào)十分微弱,極易受到干擾。為避免標(biāo)簽碰撞和讀寫器間干擾,EPC C1G2對(duì)RFID系統(tǒng)信道進(jìn)行了劃分,如圖2所示。按照EPC C1G2的信道劃分,當(dāng)某個(gè)讀寫器工作頻帶過(guò)寬,有可能影響其他工作在臨近信道的讀寫器讀寫能力[9-10],文獻(xiàn)[9-10]驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此,為保證密集讀寫工作模式下,避免標(biāo)簽碰撞和讀寫器間干擾,EPC C1G2也規(guī)定了密集讀寫工作模式下讀寫器發(fā)射功率譜的波罩約束,如圖3所示。即信號(hào)在第一臨近信道的功率抑制比要小于-30 dB,在第二臨近信道的功率抑制比要小于-60 dB,Tari表示在PIE編碼中二進(jìn)制數(shù)據(jù)0的參考時(shí)間間隔。

        圖2 信道劃分及臨近信道干擾

        圖3 密集讀寫器模式下的功率譜波罩

        由于世界各地?zé)o線電頻率管制,各國(guó)分配的RFID工作頻段均不相同。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀,2007年工業(yè)和信息化部對(duì)800 MHz~900 MHz頻段射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用做出了規(guī)定[11]:UHF RFID的工作頻段為840 MHz~845 MHz和920 MHz~925 MHz,總帶寬為10 MHz,其有效輻射功率(ERP)分別為2 W和100 mW。信道帶寬為250 kHz,信道中心頻率為fc=840.125+N×0.25(MHz)和fc=920.125+M×0.25(MHz)(N、M為整數(shù),取值為0~19)。鄰近信道功率抑制比:第1信道為-40 dB,第2信道為-60 dB。以跳頻擴(kuò)頻模式工作,每跳頻信道最大駐留時(shí)間為2 s。

        因此,為滿足RFID密集讀寫的需要,避免標(biāo)簽和讀寫器干擾,從頻域角度,研究基于臨近信道抑制的密集讀寫方法十分必要。

        3 密集讀寫濾波器

        為了規(guī)避臨近信道干擾[12-13],可在RFID讀寫器接收端I/Q兩路信號(hào)之后增加密集讀寫濾波器,從而使RFID讀寫器具有更好的信道選擇特性,提高密集讀寫下RFID系統(tǒng)性能。

        3.1 RFID零中頻接收電路

        由于RFID采用后向散射工作原理,因此,不像普通接收機(jī)。RFID讀寫器接收電路可采用I/Q兩路正交零中頻架構(gòu)[14],如圖4所示。采用這種架構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)接受機(jī)本振和標(biāo)簽反向散射信號(hào)同頻,有效地降低了電路復(fù)雜度,并且經(jīng)過(guò)混頻后信號(hào)直接變?yōu)榛鶐盘?hào),為后續(xù)信號(hào)的信道選擇和增益調(diào)制帶來(lái)了極大方便。(2)標(biāo)簽反向散射信號(hào)在零頻處沒(méi)有功率分布,零中頻接收機(jī)的直流失調(diào)問(wèn)題對(duì)標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)沒(méi)有影響,并且不存在鏡頻干擾問(wèn)題[15]。(3)有效地消除零點(diǎn)效應(yīng),當(dāng)I路信號(hào)達(dá)到零點(diǎn)時(shí),Q路信號(hào)剛好處于最大值。

        圖4 零中頻接收機(jī)構(gòu)架

        為抑制臨近信道干擾,可以在I/Q兩路正交零中頻架構(gòu)中增加密集讀寫濾波器,如圖5所示。

        圖5 零中頻接收機(jī)+密集讀寫濾波器構(gòu)架

        3.2 密集讀寫濾波器設(shè)計(jì)

        為了獲得較好的幅頻特性和更為陡峭的過(guò)渡帶,采用多級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)密集讀寫濾波器。為了方便,本文采用4級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式,其中包括2個(gè)低通濾波器和2個(gè)高通濾波器,如圖6所示。

        圖6 DRM Filter框圖

        (1)四階橢圓低通濾波器

        根據(jù)第2節(jié)描述的密集讀寫器模式下的功率譜波罩的約束條件,第1級(jí)采用四階橢圓低通濾波器,其參數(shù)為:通帶頻率為280 kHz,通帶衰減為1 dB,阻帶頻率為600 kHz,阻帶衰減為77.6 dB。采用安捷倫ADS軟件,可設(shè)計(jì)第1級(jí)四階橢圓低通濾波器電路如圖7所示,對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖8所示。

        圖7 四階橢圓低通濾波器電路圖

        圖8 四階橢圓低通濾波器頻響特性曲線

        (2)二階切比雪夫高通濾波器

        第2級(jí)采用二階切比雪夫高通濾波器,在200 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其通帶頻率為200 kHz,通帶衰減為1 dB,阻帶頻率為5 kHz,阻帶衰減為26 dB。采用安捷倫ADS軟件,可設(shè)計(jì)第2級(jí)二階切比雪夫高通濾波器電路如圖9所示,對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖10所示。

        圖9 二階切比雪夫高通濾波器電路圖

        圖10 二階切比雪夫高通濾波器頻響特性曲線

        (3)二階切比雪夫低通濾波器

        第3級(jí)采用二階切比雪夫低通濾波器,在280 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其通帶頻率為280 kHz,通帶衰減為1 dB,阻帶頻率為2.82 MHz,阻帶衰減為30 dB。采用安捷倫ADS軟件,可設(shè)計(jì)第3級(jí)二階切比雪夫低通濾波器電路如圖11所示,對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖12所示。

        圖11 二階切比雪夫低通濾波器電路圖

        圖12 二階切比雪夫低通濾波器頻響特性曲線

        (4)二階切比雪夫高通濾波器

        第4級(jí)仍采用二階切比雪夫高通濾波器,在200 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其電路如圖9所示,對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖10所示。此濾波器在較低連接頻率下進(jìn)行FM0編碼時(shí),可以被重新配置為在5.5 kHz或12 kHz頻點(diǎn)處有3 dB衰減的一階濾波器。

        根據(jù)以上設(shè)計(jì)電路,可得密集讀寫濾波器電路如圖13所示,對(duì)應(yīng)的頻響特性曲線如圖14所示。從圖14可見,濾波器在中心頻率250 kHz處增益最大,為59.2 dB,而在第一臨近信道500 kHz處增益為20.6 dB,比中心頻率增益衰減約40 dB,在第二臨近信道750 kHz處系統(tǒng)增益增益為0.46 dB比中心頻率增益衰減約為60 dB。

        圖13 密集讀寫濾波器電路圖

        圖14 密集讀寫濾波器頻響特性曲線

        4 性能測(cè)試

        為便于比較,可分別采用基于AS3992 ROGER讀寫器和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器進(jìn)行性能測(cè)試。其中,AS3992 ROGER讀寫器內(nèi)置可配置的密集讀寫濾波器。根據(jù)第3節(jié)設(shè)計(jì)的密集讀寫濾波電路,配置AS3992 ROGER讀寫器的濾波器設(shè)置寄存器RX Filter Register(09)的選擇位參數(shù)為24,電路如圖15所示。而遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器沒(méi)有采用密集讀寫濾波器。

        圖15 內(nèi)置可配置密集讀寫濾波器的AS3992芯片及其外圍電路

        (1)功率譜測(cè)試

        采用固緯頻譜儀GSP-830分別對(duì)AS3992 ROGER讀寫器和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器的臨近信道功率抑制比(Adjacent Channel Power Ratio,ACPR)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試條件:在密集讀寫器環(huán)境下,將AS3992 ROGER和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器的工作頻段設(shè)為920MHz-925MHz,同時(shí)與多標(biāo)簽進(jìn)行通信,測(cè)試結(jié)果分別如圖16和圖17所示。

        圖16 AS3992 ROGER ACPR測(cè)試結(jié)果

        圖17 遠(yuǎn)望谷XCRF-804 ACPR測(cè)試結(jié)果

        測(cè)試結(jié)果表明:在信道帶寬為250 kHz,信道間隔為250 kHz的條件下,AS3992 ROGER讀寫器功率譜寬度比遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器功率譜寬度小,旁瓣也低得多。說(shuō)明:采用密集讀寫濾波器后,AS3992 ROGER讀寫器對(duì)臨近信道有明顯的抑制作用,從而有助于減少信號(hào)對(duì)臨近信道的干擾。

        (2)讀取率和識(shí)別率測(cè)試

        在密集讀寫器環(huán)境下,擺放兩讀寫器天線位置,水平距離為30cm,兩天線距地面高度為1.5m,在空曠的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。將5個(gè)標(biāo)簽放在兩天線輻射角方向共同覆蓋區(qū)域?qū)ΨQ軸上,距離由近及遠(yuǎn)每次移動(dòng)5cm分別進(jìn)行測(cè)試,然后將標(biāo)簽的平均讀取速率和平均識(shí)別率的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較,測(cè)試比較結(jié)果分別如圖18和圖19所示。

        測(cè)試結(jié)果表明:采用密集讀寫濾波器的AS3992 ROGER讀寫器的標(biāo)簽讀取率和識(shí)別率明顯高于遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器。

        圖18 多標(biāo)簽平均讀取速率測(cè)試結(jié)果比較

        圖19 多標(biāo)簽平均識(shí)別率測(cè)試結(jié)果比較

        5 結(jié)論

        本文在I/Q兩路正交零中頻接收機(jī)構(gòu)架的基礎(chǔ)上,采用ADS設(shè)計(jì)了信道選擇性DRM濾波器,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性能測(cè)試,可以得出如下結(jié)論:

        (1)在密集讀寫環(huán)境下,信道選擇性DRM濾波器可以最大限度地提高主信道信號(hào)增益,極大地降低對(duì)臨近信道信號(hào)的干擾,還可以有效地減少讀寫器因通信信號(hào)頻率重疊而造成的干擾碰撞,從而大大地提高UHF RFID讀寫器的讀取率和識(shí)別率。

        (2)在I/Q兩路正交零中頻接收機(jī)構(gòu)架的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)信道選擇性 DRM濾波器,在降低 UHF RFID系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí),也降低了密集讀寫器的部署成本。

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