一种超高频手持式阅读器载波泄露的解决方法

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(天津科畅慧通信息技术有限公司 研发部，天津 300300)

引 言

在800～900 MHz超高频频段中，GB/T 29768空口协议使用了其中的820～825 MHz和920～925 MHz频段[1]。在GB/T 29768空口协议的阅读器和电子标签系统中，阅读器通过发送连续载波来给电子标签提供能量[2]。超高频系统包括固定式阅读器系统、手持式阅读器系统、固定桌面式发卡器系统，这三类系统中的阅读器都存在持续发送载波时的泄露问题[3-4]，导致阅读器的反向灵敏度下降，进而影响识读距离。其中固定式阅读器可通过天线收发分离设计解决泄露问题[5]，固定桌面式发卡器系统需要近距离识读，因而可不考虑泄露问题，而手持式阅读器是单天线设计，使用单天线引起的载波泄露问题在传统的国内手持式阅读器上没有得到很好的解决[6]。本文提出的方案解决了手持式阅读器载波泄露的问题，并进行了实验验证。

1 基本原理

超高频阅读器使用TPP对基带数据进行编码，使用DSB-ASK或者SSB-ASK方式调制射频载波，向一个或者多个标签发送命令。命令发送后，读写器继续发送未经调制的射频载波[1，7]，并监听来自标签的响应数据包。标签从读写器发送的射频载波中获得工作能量，使用FM0或者米勒编码对基带数据进行编码，反向散射调制射频载波的幅度和(或)相位。读写器和标签之间使用半双工方式进行通信。通信时，读写器先发送命令，标签根据读写器的命令执行相应的操作,需要时发送响应数据包。

图1 射频电路

手持式阅读器普通的射频电路设计[8]见图1，射频控制输入后通过功放输出到天线来发送载波[9]，发送载波的一部分会泄露到正常射频电路中，从而提高噪声影响标签的载波调制[10]。

射频电路前向功率[11]为30 dBm，发送单音后的噪声如图2所示，噪声的幅度[12]最大接近于1.4 V，在这种情况下，反向灵敏度不超过-40 dBm，电子标签和手持式阅读器天线距离不超过2 m，因此为了提升识读距离必须进行泄露对消。

图2 发送单音后噪声

2 泄露对消设计

手持式阅读器单天线为了对消载波泄露，需要在原有的射频电路设计中增加泄露对消电路。整个对消系统可以简化为图3所示，其中R(s)为反向接收的信号，E(s)为合路后的误差函数，C(s)为数字域里经过处理运算后的控制信号，F(s)为控制信号[13]。

图3 泄露对消电路设计

对消电路系统可以表示为：

2.1 泄露对消硬件设计

系统硬件框图设计[14]如图4所示，在射频电路一侧增加耦合电路将反向泄露通过反馈电路传递到噪声采样电路，以确定下一步的对消控制，设定预估初值对消后耦合到射频电路，再重复同样的步骤，以完成最终将泄露的噪声对消的过程。

图4 系统硬件框图

2.2 泄露对消算法设计

实际实现中通过控制输出I和Q[15]，采样I和Q的值，并计算I^2 + Q^2的值来判断是否满足对消的要求，本设计中设置阈值为500，低于500，则表示泄露对消成功。泄露对消算法选用稳定可靠的分层步进遍历搜索算法具体方法如下：

① 每阶段搜索空间为(2n-1)×(2n-1)，考虑2的整数次幂倍数处理方便，(2n-1)的取值搜索的级数和每级搜索点数尽量相当，这样搜索的点数最少；

② 搜索到泄漏最小的点，以此点为新的原点进入下一阶段搜索；

③ 分阶段搜索达到目标精度；

④ 搜索区域考虑重叠，由于对消控制参数与对消值的非线性，在上一阶段搜索的最小点可能不是离目标点最近的点，因此搜索区域需要足够重叠；

⑤ 搜索步进最小，减小信号变化。

分层步进搜索算法实现中，由于I和Q的数值区间是 [-999，+999]，因此算法的搜索空间是1999×1999，第1阶段选步进值为250，第2到第5阶段分别选64、16、4、1：

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

第2阶段{-192,-128,-64,0,64,128,192}；

第3阶段{-48,-32,-16,0,16,32,48}；

第4阶段{-12,-8,-4,0,4,8,12}；

第5阶段{-3,-2,-1,0,1,2,3}。

共搜索7×7×4+9×9=277次，按每个点30 μs计算，则所有点搜索一遍的时间是83 ms。实际测试表明，当搜索到第4阶段时，I^2+Q^2值已经可以收敛到个位数。

3 实现验证

手持式阅读器增加硬件泄露对消电路和软件泄露对消算法的设计，实现后通过示波器抓取波形如图5所示，前半段是发送单音后的噪声达到805 mV，中间部分是对消过程，后半段是对消成功后的噪声288 mV，噪声减小了517 mV，在这种情况下，反向灵敏度可以达到-60 dBm，阅读器识读标签的距离能超过8 m。

图5 示波器抓取波形

结 语