UHF RFID自适应射频干扰对消技术*

余 旭，宋国栋，刘学观，周鸣籁

(苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006)

0 引 言

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)是一种利用射频信号实现非接触式通信的自动识别技术[1]，它可以实现对物品的监控、识别、管理和跟踪[2-4]，其中超高频(Ultra-high Frequency，UHF)RFID技术以其识别距离远、标签制作成本低、多标签识别和快速识别等优点得到了广泛关注。UHF RFID系统的通信采用反向散射原理，阅读器在接收标签反向散射信号的同时需要不断发射载波为标签进行供能[5-6]。发射的载波信号与环境中反射的载波信号共同进入射频接收前端，在接收电路上形成自干扰信号，其信号强度远大于接收的反向散射信号，从而影响接收灵敏度。目前高精度RFID系统几乎被国外垄断，国产RFID阅读器芯片的系统性能有待提升，其中高效实时射频前端的自干扰消除技术也是一个有待突破的瓶颈。

阅读器射频前端一般采用定向耦合器或者其他双工器实现收发隔离，双工器的隔离度一般只有25 dB左右，影响了RFID系统识别成效。自干扰消除技术是提高收发隔离度的有效方法。目前，自干扰信号的消除方法分为无源射频自干扰抵消和有源射频自干扰抵消[7]，两种对消技术多应用于单天线的阅读器设备。无源射频自干扰抵消技术将定向耦合器耦合端口的反射结构改为可电调谐网络，使耦合端阻抗失配，通过对该端口反射系数的动态调节使耦合端上的反射信号与隔离端的自干扰信号在接收端口相互抵消。文献[8]在0.8～1 GHz频段内取得了不低于30 dB隔离度。文献[9]通过控制PIN二极管和变容管的偏置电压改变其电阻和电容，实现耦合端反射信号的幅相调节，可在896～906 MHz的频段内实现优于60 dB的收发隔离度。有源射频自干扰对消技术，通过调制参考信号源的幅度和相位，使得该信号在接收链路上能完全抵消自干扰信号。英频杰公司的集成读写器芯片R2000[10]中，可对消功率大于+15 dB，对消器控制算法采用局部搜索法。文献[11]采用微控制器控制矢量调制器以实现抵消信号的幅度、相位调节，在915 MHz频点实现了18.6 dB自干扰信号抑制效果。在文献[12]中，电路每次找到一个局部最小值就减少步长进行搜索，大约在330 ms搜索到最优解，可抵消自干扰信号约40 dB。

目前，射频自干扰对消技术存在控制电路复杂、算法闭环速度慢，以及自干扰信号的抑制程度对矢量调制器的精度要求高等问题。为此，本文提出了高精度矢量调制器结合Powell最优值搜索算法的有源射频自干扰对消方法，使对消电路具有更快的响应速度和更高的自干扰信号抑制程度。

1 自干扰信号的来源与对消原理

1.1 自干扰信号的来源

图1是一个典型的RFID阅读器射频前端结构图，可以看出自干扰来源主要路径为A、B、C。路径A表示由于定向耦合器的隔离度不高，泄漏到接收端的载波。路径B表示由于天线的阻抗匹配不好，返回到接收端的载波。路径C表示由于环境的复杂，反射回接收端的载波。

图1 自干扰信号来源路径图

1.2 自干扰信号的对消原理

图2是一个经典的有源射频自干扰对消电路结构图。

图2 自干扰信号抵消路径图

无源RFID射频识别系统通常采用ASK调制,假设路径A、B、C合成的自干扰信号VSJ(t)为

VSJ(t)=ASJcos(ω0t) 。

(1)

将定向耦合器的耦合端信号作为参考源信号VS(t)，通过MCU调节调幅、调相电路的控制参数，产生抵消信号VC(t)为

VC(t)=ACcos(ω0t+φ)。

(2)

式中：ω0为载波信号的角频率；ASJ为自干扰信号的幅值；AC为抵消信号的幅值；φ为自干扰信号与抵消信号间的相位差。则当自干扰信号被抵消之后的接收信号VRX(t)为

VRX(t)=VC(t)+VSJ(t)，

(3)

则其幅值为

(4)

式(4)中，当φ等于180°时，|VRX|的取值最小。令Δθ=180°-φ表示与理想值的相位差，令自干扰信号与抵消信号的幅度差ΔA为

ΔA=20lg(AC/ASJ)，

(5)

当ΔA趋近于0 dB、Δθ趋近于0°时，抵消信号与自干扰信号幅度相等，相位相差180°，此时|VRX|的值为零，自干扰信号被完全抵消。

有源对消技术的关键是响应时间和对消幅相实现精度。本文采用高精度数字矢量移相器与衰减器为核心，以改进的Powell搜索算法为手段，实现高精度实时对消。

2 硬件电路设计和实现

本文设计的自适应干扰对消电路的硬件部分主要分为幅度衰减模块、移相器模块、功率检测模块、MCU控制模块、电源模块，其中，移相器的控制系数W2为8 b，移相范围为0°～360°，步进精度为1.406 25°；幅度衰减器的控制系数W1为6 b，衰减范围为0～31.5 dB，步进精度为0.5 dB；功率检测模块的线性检测有效范围为-65～0 dB。采用多路功分、合路器来确保电路的稳定性，其最终的硬件实现框图如图3所示。

图3 硬件实现框图

3 自适应控制算法

3.1 最优解搜索算法

对消电路通过调节衰减器的控制系数和移相器控制系数，使干扰对消电路工作在最优抑制状态。下面通过数学建模来分析对消电路的最优解搜索问题。

将接收信号幅值与自干扰信号幅值的比值作为自干扰信号抑制比r，则

r=20lg(|VRX|/ASJ) 。

(6)

将式(4)、(5)代入式(6)中，化简得

r=10lg(1+10ΔA/10+2×10ΔA/20×cos Δθ)。

(7)

r是以幅度差和相位差为变量的函数，曲线如图4所示。

图4 自干扰信号抑制程度与幅、相差函数关系图

由图4知，通过调节衰减器和移相器的控制系数，使幅度差ΔA趋近于0 dB，相位差Δθ趋近于0°时，以达到最优的抵消效果。这是个最优解问题，本文使用改进的Powell搜索算法。

图5 Powell搜索算法实现步骤图

图6 DDA画线算法实现图

下面简述算法的实现过程。假设以A点为初始搜索位置，将变量W1增加1个单位值，然后根据搜索方向计算出W2需要变化的值，对变化的值进行取整操作。将这个点作为下次需要搜索的点。通过DDA画线算法，可以使得W1、W2的搜索步进值尽可能小，从而避免搜索过程中错过最优解和超出自变量取值范围。

图7表示在给定自干扰信号VSJ(t)与抵消信号的参考源信号VS(t)时，控制系数W1、W2值与对消效果的函数关系，其中参考源信号VS(t)与VSJ(t)之间幅度差为6 dB，相位差为60°。此时调节控制系数使得VS(t)衰减6 dB、移相120°，得到抵消信号VC(t)，即可完全抵消VSJ(t)。为了估计电路自动调节算法的效率，基于本文设计的对消电路，通过Matlab程序对改进的Powell搜索过程进行仿真分析，研究搜索过程在不同初始位置即W1、W2取不同初始值时，达到最优解所需要的搜索次数。

图7 干扰抵消函数模型

随机改变200次搜索的初始位置，对改进的Powell搜索过程进行相关的统计，结果显示，算法总是能够在3～4次迭代之后搜索到最优解，计算得到平均每次Powell搜索过程需要调节幅度12.6次，调节相位67.5次。

3.2 自适应闭环对消控制流程

由于RFID系统在工作的过程中，不仅载波的频率和功率在不断改变，其工作环境也有可能发生改变，这些改变会导致自干扰信号的幅度与相位发生变化。为了对消电路能够根据这些改变进行自适应参数控制，设置了自干扰功率阈值，通过功率检测模块获得自干扰功率实测值，根据两者的大小来判断是否进行最优参数搜索。为了避免搜索的解为局部最优解，增加随机验证过程，以实际搜索结果为中心，以搜索的最小步进为单位，进行简单的遍历搜索，遍历的个数为4个。如果遍历的结果比Powell搜索的结果差，验证通过；否则，将遍历搜索的次优解作为新的初始搜索位置，再次进Powell搜索，从而形成了具有快速响应的改进Powell自适应对消控制算法。最终得到自适应对消控制算法的程序流程如图8所示。

图8 自适应射频干扰对消电路程序流程图

对消电路上电后进行的第一次自动调节过程中调相、调幅的次数较多，上小节已给出仿真估计。之后的自适应调节过程，只需要根据载波频率和幅度的变化进行对消电路控制参数的微调。

4 测试与结果分析

实际测试环境如图9所示，由信号源、示波器、频谱分析仪、对消电路板组成，其中信号源、示波器和频谱分析仪的型号分别为RIGOL公司的DSG3000B、DS6104和RSA5000系列，对消电路板采用FR4材质，PCB板厚1.6 mm。测试对消电路对自干扰信号的抑制效果，并通过示波器捕捉控制算法程序在不同阶段输出的硬件标志信号，测量对消电路的响应时间。

图9 对消电路测试环境

在840～960 MHz间的RFID频段内，以步进1 MHz为间隔，信号源输入功率为20 dBm，测试收发端之间隔离度的测试结果如图10所示。由图10知，该对消电路可使阅读器收发端口的隔离度提高至62 dB以上，最高可达70 dB。

图10 电路的接收端与发射端的隔离度

为了统计对消电路上电后的第一次自动调节过程的实际耗时，进行15次上电测试，统计得到电路平均调幅17.9次，调相61.4次，并实测得第一次自动调节过程平均耗时为31.7 ms，此耗时包括电路的硬件耗时与软件耗时。其中，各模块单次动作的实际耗时分别为移相模块102 μs，衰减器模块7 μs，功率检测模块187 μs。电路设计的关键参数如下：MCU内部ADC时钟为12 MHz，单次采样时间为55时钟周期，通过中值滤波算法来使得ADC采集的数据稳定，其中采集次数为15次，两次采集之间的延迟为5 μs；MCU与DAC之间的SPI时钟速率为1 MHz。

第一次自动调节之后，通过调节信号源的频率和幅度来统计自适应调节过程实际耗时。对信号源进行10次随机频率和幅度的改变，统计得到电路平均调幅0.4次，调相8.7次，并实测得后续自适应调节过程平均耗时为3.9 ms。

5 结 论

本文分析了自干扰信号的来源和对消理论，并基于高精度的移相器、衰减器产生高质量的对消信号，对消电路在移相精度为1.406 25°、幅度精度为0.5 dB情况下，通过改进的Powell算法实现电路控制参数的自动调节。测试结果表明，在840～960 MHz间的RFID频段内，RFID阅读器收发端之间的隔离度提高至62 dB以上，最高可达到70 dB。本对消电路上电的首次自动调节过程耗时大约31.7 ms，之后的自适应过程可在3.9 ms左右完成参数调节。本文提出的对消电路响应时间短、对消成效显著，可为提升国产RFID阅读器芯片的系统性能提供技术支撑。