基於自適應智能天線的rfid閱讀器的製造方法
2023-09-14 23:47:05
基於自適應智能天線的rfid閱讀器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於自適應智能天線的RFID閱讀器，屬於射頻識別【技術領域】。本發明包括協議處理模塊、數字波束形成器、數字式發送/接收組件(T/R組件)和由多個天線陣元組成的天線陣列。所述協議處理模塊包括編碼、解碼和協議處理；所述數字波束形成器包括最優權值產生網絡和自適應波束形成網絡；所述T/R組件包括DDS直接數字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環形器和A/D採樣單元。本發明可使天線波束主瓣指向有用信號方向，將零陷或較低的旁瓣指向幹擾信號方向，從而擴大閱讀器識別範圍，提高抗幹擾能力。
【專利說明】基於自適應智能天線的RFID閱讀器
【技術領域】
[0001]本發明涉及ー種射頻識別(RFID)技木，特別涉及ー種RFID閱讀器。
【背景技術】
[0002]隨著信息技術的發展，物聯網已經發展成為ー門新興產業，作為物聯網的基礎之一，射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)技術已成為人們越來越關注的技木。RFID系統主要由三部分組成:應答器(射頻卡和電子標籤)、閱讀器(讀寫器和基站)和上位機主系統(中間件與網絡應用)。在射頻識別系統中，按照電子標籤供電系統的不同結構，RFID電子標籤主要分為有源標籤、半有源標籤和無源標籤。有源標籤和半有源標籤具有外置的電池，通過外置的電池為標籤晶片的工作提供能量，其優點是有較遠的通信距離，可以增加更多的電路並且功能強；缺點是價格高，體積大，標籤的使用壽命受到限制，而且隨著標籤內電池電力的消耗，數據傳輸的距離會越來越小，影響系統的正常工作。無源標籤依靠閱讀器的射頻信號提供能量使其工作，有著體積小、成本低、壽命長、免維護、使用便捷等優點，是RFID標籤的主流產品。
[0003]目前，無源UHF RFID系統存在以下問題:
[0004](I)在無源UHF RFID系統中，一個閱讀器的最大識別距離是10米左右，總的有效識別區域有限，還不能滿足大多數用戶的需求。
[0005](2)在UHF RFID系統中，一個關鍵的問題是很難達到100%識別率，即存在ー些標籤沒有被識別，即丟失標籤問題。從硬體方面講，丟失標籤的問題有兩個主要原因:首先，因為天線的發射功率限制和固定的輻射方向圖，所以無源RFID系統的有效識別區域是受限的。第二，多徑幹擾造成在識別區域內一些標籤沒有足夠的能量被激活。
[0006](3)許多標籤收到來自單個閱讀器的RF信號。在此閱讀器的有效識別區域內，標籤共享同一個無線信道，由於多個標籤的散射信號之間的互相干擾，從而引起碰撞。碰撞的數量對於識別區域內所有標籤的總識別時間有很大的影響。為了減少或避免碰撞，RFID系統在軟體上採取了防碰撞措施，例如ニ進位樹、ALOHA等。
[0007](4)由於常用的RFID閱讀器天線具有低増益、寬波束的發射方向圖，使得標籤定位誤差較大。
[0008]最初的智能天線技術主要用於雷達、聲納、軍事抗幹擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發展及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，現代數位訊號處理技術發展迅速，數位訊號處理晶片處理能力不斷提高，利用數位技術在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統的可靠性與靈活程度。
[0009]在無源UHF RFID閱讀器中使用智能天線有助於解決目前的問題和提升性能，具體表現在以下幾個方面:
[0010](I)利用數字多波束掃描可以增カRFID系統的最大識別距離和有效識別區域。由於規範規定的EIRP (Effective Isotropic Radiated Power有效全向福射功率最大值)是受限的，例如美國規定EIRP的最大值是4W。如果使用高増益、多波束掃描天線，EIRP可以在某ー個短時間內在某個方向超過4W，在計算平均功率時，它具有與低方向性、固定波束天線相同的平均功率，因為波束在多個方向上被掃描控制，從而減小了平均功率。在正常エ作中，波束以預定的時間量在多個方向上掃描，因此最大識別距離隨著EIRP的増加而增大了。由于波束在多個方向上掃描，所以總的識別區域也擴展了。
[0011](2)利用智能天線的空分多址技術(SDMA)，即空間濾波功能，可以減少或避免碰撞。閱讀器通過控制波束方向，來選擇有效識別區域的ー個子集，從而僅與這個子集區域內的標籤通信。因為同時響應RFID命令的標籤數目減少了，所以碰撞的概率也就減少，整個識別區域內所有標籤的總識別時間能夠縮短。
[0012](3)智能天線的高定向性、較小的波束躍度(天線波束指向角變化時的變化量)和較高的角度解析度可以提高RFID定位的精度。
[0013](4)通過控制波束形狀，將零陷或較低的旁瓣指向幹擾信號方向，從而提高RFID系統的抗幹擾能力。
【發明內容】
[0014]本發明的目的就是為了解決上述現有技術中存在的不足之處，提供一種用於RFID閱讀器上的自適應智能天線系統。在發射狀態下，採用數字多波束形成方法:在同一時刻形成一個高增益的窄波束，然後在時間上按(被自適應控制的)順序產生多波束，即按「時間分割」原理產生多波束，從而掃描所要覆蓋區域。具有自適應控制功能，即根據各個方向的標籤數目、通信時間等情況自適應控制波束的掃描順序、掃描角度、駐留時間和掃描間隔時間等。在接收狀態下，採用自適應數字多波束形成方法:將波束主瓣指向有用信號方向，將零陷或較低的旁瓣指向幹擾信號方向。這樣，將不同的標籤或信號從空間上實現分隔，起到「空間濾波」的作用。
[0015]本發明的目的通過下述技術方案實現基於自適應智能天線的RFID閱讀器，其包括協議處理模塊、數字波束形成器、數字式發送/接收組件(T/R組件)和由多個天線陣元組成的天線陣列。此閱讀器可通過串行口和上位機相連。所述協議處理模塊包括編碼、解碼和協議處理；所述數字波束形成器包括最優權值產生網絡和自適應波束形成網絡；所述T/R組件包括DDS直接數字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環形器和A/D採樣單元。
[0016]本發明還提供一種用於RFID閱讀器自適應波束形成的信號處理方法，其特徵在於，其處理信號的步驟如下:
[0017](I)協議處理模塊根據外部數據進行編碼和協議處理，下發至數字波束形成模塊。
[0018](2)數字波束形成模塊根據各通道加權係數產生幅度、頻率、相位控制字，發送到數字T/R組件。
[0019](3) T/R組件中DDS模塊根據相位控制字產生多路信號，經由上變頻、濾波器、功率放大器，由各天線陣元發送到空中，在空中形成一定指向的窄波束。
[0020](4)在波束範圍內被激活的RFID標籤將信號反射到天線陣列，各陣元接收的信號經過T/R組件，下變頻、A/D採樣後送到數字波束形成模塊。
[0021](5)最優權值產生網絡根據接收信號和一些先驗知識計算出加權因子，送到波束形成網絡，產生接收波束。[0022](6)協議處理模塊對信號進行解碼，判斷該波束指向有無標籤，若無標籤，則切換下一波束方向，若有標籤，把數據通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
[0023]本發明相對於現有技術具有以下優點:在波束掃描過程中加入自適應控制功能，即根據各個方向的標籤數目、通信時間等情況自適應控制波束的掃描順序、掃描角度、駐留時間和掃描間隔時間。同時將數字多波束形成(DBF)方法、直接數字式頻率合成器(DDS)和自適應算法應用於RFID閱讀器中，並採用波束掃描方式，從而提高RFID系統數位化程度和自適應能力，提升RFID系統的智能化。將自適應智能天線技術引入到RFID閱讀器中，具有増加最大識別距離、擴大有效識別區域、減少碰撞、提高定位精度和抗幹擾等優點，可以解決目前無源UHF RFID最大識別距離10米的瓶頸問題。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0024]圖1本發明的基於自適應智能天線的RFID閱讀器的總體結構框圖。
[0025]圖2本發明的數字T/R組件框圖
[0026]圖3本發明的數字波束形成模塊框圖
【具體實施方式】:
[0027]為了更清楚地說明發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造勞動性的前提下，還可以根據附圖獲得其他的設計。
[0028]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進ー步地詳細描述，但本發明的實施方式不限於此。
[0029]如圖1所示，本閱讀器包括協議處理模塊、數字波束形成器、數字式發送/接收組件(T/R組件)和由多個天線陣元組成的天線陣列。此閱讀器可通過串行口和上位機相連。所述協議處理模塊包括編碼、解碼和協議處理；所述數字波束形成器包括最優權值產生網絡和自適應波束形成網絡；所述T/R組件如圖2所示，包括DDS直接數字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環形器和A/D採樣單元。
[0030]上述協議處理模塊由FPGA實現，完成多個任務，包括數據的編碼和解碼、數據的協議處理。如圖3所示，上述最優權值產生網絡通過接收信號和ー些先驗知識，計算出加權因子。此模塊權值運算要處理的數據量較小，由DSP實現。上述波束形成網絡接收來自A/D的數據流，根據計算出的權值進行空域濾波，形成多個接收波束。此部分要處理高速數據流，運算數據量大，實時性要求高，算法簡單，由FPGA實現。上述上變頻和下變頻由模擬乘法器完成。上述DDS晶片產生多路幅度、相位、頻率可調的調製信號。上述A/D採樣單元由高速A/D轉換器完成，實現中頻信號的直接數位化。
[0031]本發明的RFID閱讀器的發射信號過程如下:
[0032](I)協議處理模塊根據外部數據進行編碼和協議處理，下發至數字波束形成模塊。
[0033](2)數字波束形成模塊根據各通道加權係數產生幅度、頻率、相位控制字，發送到數字T/R組件。
[0034](3)DDS直接數字頻率合成器產生多路幅度、相位任意可調的信號。[0035](4)每路信號通過上變頻器和濾波器，變為射頻信號。
[0036](5)每路信號再通過功率放大器，通過環形器，經由各天線陣元輻射到空間中去，在空間中疊加產生一定指向的單ー窄波束。
[0037]本發明的RFID閱讀器的接收信號過程如下:
[0038](I)各天線陣元接收到射頻信號，經由環形器到限幅器、低噪聲放大器和濾波器，變為具有一定幅度的射頻信號。
[0039](2)射頻信號再經過混頻器和濾波器完成模擬下變頻，變為中頻信號。
[0040](3)中頻信號經過A/D採樣、數字下變頻後直接送入數字波束形成模塊。
[0041](4)最優權值產生網絡根據接收信號和一些先驗知識計算出加權因子，送到波束形成網絡，進行空域濾波，產生接收波束。
[0042](5)協議處理模塊對信號進行解碼，判斷該波束指向有無標籤，若無標籤，則切換下一波束方向，若有標籤，把數據通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
[0043]由於DDS可以產生任意相位的信號，所以通過數字波束形成方法，產生的波束可以獲得較高的分辨カ和低旁瓣性能。
[0044]進ー步地，為了獲得更高的波束分辨カ和低旁瓣性能，需要更多數量的DDS信號，具體實現時，本發明實施例對此不作限制。
[0045]進ー步地，產生多路DDS信號可以用多個單路DDS晶片，也可使用一個或多個多路DDS晶片，具體實現時，本發明實施例對此不作限制。
[0046]進ー步地，對於簡單的波束形成模塊，也可以用單個FPGA或單個DSP晶片實現，具體實現時，本發明實例對此不作限制。
[0047]具體實現時，本發明實施例對實現相似功能所選用晶片種類不做限制。
[0048]本領域技術人員可以理解附圖只是ー個優先實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0049]上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於自適應智能天線的RFID閱讀器，其特徵是，本閱讀器包括協議處理模塊、數字波束形成器、數字式發送/接收組件(T/R組件)和由多個天線陣元組成的天線陣列。此閱讀器可通過串行口和上位機相連。所述協議處理模塊包括編碼、解碼和協議處理；所述數字波束形成器包括最優權值產生網絡和自適應波束形成網絡；所述T/R組件包括DDS直接數字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環形器和A/D採樣單元。
2.一種用於RFID閱讀器自適應波束形成的信號處理方法，其特徵在於，其處理信號的步驟如下: (1)協議處理模塊根據外部數據進行編碼和協議處理，下發至數字波束形成模塊。 (2)數字波束形成模塊根據各通道加權係數產生幅度、頻率、相位控制字，發送到數字T/R組件。 (3)T/R組件中DDS模塊根據相位控制字產生多路信號，經由上變頻、濾波器、功率放大器，由各天線陣元發送到空中，在空中形成一定指向的窄波束。 (4)在波束範圍內被激活的RFID標籤將信號反射到天線陣列，各陣元接收的信號經過T/R組件，下變頻、A/D採樣後送到數字波束形成器。 (5)最優權值產生網絡根據接收信號和一些先驗知識計算出加權因子，送到波束形成網絡，產生接收波束。 (6)協議處理模塊對信號進行解碼，判斷該波束指向有無標籤，若無標籤，則切換下一波束方向，若有標籤，把數據通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
3.根據權利要求1所述的ー種基於自適應智能天線的RFID閱讀器，其特徵在於，利用DDS直接數字頻率合成器完成信號產生、頻率源和幅相控制的一體化實現，產生頻率、相位和幅度可調的多路調製信號。
4.根據權利要求1所述的ー種基於自適應智能天線的RFID閱讀器，其特徵在於，所述A/D採樣單元由高速A/D轉換器構成，實現中頻信號的直接採樣。
【文檔編號】G06K7/00GK103440469SQ201310412892
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】李建雄, 陳曉宇, 肖康, 劉崇, 李運祥, 袁文東 申請人:天津工業大學