基于自適應(yīng)智能天線的rfid閱讀器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器，屬于射頻識別【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括協(xié)議處理模塊、數(shù)字波束形成器、數(shù)字式發(fā)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(xié)議處理模塊包括編碼、譯碼和協(xié)議處理；所述數(shù)字波束形成器包括最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)；所述T/R組件包括DDS直接數(shù)字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環(huán)形器和A/D采樣單元。本發(fā)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干擾信號方向，從而擴大閱讀器識別范圍，提高抗干擾能力。
【專利說明】基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(shù)】
[0002]隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為ー門新興產(chǎn)業(yè)，作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之一，射頻識別(RFID, Radio Frequency Identification)技術(shù)已成為人們越來越關(guān)注的技木。RFID系統(tǒng)主要由三部分組成:應(yīng)答器(射頻卡和電子標簽)、閱讀器(讀寫器和基站)和上位機主系統(tǒng)(中間件與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)。在射頻識別系統(tǒng)中，按照電子標簽供電系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)，RFID電子標簽主要分為有源標簽、半有源標簽和無源標簽。有源標簽和半有源標簽具有外置的電池，通過外置的電池為標簽芯片的工作提供能量，其優(yōu)點是有較遠的通信距離，可以增加更多的電路并且功能強；缺點是價格高，體積大，標簽的使用壽命受到限制，而且隨著標簽內(nèi)電池電力的消耗，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x會越來越小，影響系統(tǒng)的正常工作。無源標簽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(yōu)點，是RFID標簽的主流產(chǎn)品。
[0003]目前，無源UHF RFID系統(tǒng)存在以下問題:
[0004](I)在無源UHF RFID系統(tǒng)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(qū)域有限，還不能滿足大多數(shù)用戶的需求。
[0005](2)在UHF RFID系統(tǒng)中，一個關(guān)鍵的問題是很難達到100%識別率，即存在ー些標簽沒有被識別，即丟失標簽問題。從硬件方面講，丟失標簽的問題有兩個主要原因:首先，因為天線的發(fā)射功率限制和固定的輻射方向圖，所以無源RFID系統(tǒng)的有效識別區(qū)域是受限的。第二，多徑干擾造成在識別區(qū)域內(nèi)一些標簽沒有足夠的能量被激活。
[0006](3)許多標簽收到來自單個閱讀器的RF信號。在此閱讀器的有效識別區(qū)域內(nèi)，標簽共享同一個無線信道，由于多個標簽的散射信號之間的互相干擾，從而引起碰撞。碰撞的數(shù)量對于識別區(qū)域內(nèi)所有標簽的總識別時間有很大的影響。為了減少或避免碰撞，RFID系統(tǒng)在軟件上采取了防碰撞措施，例如ニ進制樹、ALOHA等。
[0007](4)由于常用的RFID閱讀器天線具有低増益、寬波束的發(fā)射方向圖，使得標簽定位誤差較大。
[0008]最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達、聲納、軍事抗干擾通信，用來完成空間濾波和定位等。近年來，隨著移動通信的發(fā)展及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展迅速，數(shù)字信號處理芯片處理能力不斷提高，利用數(shù)字技術(shù)在基帶形成天線波束成為可能，提高了天線系統(tǒng)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于解決目前的問題和提升性能，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:
[0010](I)利用數(shù)字多波束掃描可以增カRFID系統(tǒng)的最大識別距離和有效識別區(qū)域。由于規(guī)范規(guī)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(guī)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(nèi)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(yù)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(qū)域也擴展了。
[0011](2)利用智能天線的空分多址技術(shù)(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(qū)域的ー個子集，從而僅與這個子集區(qū)域內(nèi)的標簽通信。因為同時響應(yīng)RFID命令的標簽數(shù)目減少了，所以碰撞的概率也就減少，整個識別區(qū)域內(nèi)所有標簽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)和較高的角度分辨率可以提高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干擾信號方向，從而提高RFID系統(tǒng)的抗干擾能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的就是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種用于RFID閱讀器上的自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)。在發(fā)射狀態(tài)下，采用數(shù)字多波束形成方法:在同一時刻形成一個高增益的窄波束，然后在時間上按(被自適應(yīng)控制的)順序產(chǎn)生多波束，即按“時間分割”原理產(chǎn)生多波束，從而掃描所要覆蓋區(qū)域。具有自適應(yīng)控制功能，即根據(jù)各個方向的標簽數(shù)目、通信時間等情況自適應(yīng)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(tài)下，采用自適應(yīng)數(shù)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干擾信號方向。這樣，將不同的標簽或信號從空間上實現(xiàn)分隔，起到“空間濾波”的作用。
[0015]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器，其包括協(xié)議處理模塊、數(shù)字波束形成器、數(shù)字式發(fā)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(xié)議處理模塊包括編碼、譯碼和協(xié)議處理；所述數(shù)字波束形成器包括最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)；所述T/R組件包括DDS直接數(shù)字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環(huán)形器和A/D采樣單元。
[0016]本發(fā)明還提供一種用于RFID閱讀器自適應(yīng)波束形成的信號處理方法，其特征在于，其處理信號的步驟如下:
[0017](I)協(xié)議處理模塊根據(jù)外部數(shù)據(jù)進行編碼和協(xié)議處理，下發(fā)至數(shù)字波束形成模塊。
[0018](2)數(shù)字波束形成模塊根據(jù)各通道加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生幅度、頻率、相位控制字，發(fā)送到數(shù)字T/R組件。
[0019](3) T/R組件中DDS模塊根據(jù)相位控制字產(chǎn)生多路信號，經(jīng)由上變頻、濾波器、功率放大器，由各天線陣元發(fā)送到空中，在空中形成一定指向的窄波束。
[0020](4)在波束范圍內(nèi)被激活的RFID標簽將信號反射到天線陣列，各陣元接收的信號經(jīng)過T/R組件，下變頻、A/D采樣后送到數(shù)字波束形成模塊。
[0021](5)最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收信號和一些先驗知識計算出加權(quán)因子，送到波束形成網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生接收波束。[0022](6)協(xié)議處理模塊對信號進行譯碼，判斷該波束指向有無標簽，若無標簽，則切換下一波束方向，若有標簽，把數(shù)據(jù)通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
[0023]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:在波束掃描過程中加入自適應(yīng)控制功能，即根據(jù)各個方向的標簽數(shù)目、通信時間等情況自適應(yīng)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(shù)字多波束形成(DBF)方法、直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)和自適應(yīng)算法應(yīng)用于RFID閱讀器中，并采用波束掃描方式，從而提高RFID系統(tǒng)數(shù)字化程度和自適應(yīng)能力，提升RFID系統(tǒng)的智能化。將自適應(yīng)智能天線技術(shù)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(qū)域、減少碰撞、提高定位精度和抗干擾等優(yōu)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(fā)明的基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器的總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖2本發(fā)明的數(shù)字T/R組件框圖
[0026]圖3本發(fā)明的數(shù)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(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造勞動性的前提下，還可以根據(jù)附圖獲得其他的設(shè)計。
[0028]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進ー步地詳細描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0029]如圖1所示，本閱讀器包括協(xié)議處理模塊、數(shù)字波束形成器、數(shù)字式發(fā)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(xié)議處理模塊包括編碼、譯碼和協(xié)議處理；所述數(shù)字波束形成器包括最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)；所述T/R組件如圖2所示，包括DDS直接數(shù)字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環(huán)形器和A/D采樣單元。
[0030]上述協(xié)議處理模塊由FPGA實現(xiàn)，完成多個任務(wù)，包括數(shù)據(jù)的編碼和解碼、數(shù)據(jù)的協(xié)議處理。如圖3所示，上述最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)通過接收信號和ー些先驗知識，計算出加權(quán)因子。此模塊權(quán)值運算要處理的數(shù)據(jù)量較小，由DSP實現(xiàn)。上述波束形成網(wǎng)絡(luò)接收來自A/D的數(shù)據(jù)流，根據(jù)計算出的權(quán)值進行空域濾波，形成多個接收波束。此部分要處理高速數(shù)據(jù)流，運算數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，算法簡單，由FPGA實現(xiàn)。上述上變頻和下變頻由模擬乘法器完成。上述DDS芯片產(chǎn)生多路幅度、相位、頻率可調(diào)的調(diào)制信號。上述A/D采樣單元由高速A/D轉(zhuǎn)換器完成，實現(xiàn)中頻信號的直接數(shù)字化。
[0031]本發(fā)明的RFID閱讀器的發(fā)射信號過程如下:
[0032](I)協(xié)議處理模塊根據(jù)外部數(shù)據(jù)進行編碼和協(xié)議處理，下發(fā)至數(shù)字波束形成模塊。
[0033](2)數(shù)字波束形成模塊根據(jù)各通道加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生幅度、頻率、相位控制字，發(fā)送到數(shù)字T/R組件。
[0034](3)DDS直接數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生多路幅度、相位任意可調(diào)的信號。[0035](4)每路信號通過上變頻器和濾波器，變?yōu)樯漕l信號。
[0036](5)每路信號再通過功率放大器，通過環(huán)形器，經(jīng)由各天線陣元輻射到空間中去，在空間中疊加產(chǎn)生一定指向的單ー窄波束。
[0037]本發(fā)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(jīng)由環(huán)形器到限幅器、低噪聲放大器和濾波器，變?yōu)榫哂幸欢ǚ鹊纳漕l信號。
[0039](2)射頻信號再經(jīng)過混頻器和濾波器完成模擬下變頻，變?yōu)橹蓄l信號。
[0040](3)中頻信號經(jīng)過A/D采樣、數(shù)字下變頻后直接送入數(shù)字波束形成模塊。
[0041](4)最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收信號和一些先驗知識計算出加權(quán)因子，送到波束形成網(wǎng)絡(luò)，進行空域濾波，產(chǎn)生接收波束。
[0042](5)協(xié)議處理模塊對信號進行譯碼，判斷該波束指向有無標簽，若無標簽，則切換下一波束方向，若有標簽，把數(shù)據(jù)通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
[0043]由于DDS可以產(chǎn)生任意相位的信號，所以通過數(shù)字波束形成方法，產(chǎn)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(shù)量的DDS信號，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不作限制。
[0045]進ー步地，產(chǎn)生多路DDS信號可以用多個單路DDS芯片，也可使用一個或多個多路DDS芯片，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不作限制。
[0046]進ー步地，對于簡單的波束形成模塊，也可以用單個FPGA或單個DSP芯片實現(xiàn)，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實例對此不作限制。
[0047]具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對實現(xiàn)相似功能所選用芯片種類不做限制。
[0048]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是ー個優(yōu)先實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。
[0049]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器，其特征是，本閱讀器包括協(xié)議處理模塊、數(shù)字波束形成器、數(shù)字式發(fā)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(xié)議處理模塊包括編碼、譯碼和協(xié)議處理；所述數(shù)字波束形成器包括最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)；所述T/R組件包括DDS直接數(shù)字頻率合成器、上變頻器、下變頻器、濾波器、功率放大器、環(huán)形器和A/D采樣單元。
2.一種用于RFID閱讀器自適應(yīng)波束形成的信號處理方法，其特征在于，其處理信號的步驟如下: (1)協(xié)議處理模塊根據(jù)外部數(shù)據(jù)進行編碼和協(xié)議處理，下發(fā)至數(shù)字波束形成模塊。 (2)數(shù)字波束形成模塊根據(jù)各通道加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生幅度、頻率、相位控制字，發(fā)送到數(shù)字T/R組件。 (3)T/R組件中DDS模塊根據(jù)相位控制字產(chǎn)生多路信號，經(jīng)由上變頻、濾波器、功率放大器，由各天線陣元發(fā)送到空中，在空中形成一定指向的窄波束。 (4)在波束范圍內(nèi)被激活的RFID標簽將信號反射到天線陣列，各陣元接收的信號經(jīng)過T/R組件，下變頻、A/D采樣后送到數(shù)字波束形成器。 (5)最優(yōu)權(quán)值產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收信號和一些先驗知識計算出加權(quán)因子，送到波束形成網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生接收波束。 (6)協(xié)議處理模塊對信號進行譯碼，判斷該波束指向有無標簽，若無標簽，則切換下一波束方向，若有標簽，把數(shù)據(jù)通過串行ロ送往上位機進ー步處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器，其特征在于，利用DDS直接數(shù)字頻率合成器完成信號產(chǎn)生、頻率源和幅相控制的一體化實現(xiàn)，產(chǎn)生頻率、相位和幅度可調(diào)的多路調(diào)制信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于自適應(yīng)智能天線的RFID閱讀器，其特征在于，所述A/D采樣單元由高速A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，實現(xiàn)中頻信號的直接采樣。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)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(yè)大學(xué)