CN102013028B

CN102013028B - 超高频电子标签读写器

Info

Publication number: CN102013028B
Application number: CN 201010592306
Authority: CN
Inventors: 岳流锋
Original assignee: SHANGHAI LONGJING MICROELECTRONICS CO Ltd; Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Current assignee: Shanghai Advanced Research Institute of CAS
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: CN102013028A

Abstract

本发明公开了一种超高频电子标签读写器，至少包含天线、耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、本振产生电路以及其他电路模块，该本振产生电路包含两个锁相环电路和混频器，其中一个锁相环电路输出跳频步长较大、粗调的第一工作频段，另一个锁相环电路输出跳频步长较小、细调的第二工作频段，且通过混频器上变频获得本发明所需本振，大大优化了本发明读写器的相位噪声，使得本发明读写器的读写灵敏度和读写距离明显提高，而且本发明通过较大范围的跳频，一定程度上提高了信息安全性。

Description

超高频电子标签读写器

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，涉及一种电子标签读写器，具体为一种超高频电子标签读写器。

背景技术

射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性自动识别目标对象并获取相关信息，实现自动识别。作为一项关键技术，RFID由于其众多便利的特点和广泛的应用领域，越来越受到人们的普遍关注。RFID技术有着十分广泛的应用前景，其可以应用于物流仓储中的仓库管理、身份识别、交通运输、食品医疗、动物管理、门禁防盗以及工业军事等多种领域，给人们生活带来了极大的便利。

在RFID系统中，相对于13.5MHz及更低频率的系统而言，超高频识别技术(UHF RFID)由于其工作频段电磁波的波长较短，因此标签可以采用相对很小的天线接收信号，从而为标签的小型化和低成本奠定了基础，因此超高频射频识别技术(UHF RFID)是近年来的重点发展方向。

目前对于超高频技术，国际标准ISO 18000-6C规定了860-960MHz的工作频段，ISO 18000-4规定了2.45GHz的工作频段，而世界各国也分别制定了各自国家的许可工作频段，大概每个频段4～20MHz宽度不等，如我国规定840-845MHz及920-925MHz频段用作UHF RFID。对于UHF RFID系统简单而言，由标签(Tag)、RFID读写设备(Reader)以及应用软件平台构成。标签和RFID读写设备是UHF RFID系统的硬件基础，其工作原理为：(1)RFID读写设备发射电磁波给标签，对标签进行指令控制、信息写入读出操作；(2)标签一方面接收RFID读写设备发射来的电磁波信号，另一方面，对于无源标签而言，利用RFID读写设备发射来的电磁波转化为直流电源电压，作为标签的工作电源；(3)标签将RFID读写设备发射的电磁波通过背向散射机制将标签的信息返回RFID读写设备。

可见，作为UHF RFID硬件基础的RFID读写设备，其性能对于UHF RFID系统至关重要。当前，各国都按标准规定要求RFID读写设备按规定时间跳频，频点间隔典型值为250KHz(美国)或200KHz(欧洲)跳频步长。为充分利用日益稀少的频率资源，信部无(2007)205号文件规定，我国UHF RFID频点起始点为840.125MHz(840-845MHz频段)或920.125MHz(920-925MHz频段)，频点间隔250KHz，这相当于跳频间隔为125KHz且读写设备仅工作于125KHz的奇数点频上。

另一方面，由于标签需适应全球的工作频段，从经济角度考虑，读写设备通常也同样要求覆盖全球工作频段的，但目前因技术原因，目前国内读写设备并不符合我国频段要求或者虽然保证频段要求却牺牲了性能，840-845MHz频段的读写设备未见成功应用。目前读写器普遍采用单环锁相技术，图1为现有技术中常用的超高频电子标签读写器电路图。如图1所示，读写器包括天线101、环形隔离器102、发射模块103、接收模块104、锁相环电路105、数字处理电路106以及其他电路模块107，其中为输出读写器所需本振(假设为840-845MHz)且满足信部无(2007)205号文件规定的跳频要求(跳频间隔为0.125MHz)，锁相环电路105的N分频器的分频数N＝(840-845)/0.125＝6720-6760，此意味着锁相环电路105的相位噪声很大，相位噪声大将会使得读写器的读写灵敏度和读写距离到一定的限制达不到最优情况，读写器性能较差，并且，另一方面由于读写器和标签的工作频率频段较窄而存在一定的安全隐患。

综上所述，可知先前技术的超高频电子标签读写器存在由于相位噪声大导致读写灵敏度和读写距离较差并进而影响读写器性能以及安全隐患的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。

发明内容

为克服上述现有技术存在的读写灵敏度及读写距离较差及读写安全性问题，本发明的一个目的在于提供一种超高频电子标签读写器，其一方面可以提高射频标识/标签读写器的读写灵敏度，另一方面提高读写器的地区适应性，以使读写器可以在全球普遍通用，并通过实现较大范围跳频，一定程度上提高安全性。

为达上述及其它目的，本发明实现了一种超高频电子标签读写器，一种超高频电子标签读写器，至少包含天线、环形隔离器或其他耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、本振产生电路系统控制、稳压电路以及通信接口，其特征在于，该本振产生电路包含：

至少两个锁相环电路，均连接一晶振，分别输出第一工作频段与第二工作频段，其中一锁相环电路用于实现粗调，以第一跳频步长为跳频步长，实现频段大范围跳变，另一锁相环电路用于细调，实现频段小范围跳变，以第二跳频步长为跳频步长，该第一跳频步长大于该第二跳频步长；以及

混频器，接收该第一工作频段与该第二工作频段进行上变频，并输出至该发射模组与该接收模组。

进一步地，在该混频器的输出端还设有一滤波器，用于将该混频器输出的上变频输出信号进行滤波后送至该发射模组与该接收模组。

进一步地，该混频器与该两个锁相环之间分别设有第一缓冲器与第二缓冲器，用于将该第一工作频段与该第二工作频段进行缓冲后送入该混频器进行上变频。

进一步地，在该混频器与该滤波器之间，还设有第三缓冲器，用于将该混频器输出的上变频输出信号进行缓冲后再进行滤波处理。

进一步地，该滤波器的输出端分别与该接收模组的下变频器、该发射模组的调制器连接。

进一步地，该两个锁相环电路至少包括鉴相器、环形滤波器、压控振荡器以及分频器，该鉴相器输入端与该晶振连接，输出端与该环形滤波器输入端相接，该环形滤波器的输出端连接至该压控振荡器输入端，该压控振荡器具有两个输出端，其中一输出端连接至该混频器，另一输出端连接至该分频器。

进一步地，该第一工作频段为700-900MHz或900MHz-1060MHz；该第二工作频段为60MHz-100MHz。

进一步地，该第一跳频步长为该第二跳频步长10倍以上。

进一步地，该第二跳频步长为100KHz-250KHz之间或其他满足频谱规范的步长，该第一跳频步长为该第二跳频步长的10-400倍，该第一跳频步长可以为20MHz或晶振输出频率或其他较大鉴相频率。

与现有技术相比，本发明一种超高频电子标签读写器，其通过使本振产生电路采用两个锁相环电路，使一个锁相环电路输出跳频步长较大、粗调的第一工作频段，另一个锁相环电路输出跳频步长较小、细调的第二工作频段，并将第一工作频段与第二工作频段通过混频器上变频，获得本发明超高频电子标签读写器所需本振，大大优化了本发明超高频电子标签读写器的相位噪声，使得本发明超高频电子标签读写器的读写灵敏度和读写距离明显提高，而且本发明通过较大范围的跳频，一定程度上提高了信息安全性，另外，本发明超高频电子标签读写器可以应用于各个工作频段，在不改动硬件和保证性能的基础上可广泛满足各国标准。

附图说明

图1为现有技术中超高频电子标签读写器的电路结构图；

图2为本发明超高频电子标签读写器一种优选实施例的电路结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明超高频电子标签读写器的系统架构图。如图1所示，本发明一种超高频电子标签读写器200，包括天线201、环形隔离器202、接收模组203、发射模组204、本振产生电路205、数字处理电路206以及其他电路模块207。

天线201，一端从空间接收射频RF信号且向空间发射射频RF信号，另一端与环形隔离器202相连；环形隔离器202用于实现射频RF信号的时分复用，其分别与接收模组203及发射模组204耦合，其也可以为其他耦合设备，此为现有技术，在此不予详述；接收模组203包括滤波器1、下变频器、滤波器2、可变增益放大器2以及ADC模数转换器，接收模组203从环形隔离器202接收射频RF信号，经滤波、下变频、再滤波、增益放大以及模数转换处理后，送至数字处理电路206进行处理；发射模组204，包括DAC数模转换器、调制器、可变增益放大器1及功率放大器，将数字处理电路106输出的调制数字信号，进行数模转换、调制、增益放大及功率放大后通过环形隔离器202送至天线201发射出去；本振产生电路205，连接一晶振，最好为恒温晶振，至少包括两个锁相环电路(第一锁相环电路208与第二锁相环电路209)以及混频器210，其中第一锁相环电路208用于实现粗调，其跳变步长(称为第一跳变步长)较大，第一跳频步长可以如20MHz，以实现频段较大范围跳变，输出第一工作频段，该第一工作频段的范围为700-900MHz或900MHz-1060MHz，第二锁相环电路209用于实现细调，其跳变步长(称为第二跳变步长)较小，跳变步长最好在100KHz-250KHz之间，一般来说，第二跳变步长需要满足频谱规范，如中国为0.125MHz，美国为0.25MHz，欧洲为0.2MHz等等，以实现频段小范围跳变，输出第二工作频段，第二工作频段的范围约为60MHz-100MHz，较佳的，其范围在70MHz-90MHz之间，另外，于本发明较佳实施例中，第一跳频步长一般为第二跳频步长的10倍以上，最好为10-400倍之间，第一工作频段与第二工作频段经频率锁定后输入至混频器210进行上变频，其输出端分别与下变频器及调制器相连，混频器210的上变频输出即为本发明读写器所需本振，当然，本发明可以根据不同标准选择粗调和细调步长以实现最佳相位噪声；数字处理电路206，接收ADC模数转换器输出的数字信号，进行处理，并采用OOK或ASK调制方式将调制的数字信号输出给DAC数模转换器；以及其他电路模块207，包含系统控制、稳压电路以及通信接口等模块，这些均是现有读写器的常用模块，在此则不予详述。

更佳的，本发明超高频电子标签读写器在混频器210的输出端还设有一滤波器3，以将混频器210输出的上变频输出信号经过滤波后再送至下变频器或调制器。同时，在混频器210与第一锁相环电路208、第二锁相环电路209之间，还可分别设置第一缓冲器1与第二缓冲器2，用于将第一工作频段与第二工作频段进行滤波后送入混频器210进行上变频。当然混频器210与滤波器3之间也可设置一第三缓冲器，以将上变频输出信号经缓冲后再进行滤波处理，而后送入下变频器或调制器。

请继续参考图2，其中，第一锁相环电路208与第二锁相环电路209均包括一鉴相器(鉴相器1与鉴相器2)、环路滤波器(环形滤波器1与环形滤波器2)、压控振荡器(VCO1与VCO2)以及分频器(N1分频器与N2分频器)，鉴相器输入端与晶振连接，输出端连接至环路滤波器的输入端，环路滤波器的输出端连接至压控振荡器的输入端，压控振荡器具有两个输出端，其中一输出端连接至混频器210，另一输出端连接至分频器的输入端，分频器输出端连接至鉴相器的输入端。

以下将通过一较佳实施例来说明。于本发明较佳实施例中，选取粗调的第一锁相环208输出第一工作频段760MHz，第一跳频步长20MHz，则第一锁相环208的分频器34的分频数N1＝760/20＝38；选取细调的第二锁相环209输出第二工作频段80-85MHz，第二跳频步长0.125MHz，则第二锁相环209的分频器34的分频数N2＝(80-85)/0.125＝640-680，而采用传统单环锁相环时，其分频数Nold＝(840-845)/0.125＝6720-6760，由于锁相环的相位噪声PN和分频数N正相关，相关计算公式为：PN(dBc/Hz)＝PN_Floor+20log(N)+10log(BW)，可见，N增大1倍则相位噪声PN恶化6dB。由于本发明较佳实施例中具有较大分频数的第二锁相环109的分频数N2也仅为现有技术中分频数Nold的1/10左右，则相位噪声PN会优化至20log(6720/640～6760/680)＝20.5～19.95dB，而粗调的第一锁相环208的分频数N1仅现有技术Nold的1/176，其对本发明两个锁相环电路的影响微乎其微。考虑到混频器210上变频引入的噪声的影响(两个等幅白噪声相加一般恶化3dB，而由于本发明两个相加的噪声相位相差悬殊，仅需要考虑最差的输入信号的相位噪声)，实际本发明超高频电子标签读写器的相位噪声优化将不低于16dB，相位噪声的优化意味着读写器的输入信噪比提高，其读写灵敏度和读写距离必然明显提高。当然，以上仅以实现840-845MHz工作频段为例，本发明不以此为限，还可以实现各个工作频段。比如要实现920-925MHz频段，则仅需要将粗调的第一锁相环208的分频数N1＝38变为N1＝42即可，其他在此则不再详述。因本发明粗调的第一锁相环电路208鉴相频率高，其锁定时间很短(＜10uS)，频段选择极快，加上细调的第二锁相环电路209输出频率较低，其锁定时间也比较快，配合射频标识/标签和系统协议，本发明可以实现快速跳频，一定程度上加强保密性。

可见，本发明一种超高频电子标签读写器，通过采用两个锁相环电路，使一个锁相环电路输出跳频步长较大、粗调的第一工作频段，另一个锁相环电路输出跳频步长较小、细调的第二工作频段，并将第一工作频段与第二工作频段通过混频器上变频，获得本发明超高频电子标签读写器所需本振，大大优化了本发明超高频电子标签读写器的相位噪声，使得本发明超高频电子标签读写器的读写灵敏度和读写距离明显提高，而且本发明通过较大范围的跳频，一定程度上提高了信息安全性，另外，本发明超高频电子标签读写器可以应用于各个工作频段，在不改动硬件和保证性能的基础上可广泛满足各国标准。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种超高频电子标签读写器，至少包含天线、耦合设备、接收模组、发射模组、数字处理电路、本振产生电路、系统控制、稳压电路以及通信接口，其特征在于，该本振产生电路包含：

2.如权利要求1所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：在该混频器的输出端还设有一滤波器，用于将该混频器输出的上变频输出信号进行滤波后送至该发射模组与该接收模组。

3.如权利要求2所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该混频器与该两个锁相环电路之间分别设有第一缓冲器与第二缓冲器，用于将该第一工作频段与该第二工作频段进行缓冲后送入该混频器进行上变频。

4.如权利要求3所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：在该混频器与该滤波器之间，还设有第三缓冲器，用于将该混频器输出的上变频输出信号进行缓冲后再进行滤波处理。

5.如权利要求4所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该滤波器的输出端分别与该接收模组的下变频器、该发射模组的调制器连接。

6.如权利要求5所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该两个锁相环电路均至少包括鉴相器、环形滤波器、压控振荡器以及分频器，该鉴相器输入端与该晶振连接，输出端与该环形滤波器输入端相接，该环形滤波器的输出端连接至该压控振荡器输入端，该压控振荡器具有两个输出端，其中一输出端连接至该混频器，另一输出端连接至该分频器。

7.如权利要求6所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该第一工作频段为700-900MHz或900MHz-1060MHz；该第二工作频段为60MHz-100MHz。

8.如权利要求7所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该第一跳频步长为该第二跳频步长10倍以上。

9.如权利要求8所述的超高频电子标签读写器，其特征在于：该第二跳频步长为100KHz-250KHz之间，该第一跳频步长为该第二跳频步长的10-400倍。