CN104380611A - 用于在电感耦合的rfid中产生专用数据信道的装置 - Google Patents

Abstract

用于修改传入的射频(RF)信号的电感耦合装置包括用于根据电感元件的耦合阻抗特征修改传入的射频信号的电感元件。可变阻抗电路包括电耦合至电感元件的输出。低通Delta-Sigma耦合至可变阻抗电路并数字式控制可变阻抗电路的输出，基于可变阻抗电路的输出调节电感元件的耦合阻抗。

Description

用于在电感耦合的RFID中产生专用数据信道的装置

发明领域

本发明总体上涉及用于在电感或磁耦合的射频通信网络中产生专用数据传输信道的方法及装置。

背景技术

射频识别(RFID)***通常用于定位并跟踪包括读取装置和至少一个无线终端或者标签的近场通信网络中的物品。在给定RFID网络或***中，将含有载波信号的激励时变电磁射频(RF)波从读取器发送到多个标签。可利用电感耦合借助于两个电路之间的互感将能量从一个电路(例如导电天线线圈及相关电路)传输到另一个电路。标签中所感应出的电压能够被整流并用于向标签电路供电。RFID网络可包括标签和读取器，其中，标签和读取器利用它们的电感耦合天线(或者天线线圈)间的这种电感耦合来交换信息。为了使信息能够从标签传递到读取器，标签电路会改变负载，其在本文中指的是与其电感耦合线圈相关的耦合阻抗。由于互感耦合的原因，读取器能够检测到此改变，借此，源自读取器的RF信号能被修改并返回至该读取器，修改后的信号由标签来调制以传送编码数据。

图1描述了现有技术的RFID***，在该***中，在相同的频率信道或频谱104上进行从标签101a-c到读取装置103的数据传输。利用已有的电感耦合技术，通常处于RFID***或网络中的多个标签中的每个标签在用于电感耦合的相同载波信号上发送RF信号。因此，来自各标签的电感耦合的RF信号在与给定读取装置/RFID网络相关的相同RF频谱内与其它标签的电感耦合RF信号重叠。

因此，当多个标签被相同的RFID读取装置激励，同时利用给定频率信道对返回至读取器的它们各自的、重叠的信号进行耦合时，在RFID***中会发生标签冲突。这样，每当在同一RF场中必须同时读取大量标签时，标签冲突问题就会加重。当同时产生的信号发生冲突时，读取器不能区分这些信号。标签冲突会使读取器混淆，产生数据传输错误，并通常会降低RFID***或网络内的数据吞吐量。

已提出了许多***来对个体标签进行隔离。例如，在一种专门减少冲突错误的技术中，当读取器意识到已发生标签冲突时，该读取器会发送特殊的“间隙脉冲”信号。当接收到此信号时，各标签会询问随机数计数器以确定发送其数据前要等待的间隔。由于各个标签得到唯一的数字间隔，因此标签会在不同时间发送它们的数据。然而，就数据吞吐率而言，仍然存在对整个RFID***性能的不利影响。

目前已知的是，通过利用例如相移键控(PSK)和幅移键控(ASK)这样的信号调制方案来对标签所接收到的信号进行调制并将调制后的信号电感耦合至读取装置，其中标签通过改变状态之间的阻抗匹配来改变其耦合阻抗。然而，仍然存在由给定频率信道上重叠的修改的信号导致的标签冲突的不利影响。

发明内容

本发明提供了一种用于修改传入的射频(RF)信号的电感耦合装置。电感耦合装置包括电感元件、具有电耦合至电感元件的输出的可变阻抗电路以及至少一个低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器，该调制器耦合至可变阻抗电路并数字式控制可变阻抗电路的输出，其中，当根据可变阻抗电路的输出来调节电感元件的耦合阻抗时，修改传入的RF信号。

在一个实施例中，至少一个低通Delta-Sigma调制器的输出在至少两个状态间切换可变阻抗电路的输出以调节耦合阻抗Z。

在另一实施例中，施加至低通Delta-Sigma调制器的输入信号由将传入的射频信号偏移+/-ω₀的复合调制信号其中之一组成。

复合调制信号可以由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中的任意信号组成。

在又一实施例中，电感耦合装置还包括至少一耦合至可变阻抗电路的第二低通Delta-Sigma调制器，其中可变阻抗电路的输出还数字式地受控于第二低通Delta-Sigma调制器。

在进一步的实施例中，输入至电感耦合装置的第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输入信号分别包括同相(I)信号和正交(Q)信号。

附图说明

现在将仅参照下列附图示例性地描述本发明，其中：

图1示出了现有技术的电感耦合的RFID网络，其中在相同的频率信道中进行从标签到读取器的数据传输；

图2示出了一实施例中用于产生耦合至电感元件的可变阻抗的装置；

图3示出了一实施例中用于产生由数字信号源(例如直接数字式频率合成器)的频率偏移的IQ信号的装置；

图4示出了一实施例中用于产生由数字信号源(例如是直接数字式频率合成器)的频率偏移的OFDM信号的装置；

图5a示出了一实施例中用于基于IQ信号输入来产生单边带信号的交织调制器装置；

图5b示出了利用图5a的交织调制器装置产生的单边带信号的输出信号的示意图；

图6示出了RFID通信网络的实施例，其中通过标签和读取器之间的电感耦合在专用频率信道中进行数据传输；

图7a示出了一实施例中用于产生QAM信号的电感耦合调制器装置；以及

图7b示出了可以在利用图7a的调制器装置产生的修改后的信号中产生的正交误差的示意图。

具体说明

本文使用的术语调制指的是射频识别(RFID)无线终端或标签改变读取器电感耦合装置的载波射频(RF)信号以对信息进行编码和传递的过程。例如，在相位调制中，将从读取装置传输到标签的数据编码到由RFID读取装置发出的载波的相位变化中。

图2示出了一个实施例中的如射频识别(RFID)通信网络的无线通信***的电感耦合装置200，该RFID通信网络可以为无源或半无源式的，其用于在电感元件203上产生可变阻抗205以修改例如来自RFID网络的读取装置的传入的射频(RF)信号。可以为RFID通信网络的标签终端的一部分的电感元件203，根据其时变耦合阻抗特征Z_L(t)来修改传入的RF信号。这里将数字波形207施加给单比特低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器202。应用单比特低通ΔΣ调制器202的输出以控制可变阻抗205的至少两个状态。

图3示出了一实施例中用于产生偏移数字信号源的频率的同相-正交(IQ)信号(308,309)的装置300，其中在一个实施例中数字信号源可以是直接数字式频率合成器(DDS)307。至混频器的信号(308,309)由直接数字式频率合成器307产生。可以应用低通Delta-Sigma(ΔΣ)调制器302来产生复合调制信号。如本文所述，低通Delta-Sigma调制器产生代表从DC电平到某预定设计的带宽BW的输入数据的输出比特流。超过该预定设计的带宽BW后，低通Delta-Sigma调制器的量化噪声会一直增加，直到在某设计截止点处该信号被认为具有过多的量化噪声为止。

在一实施例中，在可变阻抗电路中会存在一个或多个滤波器以滤除来自低通Delta-Sigma调制器302的带噪输出。

图4示出了一实施例中用于产生由数字信号源的频率偏移的正交频分复用(OFDM)信号的装置400。

在图3和图4的示例中，在f_rf+δf和f_rf-δf处产生复合调制信号，即它们为双边带的，并具有低边带和高边带。

图5a示出了一实施例中用于基于IQ信号输入508,509来产生单边带(SSB)信号的交织调制器装置500a。能够利用两个交织的低通ΔΣ调制器502a,502b来产生单边带(SSB)信号。

参见图5a，两个交织的低通ΔΣ调制器502a,502b提供使Z改变0,90,180或270°(或者通常地偏移+0，偏移+90，偏移+180，或者偏移+270)的信号。至交织的第一和第二低通Delta-Sigma调制器502a,502b的输入信号可分别包括同相(I)和正交(Q)信号508,509。在一个实施例中，施加至交织的低通Delta-Sigma调制器502a,402b的输入信号由将传入的射频信号偏移+ω0或-ω₀或0的复合调制信号组成。

仍参照图5a，第一ΔΣ(即(ΔΣ)_I)具有也使Z改变0或180°的输出，而另一ΔΣ(即(ΔΣ)_Q)具有也能使Z改变90或270°的输出。然而，输出是交织的，在第一ΔΣ和第二ΔΣ之间交替切换。因此，如果(ΔΣ)_I产生0，180，180，0，0，180…且(ΔΣ)_Q产生90，90，270，270，…，则控制Z改变0，90，180，90，180，270，0，270，…。通过利用此结构可以产生单边带SSB信号。

图5b示出了利用图5a的调制器装置500a产生的单边带SSB信号的代表性输出信号500b。图5b示出了这样一种结构的输出，其中施加在(ΔΣ)_I调制器和(ΔΣ)_Q调制器的信号分别为sinω_bbt和cosω_bbt。这里，ω_bb将被改变成三种不同的频率。

如果Z中出现任何误差，则会得到修改后的信号中有效的IQ偏移量。然而，这可通过使用已知的IQ校正方案在读取装置中进行校正。如果电感元件阻抗发生变化，则可将同样的做法应用到RFID读取器上。

图6示出了RFID通信网络600的实施例，其中通过产生针对RFID通信网络600中进行数据通信的各个标签601a-c的不同频率信道605,606,607，利用针对低通Delta-Sigma调制的复合调制装置和方法，在专用频率信道上进行从标签到读取器的数据传输。这里，针对耦合阻抗的低通Delta-Sigma调制的复合调制方法和装置是指并表示为“Z-ΔΣ方案”。各个标签终端601a-c中的电感元件603a-c根据电感元件603a-c的耦合阻抗特征Z来修改例如来自读取装置602的传入的射频信号。可变阻抗电路(在图6中未示出)具有电连接至电感元件603a-c的输出。低通Delta-Sigma调制器耦合至可变阻抗电路的输入，以数字式控制该可变阻抗电路的输出，使得可通过改变该可变阻抗电路的输出来调节电感元件603a-c的耦合阻抗Z。

图7a示出了一实施例中用于产生正交调幅(QAM)信号的调制器装置700。将数据比特施加到查找表(LUT)701后，再施加给ΔΣ调制器702a,702b。

通过应用单边带SSB方案，可以产生如GMSK、nPSK、正交相移键控(QPSK)、OFDM、nQAM等的复合调制信号，其中n表示整数。

在一实施例中，低通Delta-Sigma调制器702a,702b的输出可以为归零值(RTZ)，从而如果数据为1101101，则输出为10100010100010；注意在各比特位之间有0。在备选实施例中，低通Delta-Sigma调制器702a,702b的输出可以为非归零(NRZ)类信号；例如，如果数据为1101101，则输出为1101101，且不对数据流进行任何添加。

Z_in的相位可能存在误差；即Z₀exp(j0°)，(Z₀+ε₁)exp(j(180°+φ₁)，(Z₀+ε₂)exp(j(90°+φ₂)，和(Z₀+ε₃)exp(j(270°+φ₃)，其中ε₁，φ₁，ε₂，φ₂，ε₃和φ₃表示误差，Z₀为某参考阻抗。这些误差在由电感元件返回的修改后的信号中产生正交误差。

图7b为在以偏移量δf产生单边带的情况下的修改后的信号的示意图。由于此误差会在-δf处产生错误音调(error tone)；理想情况下误差信号是不存在的。此正交误差能够通过(i)调节施加给低通Delta-Sigma调制器的I和Q信号来校正，或者(ii)在RFID通信网络自身的读取器内进行校正。

例如，在读取器中测量的是E(Q^2)-E(I^2)和E(IQ)，其中E(x)为平均期望值。项E(Q^2)-E(I^2)为增益失配的度量，E(IQ)为相位失配的度量。直到E(Q^2)-E(I^2)＝0时I(或者Q)信道中的增益才会被更正，直到E(IQ)＝0时I(或者Q)信道中的相位才能够被更正。这可在闭环方案中例如通过使用最小均方滤波器的方式来完成。

用于产生校正的I和Q值的矩阵为：

I_更正的＝I*D

Q_更正的＝sin(phase_error)*I+cos(phase_error)*Q

其中D为I和Q之间增益失配的度量，phase_error为I和Q之间的相位误差。若没有任何误差，则D＝1，且phase_error＝0°。

针对由无线标签终端所利用的、例如用于驱动低通Delta-Sigma调制器的计时能而言，该计时功能的产生可由标签读取器中的时钟电路来提供，或者经由基于RFID网络的读取装置所提供的传入的RF信号的频率的时钟电路发生器来提供。

例如，在将来自读取器的信号作为时钟的实例中，如果读取器处于frf处，则标签使用的时钟将为frf，或者某频率frf/N，其中N为某整数(即frf被N分频以产生时钟)。

虽然本文针对无源和半无源RFID通信网络对本发明优选的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员可以想到，也确实能理解的是，本文中提出的方案还可应用于无线通信的其它方面。因此，本领域普通技术人员应当理解本文所描述的具体实施例仅是说明性的而不一定是全面的。例如，可以想到本文描述的低通Delta-Sigma调制器的比特流可由脉冲宽度调制***的类似比特流代替。在不脱离如权利要求所限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员能够做出这些或其它多种修改。

Claims (21)

1.一种用于修改传入的射频RF信号的电感耦合装置，其包括：

电感元件；

具有电耦合至所述电感元件的输出的可变阻抗电路；以及

至少一耦合至所述可变阻抗电路并数字式控制所述可变阻抗电路的输出的低通Delta-SigmaΔΣ调制器；

其中当根据可变阻抗电路的输出调节所述电感元件的耦合阻抗Z时，修改传入的射频信号。

2.根据权利要求1所述的电感耦合装置，其中至少一低通Delta-Sigma调制器的输出在至少两个状态之间切换所述可变阻抗电路的输出，从而调节所述耦合阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的电感耦合装置，其中施加至所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号包括将传入的射频信号偏移+/-ω₀的复合调制信号。

4.根据权利要求3所述的电感耦合装置，其中所述复合调制信号由GMSK、QPSK、nPSK、nQAM和OFDM信号中之一组成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电感耦合装置，其中所述低通Delta-Sigma调制器的输出为归零RTZ和非归零NRZ类信号中的一种信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电感耦合装置，其还包括至少一耦合至所述可变阻抗电路的第二低通Delta-Sigma调制器，其中所述可变阻抗电路的输出还数字式受控于至少第二低通Delta-Sigma调制器。

7.根据权利要求6所述的电感耦合装置，其中至第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输入信号分别包括同相I和正交Q信号。

8.根据权利要求6或7所述的电感耦合装置，其中第一和第二所述低通Delta-Sigma调制器的组合输出使所述可变阻抗电路的输出在四个状态间切换以调节所述电感元件的耦合阻抗。

9.根据权利要求8所述的电感耦合装置，其中所述耦合阻抗包括四个状态，彼此相隔Z₀exp(j0°)，Z₀exp(j180°)，Z₀exp(j90°)和Z₀exp(j270°)。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电感耦合装置，其中第一所述低通Delta-Sigma调制器((ΔΣ)_I)在0度和180度之间切换状态。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的电感耦合装置，其中所述第二低通Delta-Sigma调制器((ΔΣ)_Q)在90度和270度之间切换状态。

12.根据权利要求11所述的电感耦合装置，其中第一和第二低通Delta-Sigma调制器的输出在彼此间交替切换，其中如果(ΔΣ)_I产生0，180，180，0，0，180…且(ΔΣ)_Q产生90，90，270，270，…，则控制Z以0，90，180，90，180，270，0，270，…来调节。

13.根据权利要求6至12中任一项所述的电感耦合装置，其中施加到所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号包括将传入的射频信号的频率偏移ω₁的正弦和余弦波形，其中ω₁可为正或负。

14.根据权利要求6至12中任一项所述的电感耦合装置，其中施加到所述低通Delta-Sigma调制器的输入信号由将传入的射频信号的频率偏移+ω₀，-ω₀和0其中之一的复合调制信号组成。

15.根据权利要求14所述的电感耦合装置，其中所述复合调制信号由GMSK、nPSK、QPSK、nQAM和OFDM信号中之一组成。

16.根据权利要求6至15中任一项所述的电感耦合装置，其中所述低通Delta-Sigma调制器的输出由归零RTZ和非归零NRZ类信号中的一个信号组成。

17.根据权利要求7所述的电感耦合装置，其中调节所述I和Q信号以补偿在产生Z₀exp(j0°)，Z₀exp(j180°)，Z₀exp(j90°)和Z₀exp(j270°)时而导致的误差。

18.根据权利要求17所述的电感耦合装置，其中在电磁耦合至所述电感元件的射频识别RFID读取装置中进行所述误差的补偿。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的电感耦合装置，其还包括在所述可变阻抗电路处的至少一滤波装置以滤除来自至少一低通Delta-Sigma调制器的带噪输出。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的电感耦合装置，其中所述电感元件包括标签终端的一部分，所述标签终端电磁耦合至射频识别RFID***中的读取装置，所述读取装置以载波信号频率提供传入的射频信号，所述射频识别***包括对所述低通Delta-Sigma调制器进行计时，其中计时由标签读取器中的时钟电路和基于所述载波信号频率产生的时钟电路中的一个电路产生。

21.一种用于修改传入的射频RF信号的电感耦合装置，其包括：

电感元件；

具有电耦合至所述电感元件的输出的可变阻抗电路；以及

至少一耦合至所述可变阻抗电路并数字式控制所述可变阻抗电路的输出的脉宽调制电路；

其中当根据可变阻抗电路的输出调节所述电感元件的耦合阻抗Z时，修改传入的射频信号。