一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，位于RFID讀寫器端，其包括環(huán)形器，所述環(huán)形器信號(hào)輸入端TX-S連接PA模塊的輸出端，載波信號(hào)TX-S經(jīng)過(guò)PA模塊進(jìn)行功率放大，并通過(guò)環(huán)形器傳輸至天線，標(biāo)簽返回信號(hào)RX-S返回環(huán)形器的RX-S信號(hào)端，還包括一載波消除LNA差分放大電路、以及前置的幅值相位調(diào)節(jié)電路、控制和調(diào)節(jié)幅值相位調(diào)節(jié)電路的數(shù)字控制電路。本發(fā)明通過(guò)載波消除LNA的差分放大電路的高共模抑制比實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的載波信號(hào)的抑制消除，并且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，可使窄帶收發(fā)電路有極高的隔離度，完全滿足讀寫器高接收靈敏度和遠(yuǎn)距離識(shí)別的需求。
【專利說(shuō)明】一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及載波消除領(lǐng)域，特別是一種在超高頻射頻識(shí)別讀寫器中用于消除接收 回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，射頻識(shí)別技術(shù)得到高速發(fā)展，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域 得到廣泛的應(yīng)用，例如公交收費(fèi)系統(tǒng)、物流管理、人員的安全監(jiān)控以及生產(chǎn)過(guò)程的控制和超 市的商品管理等，射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)深入到人們生活的方方面面。
[0003] 射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由讀寫器，應(yīng)答器(標(biāo)簽）和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其中讀寫 器的靈敏度和應(yīng)答器(標(biāo)簽）的靈敏度及反向散射性能決定了系統(tǒng)的讀取距離。
[0004] 由于應(yīng)答器(無(wú)源標(biāo)簽）沒(méi)有直流電源供應(yīng)，讀寫器必須發(fā)射一個(gè)連續(xù)波信號(hào)激活 應(yīng)答器，然后應(yīng)答器將含有數(shù)據(jù)信息的調(diào)制信號(hào)反向散射回讀寫器，經(jīng)過(guò)后臺(tái)處理后得到 所需要的信息。由于發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的頻率相同，不能用濾波器將它們分離，所以一般 用環(huán)形器將讀寫器的收發(fā)信號(hào)分開，并在接收電路加上載波消除電路進(jìn)行閉環(huán)反饋控制， 從而達(dá)到對(duì)載波泄漏信號(hào)進(jìn)一步消除的目的。
[0005] 環(huán)形器的隔離度一般只有25dB左右，在讀寫器發(fā)射機(jī)輸出功率為IW(30dBm) 的情況下，在接收回路泄露的載波功率在5dBm左右。而典型的讀寫器接收機(jī)接收靈敏度為 -80dBm，如果天線增益為5dBi，那么在接收回路泄露的載波功率將比接收信號(hào)大80dB。這 么大的泄露信號(hào)不僅能夠淹沒(méi)接收信號(hào)，造成接收靈敏度降低，而且容易造成接收回路飽 和，使得接收機(jī)不能正常工作，因此，可以通過(guò)在接收機(jī)前端加上載波消除電路對(duì)載波泄漏 信號(hào)進(jìn)一步消除，以提高接收機(jī)靈敏度。
[0006] 為了能夠降低和消除接收回路的載波信號(hào)，近年來(lái)很多科學(xué)工作者提出了各種 載波消除的方法。W.Lim和J.Yu等人在其專利Balancedcirculatorstructurewith enhancedisolationcharacteristics中提出采用兩個(gè)天線來(lái)分離發(fā)射和接收信號(hào)的 方法，雖然這種方法能夠提高隔離度，但是同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本； PekkaPursula等人在專利MikkoKivirantaandHeikkiSeppa.UHFRFIDReaderwith ReflectedPowerCanceller中提出了正交反饋的載波消除電路，可以使接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范 圍增大IOdB左右；由張君、嚴(yán)秀成在一種超高頻RFID自干擾載波消除裝置中提出的應(yīng)用 PIN二極管構(gòu)成反射調(diào)制器的定向耦合器型載波消除電路，接收端的載波被抑制了 42dB。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種用于消除接收回路載波干 擾的載波消除電路系統(tǒng)，其基于閉環(huán)反饋控制的窄帶讀寫器載波泄露低噪聲電路系統(tǒng)，簡(jiǎn) 單，易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)成本低，隔離度高。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，位于RFID讀寫器端，其包括環(huán) 形器，所述環(huán)形器信號(hào)輸入端TX-S連接PA模塊的輸出端，載波信號(hào)TX-S經(jīng)過(guò)PA模塊進(jìn)行 功率放大，并通過(guò)環(huán)形器傳輸至天線，標(biāo)簽返回信號(hào)RX-S返回環(huán)形器的RX-S信號(hào)端，還包 括一載波消除LNA差分放大電路、以及前置的幅值相位調(diào)節(jié)電路、控制和調(diào)節(jié)幅值相位調(diào) 節(jié)電路的數(shù)字控制電路： 所述載波消除LNA差分放大電路主要包括載波消除LNA模塊，載波消除LNA模塊一輸 入端連接環(huán)形器的RX-S信號(hào)端，載波消除LNA模塊后端直接連接至讀寫器接收機(jī)電路； 所述幅值相位調(diào)節(jié)電路主要包括幅值相位調(diào)節(jié)模塊，幅值相位調(diào)節(jié)模塊的輸入端通過(guò)buf模塊和功放模塊連接PA模塊的輸出端TX，幅值相位調(diào)節(jié)模塊的輸出端連接載波消除 LNA模塊的另一輸入端； 所述數(shù)字控制電路主要包括數(shù)字控制模塊和峰值檢測(cè)器，峰值檢測(cè)器通過(guò)buf模塊連 接載波消除LNA模塊的后端引出部分，數(shù)字控制模塊通過(guò)ADC采樣模塊連接峰值檢測(cè)器的 電壓信號(hào)輸出端，數(shù)字控制模塊信號(hào)輸出端連接并控制幅值相位調(diào)節(jié)模塊。
[0009] 進(jìn)一步的，所述載波消除LNA模塊是由MOS電路構(gòu)成的共源共柵結(jié)構(gòu)的差分放大 電路和帶中心抽頭的差分電感共同構(gòu)成的差分電路載波泄漏消除器。
[0010] 進(jìn)一步的，所述載波消除LNA模塊前端使用的共源共柵結(jié)構(gòu)通過(guò)減小共源管輸入 到輸出的電壓增益（as ，使得G*gs>Mp^Miller效應(yīng)減小來(lái)提高反向隔離 度。
[0011] 進(jìn)一步的，所述載波消除LNA模塊的負(fù)載采用為4和€^的諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)L、C諧振 電路的選頻功能，同時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)在直流狀態(tài)下不消耗電路的電壓裕度，并且在電路中添加MOS電容用以濾除偏執(zhí)電路中的耦合噪聲。
[0012] 進(jìn)一步的，所述載波消除LNA模塊中還設(shè)置有尾電流源MOS管，用于穩(wěn)定電流，避 免在電源線上形成較大的噪聲，另一方面是抑制共模輸入到共模輸出的增益UIcm
[0013] 進(jìn)一步的，所述峰值檢測(cè)器采用雙極型晶體管來(lái)作為整流器件。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是： (1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。
[0015] (2)采用本發(fā)明后可使窄帶收發(fā)電路有極高的隔離度，完全可以滿足讀寫器高接 收靈敏度和遠(yuǎn)距離識(shí)別的需求。
[0016] (3)本發(fā)明特別適用于中國(guó)的UHFRFID系統(tǒng)中。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的載波泄漏消除電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
[0019]參照?qǐng)D1所示，一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，在本實(shí)施 例中，讀寫器發(fā)射機(jī)發(fā)射的載波信號(hào)TX-S經(jīng)過(guò)PA模塊將載波信號(hào)功率進(jìn)行放大，然后通過(guò) 環(huán)形器傳輸至天線，標(biāo)簽返回的信號(hào)RX-S再通過(guò)環(huán)形器傳輸至載波消除LNA模塊，LNA模 塊之后直接連接至讀寫器接收機(jī)電路，同時(shí)LNA模塊還連接至buf模塊和峰值檢測(cè)器，并通 過(guò)ADC模塊采出電壓值傳輸至數(shù)字控制模塊，進(jìn)而控制幅值相位調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)從圖1中A端點(diǎn)經(jīng)功分電路傳輸過(guò)來(lái)的發(fā)射機(jī)信號(hào)TX的幅值和相位，進(jìn)而通過(guò)載波消除LNA差分放大 電路的高共模抑制比實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的載波信號(hào)的抑制消除。
[0020] 其中，在載波消除中載波消除LNA模塊主要是放大兩個(gè)同頻信號(hào)的差異，抑制相 同成分的載波泄漏信號(hào)；而在載波消除完成后，載波消除LNA模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)，主要 功能是放大微弱的接收信號(hào)，即放大帶調(diào)制命令的高頻有用信號(hào)。
[0021] 載波消除LNA模塊主要是由MOS電路構(gòu)成的共源共柵結(jié)構(gòu)的差分放大電路和帶中 心抽頭的差分電感共同構(gòu)成的差分電路載波泄漏消除器。載波消除LNA模塊利用差分電路 的特點(diǎn)，通過(guò)提高電路的共模抑制比，達(dá)到對(duì)從發(fā)射機(jī)泄漏過(guò)來(lái)的載波信號(hào)的抑制。
[0022] 載波消除LNA模塊結(jié)構(gòu)采用共柵結(jié)構(gòu)的主要目的是為了提高電路的信號(hào)放大線 性度，并且利用共柵結(jié)構(gòu)具有較好的頻率特性，使得該LNA放大電路更好的應(yīng)用在RFID超 高頻電路中。
[0023] 載波消除LNA模塊的前端使用的共源共柵結(jié)構(gòu)提高反向隔離度的方法是通過(guò)減 小共源管輸入到輸出的電壓增益Si使得Miller效應(yīng)減小而實(shí) 現(xiàn)的。
[0024] 載波消除LNA模塊的負(fù)載采用為I1^pCd的諧振網(wǎng)絡(luò)，利用L、C諧振電路的選頻功 能，同時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)在直流狀態(tài)下不消耗電路的電壓裕度。并在電路中添加合適的MOS電容 達(dá)到濾除偏執(zhí)電路中的耦合噪聲的作用。
[0025] 載波消除LNA模塊中添加尾電流源MOS管，一方面使得在輸入工模信號(hào)變化比較 大的情況下穩(wěn)定電流，避免在電源線上形成較大的噪聲，提高了電源電路的穩(wěn)定性；另一方 面是抑制共模輸入到共模輸出的增益〇4κμ)。
[0026] 峰值檢測(cè)器所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是將載波消除LNA模塊之后出的信號(hào)的峰值大小以電 壓的形式輸出，進(jìn)而通過(guò)ADC采樣模塊可以向數(shù)字控制電路提供峰峰值的電壓表示數(shù)值， 進(jìn)而控制幅值相位調(diào)節(jié)電路實(shí)現(xiàn)載波泄漏信號(hào)的抑制。
[0027] 高頻的峰值檢測(cè)器采用雙極型晶體管來(lái)作為整流器件實(shí)現(xiàn)，這是由于雙極型晶體 管的I-V特性易于控制，峰值檢測(cè)器的輸出響應(yīng)也可以得到較為精確地預(yù)測(cè)。
[0028] 峰值檢測(cè)電路采用非線性的整流管構(gòu)成的MOS差分電路，同時(shí)偏置電路為輸出提 供參考電平，使得輸入信號(hào)為零時(shí)輸出電壓也為零。采用共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)提供偏置電 流，這樣可以使得輸出阻抗高，比較接近理想電流源的特性。
[0029] 數(shù)字控制幅值相位調(diào)節(jié)電路，該電路的所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是將從環(huán)形器A端點(diǎn)處傳輸 過(guò)來(lái)的發(fā)射機(jī)發(fā)射過(guò)來(lái)的載波信號(hào)通過(guò)數(shù)字控制電路調(diào)節(jié)其幅值和相位的大小。幅值在足 夠大的范圍內(nèi)連續(xù)或階段可調(diào)，相位在0° -360°范圍連續(xù)或階段可調(diào)，從而使得經(jīng)過(guò)載 波消除LNA模塊后，載波泄漏信號(hào)能被抑制到最低。
[0030] 根據(jù)附圖1所示為本發(fā)明載波消除電路的結(jié)構(gòu)圖，該電路的主要工作原理為： RFID讀寫器工作周期主要分為三個(gè)部分T1、TX、TR，在Tl階段，發(fā)射機(jī)向天線持續(xù)發(fā)射無(wú)任 何調(diào)制命令的高頻載波用于給無(wú)源標(biāo)簽供給能量，TX階段發(fā)射機(jī)將命令調(diào)制在高頻載波上 通過(guò)天線向外發(fā)射，處于有效場(chǎng)區(qū)的無(wú)源標(biāo)簽對(duì)接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行檢波、解調(diào)得到命 令，TR階段無(wú)源標(biāo)簽根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)調(diào)節(jié)本身天線的反射系數(shù)，從而調(diào)制該連續(xù)載波，并將調(diào) 制后的連續(xù)載波背向散射回讀寫器，完成數(shù)據(jù)的返回。在這三個(gè)階段中，發(fā)射機(jī)無(wú)論在哪個(gè) 階段都需要向無(wú)源標(biāo)簽發(fā)射發(fā)射很大的載波信號(hào)，載波信號(hào)通過(guò)環(huán)形器泄漏到接收機(jī)前端 即為載波泄漏信號(hào)。
[0031] 由于在Tl階段發(fā)射機(jī)發(fā)射的為無(wú)命令調(diào)制的載波信號(hào)，該階段接收機(jī)不會(huì)接收 到有用信號(hào)，僅有載波泄漏信號(hào)存在，在該階段如果將載波消除電路調(diào)節(jié)至對(duì)載波泄漏信 號(hào)最大抑制作用那么在接下來(lái)的兩個(gè)有用階段載波泄漏信號(hào)將被抑制到最低，因此，對(duì)于 每個(gè)讀寫器周期，本實(shí)施例將在Tl階段實(shí)現(xiàn)對(duì)載波消除電路的調(diào)節(jié)。
[0032] 發(fā)射機(jī)發(fā)射的高頻載波信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器PA模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)較低能量的高頻信號(hào) 的功率放大，接下來(lái)高頻信號(hào)傳輸至環(huán)形器。而載波泄漏信號(hào)即是在該環(huán)形器處由A端點(diǎn) 泄漏至C端點(diǎn)到達(dá)接收機(jī)前端。從A端點(diǎn)再引出部分高頻在信號(hào)，簡(jiǎn)稱信號(hào)F，則該信號(hào)F 必是和載波泄漏信號(hào)同源的高頻信號(hào)，即它們的頻率相同，相位噪聲也相近。由于信號(hào)F和 載波泄漏信號(hào)從環(huán)形器的A端點(diǎn)分離到他們均傳輸在載波消除LNA模塊經(jīng)歷了一系列的電 路導(dǎo)致它們的相位、幅值均有所改變不再相同。通過(guò)調(diào)幅調(diào)相電路的作用使得信號(hào)F與載 波泄漏信號(hào)在到達(dá)LNA輸入端時(shí)的相位、幅值盡可能一致，從而在載波消除LNA模塊高共模 抑制比的作用下抑制消除載波泄漏信號(hào)。因此，在載波消除LNA模塊后端引出部分信號(hào)傳 輸至峰值檢測(cè)器，將峰值的大小轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，并通過(guò)ADC采樣模塊將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為 數(shù)字信號(hào)傳輸給數(shù)字控制電路對(duì)調(diào)幅調(diào)相電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電路的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。在理 想狀態(tài)下，載波消除LNA模塊之后信號(hào)的峰值將會(huì)是零，即載波泄露信號(hào)完全被抑制。
[0033] 數(shù)字控制電路控制調(diào)幅、調(diào)相電路的原理分析如下：首先數(shù)字控制電路先控制幅 度相位調(diào)節(jié)電路處于一個(gè)初始狀態(tài)，即幅度和相位被賦于一個(gè)初始值。然后固定幅度不變， 根據(jù)峰值檢測(cè)器傳輸回來(lái)的電壓信號(hào)不斷調(diào)節(jié)相位，直到該電壓信號(hào)達(dá)到最小。然后固定 住相位不變，繼續(xù)根據(jù)峰值檢測(cè)器傳輸回來(lái)的電壓信號(hào)不斷調(diào)節(jié)幅值，直到該電壓信號(hào)達(dá) 到最小。由此完成整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程。
[0034] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，位于RFID讀寫器端，其包括 環(huán)形器，所述環(huán)形器信號(hào)輸入端TX-S連接PA模塊的輸出端，載波信號(hào)TX-S經(jīng)過(guò)PA模塊進(jìn) 行功率放大，并通過(guò)環(huán)形器傳輸至天線，標(biāo)簽返回信號(hào)RX-S返回環(huán)形器的RX-S信號(hào)端，其 特征在于，還包括一載波消除LNA差分放大電路、以及前置的幅值相位調(diào)節(jié)電路、控制和調(diào) 節(jié)幅值相位調(diào)節(jié)電路的數(shù)字控制電路： 所述載波消除LNA差分放大電路主要包括載波消除LNA模塊，載波消除LNA模塊一輸 入端連接環(huán)形器的RX-S信號(hào)端，載波消除LNA模塊后端直接連接至讀寫器接收機(jī)電路； 所述幅值相位調(diào)節(jié)電路主要包括幅值相位調(diào)節(jié)模塊，幅值相位調(diào)節(jié)模塊的輸入端通過(guò)buf模塊和功放模塊連接PA模塊的輸出端TX，幅值相位調(diào)節(jié)模塊的輸出端連接載波消除 LNA模塊的另一輸入端； 所述數(shù)字控制電路主要包括數(shù)字控制模塊和峰值檢測(cè)器，峰值檢測(cè)器通過(guò)buf模塊連 接載波消除LNA模塊的后端引出部分，數(shù)字控制模塊通過(guò)ADC采樣模塊連接峰值檢測(cè)器的 電壓信號(hào)輸出端，數(shù)字控制模塊信號(hào)輸出端連接并控制幅值相位調(diào)節(jié)模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，其特征在 于，所述載波消除LNA模塊是由MOS電路構(gòu)成的共源共柵結(jié)構(gòu)的差分放大電路和帶中心抽 頭的差分電感共同構(gòu)成的差分電路載波泄漏消除器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，其特征在 于，所述載波消除LNA模塊前端使用的共源共柵結(jié)構(gòu)通過(guò)減小共源管輸入到輸出的電壓增
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，其特征在 于，所述載波消除LNA模塊的負(fù)載采用為4和G的諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)L、C諧振電路的選頻功能， 同時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)在直流狀態(tài)下不消耗電路的電壓裕度，并且在電路中添加MOS電容用以濾除 偏執(zhí)電路中的耦合噪聲。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，其 特征在于，所述載波消除LNA模塊中還設(shè)置有尾電流源MOS管，用于穩(wěn)定電流，避免在電源 線上形成較大的噪聲，另一方面是抑制共模輸入到共模輸出的增益
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于消除接收回路載波干擾的載波消除電路系統(tǒng)，其特征在 于，所述峰值檢測(cè)器采用雙極型晶體管來(lái)作為整流器件。
【文檔編號(hào)】G06K17/00GK104484690SQ201410803557
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】翁宇飛, 李力南, 李二亮 申請(qǐng)人:蘇州寬溫電子科技有限公司