UHF RFID自適應射頻干擾對消技術*

余 旭，宋國棟，劉學觀，周鳴籟

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006)

0 引 言

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用射頻信號實現非接觸式通信的自動識別技術[1]，它可以實現對物品的監控、識別、管理和跟蹤[2-4]，其中超高頻(Ultra-high Frequency，UHF)RFID技術以其識別距離遠、標簽制作成本低、多標簽識別和快速識別等優點得到了廣泛關注。UHF RFID系統的通信采用反向散射原理，閱讀器在接收標簽反向散射信號的同時需要不斷發射載波為標簽進行供能[5-6]。發射的載波信號與環境中反射的載波信號共同進入射頻接收前端，在接收電路上形成自干擾信號，其信號強度遠大于接收的反向散射信號，從而影響接收靈敏度。目前高精度RFID系統幾乎被國外壟斷，國產RFID閱讀器芯片的系統性能有待提升，其中高效實時射頻前端的自干擾消除技術也是一個有待突破的瓶頸。

閱讀器射頻前端一般采用定向耦合器或者其他雙工器實現收發隔離，雙工器的隔離度一般只有25 dB左右，影響了RFID系統識別成效。自干擾消除技術是提高收發隔離度的有效方法。目前，自干擾信號的消除方法分為無源射頻自干擾抵消和有源射頻自干擾抵消[7]，兩種對消技術多應用于單天線的閱讀器設備。無源射頻自干擾抵消技術將定向耦合器耦合端口的反射結構改為可電調諧網絡，使耦合端阻抗失配，通過對該端口反射系數的動態調節使耦合端上的反射信號與隔離端的自干擾信號在接收端口相互抵消。文獻[8]在0.8～1 GHz頻段內取得了不低于30 dB隔離度。文獻[9]通過控制PIN二極管和變容管的偏置電壓改變其電阻和電容，實現耦合端反射信號的幅相調節，可在896～906 MHz的頻段內實現優于60 dB的收發隔離度。有源射頻自干擾對消技術，通過調制參考信號源的幅度和相位，使得該信號在接收鏈路上能完全抵消自干擾信號。英頻杰公司的集成讀寫器芯片R2000[10]中，可對消功率大于+15 dB，對消器控制算法采用局部搜索法。文獻[11]采用微控制器控制矢量調制器以實現抵消信號的幅度、相位調節，在915 MHz頻點實現了18.6 dB自干擾信號抑制效果。在文獻[12]中，電路每次找到一個局部最小值就減少步長進行搜索，大約在330 ms搜索到最優解，可抵消自干擾信號約40 dB。

目前，射頻自干擾對消技術存在控制電路復雜、算法閉環速度慢，以及自干擾信號的抑制程度對矢量調制器的精度要求高等問題。為此，本文提出了高精度矢量調制器結合Powell最優值搜索算法的有源射頻自干擾對消方法，使對消電路具有更快的響應速度和更高的自干擾信號抑制程度。

1 自干擾信號的來源與對消原理

1.1 自干擾信號的來源

圖1是一個典型的RFID閱讀器射頻前端結構圖，可以看出自干擾來源主要路徑為A、B、C。路徑A表示由于定向耦合器的隔離度不高，泄漏到接收端的載波。路徑B表示由于天線的阻抗匹配不好，返回到接收端的載波。路徑C表示由于環境的復雜，反射回接收端的載波。

圖1 自干擾信號來源路徑圖

1.2 自干擾信號的對消原理

圖2是一個經典的有源射頻自干擾對消電路結構圖。

圖2 自干擾信號抵消路徑圖

無源RFID射頻識別系統通常采用ASK調制,假設路徑A、B、C合成的自干擾信號VSJ(t)為

VSJ(t)=ASJcos(ω0t) 。

(1)

將定向耦合器的耦合端信號作為參考源信號VS(t)，通過MCU調節調幅、調相電路的控制參數，產生抵消信號VC(t)為

VC(t)=ACcos(ω0t+φ)。

(2)

式中：ω0為載波信號的角頻率；ASJ為自干擾信號的幅值；AC為抵消信號的幅值；φ為自干擾信號與抵消信號間的相位差。則當自干擾信號被抵消之后的接收信號VRX(t)為

VRX(t)=VC(t)+VSJ(t)，

(3)

則其幅值為

(4)

式(4)中，當φ等于180°時，|VRX|的取值最小。令Δθ=180°-φ表示與理想值的相位差，令自干擾信號與抵消信號的幅度差ΔA為

ΔA=20lg(AC/ASJ)，

(5)

當ΔA趨近于0 dB、Δθ趨近于0°時，抵消信號與自干擾信號幅度相等，相位相差180°，此時|VRX|的值為零，自干擾信號被完全抵消。

有源對消技術的關鍵是響應時間和對消幅相實現精度。本文采用高精度數字矢量移相器與衰減器為核心，以改進的Powell搜索算法為手段，實現高精度實時對消。

2 硬件電路設計和實現

本文設計的自適應干擾對消電路的硬件部分主要分為幅度衰減模塊、移相器模塊、功率檢測模塊、MCU控制模塊、電源模塊，其中，移相器的控制系數W2為8 b，移相范圍為0°～360°，步進精度為1.406 25°；幅度衰減器的控制系數W1為6 b，衰減范圍為0～31.5 dB，步進精度為0.5 dB；功率檢測模塊的線性檢測有效范圍為-65～0 dB。采用多路功分、合路器來確保電路的穩定性，其最終的硬件實現框圖如圖3所示。

圖3 硬件實現框圖

3 自適應控制算法

3.1 最優解搜索算法

對消電路通過調節衰減器的控制系數和移相器控制系數，使干擾對消電路工作在最優抑制狀態。下面通過數學建模來分析對消電路的最優解搜索問題。

將接收信號幅值與自干擾信號幅值的比值作為自干擾信號抑制比r，則

r=20lg(|VRX|/ASJ) 。

(6)

將式(4)、(5)代入式(6)中，化簡得

r=10lg(1+10ΔA/10+2×10ΔA/20×cos Δθ)。

(7)

r是以幅度差和相位差為變量的函數，曲線如圖4所示。

圖4 自干擾信號抑制程度與幅、相差函數關系圖

由圖4知，通過調節衰減器和移相器的控制系數，使幅度差ΔA趨近于0 dB，相位差Δθ趨近于0°時，以達到最優的抵消效果。這是個最優解問題，本文使用改進的Powell搜索算法。

圖5 Powell搜索算法實現步驟圖

圖6 DDA畫線算法實現圖

下面簡述算法的實現過程。假設以A點為初始搜索位置，將變量W1增加1個單位值，然后根據搜索方向計算出W2需要變化的值，對變化的值進行取整操作。將這個點作為下次需要搜索的點。通過DDA畫線算法，可以使得W1、W2的搜索步進值盡可能小，從而避免搜索過程中錯過最優解和超出自變量取值范圍。

圖7表示在給定自干擾信號VSJ(t)與抵消信號的參考源信號VS(t)時，控制系數W1、W2值與對消效果的函數關系，其中參考源信號VS(t)與VSJ(t)之間幅度差為6 dB，相位差為60°。此時調節控制系數使得VS(t)衰減6 dB、移相120°，得到抵消信號VC(t)，即可完全抵消VSJ(t)。為了估計電路自動調節算法的效率，基于本文設計的對消電路，通過Matlab程序對改進的Powell搜索過程進行仿真分析，研究搜索過程在不同初始位置即W1、W2取不同初始值時，達到最優解所需要的搜索次數。

圖7 干擾抵消函數模型

隨機改變200次搜索的初始位置，對改進的Powell搜索過程進行相關的統計，結果顯示，算法總是能夠在3～4次迭代之后搜索到最優解，計算得到平均每次Powell搜索過程需要調節幅度12.6次，調節相位67.5次。

3.2 自適應閉環對消控制流程

由于RFID系統在工作的過程中，不僅載波的頻率和功率在不斷改變，其工作環境也有可能發生改變，這些改變會導致自干擾信號的幅度與相位發生變化。為了對消電路能夠根據這些改變進行自適應參數控制，設置了自干擾功率閾值，通過功率檢測模塊獲得自干擾功率實測值，根據兩者的大小來判斷是否進行最優參數搜索。為了避免搜索的解為局部最優解，增加隨機驗證過程，以實際搜索結果為中心，以搜索的最小步進為單位，進行簡單的遍歷搜索，遍歷的個數為4個。如果遍歷的結果比Powell搜索的結果差，驗證通過；否則，將遍歷搜索的次優解作為新的初始搜索位置，再次進Powell搜索，從而形成了具有快速響應的改進Powell自適應對消控制算法。最終得到自適應對消控制算法的程序流程如圖8所示。

圖8 自適應射頻干擾對消電路程序流程圖

對消電路上電后進行的第一次自動調節過程中調相、調幅的次數較多，上小節已給出仿真估計。之后的自適應調節過程，只需要根據載波頻率和幅度的變化進行對消電路控制參數的微調。

4 測試與結果分析

實際測試環境如圖9所示，由信號源、示波器、頻譜分析儀、對消電路板組成，其中信號源、示波器和頻譜分析儀的型號分別為RIGOL公司的DSG3000B、DS6104和RSA5000系列，對消電路板采用FR4材質，PCB板厚1.6 mm。測試對消電路對自干擾信號的抑制效果，并通過示波器捕捉控制算法程序在不同階段輸出的硬件標志信號，測量對消電路的響應時間。

圖9 對消電路測試環境

在840～960 MHz間的RFID頻段內，以步進1 MHz為間隔，信號源輸入功率為20 dBm，測試收發端之間隔離度的測試結果如圖10所示。由圖10知，該對消電路可使閱讀器收發端口的隔離度提高至62 dB以上，最高可達70 dB。

圖10 電路的接收端與發射端的隔離度

為了統計對消電路上電后的第一次自動調節過程的實際耗時，進行15次上電測試，統計得到電路平均調幅17.9次，調相61.4次，并實測得第一次自動調節過程平均耗時為31.7 ms，此耗時包括電路的硬件耗時與軟件耗時。其中，各模塊單次動作的實際耗時分別為移相模塊102 μs，衰減器模塊7 μs，功率檢測模塊187 μs。電路設計的關鍵參數如下：MCU內部ADC時鐘為12 MHz，單次采樣時間為55時鐘周期，通過中值濾波算法來使得ADC采集的數據穩定，其中采集次數為15次，兩次采集之間的延遲為5 μs；MCU與DAC之間的SPI時鐘速率為1 MHz。

第一次自動調節之后，通過調節信號源的頻率和幅度來統計自適應調節過程實際耗時。對信號源進行10次隨機頻率和幅度的改變，統計得到電路平均調幅0.4次，調相8.7次，并實測得后續自適應調節過程平均耗時為3.9 ms。

5 結 論

本文分析了自干擾信號的來源和對消理論，并基于高精度的移相器、衰減器產生高質量的對消信號，對消電路在移相精度為1.406 25°、幅度精度為0.5 dB情況下，通過改進的Powell算法實現電路控制參數的自動調節。測試結果表明，在840～960 MHz間的RFID頻段內，RFID閱讀器收發端之間的隔離度提高至62 dB以上，最高可達到70 dB。本對消電路上電的首次自動調節過程耗時大約31.7 ms，之后的自適應過程可在3.9 ms左右完成參數調節。本文提出的對消電路響應時間短、對消成效顯著，可為提升國產RFID閱讀器芯片的系統性能提供技術支撐。