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RFID专题:32 载波泄漏消除技术

2022-05-05 16:15:23 明申科技 11

5.2.3 载波泄漏消除技术

载波消除技术(CarrierCancellation,CC)又叫载波抵消技术,也叫自干扰消除技术(Self-Jammer Cancellation,SJC),是提高超高频RFID阅读器灵敏度的关键手段。

01、载波泄漏消除技术的发展历

在5.2.2节的介绍中,多次提到载波泄漏带来的问题,然而在载波消除技术未被发明之前,超高频RFID阅读器主要采用了两种应对方法:一是承受载波泄漏的设计,这类阅读器通常利用高隔离度的环形器来衰减载波泄漏,通过设计无源高线性度的接收前端来承受载波泄漏信号的干扰,但无源前端噪声性能较差,影响灵敏度;另一种方法是利用衰减器减小载波泄漏,通过片内或片外衰减器减少载波泄漏信号,但同时衰减器也同比例减小了有用信号,从而降低了阅读器接收灵敏度。以上两种方法阅读器接收机灵敏度都不高:在0到5dBm载波泄漏时,阅读器接收机灵敏度通常为-70dBm左右,-10dBm级别及更小载波泄漏时,接收机灵敏度才可达到-85dBm,两种模式下灵敏度差异达15dB甚至更高。由此可见较高的载波泄漏正是制约阅读器芯片接收机灵敏度的重要因素。因此,从2007年起,国内外学者开始对载波泄漏消除技术进行研究。

Analog Device公司J.Y.Lee等人于2007年提出了一种具有载波泄漏消除的技术。该技术通过从片上本振信号抽取一路信号作为参考信号源,控制其幅度与相位,利用差分LNA与载波泄漏实时抵消的方法,信噪比有10-12dB的改善,最大可处理-6dBm的载波泄漏信号,在标签距离阅读器90cm处平均标签识别率从0%提高到42.8%。电路采用0.18umCMOS工艺1.8V电源电压实现。

复旦大学闵昊、倪熔华等于2008年提出通过片上本振信号抽取一路信号作为载波泄漏消除信号,控制其幅度与相位,与含有载波泄漏的有用标签信号分别输入差分LNA的两个输入端,实现消除共模载波泄漏信号,保留有用标签信号的目的,从而去除载波影响,最大可处理5dBm载波泄漏,灵敏度可达-80dBm。该电路采用SMIC0.18um CMOS工艺在3.3V电源电压下实现。

美国加利福尼亚大学A.Safarian and A. Shameli等人于2009年5月提出了一种有源载波泄漏抑制前端,设置两条射频路径:线性路径同时放大载波泄漏信号与有用标签信号;非线性路径去除标签信号,保留载波泄漏信号,通过调整其增益,在输出端相减从而消除载波泄漏信号,放大有用的标签信号。该电路采用CMOS 0.18um工艺在1.8V电源电压下实现,信噪比有50dB的改善,最大可处理15dBm的载波泄漏信号。

韩国三星光电子S.C.Jung等人于2010年3月提出了一种采用定向耦合器和阻抗调谐电路的载波泄漏抵消方法,该阻抗调谐电路通过PIN管和变容二极管来实现阻抗调谐,通过调节阻抗调谐电路使得定向耦合器隔离端产生失配并反射信号,该信号和载波泄漏信号一起进入到接收前端,调节从耦合端反射的信号,使其与载波泄漏信号大小相同方向相反以达到消除载波的目的。该方法使得接收机灵敏度有15dB的提升,标签识别距离提高约30%,工作频率860MHz-960MHz。

复旦大学闵昊、熊庭文等2010年2月提出了一种利用分立元件实现的载波泄漏抵消方法,电路由分立的定向耦合器、相移器、衰减器、环形器和功率合成器等器件组成,通过微处理器控制载波参考信号的幅度和相位,通过加法器与载波泄漏信号抵消,在920-925MHz内收发机隔离性能从原来的20dB提高到40dB。

韩国J.Y.Jung等人于2012年1月使用发射的连续载波信号作抵消参考信号源,控制其幅度和相位,利用加法器与载波泄漏信号抵消。该电路通过相移器、定向耦合器、功分器等分立元件实现,使得接收机读模式灵敏度最大提高13dB。

韩国科学技术院S.S.Lee等人于2013年2月提出一种利用dead-zoneamplifier来抑制载波泄漏的技术,该技术通过工作在B类的放大器,抑制载波信号,放大标签的调制信号,通过片上功率检测器和相应算法实现自动控制。该方法使得信噪比最高可改善15dB,最大可处理10dBm的载波泄漏信号。该芯片采用0.18um标准CMOS工艺实现,电源电压为3.3V。

韩国三星电子公司M.S.Kim、S.C.Jung等人于2013年5月提出了一种用直接泄漏耦合方法实现的具有自适应功能的发射端泄漏抵消前端。工作频率840-960MHz,该电路采用可变电容、可变电阻、电感、相移器以及八位微处器等分立元件实现,和没有该抵消前端的阅读器芯片相比,商用标签的读取距提升一倍。

至今仍有大量的学者和企业针对载波泄漏的消除技术进行研究,这也是Impinj R700阅读器比上一代灵敏度进步的原因。

02、载波泄漏消除技术方案

按照电路结构来分,现在主流的载波泄漏消除技术可概括为以下三种类型:

(1)接收双路消除法

第一种载波泄漏消除方法为:在接收前端设置两条射频路径,一条线性射频路径和一条非线性限幅射频路径,两条路径上的信号相减,保留有用标签信号且抵消泄漏信号。如图5-28所示,在射频接收前端,载波信号和泄漏信号同时通过两个射频路径,一条为线性路径,有用标签信号和载波泄漏信号都被放大;另一条为非线性限幅路径,该路径的输出信号只保留功率较大的载波泄漏信号的幅度及相位信号,去除了AM调制中位于包络中的标签信号,通过接收信号强度指示器(RSSI)监测输入输出信号的大小,通过由FPGA控制的数字算法调整非线性限幅路径的增益,使其输出信号和线性路径载波泄漏信号幅度、相位相同,在输出端相减,从而实现抵消载波泄漏信号、保留有用标签信号,该方法最大可获得30dB的载波泄漏信号衰减,然而抵消效果受到两条路径相位以及幅度匹配程度的影响,控制算法较复杂。


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图5-28接收双路消除法

(2)负反馈环路法

第二种载波泄漏消除方法是通过载波泄漏消除负反馈环路来实现,如图5-29所示。该方法由载波消除参考源、相位及幅度调整、检测电路、控制单元四个电路模块组成。


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图5-29负反馈环路法

其中载波泄漏参考源一般从发射机输出经定向耦合器等方式获得;检测电路用来检测残留的载波泄漏信号,其实现方式可通过功率检测器在进入接收前端进行射频功率检测,也可通过检测经下混频后的DC量;控制单元根据检测电路的输出调节载波消除参考信号的幅度及相位,当该信号与载波泄漏信号幅度相同、相位相反,通过矢量相加即可完全消除载波泄漏信号,根据相位及幅度电路实现方式的不同,该方法具体有两种实现方式,如图5-30所示。


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(a)I/Q正交抵消 (b)放大和相移抵消

图5-30负反馈环路法电路实现

在图5-30(a)中,载波消除参考源通过定向耦合器从发射机输出端获得,通过正交信号发生器产生正交I/Q两路,该电路通过由阅读器射频控制模块控制的两个可编程衰减器来实现其矢量合成信号的幅度和相位:同等程度改变I/Q两路放大器的增益调节矢量合成信号的幅度;改变I/Q两路的相对增益调节矢量合成信号的相位,该矢量合成信号与输入信号通过功率合成器或矢量加法器等方法相加,以消除载波泄漏信号。

图5-30(b)中,通过相同方法获得的载波泄漏参考源直接通过可编程放大器和相移器分别调整其幅度和相位,与输入信号在同一节点完成矢量合成以消除载波泄漏信号。

对于这两种电路实现方式,图5-30(a)所示电路结构更容易与阅读器集成在一起,以Impinj R2000阅读器芯片为代表;图5-30(b)所示电路结构,一般通过分立的相移器和衰减器,以及微控制器来实现,以R420等高端阅读器为代表。

(3)死区放大器抵消法

第三种载波泄漏消除方法是韩国科学技术院Sang-Sung Lee等人提出的一种利用dead-zone amplifier抑制载波泄漏的技术。根据ISO18000-C6协议规定,标签向阅读器发送数据采用FM0或Millersubcarrier编码,DSB-AS或PSK调制。当标签反向散射是通过改变标签内部天线阻抗的实部完成时,该调制为ASK调制;当标签反向散射是通过改变标签内部天线阻抗的虚部完成时,该调制为PSK调制。对于含有标签返回信号、载波泄漏信号的输入信号,标签以ASK调制数据时,只有包络中包含有用信号,该dead-zone amplifier可通过工作在B类的放大器实现。通过衰减位于死区内的载波泄漏信号、放大位于包络中的有用信号,从而达到抑制载波泄漏信号,放大有用标签信号的目的。通过片上集成的功率检测器、比较器、以及预放大器来实现不同载波泄漏量的自适应消除,采用该方法信噪比最高可改善15dB,最大可处理10dBm的载波泄漏信号。

在上述的三种方案中,第二种方案市场化最成功,即便如此,距离电子物理可以达到的灵敏度极限还有不小的提升空间,也期待大家在此技术上继续努力。


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