使用頻移的單邊帶調制的方法和設備的制作方法

專利名稱：使用頻移的單邊帶調制的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及射頻標識(RFID)通信的改善。更特別地，本發明涉及 用來生成載波信號的改良的系統和技術，該載波信號使用用于下行鏈路通信的 單邊帶幅移鍵:控的數字實現來進行調制，數字實現允許在實際的物理載波信號 調制之前執行的上行鏈路頻率和下行鏈路頻率之間的快速轉換。
背景技術：
RFID系統通常通過RFID閱讀器的載波信號傳輸來進行才喿作。載波信號 由RFID標簽來調制，以及閱讀器接收調制的信號并對其進行翻譯。RFID系 統可以使用通信中應用的多個不同調制技術中的 一個調制技術。在和無源 RFID標簽通信中，RFID閱讀器發送上行鏈路通信和下行鏈路通信的載波信 號。在下行鏈路通信中，閱讀器發送數據至標簽，以及調制該載波信號以便于 傳送該數據。在上行鏈路通信中，RFID標簽將閱讀器調制由該閱讀器發送的 載波信號，并且該信號以調制的反向散射的形式返回至閱讀器。在上行鏈路通 信期間，閱讀器發送的載波信號是未調制的。該載波信號驅動(power)該標 簽，并且為了提供標簽到閱讀器的通信，該載波信號以該標簽調制。
使用的特定調制技術取決于多個因素，例如機構的偏好以及分配給這樣用 途的射頻頻譜。可用的頻譜，以及分配給上行鏈路和下行鏈路通信的可用頻譜 部分取決于多個因素，例如政府規定或工業標準。在許多應用中，只有相對窄 的頻i普是可用的。這種情況在歐洲的應用中特別普遍，在歐洲只有相對窄的頻 率范圍保留給RFID閱讀器通信。此外，使用多個閱讀器的安裝通常以這樣的 方式管理頻率分配，即為 一個閱讀器的下行鏈路通信的頻率不覆蓋另 一個閱讀 器上行鏈路的通信的頻率。在這樣的應用中，常常使用單邊帶幅移鍵控，因為 下行鏈路通信使用的頻語，也就是從閱讀器發送到RFID標簽的已調信號可以 相對窄。在SSB - ASK通信中，RFID閱讀器使用在下行鏈路和上行鏈路通信 之間的載波信號的分開的載波頻率。因此，在上行鏈路通信和下行鏈路通信之
間每次進行轉換時閱讀器必須改變載波頻率。
現有技術的系統通常以硬件實現需要的頻率改變。快速的頻率轉換需要快 速變化本地振蕩器。快速變化振蕩器的使用可能導致不穩定的操作和雜散帶外 發射。然而，緩慢變化振蕩器的使用也會惡化性能，因為頻率變化相對慢并且 不能在頻率變化期間進行通信，而必須等到載波信號穩定在新的頻率。

發明內容
本發明針對這些問題和其他問題，以這樣的方式進行調制，即在載波信號 的實際射頻調制進行之前，通過數據信號的數字處理來執行上行鏈路載波信號 和下行鏈路載波信號之間的載波偏移。載波信號的生成和載波信號的調制在需 要時可能適于使用數字信號處理技術來實現。基帶信號的數字表達被調制到載
波信號上，該載波信號具有與RFID閱讀器發送的載波信號的上行鏈路和下行 鏈路載波頻率之間的頻率偏移相等的負的頻率。這個調制創建了具有同相和正 交分量的復數基帶信號。然后這個復數基帶信號進行模擬到數字的轉換和調 制。同相和正交分量相應的轉換成模擬形式，并且通過同相/正交調制器，該 同相/正交調制器使用上行鏈路頻率的載波信號來調制同相分量，以及使用上 行鏈路頻率的載波信號的90度頻率偏移來調制正交分量。在上行鏈路通信期 間，恒定信號被加在同相分量上。零信號或沒有信號取代正交分量。因此，在 上行鏈路通信期間，同相/正交調制器在未調制的上行鏈路頻率處生成載波信號。
本發明的更完整理解以及本發明的進一 步的特征和優點可以通過以下的 詳細描述和附圖變得清楚了。


圖1示出根據本發明的一方面的RFID閱讀器。 圖2示出根據本發明的一方面的RFID通信過程。 圖3示出根據本發明的一方面的RFID通信系統。
圖4示出根據本發明的一方面在單邊帶幅移鍵控調制的通信中采用的示 例的頻語和信號。
具體實施例方式
圖I示出了根據本發明的一方面的RFID閱讀器IOO。閱讀器100包括數據處理單元102和通信單元104，而且還可能包括外部接口，以.便接收傳送給 RFID標簽的數據以及中繼從RFID標簽接收的數據。通信單元104使用載波 信號和RFID標簽通信，該載波信號在下行鏈路通信期間使用單邊帶幅移鍵控 (SSB-ASK)調制，而在上行鏈路通信期間不調制。為了發送數據到標簽， 例如標簽106，通信單元104接收來自數據處理單元102的數據，以及使用該 數據調制在下行鏈路通信期間用于傳送數據給標簽106的載波信號。在下行鏈 路通信期間，以選定的頻率發送該載波信號，方便的稱為下行鏈路頻率。
通信單元104交替的處于下行鏈路傳輸到標簽106和與標簽106上行鏈路 通信之間。在上行鏈路期間，通信單元104發送到標簽106的載波信號是未調 制的，并且是與下行鏈路通信期間的載波信號不同的頻率。下行鏈路頻率與上 行鏈路頻率相差適當的負頻率偏移。
在上行鏈路通信期間，載波信號驅動標簽106，并且該載波信號由標簽106 調制，以便通過已調的反向散射給通信單元104傳送信息。為了執行上行鏈路 通信和下行鏈路通信，通信單元104必須在上行鏈路頻率和下行鏈路頻率之間 快速轉換，在標簽106接收下行鏈路傳輸之后，載波信號盡可能快地獲取上行 鏈路頻率，并在接收上行鏈路通信之后，盡可能快地轉換至下行鏈路頻率。為 了實現上行鏈路頻率和下行鏈路頻率的快速轉換，通信單元104使用數字信號 處理技術來創建信號，以及在進行載波信號的射頻調制之前實現載波頻率偏 移。
為了執行SSB-ASK調制，通信單元104使用數字信號處理器(DSP) 108來處理由數據處理單元102產生的數字數據信號，以及創建載波信號的數 字表達。為了產生通信單元104發送的信號，這個數字表達被轉換為模擬形式 并進一步被調制。數字信號處理器將數據處理單元102產生的數據信號分成同 相，或I分量和正交，或Q分量，生成為數字信號處理108的I和Q輸出，109 和IIO。將I和Q輸出109和IIO分別提供給數;漠轉換器(D/A轉換器)111 和112,將該數字信號轉換成為模擬信號。然后將由D/A轉換器111和112生 成的模擬信號提供給I/Q調制器114。 I/Q調制器114生成發送給標簽106的 射頻信號。
在下行鏈路通信期間，載波信號使用單邊帶幅移鍵控調制進行調制。這可
以通過使用抑制載波生成雙邊帶調制信號來實現，雙邊帶抑制載波信號是基于
90度相移的載波信號。
獲得這個結果的步驟可以由下面的定義和操作來描述
S"(/)是不歸零編碼的基帶(數據)信號，包括邏輯"1"和"0"數據符號 的序列，由正數為邏輯'T，和等量值的負數邏輯"0"來表示。如在此示出的， 5 (,)是數據處理單元102的輸出。
&(/)是5 (,)的90度相移(希耳伯特(Hilbert)變換)拷貝，其中cos(w)是 調制載波信號，sin(w)是_ 90度偏移的載波信號。
Coy(艦)是調制載波信號。
倫一)是載波信號的負90度或-90度偏移。
S,(/)是通信單元104發送的單邊帶射頻信號。也就是，S,(,)是I/Q調制器 114的輸出。
在復數域，S《(,)可以表示如下
& (,) = Re{Sc (0 x e}，其中& (,) = S (,) + j式(/)以及 一"是復數載波。在給定 的例子中，由通信單元104發送的物理輸出信號是復數乘法的實部，并且由I/Q 調制器114以硬件實現。
DSP 108接收來自數據處理單元102的數據信號&(/)，并執行對信號的處 理。在這里為了易于圖示，示出的DSP108包括不同的處理單元(element), 但是應該認識到，在這里示出的單元表示在DSP 108中由適當的編程實現的功 能。
特別地，為了限制才艮據應用規則和標準產生的信號頻譜，DSP108首先實 現濾波操作116。然后劃分濾波后的信號并進行Hilbert變換118來生成上面的 復數表達式的虛部。該信號也進行延時操作120,以便該信號的實部和虛部的 定時相匹配，這是進行由Hilbert變換118產生的延時。
然后信號的實部和虛部作為DSP的輸出109和110通過D/A轉換器111 和112。提供D/A轉換器111和112的輸出作為1/Q調制器114的輸入。I/Q
調制器114也接收載波信號cos(^0作為輸入。載波信號傳給乘法器122,并且 與DSP 108的實部輸出相乘。載波信號也傳給相位移位器124,并進行90度 相移，這個90度相移的載波信號傳給乘法器126，并與DSP 108的虛部輸出
相乘。然后乘法器122和126的輸出提供給求和單元128來生成發送的信號 S力)作為1/Q調制器114的輸出。發送的信號S、力)通過天線130發送至標簽 106。
如果Hilbert變換118和延時操作120的輸出提供給I/Q調制器114而不 進行進一步的處理，則產生單邊帶調制信號，需要本地振蕩器和額外的硬件在 下行鏈路通信期間由1/Q調制器114產生的已調信號和在上行鏈路通信期間由 閱讀器100產生的未調制信號之間進行轉換。這個未調制信號由閱讀器100 在上行鏈路通信期間發送，以便激勵在范圍內的RFID標簽，例如標簽106。 為了提供該標簽和閱讀器IOO之間的通信，未調制信號由RFID標簽調制，并 且返回至閱讀器。
然而，為了避免本地振蕩器和額外的硬件，Hilbert變換118和延時操作 120的輸出由DSP 108進行如下描述的額外處理。
DSP 108使用等于在下行鏈路傳輸和上行鏈路傳輸之間的期望的頻率偏 移的負載波頻率調制基帶信號Sj)。如果期望的載波頻率表示為w,上行鏈路 的未調制載波頻率可以表示為^c,而頻率偏移可以表示為^。這個關系可以 表示為
= fi)c - <y《
^W是復數表示，允許使用負的頻率偏移。
Sc(0 = S (0 + /歷/6抓(S"(/))，其中S W是數據處理單元102的輸出，而 y歷K&(,))是5;(0的復數Hilbert變換。如上討論的，單邊帶信號&(/)可以表 示々p下
<formula>formula see original document page 8</formula>將關系 代入，產生
<formula>formula see original document page 8</formula>是等效的。
單邊帶載波頻率偏移可以首先通過以負載波頻率偏移來調制DSP 108中 的復數基帶信號，然后為了將復數基帶信號調制到未調制的上行鏈路信號，使 用同相/正交調制器進一步調制復數邊帶信號來轉變這樣調制的復數基帶信號 至用來傳輸的物理信號。以負載波頻率調制的復數基帶信號的同相和正交分量 被提供給I/0調制器114。
如上所指出的，為了限制根據應用規則和標準產生的信號頻譜，DSP 108 首先在信號&(f)上實現濾波器操作116。然后將濾波的信號分開并且進行 Hilbert變換118,生成&(,)的虛部。該信號也進行延時操作120,產生&(0的 實部作為輸出。延時操作120確保Sc(,)的實部和虛部的定時相匹配，該虛部 進行由Hilbert變換118生成的延時。
下一個操作是復數信號和復數負頻率信號P^的復數乘法。這個復 數乘法等效于cos(-cV) + sin(-c;力。這個復凄史乘法由四個乘法完成，由乘法器 132、 134、 136和138執行。乘法器136和138輸出之和生成復數乘法的實部， 而乘法器132和134輸出之和生成乘法的虛部。
圖1示出的實現首先將來自Hilbert變換118和延時操作120的信號進行 劃分。來自Hilbert變換118的信號傳給乘法器132和134,分別乘以-sin(-和cos(-w,)。乘以-sin(-w,)的乘法調制Hilbert變換118的輸出至頻率偏移的載 波的-90度相移，取得負的載波。乘以cos(-w,)的乘法調制Hilbert變換118 的輸出至該頻率頻移的載波。
來自延時操作120的信號被傳送給乘法器136和138，因此分別乘以 )和 來自延時操作120的信號調制在頻率偏移的同相和-90
度相移的載波信號上。
乘法器136和乘法器132的輸出傳送給求和單元140,這樣從頻率偏移的 實部同相載波信號中減去頻率偏移的虛部-90度相移的載波信號。乘法器138 和136的輸出傳送給求和單元142，這樣從頻率偏移的同相虛部載波信號加上 頻率偏移的實部-90度相移的載波信號。求和單元140和求和單元142的輸 出產生求和單元的輸出144和146。
為了生成已調信號，求和單元輸出144和146的輸出用作DSP 108的輸出 109和110。這些信號使用D/A轉換器lll和112被轉換至實時信號。下一步， 為了生成信號S力)，執行與載波信號的復數乘法。這是使用正交調制器114 完成的。因為僅需要生成實時信號，所以僅需要執行兩個乘法。可以忽略信號 ^(,)的虛部。在此，不存在負頻率信息，因為通過和載波信號相乘，負頻率 信息已經被消除了。這一操作的輸出是輸出128的發送信號S力)。
為了提供在已調載波頻率w和未調載波頻率&之間的快速轉換，該轉換用
于從操作的下行鏈路通信階段轉變到上行鏈路通信階段，DSP 108實現額外的 單元，這些單元可能用它們自己的輸出代替求和單元和142的輸出I" 和146。開關功能148連接求和單元140的輸出144和恒定信號源150至輸出 109。DSP108也在求和單元142的輸出146和輸出IIO之間實現開關功能152。
DSP108的輸出109和UO分別提供給D/A轉換器111和112,將它們轉 換成實時信號。在下行鏈路通信階段期間，開關功能148和152將求和單元 140和求和單元142的輸出144和146引導到在下行鏈路通信階段期間的DSP 108的輸出109和110。 D/A轉換器lll和112將出現在輸出109和110的信 號轉換成數字形式，并且將它們傳送給I/Q調制器114,在那里該信號與未調 制的上行鏈路信號和負90度相移的上行信號進行調制，形成位于下行鏈路頻 率的已調下行鏈路信號。
在上行鏈路通信階段期間，開關功能148將求和單元140的輸出144傳送 給輸出109。開關功能152阻止求和單元142的輸出146,因此沒有信號，或 者是零信號出現在輸出110。因此在上行鏈路通信階段期間，恒定信號源提供 給I/Q調制器114，并且調制到未調制載波頻率的載波上。開關功能148和152 作為軟件操作實現，如同DSP 108的其他操作，所以由DSP 108的下行鏈路操 作產生的已調載波頻率和DSP 108的上行鏈路操作產生的已調載波頻率之間 的偏移以非常高的速度發生。
圖2示出根據本發明的一個方面的RFID閱讀器的通信信號生成的過程 200。在步驟202，選擇由RFID接收機發送的已調下行鏈路信號的載波頻率和 未調上行鏈路信號的載波頻率。在步驟204,計算表示已調上行鏈路信號和已 調下行鏈路信號之間的不同的頻率偏移。在步驟206,使用等于頻率偏移的負 載波頻率調制基帶信號。如上描述的，該調制是適于通過對基帶信號的數字表 示執行恰當的操作來完成，并且可以使用數字信號處理器來恰當的完成。這一 過程產生了乘以負頻率偏移的復數基帶信號。在步驟208，使用下行鏈路載波 頻率對復數基帶信號執行同相/正交調制，復數基帶信號被轉換成實際的物理 下行鏈路信號。對每個同相和正交信號使用數模轉換器轉換同相和正交信號的 數字表達為模擬形式，以及使用具有同相和正交信號作為輸入的同相/正交調 制器以及下行鏈路載波信號調制同相和正交信號，這個轉換被恰當的完成。在
步驟210，在下行鏈路通信階段期間，發送物理下行鏈路信號。在步驟212, 在上行鏈路通信階段期間，復數基帶信號被抑制來進行未調制上行鏈路載波信 號的傳輸。通過在復數信號的數字表達的同相部分施加恒定的信號，以及阻止 復數信號的數字表達的正交部分，實現這個結果，導致未調制上行鏈路載波信 號的傳輸。
圖3示出根據本發明的一個方面的射頻識別系統300。系統300可以恰當 的應用在倉庫302和用于庫存控制。多個固定的RFID閱讀器304A- 304D分 別鄰近門306A- 306D放置。如上討論的，閱讀器304A - 304D的每一個可以 和圖1的閱讀器IOO相類似，使用帶有頻率偏移的單邊帶幅移鍵控，該頻率偏 移是在傳輸的物理信號生成之前通過數字處理實現的。閱讀器304A- 304D發 送詢問來感知例如標簽308A - 308E的RFID標簽的存在。標簽308A- 308E 分別可以恰當的附在容器309A - 309E上，容器309A - 309E容納要跟蹤的貨 物。當閱讀器304A- 304D之一，例如閱讀器304C感知到范圍內的標簽，它 檢查適于存儲在服務器312中狀態數據庫310來識別與標簽相關的貨物并且確 定是否該貨物的移動被授權。如果移動沒有被授權，閱讀器發出告警，該告警 適于被發送至服務器312來進行進一步的動作，使例如警鈴312的本地警鈴發 出聲音，或者同時進行兩種措施。
系統300也可以包括便攜RFID閱讀器，例如閱讀器316A - 316C，優選 的類似于圖1的閱讀器100。閱讀器316A- 316C可以在倉庫300周圍纟般運， 例如，由庫存控制工人攜帶或者附在用于搬運貨物的叉車上。閱讀器316A-316E可以用于定位附上RFID標簽的貨物，來確定附有RFID標簽的貨物是否 在指定的位置，或者協助執行與貨物的識別相關的任何其他的任務。
可以看到，系統300包括多個RFID閱讀器，互相之間相對接近。特別地， 一個或幾個便攜閱讀器316A-316C可以在任何時候移動到和其他閱讀器十 分接近的程度。每一個閱讀器304A- 304D和閱讀器316A - 316C適于使用與 其他閱讀器使用的信道分開的單獨的信道，以便避免閱讀器通信之間的沖突和 重疊。為了適應閱讀器的通信需要，分配給每一個的閱讀器304A- 304D和 316A- 316C的通信信道相對的窄，為了由每個RFID閱讀器使用相對窄的傳 輸的頻譜來實現通信，諸如系統300這樣的系統可能適于使用單邊帶幅移鍵 控。此外，使用和上面討論的閱讀器IOO相似的閱讀器304A- 304D和316A -316C,系統300獲得高的性能，因為每個閱讀器獲得相對快的頻移而不存 在不穩定性和帶外發射。
圖4是示出頻譜可以如何分配給使用單邊帶幅移鍵控進行的RFID通信的 例子的曲線400，如同可以4艮據本發明的一個方面可進行的，以及通信的不同 部分占用的頻率范圍。在圖4中，分配給RFID閱讀器上行鏈路和下行鏈路通 信的頻率是200kHz信道402,可以是在多個閱讀器環境下由不同的閱讀器使 用的多個信道之一。該信道包括保護頻帶404A和404B，并且由RFID閱讀器 生成的傳輸限制在落在這兩個保護頻帶之間頻率。示出了未調制上行鏈路載波 信號406和已調下行鏈路載波信號408,后者具有與上行鏈路載波信號406分 開的頻率。如同來自RFID標簽的上行鏈路響應412A和412B，也示出了由載 波信號308的調制產生的單邊帶信號的波形410的實例。工作在所示的頻譜的 RFID閱讀器必須每次從上行鏈路通信到下行鏈路通信轉換時在未調制信號 406和已調信號408之間轉換，以及每次從下行鏈^各通信到上行鏈路通信轉換 時在已調信號408和未調制上行鏈路信號406之間轉換。本發明提供快速的載 波變換而不需要快速的合成器，并且因此最小化或消除了帶外傳輸以及隨之而 來的與鄰近信道的閱讀器干擾。
盡管在當前的較佳實施例的上下文中揭示了本發明，但可以意識到，本領實施。
權利要求
1.一種射頻識別(RFID)閱讀器，用于通過發送載波信號至RFID標簽來和RFID標簽進行通信，其特征在于包括如下步驟數據處理單元，用于生成數據信號；和通信單元，用來接收該數據信號和調制該數據信號，該調制使用單邊帶幅移鍵控調制在下行鏈路通信過程中在該閱讀器和該標簽之間的下行鏈路頻率生成已調下行鏈路信號，該通信單元進一步操作在上行鏈路頻率生成未調制上行鏈路信號，該上行鏈路頻率和該下行鏈路頻率具有頻率偏移，該通信單元進一步操作通過由該通信單元發送的載波信號生成之前數據信號的數字處理在該上行鏈路頻率和該下行鏈路頻率之間實現頻率偏移。
2. 根據權利要求1所述的閱讀器，其特征在于該數據信號是數字基帶 信號，并且該數字基帶信號是使用表示上行鏈路和下行鏈路頻率之間的頻率偏 移的負載波頻率進行調制的。
3. 根據權利要求2所述的閱讀器，其特征在于該數字基帶信號的調制 生成了乘以負頻率偏移的復數基帶信號，以及通過使用載波信號的上行鏈路頻 率在復數基帶信號上執行同相/正交調制來將該復數基帶信號轉換成為由該通 信單元發送的已調信號。
4. 根據權利要求3所述的閱讀器，其特征在于該數字基帶信號的調制 是由數字信號處理器執行的。
5. 根據權利要求4所述的閱讀器，其特征在于在上行鏈路通信期間，其中該數字信號處理器生成表示在下行鏈路通信期間該復數基帶信號的同相 和正交分量的同相和正交輸出。
6. 根據權利要求5所述的閱讀器，其特征在于該數字信號處理器在上 行鏈路通信期間生成恒定信號作為同相輸出，并生成無信號或零信號作為正交 輸出，因此允許在上行鏈路通信期間生成的通信載波信號成為提供給同相/正 交調制器的未調制的上行鏈路頻率信號。
7. —種利用射頻識別(RFID)閱讀器生成通信信號的方法，其特征在于 包括如下步驟生成基帶數據信號；使用具有負頻率的載波信號調制該基帶數據信號，該負頻率等于該載波信 號的上行鏈路頻率和該通信信號的下行鏈路頻率之間的頻率偏移，來生成乘以 負頻率偏移的復數基帶信號，該負頻率偏移等于該載波信號的下行鏈路和上行 鏈路頻率之間的頻率差；以及執行該復數載波信號的同相/正交調制來生成由該閱讀器傳輸的物理通信 信號。
8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于該基帶數據信號是數字信 號，以及該基帶信號的調制是通過數字信號的數字處理來執行的。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特征在于該復數基帶信號包括同相 和正交分量。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特征在于在上行鏈路通信期間，用 常數值取代該復數基帶信號的同相分量，和用零信號或無信號取代該復數基帶 信號的正交分量，使得由RFID閱讀器生成的載波信號將具有未調制的上行鏈 路頻率。
全文摘要
本發明提出在載波信號的射頻調制發生之前通過基帶信號的數字處理來實現使用上行鏈路載波頻率和下行鏈路載波頻率之間的載波偏移的RFID通信的系統和技術。其使用數字技術完成載波信號的生成和載波信號的調制。基帶信號的數字表達被調制來創建乘以等于下行鏈路和上行鏈路載波頻率之差的負的頻率偏移的復數基帶信號。該信號進行模數轉換并且由上行鏈路頻率的載波信號進行調制，復數基帶信號包括同相分量和正交分量。在上行鏈路通信期間，復數基帶信號的同相分量由常數值取代。正交分量由零信號取代。因此在上行鏈路通信期間，生成上行鏈路頻率的未調制的載波信號。
文檔編號G06K7/00GK101206712SQ20071019271
公開日2008年6月25日 申請日期2007年11月16日 優先權日2006年12月20日
發明者艾伯特·M.·G.·克萊森 申請人:Ncr公司