RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

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5.2.3 載波泄漏消除技術(shù)

載波消除技術(shù)（CarrierCancellation，CC）又叫載波抵消技術(shù)，也叫自干擾消除技術(shù)（Self-Jammer Cancellation，SJC），是提高超高頻RFID閱讀器靈敏度的關(guān)鍵手段。

01、載波泄漏消除技術(shù)的發(fā)展歷

在5.2.2節(jié)的介紹中，多次提到載波泄漏帶來的問題，然而在載波消除技術(shù)未被發(fā)明之前，超高頻RFID閱讀器主要采用了兩種應(yīng)對方法：一是承受載波泄漏的設(shè)計，這類閱讀器通常利用高隔離度的環(huán)形器來衰減載波泄漏，通過設(shè)計無源高線性度的接收前端來承受載波泄漏信號的干擾，但無源前端噪聲性能較差，影響靈敏度；另一種方法是利用衰減器減小載波泄漏，通過片內(nèi)或片外衰減器減少載波泄漏信號，但同時衰減器也同比例減小了有用信號，從而降低了閱讀器接收靈敏度。以上兩種方法閱讀器接收機(jī)靈敏度都不高：在0到5dBm載波泄漏時，閱讀器接收機(jī)靈敏度通常為-70dBm左右，-10dBm級別及更小載波泄漏時，接收機(jī)靈敏度才可達(dá)到-85dBm，兩種模式下靈敏度差異達(dá)15dB甚至更高。由此可見較高的載波泄漏正是制約閱讀器芯片接收機(jī)靈敏度的重要因素。因此，從2007年起，國內(nèi)外學(xué)者開始對載波泄漏消除技術(shù)進(jìn)行研究。

Analog Device公司J.Y.Lee等人于2007年提出了一種具有載波泄漏消除的技術(shù)。該技術(shù)通過從片上本振信號抽取一路信號作為參考信號源，控制其幅度與相位，利用差分LNA與載波泄漏實時抵消的方法，信噪比有10-12dB的改善，最大可處理-6dBm的載波泄漏信號，在標(biāo)簽距離閱讀器90cm處平均標(biāo)簽識別率從0%提高到42.8%。電路采用0.18umCMOS工藝1.8V電源電壓實現(xiàn)。

復(fù)旦大學(xué)閔昊、倪熔華等于2008年提出通過片上本振信號抽取一路信號作為載波泄漏消除信號，控制其幅度與相位，與含有載波泄漏的有用標(biāo)簽信號分別輸入差分LNA的兩個輸入端，實現(xiàn)消除共模載波泄漏信號，保留有用標(biāo)簽信號的目的，從而去除載波影響，最大可處理5dBm載波泄漏，靈敏度可達(dá)-80dBm。該電路采用SMIC0.18um CMOS工藝在3.3V電源電壓下實現(xiàn)。

美國加利福尼亞大學(xué)A.Safarian and A. Shameli等人于2009年5月提出了一種有源載波泄漏抑制前端，設(shè)置兩條射頻路徑：線性路徑同時放大載波泄漏信號與有用標(biāo)簽信號；非線性路徑去除標(biāo)簽信號，保留載波泄漏信號，通過調(diào)整其增益，在輸出端相減從而消除載波泄漏信號，放大有用的標(biāo)簽信號。該電路采用CMOS 0.18um工藝在1.8V電源電壓下實現(xiàn)，信噪比有50dB的改善，最大可處理15dBm的載波泄漏信號。

韓國三星光電子S.C.Jung等人于2010年3月提出了一種采用定向耦合器和阻抗調(diào)諧電路的載波泄漏抵消方法，該阻抗調(diào)諧電路通過PIN管和變?nèi)荻O管來實現(xiàn)阻抗調(diào)諧，通過調(diào)節(jié)阻抗調(diào)諧電路使得定向耦合器隔離端產(chǎn)生失配并反射信號，該信號和載波泄漏信號一起進(jìn)入到接收前端，調(diào)節(jié)從耦合端反射的信號，使其與載波泄漏信號大小相同方向相反以達(dá)到消除載波的目的。該方法使得接收機(jī)靈敏度有15dB的提升，標(biāo)簽識別距離提高約30%，工作頻率860MHz-960MHz。

復(fù)旦大學(xué)閔昊、熊庭文等2010年2月提出了一種利用分立元件實現(xiàn)的載波泄漏抵消方法，電路由分立的定向耦合器、相移器、衰減器、環(huán)形器和功率合成器等器件組成，通過微處理器控制載波參考信號的幅度和相位，通過加法器與載波泄漏信號抵消，在920-925MHz內(nèi)收發(fā)機(jī)隔離性能從原來的20dB提高到40dB。

韓國J.Y.Jung等人于2012年1月使用發(fā)射的連續(xù)載波信號作抵消參考信號源，控制其幅度和相位，利用加法器與載波泄漏信號抵消。該電路通過相移器、定向耦合器、功分器等分立元件實現(xiàn)，使得接收機(jī)讀模式靈敏度最大提高13dB。

韓國科學(xué)技術(shù)院S.S.Lee等人于2013年2月提出一種利用dead-zoneamplifier來抑制載波泄漏的技術(shù)，該技術(shù)通過工作在B類的放大器，抑制載波信號，放大標(biāo)簽的調(diào)制信號，通過片上功率檢測器和相應(yīng)算法實現(xiàn)自動控制。該方法使得信噪比最高可改善15dB，最大可處理10dBm的載波泄漏信號。該芯片采用0.18um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實現(xiàn)，電源電壓為3.3V。

韓國三星電子公司M.S.Kim、S.C.Jung等人于2013年5月提出了一種用直接泄漏耦合方法實現(xiàn)的具有自適應(yīng)功能的發(fā)射端泄漏抵消前端。工作頻率840-960MHz，該電路采用可變電容、可變電阻、電感、相移器以及八位微處器等分立元件實現(xiàn)，和沒有該抵消前端的閱讀器芯片相比，商用標(biāo)簽的讀取距提升一倍。

至今仍有大量的學(xué)者和企業(yè)針對載波泄漏的消除技術(shù)進(jìn)行研究，這也是Impinj R700閱讀器比上一代靈敏度進(jìn)步的原因。

02、載波泄漏消除技術(shù)方案

按照電路結(jié)構(gòu)來分，現(xiàn)在主流的載波泄漏消除技術(shù)可概括為以下三種類型：

（1）接收雙路消除法

第一種載波泄漏消除方法為：在接收前端設(shè)置兩條射頻路徑，一條線性射頻路徑和一條非線性限幅射頻路徑，兩條路徑上的信號相減，保留有用標(biāo)簽信號且抵消泄漏信號。如圖5-28所示，在射頻接收前端，載波信號和泄漏信號同時通過兩個射頻路徑，一條為線性路徑，有用標(biāo)簽信號和載波泄漏信號都被放大；另一條為非線性限幅路徑，該路徑的輸出信號只保留功率較大的載波泄漏信號的幅度及相位信號，去除了AM調(diào)制中位于包絡(luò)中的標(biāo)簽信號，通過接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）監(jiān)測輸入輸出信號的大小，通過由FPGA控制的數(shù)字算法調(diào)整非線性限幅路徑的增益，使其輸出信號和線性路徑載波泄漏信號幅度、相位相同，在輸出端相減，從而實現(xiàn)抵消載波泄漏信號、保留有用標(biāo)簽信號，該方法最大可獲得30dB的載波泄漏信號衰減，然而抵消效果受到兩條路徑相位以及幅度匹配程度的影響，控制算法較復(fù)雜。

圖5-28接收雙路消除法

（2）負(fù)反饋環(huán)路法

第二種載波泄漏消除方法是通過載波泄漏消除負(fù)反饋環(huán)路來實現(xiàn)，如圖5-29所示。該方法由載波消除參考源、相位及幅度調(diào)整、檢測電路、控制單元四個電路模塊組成。

圖5-29負(fù)反饋環(huán)路法

其中載波泄漏參考源一般從發(fā)射機(jī)輸出經(jīng)定向耦合器等方式獲得；檢測電路用來檢測殘留的載波泄漏信號，其實現(xiàn)方式可通過功率檢測器在進(jìn)入接收前端進(jìn)行射頻功率檢測，也可通過檢測經(jīng)下混頻后的DC量；控制單元根據(jù)檢測電路的輸出調(diào)節(jié)載波消除參考信號的幅度及相位，當(dāng)該信號與載波泄漏信號幅度相同、相位相反，通過矢量相加即可完全消除載波泄漏信號，根據(jù)相位及幅度電路實現(xiàn)方式的不同，該方法具體有兩種實現(xiàn)方式，如圖5-30所示。

（a）I/Q正交抵消 （b）放大和相移抵消

圖5-30負(fù)反饋環(huán)路法電路實現(xiàn)

在圖5-30（a）中，載波消除參考源通過定向耦合器從發(fā)射機(jī)輸出端獲得，通過正交信號發(fā)生器產(chǎn)生正交I/Q兩路，該電路通過由閱讀器射頻控制模塊控制的兩個可編程衰減器來實現(xiàn)其矢量合成信號的幅度和相位：同等程度改變I/Q兩路放大器的增益調(diào)節(jié)矢量合成信號的幅度；改變I/Q兩路的相對增益調(diào)節(jié)矢量合成信號的相位，該矢量合成信號與輸入信號通過功率合成器或矢量加法器等方法相加，以消除載波泄漏信號。

圖5-30（b）中，通過相同方法獲得的載波泄漏參考源直接通過可編程放大器和相移器分別調(diào)整其幅度和相位，與輸入信號在同一節(jié)點完成矢量合成以消除載波泄漏信號。

對于這兩種電路實現(xiàn)方式，圖5-30（a）所示電路結(jié)構(gòu)更容易與閱讀器集成在一起，以Impinj R2000閱讀器芯片為代表；圖5-30（b）所示電路結(jié)構(gòu)，一般通過分立的相移器和衰減器，以及微控制器來實現(xiàn)，以R420等高端閱讀器為代表。

（3）死區(qū)放大器抵消法

第三種載波泄漏消除方法是韓國科學(xué)技術(shù)院Sang-Sung Lee等人提出的一種利用dead-zone amplifier抑制載波泄漏的技術(shù)。根據(jù)ISO18000-C6協(xié)議規(guī)定，標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)采用FM0或Millersubcarrier編碼，DSB-AS或PSK調(diào)制。當(dāng)標(biāo)簽反向散射是通過改變標(biāo)簽內(nèi)部天線阻抗的實部完成時，該調(diào)制為ASK調(diào)制；當(dāng)標(biāo)簽反向散射是通過改變標(biāo)簽內(nèi)部天線阻抗的虛部完成時，該調(diào)制為PSK調(diào)制。對于含有標(biāo)簽返回信號、載波泄漏信號的輸入信號，標(biāo)簽以ASK調(diào)制數(shù)據(jù)時，只有包絡(luò)中包含有用信號，該dead-zone amplifier可通過工作在B類的放大器實現(xiàn)。通過衰減位于死區(qū)內(nèi)的載波泄漏信號、放大位于包絡(luò)中的有用信號，從而達(dá)到抑制載波泄漏信號，放大有用標(biāo)簽信號的目的。通過片上集成的功率檢測器、比較器、以及預(yù)放大器來實現(xiàn)不同載波泄漏量的自適應(yīng)消除，采用該方法信噪比最高可改善15dB，最大可處理10dBm的載波泄漏信號。

在上述的三種方案中，第二種方案市場化最成功，即便如此，距離電子物理可以達(dá)到的靈敏度極限還有不小的提升空間，也期待大家在此技術(shù)上繼續(xù)努力。