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(jí)別。在這個(gè)過程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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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(duì)方法：一是承受載波泄漏的設(shè)計(jì)，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(jì)無源高線性度的接收前端來承受載波泄漏信號(hào)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(hào)，但同時(shí)衰減器也同比例減小了有用信號(hào)，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(shí)，閱讀器接收機(jī)靈敏度通常為-70dBm左右，-10dBm級(jí)別及更小載波泄漏時(shí)，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(guó)內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)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(hào)抽取一路信號(hào)作為參考信號(hào)源，控制其幅度與相位，利用差分LNA與載波泄漏實(shí)時(shí)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(hào)，在標(biāo)簽距離閱讀器90cm處平均標(biāo)簽識(shí)別率從0%提高到42.8%。電路采用0.18umCMOS工藝1.8V電源電壓實(shí)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(hào)抽取一路信號(hào)作為載波泄漏消除信號(hào)，控制其幅度與相位，與含有載波泄漏的有用標(biāo)簽信號(hào)分別輸入差分LNA的兩個(gè)輸入端，實(shí)現(xiàn)消除共模載波泄漏信號(hào)，保留有用標(biāo)簽信號(hào)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(shí)現(xiàn)。

美國(guó)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(shí)放大載波泄漏信號(hào)與有用標(biāo)簽信號(hào)；非線性路徑去除標(biāo)簽信號(hào)，保留載波泄漏信號(hào)，通過調(diào)整其增益，在輸出端相減從而消除載波泄漏信號(hào)，放大有用的標(biāo)簽信號(hào)。該電路采用CMOS 0.18um工藝在1.8V電源電壓下實(shí)現(xiàn)，信噪比有50dB的改善，最大可處理15dBm的載波泄漏信號(hào)。

韓國(guó)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(shí)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(hào)，該信號(hào)和載波泄漏信號(hào)一起進(jìn)入到接收前端，調(diào)節(jié)從耦合端反射的信號(hào)，使其與載波泄漏信號(hào)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(shí)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(shí)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(hào)的幅度和相位，通過加法器與載波泄漏信號(hào)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(guó)J.Y.Jung等人于2012年1月使用發(fā)射的連續(xù)載波信號(hào)作抵消參考信號(hào)源，控制其幅度和相位，利用加法器與載波泄漏信號(hào)抵消。該電路通過相移器、定向耦合器、功分器等分立元件實(shí)現(xiàn)，使得接收機(jī)讀模式靈敏度最大提高13dB。

韓國(guó)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(hào)，放大標(biāo)簽的調(diào)制信號(hào)，通過片上功率檢測(cè)器和相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(hào)。該芯片采用0.18um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，電源電壓為3.3V。

韓國(guó)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(shí)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(shí)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(duì)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(hào)相減，保留有用標(biāo)簽信號(hào)且抵消泄漏信號(hào)。如圖5-28所示，在射頻接收前端，載波信號(hào)和泄漏信號(hào)同時(shí)通過兩個(gè)射頻路徑，一條為線性路徑，有用標(biāo)簽信號(hào)和載波泄漏信號(hào)都被放大；另一條為非線性限幅路徑，該路徑的輸出信號(hào)只保留功率較大的載波泄漏信號(hào)的幅度及相位信號(hào)，去除了AM調(diào)制中位于包絡(luò)中的標(biāo)簽信號(hào)，通過接收信號(hào)強(qiáng)度指示器（RSSI）監(jiān)測(cè)輸入輸出信號(hào)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(hào)和線性路徑載波泄漏信號(hào)幅度、相位相同，在輸出端相減，從而實(shí)現(xiàn)抵消載波泄漏信號(hào)、保留有用標(biāo)簽信號(hào)，該方法最大可獲得30dB的載波泄漏信號(hào)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(shí)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(cè)電路、控制單元四個(gè)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(cè)電路用來檢測(cè)殘留的載波泄漏信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)方式可通過功率檢測(cè)器在進(jìn)入接收前端進(jìn)行射頻功率檢測(cè)，也可通過檢測(cè)經(jīng)下混頻后的DC量；控制單元根據(jù)檢測(cè)電路的輸出調(diào)節(jié)載波消除參考信號(hào)的幅度及相位，當(dāng)該信號(hào)與載波泄漏信號(hào)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(hào)，根據(jù)相位及幅度電路實(shí)現(xiàn)方式的不同，該方法具體有兩種實(shí)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(shí)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(hào)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(gè)可編程衰減器來實(shí)現(xiàn)其矢量合成信號(hào)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(hào)的幅度；改變I/Q兩路的相對(duì)增益調(diào)節(jié)矢量合成信號(hào)的相位，該矢量合成信號(hào)與輸入信號(hào)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(hào)。

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(hào)在同一節(jié)點(diǎn)完成矢量合成以消除載波泄漏信號(hào)。

對(duì)于這兩種電路實(shí)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(shí)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(guó)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(shí)部完成時(shí)，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(shí)，該調(diào)制為PSK調(diào)制。對(duì)于含有標(biāo)簽返回信號(hào)、載波泄漏信號(hào)的輸入信號(hào)，標(biāo)簽以ASK調(diào)制數(shù)據(jù)時(shí)，只有包絡(luò)中包含有用信號(hào)，該dead-zone amplifier可通過工作在B類的放大器實(shí)現(xiàn)。通過衰減位于死區(qū)內(nèi)的載波泄漏信號(hào)、放大位于包絡(luò)中的有用信號(hào)，從而達(dá)到抑制載波泄漏信號(hào)，放大有用標(biāo)簽信號(hào)的目的。通過片上集成的功率檢測(cè)器、比較器、以及預(yù)放大器來實(shí)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(hào)。

在上述的三種方案中，第二種方案市場(chǎng)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。