一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统，包括一个阅读器、阅读器有效作用范围内的个无源电子标签和RFID无线信道，所述的系统还包括一个PN码产生器，所述的PN码产生器设置在所述的无源电子标签内。本实用新型的时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统与现有技术相比，由于每个时隙都存在多个并行的码分信道，使所需时隙数显著降低，大大提高了标签的阅读速度，与已有技术相比，增加了PN码产生、扩频调制和时钟及同步提取等环节，但是省去了工作时钟产生电路，因此标签的实现复杂度仅略有增加，成本及功耗增加有限，可以满足无源标签的低复杂度和低功耗要求，更可以满足有源标签的要求。
【专利说明】-种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及射频识别（RFID)技术以及短距离无线通信，特别涉及一种时分多 址与同步码分多址相结合的射频识别系统。
【背景技术】
[0002] 射频识别（RFID)技术是一种非接触式自动识别技术，它利用射频信号的空间耦 合或电磁波的散射通信实现对物体上附加的电子标签进行读取，从而实现对物体的自动识 另IJ。与条形码识别技术相比，RFID技术具有防水、防磁、使用寿命长、读取距离远、标签上数 据可加密、存储数据容量大、存储信息更改方便等优点。超高频（UHF) RFID国际标准ISO/ IEC18000-C的推广应用，标志着RFID技术发展到一个新阶段，其鲜明特点是，支持阅读器 作用范围内大量无源电子标签的快速读取。标签阅读速度，即阅读器单位时间内读取电子 标签的数量，成为衡量系统性能的主要指标。进一步提高标签阅读速度，同时尽可能降低成 本，促进RFID系统升级换代，是RFID研究领域不懈追求的目标。
[0003] 多个标签发送应答信号时如何共享无线信道是问题的关键所在。IS0/IEC18000-C 标准采用"帧-时隙ALOHA"（FSA)协议实现多个标签对无线信道的共享。FSA协议在时间 上安排特定的"帧"供多个标签发送应答信号。应答帧在时间上又被分割成若干个"时隙"， 每个标签随机地选取某个时隙发出应答信号。如果不发生"碰撞"（两个及以上的标签选取 同一个时隙发送应答信号)，标签即被成功读取。可见FSA实质上就是多用户无线通信所采 用的时分多址（TDMA)方式。
[0004] TDMA方式的缺点是，对于一定的时隙数量，当应答标签数量增大时，碰撞概率增 大，而一旦发生碰撞，标签应答失败，须重新选择时隙发送，造成频率资源和时间的浪费。为 减小碰撞概率，必须增加时隙的数量，这样又延长了标签读取时间，降低了标签阅读速度。
[0005] 在多用户共享无线信道的各种多址方式中，码分多址（CDMA)方式允许多个用户在 同一时间使用同一频带发送信号，由于各用户信号在扩频调制时使用的伪随机码不同，因 而在接收端可以被分离并检测。不难想到，如果将CDMA方式用于RFID系统的上行链路(标 签向阅读器发送应答信息的通信链路)，可以显著降低标签应答信号发生碰撞的概率。然而 应当看到，CDMA系统的实现复杂度较高，信号检测时需要精确的码同步及载波同步，如果采 用同步CDMA (SCDMA)，多个标签的应答扩频信号还需要同步发送，而RFID系统中电子标签 的功耗及复杂度又受到严格限制，尤其对于无源电子标签，更是如此。若要实现基于CDMA 方式的RFID系统，必须解决这些关键问题。
[0006] 美国专利 "Parallel RFID system using CDMA"（专利号 US8044773(B2)，申请日 2006年3月23日）涉及到在RFID系统中使用CDMA方式，但未给出系统结构详细设计、多 标签信号检测时码同步与载波同步等关键技术的具体实现方案。
[0007] 中华人民共和国专利" 一种射频识别系统可并行识别方法"（专利号 CN101145191A， 申请日期:2007年11月2日）涉及到在RFID系统中使用可变扩频因子的 CDMA方式，但未给出系统结构详细设计、多标签信号检测时码同步与载波同步等关键技术 的具体实现方案。
[0008] 中华人民共和国专利"一种RFID系统中的数据防碰撞算法"（专利号 CN101359361A， 申请日期:2008年9月17日）涉及到在RFID系统中使用CDMA方式，但侧重 于多标签应答信号的防碰撞算法，且未给出系统结构详细设计、多标签信号检测时码同步 与载波同步等关键技术的具体实现方案。
[0009] 中华人民共和国专利"一种RFID系统中多标签防碰撞算法"（专利号 CN103117770A， 申请日期:2013年1月24日）涉及到在RFID系统中使用CDMA方式，但侧重 于多标签应答信号的防碰撞算法，且未给出系统结构详细设计、多标签信号检测时码同步 与载波同步等关键技术的具体实现方案。 实用新型内容
[0010] 为解决上述问题，本实用新型公开了一种时分多址与同步码分多址相结合的射频 识别系统。
[0011] 为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种时分多址与同步码分多 址相结合的射频识别系统，包括一个阅读器、阅读器有效作用范围内的K个无源电子标签 和RFID无线信道，所述的系统还包括一个PN码产生器，所述的PN码产生器设置在所述的 无源电子标签内。
[0012] 作为本实用新型的一种改进，所述的阅读器包括协议控制与数据处理单元、发射 机、接收机；所述的发射机包括RF震荡源、调制器和功率放大器，发送信号经天线共用器送 至天线发射到空中；所述的接收机包括RF震荡源、下变频器和多标签信号检测器，天线接 收信号经天线共用器馈送至下变频器。
[0013] 作为本实用新型的一种改进，所述的标签结构具体包括天线、能量收集与供电单 元、协议控制单元、命令接收单元、时钟及同步提取单元、PN码产生器、乘法器以及天线阻抗 切换单元。
[0014] 作为本实用新型的一种改进，所述的下变频器包括乘法器、波形相移器以及带通 滤波器，RF震荡源输出载波经波形相移器相移后，两路相互正交的载波分别与接收信号相 乘并分别经带通滤波器，得到两路基带信号。
[0015] 本实用新型的有益效果：
[0016] 本实用新型的时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统与现有技术相比， 由于每个时隙都存在多个并行的码分信道，使所需时隙数显著降低，大大提高了标签的阅 读速度，与已有技术相比，增加了 PN码产生、扩频调制和时钟及同步提取等环节，但是省去 了工作时钟产生电路，因此标签的实现复杂度仅略有增加，成本及功耗增加有限，可以满足 无源标签的低复杂度和低功耗要求，更可以满足有源标签的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型的系统结构示意图。
[0018] 图2为本实用新型的阅读器结构示意图。
[0019] 图3为本实用新型的阅读器中下变频器结构示意图。
[0020] 图4为本实用新型的阅读器中多标签检测器中某个检测单元结构示意图。
[0021] 图5为本实用新型的电子标签结构示意图。
[0022] 图6为本实用新型的系统检测性能曲线图。
[0023] 图7为本实用新型的系统进行一次多标签阅读平均所需时隙数随标签数量变化 的曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 以下将结合具体实施例对本实用新型提供的技术方案进行详细说明，应理解下述
【具体实施方式】仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
[0025] 如图1所示为本实用新型的时分多址（TDMA)与同步码分多址（SCDMA)相结合的射 频识别系统的结构示意图。系统由一个阅读器、阅读器有效作用范围内的K个无源电子标 签和RFID无线信道组成。阅读器到标签方向（下行链路）的信道为广播信道。下行链路通 信相对简单。阅读器发出的射频信号一般采用移幅键控(ASK)调制。
[0026] K个标签到阅读器方向（上行链路）的信道为多路接入信道。从物理层面看，该信 道即共享的无线空间信道。对于TDMA-SCDMA系统，多标签应答帧被分成N s个时隙，同时， 系统还设有N。个伪随机码（PN码）供标签选择。这样，在每一个时隙中都包含着N。个码分 信道。标签应答时，随机选择一个时隙，同时随机选择一个PN码，用来进行扩频调制。一个 特定的时隙与一个特定的PN码的组合构成一个逻辑信道。逻辑信道的集合记为
[0027] {CH(i，j)，i = l，2，...，Ns;j = 1，2，...，NC}
[0028] 显然，系统提供了 NSXN。个逻辑信道供K个标签选择使用。选择同一个时隙但选 择不同ΡΝ码进行扩频调制的标签应答信号将被成功检测，只有当两个及以上的标签选择 了同一时隙且选择同一 ΡΝ码时才发生碰撞。
[0029] 与TDMA系统相比，TDMA-SCDMA系统逻辑信道的数量扩大Nc倍，因而标签碰撞概 率大大降低，代价是系统占用带宽以及系统复杂度的增加。
[0030] TDMA-SCDMA RFID阅读器结构如图2所示。其中包括协议控制与数据处理单元和 收发信机。发射机包括射频（RF)震荡源、调制器和功率放大器，发送信号经天线共用器送 至天线发射到空中。接收机包括RF震荡源、下变频器和多标签信号检测器。天线接收信号 经天线共用器馈送至下变频器。
[0031] 阅读器结构中的下变频器的具体结构如图3所示。RF震荡源输出载波COS2 π fet 经90度相移得到载波sin2 π f；t，两路相互正交的载波分别与接收信号r (t)相乘并经带通 滤波，得到两路基带信号X (t)和y (t)。
[0032] 阅读器结构中的多标签信号检测器包括N。个结构相同的检测单元。N。为系统所 使用的PN码的数量。第j (」= 1，2，···，Ν。)个检测单元的结构如图4所示，每个检测单元 对应着一个特定的ΡΝ码，使用这一特定ΡΝ码进行扩频调制的标签信号将被该检测单元检 测。
[0033] TDMA-SCDMA RFID标签的结构如图5所示。标签结构包括天线、能量收集与供电、 协议控制、阅读器命令接收、时钟及同步提取、PN码产生、扩频调制(乘法器）和天线阻抗切 换(调制）等单元组成。
[0034] SCDMA系统使用正交PN码。长度为L的N。个双极性PN码表示为
[0035] Cj = [fy cjL]，j = 1，2,…，Nc (1)
[0036] 其中Cjl e {+1,-1} (j = 1，2,...，凡，1 = 1，2,…，L)。PN码对应的双极性矩形脉 冲序列在扩频调制时称为用户（标签）的标记波形，表示为
[0037]
【权利要求】
1. 一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统，包括一个阅读器、阅读器有 效作用范围内的K个无源电子标签和RFID无线信道，其特征在于：所述的系统还包括一个 PN码产生器，所述的PN码产生器设置在所述的无源电子标签内。
2. 根据权利要求1所述的一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统，其特 征在于：所述的阅读器包括协议控制与数据处理单元、发射机、接收机；所述的发射机包括 RF震荡源、调制器和功率放大器，发送信号经天线共用器送至天线发射到空中；所述的接 收机包括RF震荡源、下变频器和多标签信号检测器，天线接收信号经天线共用器馈送至下 变频器。
3. 根据权利要求1所述的一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统，其特 征在于：所述的标签结构具体包括天线、能量收集与供电单元、协议控制单元、命令接收单 元、时钟及同步提取单元、PN码产生器、乘法器以及天线阻抗切换单元。
4. 根据权利要求2所述的一种时分多址与同步码分多址相结合的射频识别系统，其特 征在于：所述的下变频器包括乘法器、波形相移器以及带通滤波器，RF震荡源输出载波经 波形相移器相移后，两路相互正交的载波分别与接收信号相乘并分别经带通滤波器，得到 两路基带信号。
【文档编号】G06K7/10GK203870628SQ201420081839
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】张郁松 申请人:南京信息工程大学