射频EAS系统的关键技术
2009-07-21
作者：李云胜
摘 要：针对普通射频EAS系统检测灵敏度低、误报率高的缺陷，采用了窄带方式提高射频EAS系统的信噪比和抗干扰能力，提出了几个硬件关键技术，给出了各个关键技术的硬件方框图。关键技术包括锁相接收技术、梳状滤波技术、滑动基准技术和瞬态脉冲吸收技术。经过实验测试，这几个关键技术能提高EAS系统的检测灵敏度并使误报率有显著的改善。
关键词：电子商品防盗；EAS标签；信噪比
射频式商品电子防盗系统EAS(Electronic Article Surveillance)可以较好地防止自选超市商品的失窃，因而得到广泛的应用。参考文献[1]、[2]主要从软件方面论述了采用标签识别算法降低系统误报率、提高系统检测率和抗干扰能力的方案，但仅考虑软件算法是不够的。本文提出了几个硬件关键技术来全面提高射频EAS系统的性能。
1 射频EAS系统的结构和工作原理
典型的射频EAS系统由门道检测器、EAS标签、消码器和开锁器组成。门道检测器一般安置在超市门口，由发射器和接收器组成。EAS标签分为硬标签和软标签，它就是一个LC谐振回路，其谐振频率为8.2 MHz±5%。一般硬标签扣在商品（如服装、箱包等）上，而软标签则粘在商品上。消码器和开锁器一般安置在收银台处供收银员使用，开锁器用于拆下硬标签，以便重复使用；消码器产生能量足够强的电磁场，击穿软标签的薄膜电容而使之无效。图1是射频EAS系统的结构示意图，发射器D发射一个8.2±0.5 MHz的扫频信号，在门道监视区内A形成一个电磁场，当有标签的商品进入监视区时，标签B会产生一个扰乱电磁场的信号，并由接收器C检测出来，产生一个报警声音信号[3]。
2 门道检测器
2.1 发射器
门道检测器包括发射器和接收器。发射器由单片机STC12C2052、DAC0832和LPF产生一个频率稳定的180 Hz正弦波信号，控制压控振荡集成电路MC1648产生7.7 MHz～8.7 MHz的扫频信号，扫频信号经过电压放大和功率放大激励发射天线在门道内产生能量足够强的高频电磁场。下面介绍接收器的硬件设计。
2.2 接收器
图2是普通接收器的方框图。接收天线接收到的扫频信号经过天线放大器放大和带通滤波器（中心频率为8.2 MHz，BW=4 MHz)选择出扫频信号；再经过带AGC功能的电压放大器放大后分成两路。一路送入同步通道，FM解调器是由PLL（74HC4046）电路构成的鉴频器，从扫频信号中解调出180 Hz正弦波信号，经过脉冲整形电路后，主要为DSP提供一个180 Hz的中断信号。另一路送入标签信号处理电路，首先进行包络检波，然后经过带通滤波器（频率范围1 kHz～4 kHz）取出标签信号，再经过A/D转换，送入DSP。A/D转换器采用12位模数转换器ADS7864，DSP处理器采用TMS320F206，片内有4 K字的RAM和32 K字的FLASH，不用外扩存储器也能满足该系统。DSP在每次中断子程序中对标签信号进行数据采样和相关算法识别处理，如果有有效标签信号，则发出声光报警。
3 提高射频EAS系统性能的几个关键技术
射频EAS系统属于微弱信号检测系统，不但标签信号的幅度很微弱（几十μV级），而且环境干扰严重，极易引起系统误报。经过大量实践观察发现，环境干扰主要来源于电梯启停、空调、劣质日光灯镇流器、手摸天线、金属推车等。环境干扰主要以电磁场的形式从接收天线侵入射频EAS系统，这些干扰又分为稳态干扰和瞬态（脉冲）干扰。因此，射频EAS系统只有在有效抑制干扰的条件下放大微弱的标签信号，才能提取出有用的标签信号，即系统的首要任务是提高信噪比。为了提高系统的信噪比，在软件方面，射频EAS系统主要采取基于标签信号相关特点的相关算法[1-2]；在硬件方面，可以采取压缩系统带宽（高频带宽和低频带宽）的方法。下面介绍射频EAS系统硬件的几个关键技术。
3.1 锁相接收技术
射频EAS系统的载波扫频范围宽(7.7 MHz～8.7 MHz)，而有用的标签信号只有几kHz，若用图2所示的普通接收器进行接收，为了保证高频电路幅频特性的平坦性，要求高频带通滤波器有足够大的带宽（一般取4 MHz）。这样宽的带宽，能使得接收器的信噪比很低，不利于高质量地检出微弱的标签信号。针对接收器的宽带、低信噪比问题，可以采用具有窄带跟踪特性的锁相接收电路。图3是锁相接收电路的方框图。混频器采用MC1496，PLL由74HC4046和MC1648组成。输入信号Vi的频率为fo±fd，其中fo是中心频率（fo=8.2 MHz），fd是频率偏移量（fd=0～0.5 MHz），fR是参考频率(取400 kHz，由晶体振荡器提供)。在PLL锁定状态下，不管输入信号频率怎样变化，混频器输出的中频频率fi总是自动地维持为恒定值fR，即fi=fR。这样，中频放大器的通频带可以做得很窄（取±20 kHz，远小于4 MHz），抑制环境干扰的能力很强，从而提高了接收器高频电路的信噪比[4]。
3.2 梳状滤波技术和滑动基准技术
普通带通滤波器是指在一定频率范围内连续频率信号能够通过的滤波器。而射频EAS系统的标签信号具有周期性(与180 Hz同步信号的周期相同)和谐波性，一般取有限次（如6～20次）谐波进行检测分析。若采用普通带通滤波器，选择出标签信号的同时，还串入了大量的干扰信号而导致信噪比下降。因此，为进一步压缩标签信号的频带来抑制干扰信号及提高信噪比，可以引入梳状滤波器对标签信号的谐波进行滤波。图4是递归型梳状滤波器的方框图[5]。去掉虚线框部分，就是梳状带通滤波器，从Y(n)输出；加上虚线框部分，就是梳状带阻滤波器，从Y1(n)输出。
递归型梳状带通滤波器的传递函数为：
其幅频响应为：
图5是利用PROTEUS仿真软件对递归型梳状带通/带阻滤波器的幅频特性进行仿真的结果，延时单元的延时时间τd=5.555 ms，反馈系数g=0.7。由图5可知：梳状滤波器的齿峰或齿谷在1/τd=180 Hz的谐波点上，改变延时时间τd也就改变梳状谱线的位置。改变反馈系数g的大小，可以改变梳状谱线的增益和带宽。g越大，梳状谱线增益越大，梳状谱线带宽越窄，抑制干扰能力越强，信噪比越高。为了防止自激振荡，g的大小一般取0.6～0.7。从图4可知，递归型梳状滤波器的核心是延时单元Z-M。延时单元Z-M可以采用数字混响器（如数字混响集成电路M65831AP）来实现。
梳状带通滤波器可以抑制大部分稳态干扰，但无法抑制与标签信号谐波重叠的干扰信号。一般地，若标签信号的谐波都受到强干扰，说明环境干扰已经非常严重了。为此射频EAS系统引入梳状带阻滤波器来滤除标签信号，提取出干扰信号，经过检波得到直流电压，这个电压随干扰大小变化而变化，它给DSP提供了一个环境干扰程度的基准信号。弱干扰或无干扰时，DSP采用高检测灵敏度方式对标签信号进行检测识别处理；强干扰时，DSP采用低检测灵敏度方式对标签信号进行检测识别处理；当环境干扰强到一定程度时，DSP将封锁报警。这样，射频EAS系统对环境干扰具有自适应能力，从而有效降低了误报的可能性。这种技术称为滑动基准技术。
3.3 瞬态脉冲吸收技术
瞬态干扰具有突发性、并且其脉冲宽度很窄但幅度很大。带通滤波器常常在瞬态干扰的冲击下产生短时间的自激现象，并且可能导致放大器饱和，极易引起EAS系统误报。为此引入截止型脉冲吸收电路来抑制瞬态干扰，如图6所示。在正常情况下，Vi没有瞬态脉冲干扰，K闭合；当环境干扰严重时，Vi的瞬态脉冲干扰(正常的标签信号不会出现瞬态脉冲信号）经过窄脉冲识别电路提取出来，再经过脉冲展宽电路（由NE555组成的单稳态电路）形成较宽（如2 ms）的脉冲，使电子开关K断开而关闭标签信号通道，从而彻底消除了瞬态干扰引起的误报。
本文提出的几个硬件关键技术，使得射频EAS系统的高频电路和低频电路的性能得到全面的改善；结合DSP对标签信号的自相关、FFT等软件算法，很好地提高了射频EAS系统标签信号的信噪比和抗干扰能力。通过实验测试，在环境干扰极其严重的情况下，射频EAS系统能够稳定可靠地工作，特别是能够很好地抑制无规律的瞬态脉冲干扰导致的误报。
参考文献
[1] 王忠勇，史小军.基于DSP技术的EAS系统设计[J].电子技术应用，2001(3).
[2] 许耿彬，韦岗，张军.一种新的EAS标签识别算法[J].电子技术应用，2006(1).
[3] JAMES V，OLIN S.G.Managing EAS system and medical implant interactions.IEEE international symposium on electromagnetic compatibility，2002(2)：925-930.
[4] 李棠之，杜国新.通信电子线路[M].北京：电子工业出版社，2002.
[5] 王兴国.数字混响器设计[J].电子学报，2000(7).
[6] 周润景，张丽娜.基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.