摘 要： 針對普通射頻EAS系統(tǒng)檢測靈敏度低、誤報率高的缺陷，采用了窄帶方式提高射頻EAS系統(tǒng)的信噪比和抗干擾能力，提出了幾個硬件關(guān)鍵技術(shù)，給出了各個關(guān)鍵技術(shù)的硬件方框圖。關(guān)鍵技術(shù)包括鎖相接收技術(shù)、梳狀濾波技術(shù)、滑動基準(zhǔn)技術(shù)和瞬態(tài)脈沖吸收技術(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，這幾個關(guān)鍵技術(shù)能提高EAS系統(tǒng)的檢測靈敏度并使誤報率有顯著的改善。
關(guān)鍵詞： 電子商品防盜；EAS標(biāo)簽；信噪比
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射頻式商品電子防盜系統(tǒng)EAS(Electronic Article Surveillance)可以較好地防止自選超市商品的失竊，因而得到廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]、[2]主要從軟件方面論述了采用標(biāo)簽識別算法降低系統(tǒng)誤報率、提高系統(tǒng)檢測率和抗干擾能力的方案，但僅考慮軟件算法是不夠的。本文提出了幾個硬件關(guān)鍵技術(shù)來全面提高射頻EAS系統(tǒng)的性能。
1 射頻EAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理
典型的射頻EAS系統(tǒng)由門道檢測器、EAS標(biāo)簽、消碼器和開鎖器組成。門道檢測器一般安置在超市門口，由發(fā)射器和接收器組成。EAS標(biāo)簽分為硬標(biāo)簽和軟標(biāo)簽，它就是一個LC諧振回路，其諧振頻率為8.2 MHz±5%。一般硬標(biāo)簽扣在商品（如服裝、箱包等）上，而軟標(biāo)簽則粘在商品上。消碼器和開鎖器一般安置在收銀臺處供收銀員使用，開鎖器用于拆下硬標(biāo)簽，以便重復(fù)使用；消碼器產(chǎn)生能量足夠強(qiáng)的電磁場，擊穿軟標(biāo)簽的薄膜電容而使之無效。圖1是射頻EAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，發(fā)射器D發(fā)射一個8.2±0.5 MHz的掃頻信號，在門道監(jiān)視區(qū)內(nèi)A形成一個電磁場，當(dāng)有標(biāo)簽的商品進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時，標(biāo)簽B會產(chǎn)生一個擾亂電磁場的信號，并由接收器C檢測出來，產(chǎn)生一個報警聲音信號[3]。
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2 門道檢測器
2.1 發(fā)射器
門道檢測器包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器由單片機(jī)STC12C2052、DAC0832和LPF產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定的180 Hz正弦波信號，控制壓控振蕩集成電路MC1648產(chǎn)生7.7 MHz～8.7 MHz的掃頻信號，掃頻信號經(jīng)過電壓放大和功率放大激勵發(fā)射天線在門道內(nèi)產(chǎn)生能量足夠強(qiáng)的高頻電磁場。下面介紹接收器的硬件設(shè)計(jì)。
2.2 接收器
圖2是普通接收器的方框圖。接收天線接收到的掃頻信號經(jīng)過天線放大器放大和帶通濾波器（中心頻率為8.2 MHz，BW=4 MHz)選擇出掃頻信號；再經(jīng)過帶AGC功能的電壓放大器放大后分成兩路。一路送入同步通道，F(xiàn)M解調(diào)器是由PLL（74HC4046）電路構(gòu)成的鑒頻器，從掃頻信號中解調(diào)出180 Hz正弦波信號，經(jīng)過脈沖整形電路后，主要為DSP提供一個180 Hz的中斷信號。另一路送入標(biāo)簽信號處理電路，首先進(jìn)行包絡(luò)檢波，然后經(jīng)過帶通濾波器（頻率范圍1 kHz～4 kHz）取出標(biāo)簽信號，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送入DSP。A/D轉(zhuǎn)換器采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7864，DSP處理器采用TMS320F206，片內(nèi)有4 K字的RAM和32 K字的FLASH，不用外擴(kuò)存儲器也能滿足該系統(tǒng)。DSP在每次中斷子程序中對標(biāo)簽信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和相關(guān)算法識別處理，如果有有效標(biāo)簽信號，則發(fā)出聲光報警。
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3 提高射頻EAS系統(tǒng)性能的幾個關(guān)鍵技術(shù)
射頻EAS系統(tǒng)屬于微弱信號檢測系統(tǒng)，不但標(biāo)簽信號的幅度很微弱（幾十μV級），而且環(huán)境干擾嚴(yán)重，極易引起系統(tǒng)誤報。經(jīng)過大量實(shí)踐觀察發(fā)現(xiàn)，環(huán)境干擾主要來源于電梯啟停、空調(diào)、劣質(zhì)日光燈鎮(zhèn)流器、手摸天線、金屬推車等。環(huán)境干擾主要以電磁場的形式從接收天線侵入射頻EAS系統(tǒng)，這些干擾又分為穩(wěn)態(tài)干擾和瞬態(tài)（脈沖）干擾。因此，射頻EAS系統(tǒng)只有在有效抑制干擾的條件下放大微弱的標(biāo)簽信號，才能提取出有用的標(biāo)簽信號，即系統(tǒng)的首要任務(wù)是提高信噪比。為了提高系統(tǒng)的信噪比，在軟件方面，射頻EAS系統(tǒng)主要采取基于標(biāo)簽信號相關(guān)特點(diǎn)的相關(guān)算法[1-2]；在硬件方面，可以采取壓縮系統(tǒng)帶寬（高頻帶寬和低頻帶寬）的方法。下面介紹射頻EAS系統(tǒng)硬件的幾個關(guān)鍵技術(shù)。
3.1 鎖相接收技術(shù)
射頻EAS系統(tǒng)的載波掃頻范圍寬(7.7 MHz～8.7 MHz)，而有用的標(biāo)簽信號只有幾kHz，若用圖2所示的普通接收器進(jìn)行接收，為了保證高頻電路幅頻特性的平坦性，要求高頻帶通濾波器有足夠大的帶寬（一般取4 MHz）。這樣寬的帶寬，能使得接收器的信噪比很低，不利于高質(zhì)量地檢出微弱的標(biāo)簽信號。針對接收器的寬帶、低信噪比問題，可以采用具有窄帶跟蹤特性的鎖相接收電路。圖3是鎖相接收電路的方框圖。混頻器采用MC1496，PLL由74HC4046和MC1648組成。輸入信號Vi的頻率為fo±fd，其中fo是中心頻率（fo=8.2 MHz），fd是頻率偏移量（fd=0～0.5 MHz），fR是參考頻率(取400 kHz，由晶體振蕩器提供)。在PLL鎖定狀態(tài)下，不管輸入信號頻率怎樣變化，混頻器輸出的中頻頻率fi總是自動地維持為恒定值fR，即fi =fR。這樣，中頻放大器的通頻帶可以做得很窄（取±20 kHz，遠(yuǎn)小于4 MHz），抑制環(huán)境干擾的能力很強(qiáng)，從而提高了接收器高頻電路的信噪比[4]。
3.2 梳狀濾波技術(shù)和滑動基準(zhǔn)技術(shù)
普通帶通濾波器是指在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)頻率信號能夠通過的濾波器。而射頻EAS系統(tǒng)的標(biāo)簽信號具有周期性(與180 Hz同步信號的周期相同)和諧波性，一般取有限次（如6～20次）諧波進(jìn)行檢測分析。若采用普通帶通濾波器，選擇出標(biāo)簽信號的同時，還串入了大量的干擾信號而導(dǎo)致信噪比下降。因此，為進(jìn)一步壓縮標(biāo)簽信號的頻帶來抑制干擾信號及提高信噪比，可以引入梳狀濾波器對標(biāo)簽信號的諧波進(jìn)行濾波。圖4是遞歸型梳狀濾波器的方框圖[5]。去掉虛線框部分，就是梳狀帶通濾波器，從Y(n)輸出；加上虛線框部分，就是梳狀帶阻濾波器，從Y1(n)輸出。
遞歸型梳狀帶通濾波器的傳遞函數(shù)為：
其幅頻響應(yīng)為：
圖5是利用PROTEUS仿真軟件對遞歸型梳狀帶通/帶阻濾波器的幅頻特性進(jìn)行仿真的結(jié)果，延時單元的延時時間τd=5.555 ms，反饋系數(shù)g=0.7。由圖5可知：梳狀濾波器的齒峰或齒谷在1/τd=180 Hz的諧波點(diǎn)上，改變延時時間τd也就改變梳狀譜線的位置。改變反饋系數(shù)g的大小，可以改變梳狀譜線的增益和帶寬。g越大，梳狀譜線增益越大，梳狀譜線帶寬越窄，抑制干擾能力越強(qiáng)，信噪比越高。為了防止自激振蕩，g的大小一般取0.6～0.7。從圖4可知，遞歸型梳狀濾波器的核心是延時單元Z-M。延時單元Z-M可以采用數(shù)字混響器（如數(shù)字混響集成電路M65831AP）來實(shí)現(xiàn)。
梳狀帶通濾波器可以抑制大部分穩(wěn)態(tài)干擾，但無法抑制與標(biāo)簽信號諧波重疊的干擾信號。一般地，若標(biāo)簽信號的諧波都受到強(qiáng)干擾，說明環(huán)境干擾已經(jīng)非常嚴(yán)重了。為此射頻EAS系統(tǒng)引入梳狀帶阻濾波器來濾除標(biāo)簽信號，提取出干擾信號，經(jīng)過檢波得到直流電壓，這個電壓隨干擾大小變化而變化，它給DSP提供了一個環(huán)境干擾程度的基準(zhǔn)信號。弱干擾或無干擾時，DSP采用高檢測靈敏度方式對標(biāo)簽信號進(jìn)行檢測識別處理；強(qiáng)干擾時，DSP采用低檢測靈敏度方式對標(biāo)簽信號進(jìn)行檢測識別處理；當(dāng)環(huán)境干擾強(qiáng)到一定程度時，DSP將封鎖報警。這樣，射頻EAS系統(tǒng)對環(huán)境干擾具有自適應(yīng)能力，從而有效降低了誤報的可能性。這種技術(shù)稱為滑動基準(zhǔn)技術(shù)。
3.3 瞬態(tài)脈沖吸收技術(shù)
瞬態(tài)干擾具有突發(fā)性、并且其脈沖寬度很窄但幅度很大。帶通濾波器常常在瞬態(tài)干擾的沖擊下產(chǎn)生短時間的自激現(xiàn)象，并且可能導(dǎo)致放大器飽和，極易引起EAS系統(tǒng)誤報。為此引入截止型脈沖吸收電路來抑制瞬態(tài)干擾，如圖6所示。在正常情況下，Vi沒有瞬態(tài)脈沖干擾，K閉合；當(dāng)環(huán)境干擾嚴(yán)重時，Vi的瞬態(tài)脈沖干擾(正常的標(biāo)簽信號不會出現(xiàn)瞬態(tài)脈沖信號）經(jīng)過窄脈沖識別電路提取出來，再經(jīng)過脈沖展寬電路（由NE555組成的單穩(wěn)態(tài)電路）形成較寬（如2 ms）的脈沖，使電子開關(guān)K斷開而關(guān)閉標(biāo)簽信號通道，從而徹底消除了瞬態(tài)干擾引起的誤報。
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本文提出的幾個硬件關(guān)鍵技術(shù)，使得射頻EAS系統(tǒng)的高頻電路和低頻電路的性能得到全面的改善；結(jié)合DSP對標(biāo)簽信號的自相關(guān)、FFT等軟件算法，很好地提高了射頻EAS系統(tǒng)標(biāo)簽信號的信噪比和抗干擾能力。通過實(shí)驗(yàn)測試，在環(huán)境干擾極其嚴(yán)重的情況下，射頻EAS系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地工作，特別是能夠很好地抑制無規(guī)律的瞬態(tài)脈沖干擾導(dǎo)致的誤報。
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