超高频RFID读写器射频前端设计与仿真 - 通信/网络 - 电子工

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射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)是在雷达技术的基础上发展起来的，它的主要原理是通过尤线电波进行非接触舣向数据通信从而获取相关数据并实现目标识别。RFID系统按照工作频段可以分为低频(135 kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等几类。其中超高频(UHF)频段和微波频段的RFID系统具有读写距离远、通讯速度快等优点。更适合未来物流、供应链等领域的应用，因此UHF及更高频率的RFID技术具有重大战略意义。

本文介绍了超高频RFID系统的工作原理和相关标准，并利用ADS软件对发射和接收链路的拓扑结构进行了仿真和研究，最后给出了基于通用芯片的读写器射频前端解决方案。

<strong>1 RFID系统工作原理及物理接口</strong>

1.1 工作原理

一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其基本工作流程如下：读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。电子标签从读写器发射的电磁波中提取其丁作所需的能馈，一部分电磁波被标签后向散射(反射)回阅读器，同时，标签也按照存储的数据序列来改，变自己的输入阻抗从而实现对后向散射信号的调制。系统的接收天线接收电子标签发出的信号，经天线的调节器传输给读写器，读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器。电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，并发出指令信号控制执行机构的动作。执行机构按照电脑的指令进行动作，并通过计算机通信网络将各个监控点连接起来。构成总控信息平台，根据不同的项目可以设计不同的软件来完成要达到的功能。

1．2物理接口

根据目前较为主流的超高频RFID国际标准ISO/IECl8000-6B的规定，系统传输基于“读写器先发言”机制，且在射频信号收发方面有如下要求：

(1)由读写器到电子标签的数据传输采用曼彻斯特编码，调制方式为调制深度为99％或1l％的ASK调制，其中99％的ASK调制町以用OOK调制实现；位速率为10kbps或40kbps。

(2)由电子标签到读写器的返网链路采用FM0编码，调制方式为反向散射调制。其调制方式与ASK调制类似，所以在解调端可以按照ASK方式解调。反向传输数据速率为40 kbps。

<strong>2 射频前端设计</strong>

ADS(Advanced Design System)是Agilent公司开发研制的电子设计自动化软件系统。它是射频设计领域应用较为广泛的一种EDA工具。该软件的功能包括时域电路模拟(SPICE-like Simulation)、频域电路模拟(Harmonic Balance Linear Analysis)、电磁模拟(EM Simulation)、通信系统模拟(Communication System Simulation)、数字信号处理设计(DSP)等。常用的ADS仿真分析控件有：S参数分析、瞬态分析、交流分析和谐波平衡分析等。

2．1发射链路设计与仿真


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图1发射链路ADS仿真原理图

如图1所示，以方波信号发生器Vf_square模拟产生基带信号，设基带信号频率为4MHz．基带信号经混频器MIXER与915MHz的本振信号进行混频，再通过一个SAW带通滤波器，滤除镜像干扰，产生ASK调制信号，图2上图为发射信号的瞬态仿真波形图。


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图2发射机发射信号的瞬态仿真图及频谱图

利用fs()函数将时域波形转换到频域nr得输入输出频谱图，由图2右下可以看出，频率为4MHz的基带信号，经过调制滤波放大后产生频率为9llMHz和919MHz调制信号。

2．2接收链路设计与仿真

传统收发信机的拓扑结构可归结为三种类型：外差式，零中频式和低中频式。

综合考虑灵敏度、功耗、结构复杂性等问题．目前很多RFID读写器的接收链路部分都采用r零中频式结构。零中频式结构的第一级混频器将输入的射频信号直接变换为IF=0的频带，然后采用低通滤波器来拾取有用信号。由于去除了中频级，所以它与外差式接收机相比具有以F优势：第一，零中频不存在镜像问题，不需要镜像抑制滤波器。而且南于零巾频接收机的本振频率和接收到的射频信号相同，接收到的信号为电子标签对阅读器发射信号的反射，因而接收电路的本振和发射电路的本振可以采用『司一本振。从而大大简化了结构；第二，由于IF=0，所以仅需要低通滤波器，与带通滤波器相比，低通滤波器更容易集成于片内；第三，由于对信号的放大在基带，这进一步降低了能耗。

零中频接收机接收到的标签反射信号为ASK信号，可表示为：

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Ac为接收到的载波信号的幅度，m(t)为有用信号，φ为接收信号的相位。接收机的本振信号为：

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则将接收信号与本振信号混频后，再经过低通滤波可得：

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由上式可知，当φc-φlo=(2n+1)π/2(n=0、1、2、3)时，cos(φc-φlo)=0，从而使处理后得到的信号为零，即本振与接收信号的相位差有可能使接收到的有用信号为零，这就是所谓的接收机的零点效应。

本义采用I/Q双路接收机束来消除零点效应。将(3)式表示为复数形式：

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其中r1、r2分别为本振和接收信号传播的距离，设r1=0，r2=2d,d为标签到读写器的距离，则

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由上式可得，出现零点的位置为：

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同理可计算出另一路的零点位置为：

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由(6)(7)两式可看出，两路的零点是交替的，不可能同时出现零点。事实上，当其中一路输出为零时，另一路的输出达到最大，且两路的输出功率之和始终为常数。

图3是零中频接收机I/Q双路部分的瞬态仿真原理图。


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图3零中频接收机加双路部分仿真原理图

由图4可看出，接收机接收到的射频信号通过下变频和低通滤波后转换为零中频信号。经过I/Q双路处理后经过一个高通滤波器上除直流分量，再利用一个中心频率为4MHz的带通滤波器拾取基带信号．最后通过比较器即可还原出基带信号。

图4右下为输入输出信号瞬态分析波形，通过对比可见二者存在一定的相位差。


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图4瞬态分析波形及频域波形图

<strong>3 硬件实现</strong>

基于以上的理论分析和系统仿真，作者选用通用的通信电子元器件设计了整个射频前端，包括频率综合模块、发射模块和接收模块三大部分，三个模块通过同轴线相连。其中频率综合模块用于提供915MHz的载波信号(LO)，采用ADI公司的ADF4360-7为核心芯片，该芯片集成了频率综合器和VCO，通过配置可提供350MHz到1800MHz的信号。发射模块包括对基带信号进行混频、滤波、放大然后通过环行器送入天线等步骤。接收模块首先对接收信号进行放大滤波等预处理，然后送入I/Q双路并最终解调出基带信号。整个设计主要由以下芯片组成：频率综合器ADF4360-7、混频器T0785、射频滤波器SF2049E、功率放大器RF2132、华扬公司的环行器HYH504AZ、功分器SCN-2-l1，90度移相功分器QCN-12A，低噪声放大器MAX2642等。


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图5射频前端系统原理图

<strong>4 结论</strong>

本文研究了超高频射频识别读写器的体系结构，建立了射频前端的ADS仿真模型，并针对零中频接收机的零点效应问题对零中频I/Q双路接收机进行了理论分析和设计，最后在仿真和分析的基础上给出了基于通用芯片的915MH：读写器射频前端的解决方案，经实验验证，该方案可以很好的满足ISO/IEC18000-6B协议的要求。

本文作者创新点：(1)利用ADS软件进行了射频前端拓扑分析，解决了因相位差产生的零点问题，简化了接收机的结构，也为设计硬件电路提供了依据；(2)设计电路时通过将频综、发射、接收i部分分开，有效降低了三者之间的干扰，提高了电路的可靠性。

作者：王耀  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第4-2期