【正文】 條件下，超高頻 RFID 系統(tǒng)的最大讀寫距離取決于前向鏈路，即讀寫器向電子標(biāo)簽發(fā)射載波功率的能力。由于讀寫器的發(fā)射功率必須在國家規(guī)定的范圍內(nèi)，讀寫器的靈敏度也和射頻前端的設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，因此如何在這些限制下增大讀寫器的讀寫距離是一個(gè)非常值得深入研究的方向。 讀取率：讀取率是指讀寫器能正確識(shí)別出電子標(biāo)簽的概率。當(dāng)前超高頻 RFID 系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，一個(gè)重要的問題就是對(duì)讀取范圍內(nèi)電子標(biāo)簽的讀取率達(dá)不到 100%，在商業(yè)應(yīng)用中，對(duì)標(biāo)簽的漏讀是絕對(duì)不允許的，因此對(duì)讀寫器來 說，讀取率也是非常重要的一個(gè)性能指標(biāo)。雖然最大讀寫距離和讀取率看起來是兩個(gè)不同的性能指標(biāo)，其實(shí)兩者之間是有緊密聯(lián)系的，兩者都與讀寫器接收到的標(biāo)簽信號(hào)的信噪比 SNR 有關(guān)。在通常情況下，增加讀寫器的讀寫距離，可以提高讀寫器的讀取率；讀取率的降低與讀寫器的讀寫距離較近有很大關(guān)系。 吞吐率：超高頻 RFID 系統(tǒng)的吞吐率與讀寫器和電子標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾视幸欢ǖ年P(guān)系，傳輸速率越快，系統(tǒng)的吞吐率就越大，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行盤存所需的時(shí)間也就越短。但是數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)信道帶寬、信噪比、信號(hào)調(diào)制和信道共享機(jī)制等因素也有很大的關(guān)系。 超高頻 RFID 讀寫器結(jié)構(gòu) 高效超高頻 RFID 讀寫器設(shè)計(jì) 8 按照電路功能的不同，超高頻 RFID 讀寫器一般可以分為射頻前端和基帶處理電路兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 超 高 頻 R F I D 讀 寫 器基 帶 處 理 射 頻 前 端電 源通 信 接 口電 源輸 入應(yīng) 用 系 統(tǒng) 圖 超高頻 RFID 讀寫器結(jié)構(gòu)圖 射頻前端的主要功能是實(shí)現(xiàn)讀寫器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳遞，發(fā)射時(shí)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、放大等處理然后通過天線發(fā)射出去，接收時(shí)對(duì)反向散射回的標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行解調(diào)然后送給基帶處理電路；基帶處理電路主要負(fù)責(zé)射頻前端和應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)解析，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行編解碼和通信協(xié)議的處理，協(xié)調(diào)射頻芯片的工作并實(shí)現(xiàn) CRC 校驗(yàn)以及防碰撞功能。如果需要很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，則可以采用 DSP 或 FPGA 等專用芯片。 射頻前端接收信號(hào)分析 （ 1）收發(fā)隔離電路選型 對(duì)于讀寫器來說，根據(jù)收發(fā)信號(hào)天線是否相同，可以分為收發(fā)分離和收發(fā)一體兩種方 式。收發(fā)分離方式采用不同的天線來進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，兩個(gè)通道是分隔開的，這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是兩個(gè)通 道之間的隔離度比較高，可以達(dá)到 25～ 30dB，缺點(diǎn)是顯而易見的，每個(gè)天線只負(fù)責(zé)發(fā)射或接收， 這樣會(huì)增加天線的數(shù)量，占用的空間會(huì)比較大；收發(fā)一體就是采用同一個(gè)天線來發(fā)射和接收信號(hào)，這種方式采用的器件必須具有能同時(shí)進(jìn)行信號(hào)收發(fā)的功能，一般會(huì)采用環(huán)形器或者定向耦合器。由于采用收發(fā)分離方式會(huì)占用較多的空間，本文從讀寫器的小型化設(shè)計(jì)考慮，采用收發(fā)一體方式。 環(huán)形器的通路損耗較小，但是環(huán)形器的成本較高，并且體積較大；定向耦合器雖然對(duì) 接收信號(hào)有一定程度的衰減，但是定向耦合器的成本較低，體積較小，可以實(shí)現(xiàn)讀寫器的小型化設(shè)計(jì)。通過采用高隔離度的定向耦合器，可以有效地減小泄漏到接收通道的載波，提高接收靈敏度，因此本文采用定向耦合器來說實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離。 （ 2）接收信號(hào)分析 讀寫器接收到的標(biāo)簽反向散射回的 ASK 信號(hào) ??MXt可以表示為： ? ? ? ? ? ?? ?0sin ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ?M M M MX t A S t t S t () 南京航空航天大學(xué)全日制專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 9 其中 ??St 表示標(biāo)簽的二進(jìn)制“ 0”“ 1”數(shù)據(jù)序列， 0?M 表示未調(diào)制信號(hào)相位， ??????MA St表示由 ??St調(diào)制的信號(hào)幅度， ??? ????M St表示由 ??St 調(diào)制的信號(hào)相位。 接收機(jī)的本振信號(hào)可表示為： ? ? ? ?sin ????S S SX t A t () 其中 SA 表示本振信號(hào)的幅度， ?S 表示本振信號(hào)的相位。 在無源超高頻 RFID 系統(tǒng)中，由于電子標(biāo)簽沒有電源，所以必須由讀寫器來提供能量以使其正常工作。讀寫器在接收標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，為了使標(biāo)簽?zāi)軌蛘９ぷ?，還必須持續(xù)發(fā)射載波信號(hào)，這樣發(fā)射的強(qiáng)載波信號(hào)和接收的微弱標(biāo)簽信號(hào)將同時(shí)存在于讀寫器天線上。 發(fā)射的載波信號(hào)在經(jīng)過放大和濾波等處理后進(jìn)入定向耦合器，然后通過天線發(fā)射出去，在理想情況下發(fā)射的載波信號(hào)是不會(huì)泄露到接收通道的。但是由于實(shí) 際產(chǎn)品的隔離度沒有那么高，接收通道就會(huì)存在從發(fā)射通道泄露的未調(diào)制載波信號(hào)，如圖 路徑①所示；另外當(dāng)信號(hào)經(jīng)過天線時(shí)，由于天線生產(chǎn)不一致和外部環(huán)境的影響，會(huì)使天線的發(fā)射特性發(fā)生變化，特殊的天線如近場(chǎng)天線一般都會(huì)有很高的反射特性，這樣發(fā)射的信號(hào)就會(huì)有一部分反射回來進(jìn)入接收通道，造成載波泄露，如圖 路徑②所示。 T xR x12 圖 載波泄露分析 現(xiàn)將泄露到接收通道的載波信號(hào) ??UXt表示為： ? ? ? ?sin ????U U UX t A t () 其中 UA 表示為信號(hào)幅度， ?U 表示為信號(hào)相位。泄露載波信號(hào) ??UXt和反向散射信號(hào) ??MXt進(jìn)入接收機(jī)后進(jìn)行 I/Q 解調(diào)，然后經(jīng)過低通濾波器輸出，兩路信號(hào)可表示為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?00= c o s c o s? ? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???I D S U U S D S M M S MX t k A A k A A S t S t n t () ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?= s in s in? ? ? ? ???? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???Q D S U U S D S M M S MX t k A A k A A S t S t n t () 其中 Dk 表示接收機(jī)的傳輸系數(shù)（包括射頻帶通濾波器、功分器、混頻器和基帶帶通濾波器的增益或插損） ??0nt表示接收機(jī)內(nèi)部的熱噪聲。 高效超高頻 RFID 讀寫器設(shè)計(jì) 10 在實(shí)際應(yīng)用中，泄露的載波信號(hào)幅度 ??UXt通常要比反向散射信號(hào) ??MXt和噪聲源 ??0nt的幅度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此讀寫器解調(diào)出標(biāo)簽信號(hào)的信噪比主要由泄露載波信號(hào) ??UXt決定，??MXt和 ??0nt的噪聲可以忽略不計(jì)。 由零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)可知，泄露的未調(diào)制載波信號(hào) ??UXt和本振信號(hào) ??SXt來源于同一個(gè)本振，因此可將解調(diào)信號(hào)進(jìn)一步表示為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0c o s c o s? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???I D S U P P D S M M S MX t k A A t t t t k A A S t S t () ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0sin sin +? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???Q D S U P P D S M M S MX t k A A t t t t k A A S t S t () 其中 ???Pt 表示本振相位噪聲的隨機(jī)過程， ?t 表示 ??UXt和 ??SXt信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)延， 0?MS 表示 ??MXt和 ??UXt信號(hào)之間的相位差。從以上討論可以看出，射頻接收機(jī)主要噪聲受時(shí)延 ?t 和???Pt 的影響，且主要在較低頻段。 載波抑制方案設(shè)計(jì) 為了有效解決超高頻 RFID 讀寫器普通存在的載波泄漏問題，本文從載波泄露的根源出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)收發(fā)通道隔離度較高的讀寫器和一個(gè)可重構(gòu)雙枝節(jié)匹配電路。高隔離度的收發(fā)通道用來抑制由于收發(fā)通道隔離度不高造成的載波泄露，可重構(gòu)雙枝節(jié)匹配電路則用來抑制由于讀寫器天線失配造成的載波泄露，如圖 所示。 T xR x可 重 構(gòu) 阻 抗匹 配 電 路定 向 耦 合 器 圖 載波抑制方案設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 本章首先介紹了超高頻 RFID 系統(tǒng)的構(gòu)成和工作的基本原理，然后給出了超高頻 RFID 系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)讀寫器進(jìn)行了模塊劃分并對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后對(duì)讀寫器射頻前端的接收信號(hào)進(jìn)行了分析，指出載波泄露是影響讀寫器性能的根本原因并給出了相應(yīng)的解決方案。南京航空航天大學(xué)全日制專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 11 第三章 讀寫器設(shè)計(jì)及測(cè)試 射頻前端收發(fā)芯片選型 目前超高頻 RFID 讀寫器射頻前端的設(shè)計(jì)方案主要有采立元件搭建采和用讀寫器芯片兩種方式。采用分立元件搭建的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但不足之處是元器件數(shù)目較多，功耗較大，可靠性差，調(diào)試較為困難 ，開發(fā)周期長，不利于超高頻 RFID 讀寫器的推廣和應(yīng)用；讀寫器芯片的集成度比較高，將大部分射頻前端電路集成在了一塊芯片中，所需外圍元件較少，有利于讀寫器的小型化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，性能穩(wěn)定，可靠性高，缺點(diǎn)則是成本相對(duì)較高。本文從讀寫器性能和開發(fā)難度的角度考慮，最終決定采用讀寫器芯片的方案。 目前世界上的超高頻 RFID 讀寫器芯片設(shè)計(jì)廠商主要有 3 家，分別為：歐洲的奧地利微電子，代表芯片為 AS3993/AS3992；美國的 IMPINJ，代表芯片為 R2021/R1000/R500；韓 國的PHYCHIPS，代表芯片為 PR9200/PR9000[2224]。三家廠家芯片的性能不盡相同，各有優(yōu)勢(shì)，具體性能參數(shù)如表 所示。 表 不同廠家讀寫器芯片性能參數(shù)比較 芯片 性能參數(shù) R2021 AS3992 PR9000 工作頻段 840～ 960MHz 840～ 960MHz 840～ 960MHz 支持協(xié)議 ISO 180006C ISO 180006A/B/C ISO 180006C 功率調(diào)節(jié)范圍 30dB 20dB 20dB 靈敏度 95dBm 86dBm 85dBm DRM 支持 內(nèi)部集成 不支持 封裝類型 QFN QFN QFN 封裝尺寸 9mm*9mm 9mm*9mm 7mm*7mm 調(diào)制類型 DSBASK、 PRASK、 SSB DSBASK、 PRASK DSBASK、 PRASK 供電電壓 、 、 5V 引腳數(shù) 64 64 48 MCU 無 無 有 載波抑制 有 無 無 在讀寫器芯片選型上，我們要考慮芯片的功率調(diào)節(jié)范圍、接收靈敏度、功耗、集成度和價(jià)高效超高頻 RFID 讀寫器設(shè)計(jì) 12 格等因素。從表 可以看出，與 AS3992 和 PR9000 相比， R2021 在 DRM、功率調(diào)節(jié)范圍和接收靈敏度等方面優(yōu)勢(shì)較明顯，尤其在接收靈敏度這個(gè)重要的性能指標(biāo)方面， R2021 可以達(dá)到95dBm。 R2021 同時(shí) 也 是 目 前 市 面 上 唯 一 一 款 具 有 載 波 抑 制 能 力 的 讀 寫 器 芯 片，通過我們?cè)谏漕l前端增加的載波抑制措施，可以大大減輕 R2021 載波抑制系統(tǒng)的壓力，優(yōu)化讀寫器系統(tǒng)的性能，因此我們采用 Impinj 公司的 R2021 芯片作為超高頻 RFID 讀寫器的射頻前端收發(fā)芯片。 讀寫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 讀寫器包括射頻前端和基帶處理電路兩部分，射頻前端以 R2021 讀寫器芯片為核心，其外圍電路主要包括射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、 24MHz TCXO、環(huán)路濾波器和 DRM 濾波器等；基帶處理電路以 AT91SAM7S256 芯片為核心，其外圍電路主要包括 無源晶振、復(fù)位電路、 SAMBA 以及 JTAG 等。下面將從射頻前端、基帶處理電路兩個(gè)部分分別來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，如圖 所示。 發(fā) 射 通 道R 2 0 0 0A T 9 1 S A M 7 S 2 5 62 4 M H z T C X O環(huán) 路濾 波 器D R M 濾 波 器1 8 . 4 3 2 M H z無 源 晶 振復(fù) 位電 路C o u p l e r接 收 通 道SPDTJ T A GS A M B A 圖 超高頻 RFID 讀寫器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 射頻前端設(shè)計(jì) R2021 讀寫器芯片介紹 R2021 是美國 Impinj 公司開發(fā)的一款高集成度、高性能、低功耗的超高頻 RFID 讀寫器芯片，基于 ISO180006C/EPC Gen2 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 R2021 將大約 90%的射頻器件集成在了一起，使成本大大降低；支持多種讀寫器設(shè)計(jì)模型，尺寸小，采用 QFN 封裝，功耗小；工作頻率范 圍為840960MHz，符合 FCC， ETSI 的要求標(biāo)準(zhǔn)。 R2021 內(nèi)部集成了現(xiàn)代射頻前端所需要的所有模塊，包括：①高壓縮比混頻器；②可選片外 DRM 濾波器；③復(fù)雜的 BPF；④ ADC（ 48MHz）；⑤ Modem（ DSP）；⑥ Tx 預(yù)失真； ⑦ 低相噪頻綜； ⑧ 線性 RF 放大器。并且內(nèi)部含有載波抑制系統(tǒng)，通過把發(fā)射的載波信號(hào)作為參考來對(duì) RF LNA 接收信號(hào)中的相應(yīng)部分進(jìn)行抑制，從而達(dá)到載波抑制的目的。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和載波抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖 和圖 所示。 南京航空航天大學(xué)全日制專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文 13 圖 R2021 讀寫器芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 A m pP h a s eT xD i r e c t i o n a l C o u p l e rS a m p l e C o u p l e rI Q c o n t r o l1 8 000