【正文】 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 0000
。并且內(nèi)部含有載波抑制系統(tǒng)，通過把發(fā)射的載波信號作為參考來對 RF LNA 接收信號中的相應(yīng)部分進(jìn)行抑制，從而達(dá)到載波抑制的目的。 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??；工作頻率范 圍為840960MHz，符合 FCC， ETSI 的要求標(biāo)準(zhǔn)。下面將從射頻前端、基帶處理電路兩個部分分別來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，如圖 所示。 R2021 同時 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，通過我們在射頻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。 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、集成度和價高效超高頻 RFID 讀寫器設(shè)計(jì) 12 格等因素。 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]。采用分立元件搭建的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，擁有自主知識產(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)則是成本相對較高。 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)，對讀寫器進(jìn)行了模塊劃分并對各個模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后對讀寫器射頻前端的接收信號進(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。 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)了一個收發(fā)通道隔離度較高的讀寫器和一個可重構(gòu)雙枝節(jié)匹配電路。 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 ??UXt和本振信號 ??SXt來源于同一個本振，因此可將解調(diào)信號進(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信號之間的相對時延， 0?MS 表示 ??MXt和 ??UXt信號之間的相位差。泄露載波信號 ??UXt和反向散射信號 ??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。但是由于實(shí) 際產(chǎn)品的隔離度沒有那么高，接收通道就會存在從發(fā)射通道泄露的未調(diào)制載波信號，如圖 路徑①所示；另外當(dāng)信號經(jīng)過天線時，由于天線生產(chǎn)不一致和外部環(huán)境的影響，會使天線的發(fā)射特性發(fā)生變化，特殊的天線如近場天線一般都會有很高的反射特性，這樣發(fā)射的信號就會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。讀寫器在接收標(biāo)簽信號時，為了使標(biāo)簽?zāi)軌蛘９ぷ?，還必須持續(xù)發(fā)射載波信號，這樣發(fā)射的強(qiáng)載波信號和接收的微弱標(biāo)簽信號將同時存在于讀寫器天線上。 接收機(jī)的本振信號可表示為： ? ? ? ?sin ????S S SX t A t () 其中 SA 表示本振信號的幅度， ?S 表示本振信號的相位。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。由于采用收發(fā)分離方式會占用較多的空間，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。 射頻前端接收信號分析 （ 1）收發(fā)隔離電路選型 對于讀寫器來說，根據(jù)收發(fā)信號天線是否相同，可以分為收發(fā)分離和收發(fā)一體兩種方 式。 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)射時對基帶信號進(jìn)行調(diào)制、放大等處理然后通過天線發(fā)射出去，接收時對反向散射回的標(biāo)簽信號進(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，對各種信號進(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。但是數(shù)據(jù)傳輸速率與系統(tǒng)信道帶寬、信噪比、信號調(diào)制和信道共享機(jī)制等因素也有很大的關(guān)系。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。當(dāng)前超高頻 RFID 系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，一個重要的問題就是對讀取范圍內(nèi)電子標(biāo)簽的讀取率達(dá)不到 100%，在商業(yè)應(yīng)用中，對標(biāo)簽的漏讀是絕對不允許的，因此對讀寫器來 說，讀取率也是非常重要的一個性能指標(biāo)。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非常值得深入研究的方向。讀寫器的主要功能就是通過應(yīng)用系統(tǒng)的控制完成對電子標(biāo)簽的讀寫、滅活和鎖定等操作，它的主要性能指標(biāo)如下所示： 最大讀寫距離：最大讀寫距離是讀寫器一個非常重要的性能指標(biāo)，與讀寫器的發(fā)射功率、接收靈敏度和天線的增益都有很大關(guān)系，因此是一個綜合性的指標(biāo)。 基本工作原理 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 7 RFID 系統(tǒng)的基本工作原理如下 [19]： （ 1）首先應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶的操作將指令傳給讀寫器，讀寫器接收到指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后將指令經(jīng) 由射頻前端通過天線發(fā)射出去； （ 2）當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別范圍時，電子標(biāo)簽被激活，獲取讀寫器的指令并通過讀寫器提供的能量將自身存儲的信息發(fā)送出去； （ 3）讀寫器接收到電子標(biāo)簽反向散射回的信號后，對信號進(jìn)行解調(diào)、變頻和過濾等操作，然后將得到的標(biāo)簽存儲信息送往后臺的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。由于超高頻 RFID系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域較多，根據(jù)背景的不同應(yīng)用系統(tǒng)通常需要專門定制，因此不具有通用性。這種模塊化的分工對于從事 RFID 產(chǎn)業(yè)的公司來說具有重大的意義，他們不用把大量的資金和時間浪費(fèi)在讀寫器底層工作流程和數(shù)據(jù)交換的重復(fù)開發(fā)上，而可以把更多的精力花在上層應(yīng)用程序設(shè)計(jì)上，使設(shè)計(jì)出的應(yīng)用程序更符合應(yīng)用背景、更加人性化。 （ 3）應(yīng)用系統(tǒng) 應(yīng)用系統(tǒng)的功能是對讀寫器進(jìn)行設(shè)置、控制， 并且可以結(jié)合具體項(xiàng)目的要求對標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、判斷、顯示、存儲和管理等操作。天線的性能越好，則讀寫距離越遠(yuǎn)，穩(wěn)定性也會越好。未來的讀寫器將向著小型化、智能化、多功能的方面發(fā)展，與讀寫距離性能直接相關(guān)的射頻前端的性能也將越來越好，比如說可以在工業(yè)現(xiàn)場直接和其他設(shè)備進(jìn)行交互，甚至作為一臺可以進(jìn)行在線任務(wù)調(diào)度的控制器。按照應(yīng)用環(huán)境的不同讀寫器可以分為手持式和固定式，固定式讀寫器根據(jù)讀寫器和天線是不是 裝在一起又可以分為一體機(jī)和分體機(jī)兩種 [16]。 （ 2）讀寫器 讀寫器，顧名思義，就是可以對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作的設(shè)備，主要包括射頻前端和基帶處理電路兩部分。不同廠商生產(chǎn)的電子標(biāo)簽雖然天線增益和最小工作門限值不一樣，但是每個電子標(biāo)簽存儲器的結(jié)構(gòu)是一樣，都可以分為保留內(nèi)存區(qū)、EPC 存儲區(qū)、 TID 存 儲區(qū)和用戶存儲區(qū)四種，只是容量大小有些差別，但是存儲容量都不大，大約為 1kbits。電子標(biāo)簽本身沒有能量，必須由讀寫器來提供，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別區(qū)域時，電子標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)送的載波信號而被激活，根據(jù)讀寫器發(fā)送的指令完成相應(yīng)的操作，然后將信息傳給讀寫器。首先讀寫器通過天線將載波信號發(fā)射出去，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識別區(qū)域時，電子標(biāo)簽被激活并通過讀寫器載波信號提供的能量將自身存儲的信息發(fā)送回去，讀寫器接收到標(biāo)簽發(fā)回的信息后將它傳給應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶的操作對標(biāo)簽 進(jìn)行讀寫、滅活和鎖定等操作。 第六章為總結(jié)與展望，總結(jié)了目前已做的研究工作，并展望 了 今后的研究方 向。 第四章為可重構(gòu)雙枝節(jié)匹配電路設(shè)計(jì)，首先介紹了幾種常用的阻抗匹配電路，然后進(jìn)行了阻抗匹配電路選型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于變?nèi)荻O管的可重構(gòu)雙枝節(jié)匹配電路來減小讀寫器射頻前端由于天線失配造成的載波泄露問題。 第二章為 RFID 系統(tǒng)性能分析，首先介紹了超高頻 RFID 系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作的基本原理，然后給出了超高頻 RFID 系統(tǒng)的性能指標(biāo)并對讀寫器中各個模塊的功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后對讀寫器射頻前端接收信號進(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?；谝陨弦蛩?，本文設(shè)計(jì)了一款小型化的超高頻 RFID 讀寫器，并針對讀寫器收發(fā)通道隔離度不高和讀寫器天線失配造成的載波泄露問題，提出了改進(jìn)措施。由于國內(nèi)技術(shù)的落后和國外技術(shù)壁壘等原因，我國對超高頻讀寫器的研發(fā)還處在初級階段，掌握核心技術(shù)的企業(yè)不多，讀寫器品種較少，價格偏高 [15]。 選題依據(jù)與論文結(jié)構(gòu) 超高頻 RFID 技術(shù)因其許多突出的優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用在包裝、汽車、動物識別、服裝、門禁、機(jī)場安檢等領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的領(lǐng)域會越來越多，具有廣闊的發(fā)展空間，市場價值巨大。 （ 4）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 （ 3） RFID 讀寫器。 （ 2）電子標(biāo)簽。具體表現(xiàn)為 [14]： （ 1） RFID 芯片。 RFID 技術(shù)發(fā)展趨勢 隨著 RFID 研究的不斷深入， RFID 產(chǎn)品越來越多，發(fā)展勢頭迅猛，在讀寫器、電子標(biāo)簽、協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)軟件等方面取得了長足的發(fā)展。 （ 5）安全問題。 （ 4）技術(shù)瓶 頸。 （ 3）成本偏高。 （ 2）標(biāo)準(zhǔn)不兼容。 RFID 技術(shù)發(fā)展面臨的問題 隨著 RFID 市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，但是由于應(yīng)用模式的缺乏和標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，也出現(xiàn)了一些阻礙，表現(xiàn)在 [13]： 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 3 （ 1）載波泄露。另外因?yàn)橛袝r還要嵌入到物體中，因此標(biāo)簽天線必須小型化。 相對于讀寫器天線的設(shè)計(jì)，標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)要考慮的因素更多。 標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)涉及到的技術(shù)較多，要求也較高，比如功耗要低，尺寸要小，與標(biāo)簽天線的匹配要好 [11]。在對讀寫距離要求比較高的場合我們采用高增益的陣列天線來增加讀寫距離，這種場合一般會伴隨有多臺讀寫器 同時工作，由于陣列天線方向性好的優(yōu)點(diǎn)可以有效減小不同天線之間的干擾，提高讀寫器的靈敏度。收發(fā)一體雖然會造成載波泄露，但是通過研究發(fā)現(xiàn)