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射頻識別技術(shù)(RFID，Radio Frequency Identification)是在雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的主要原理是通過尤線電波進(jìn)行非接觸艤向數(shù)據(jù)通信從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并實現(xiàn)目標(biāo)識別。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾類。其中超高頻(UHF)頻段和微波頻段的RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠(yuǎn)、通訊速度快等優(yōu)點(diǎn)。更適合未來物流、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域的應(yīng)用，因此UHF及更高頻率的RFID技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義。 本文介紹了超高頻RFID系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并利用ADS軟件對發(fā)射和接收鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和研究，最后給出了基于通用芯片的讀寫器射頻前端解決方案。 1 RFID系統(tǒng)工作原理及物理接口 1.1 工作原理 一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫器以及計算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。其基本工作流程如下：讀寫器將無線電載波信號經(jīng)過發(fā)射天線向外發(fā)射。電子標(biāo)簽從讀寫器發(fā)射的電磁波中提取其丁作所需的能饋，一部分電磁波被標(biāo)簽后向散射(反射)回閱讀器，同時，標(biāo)簽也按照存儲的數(shù)據(jù)序列來改，變自己的輸入阻抗從而實現(xiàn)對后向散射信號的調(diào)制。系統(tǒng)的接收天線接收電子標(biāo)簽發(fā)出的信號，經(jīng)天線的調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)解碼，送往后臺的電腦控制器。電腦控制器根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，并發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照電腦的指令進(jìn)行動作，并通過計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控點(diǎn)連接起來。構(gòu)成總控信息平臺，根據(jù)不同的項目可以設(shè)計不同的軟件來完成要達(dá)到的功能。 1．2物理接口 根據(jù)目前較為主流的超高頻RFID國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IECl8000-6B的規(guī)定，系統(tǒng)傳輸基于“讀寫器先發(fā)言”機(jī)制，且在射頻信號收發(fā)方面有如下要求： (1)由讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼，調(diào)制方式為調(diào)制深度為99％或1l％的ASK調(diào)制，其中99％的ASK調(diào)制町以用OOK調(diào)制實現(xiàn)；位速率為10kbps或40kbps。 (2)由電子標(biāo)簽到讀寫器的返網(wǎng)鏈路采用FM0編碼，調(diào)制方式為反向散射調(diào)制。其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似，所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。反向傳輸數(shù)據(jù)速率為40 kbps。 2 射頻前端設(shè)計 ADS(Advanced Design System)是Agilent公司開發(fā)研制的電子設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)。它是射頻設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種EDA工具。該軟件的功能包括時域電路模擬(SPICE-like Simulation)、頻域電路模擬(Harmonic Balance Linear Analysis)、電磁模擬(EM Simulation)、通信系統(tǒng)模擬(Communication System Simulation)、數(shù)字信號處理設(shè)計(DSP)等。常用的ADS仿真分析控件有：S參數(shù)分析、瞬態(tài)分析、交流分析和諧波平衡分析等。 2．1發(fā)射鏈路設(shè)計與仿真 
圖1發(fā)射鏈路ADS仿真原理圖 如圖1所示，以方波信號發(fā)生器Vf_square模擬產(chǎn)生基帶信號，設(shè)基帶信號頻率為4MHz．基帶信號經(jīng)混頻器MIXER與915MHz的本振信號進(jìn)行混頻，再通過一個SAW帶通濾波器，濾除鏡像干擾，產(chǎn)生ASK調(diào)制信號，圖2上圖為發(fā)射信號的瞬態(tài)仿真波形圖。
圖2發(fā)射機(jī)發(fā)射信號的瞬態(tài)仿真圖及頻譜圖 利用fs()函數(shù)將時域波形轉(zhuǎn)換到頻域nr得輸入輸出頻譜圖，由圖2右下可以看出，頻率為4MHz的基帶信號，經(jīng)過調(diào)制濾波放大后產(chǎn)生頻率為9llMHz和919MHz調(diào)制信號。 2．2接收鏈路設(shè)計與仿真 傳統(tǒng)收發(fā)信機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可歸結(jié)為三種類型：外差式，零中頻式和低中頻式。 綜合考慮靈敏度、功耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等問題．目前很多RFID讀寫器的接收鏈路部分都采用r零中頻式結(jié)構(gòu)。零中頻式結(jié)構(gòu)的第一級混頻器將輸入的射頻信號直接變換為IF=0的頻帶，然后采用低通濾波器來拾取有用信號。由于去除了中頻級，所以它與外差式接收機(jī)相比具有以F優(yōu)勢：第一，零中頻不存在鏡像問題，不需要鏡像抑制濾波器。而且南于零巾頻接收機(jī)的本振頻率和接收到的射頻信號相同，接收到的信號為電子標(biāo)簽對閱讀器發(fā)射信號的反射，因而接收電路的本振和發(fā)射電路的本振可以采用『司一本振。從而大大簡化了結(jié)構(gòu)；第二，由于IF=0，所以僅需要低通濾波器，與帶通濾波器相比，低通濾波器更容易集成于片內(nèi)；第三，由于對信號的放大在基帶，這進(jìn)一步降低了能耗。 零中頻接收機(jī)接收到的標(biāo)簽反射信號為ASK信號，可表示為：
Ac為接收到的載波信號的幅度，m(t)為有用信號，φ為接收信號的相位。接收機(jī)的本振信號為：
則將接收信號與本振信號混頻后，再經(jīng)過低通濾波可得：
由上式可知，當(dāng)φc-φlo=(2n+1)π/2(n=0、1、2、3)時，cos(φc-φlo)=0，從而使處理后得到的信號為零，即本振與接收信號的相位差有可能使接收到的有用信號為零，這就是所謂的接收機(jī)的零點(diǎn)效應(yīng)。 本義采用I/Q雙路接收機(jī)束來消除零點(diǎn)效應(yīng)。將(3)式表示為復(fù)數(shù)形式：
其中r1、r2分別為本振和接收信號傳播的距離，設(shè)r1=0，r2=2d,d為標(biāo)簽到讀寫器的距離，則
由上式可得，出現(xiàn)零點(diǎn)的位置為：
同理可計算出另一路的零點(diǎn)位置為：
由(6)(7)兩式可看出，兩路的零點(diǎn)是交替的，不可能同時出現(xiàn)零點(diǎn)。事實上，當(dāng)其中一路輸出為零時，另一路的輸出達(dá)到最大，且兩路的輸出功率之和始終為常數(shù)。 圖3是零中頻接收機(jī)I/Q雙路部分的瞬態(tài)仿真原理圖。
圖3零中頻接收機(jī)加雙路部分仿真原理圖 由圖4可看出，接收機(jī)接收到的射頻信號通過下變頻和低通濾波后轉(zhuǎn)換為零中頻信號。經(jīng)過I/Q雙路處理后經(jīng)過一個高通濾波器上除直流分量，再利用一個中心頻率為4MHz的帶通濾波器拾取基帶信號．最后通過比較器即可還原出基帶信號。 圖4右下為輸入輸出信號瞬態(tài)分析波形，通過對比可見二者存在一定的相位差。
圖4瞬態(tài)分析波形及頻域波形圖 3 硬件實現(xiàn) 基于以上的理論分析和系統(tǒng)仿真，作者選用通用的通信電子元器件設(shè)計了整個射頻前端，包括頻率綜合模塊、發(fā)射模塊和接收模塊三大部分，三個模塊通過同軸線相連。其中頻率綜合模塊用于提供915MHz的載波信號(LO)，采用ADI公司的ADF4360-7為核心芯片，該芯片集成了頻率綜合器和VCO，通過配置可提供350MHz到1800MHz的信號。發(fā)射模塊包括對基帶信號進(jìn)行混頻、濾波、放大然后通過環(huán)行器送入天線等步驟。接收模塊首先對接收信號進(jìn)行放大濾波等預(yù)處理，然后送入I/Q雙路并最終解調(diào)出基帶信號。整個設(shè)計主要由以下芯片組成：頻率綜合器ADF4360-7、混頻器T0785、射頻濾波器SF2049E、功率放大器RF2132、華揚(yáng)公司的環(huán)行器HYH504AZ、功分器SCN-2-l1，90度移相功分器QCN-12A，低噪聲放大器MAX2642等。
圖5射頻前端系統(tǒng)原理圖 4 結(jié)論 本文研究了超高頻射頻識別讀寫器的體系結(jié)構(gòu)，建立了射頻前端的ADS仿真模型，并針對零中頻接收機(jī)的零點(diǎn)效應(yīng)問題對零中頻I/Q雙路接收機(jī)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計，最后在仿真和分析的基礎(chǔ)上給出了基于通用芯片的915MH：讀寫器射頻前端的解決方案，經(jīng)實驗驗證，該方案可以很好的滿足ISO/IEC18000-6B協(xié)議的要求。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：(1)利用ADS軟件進(jìn)行了射頻前端拓?fù)浞治觯鉀Q了因相位差產(chǎn)生的零點(diǎn)問題，簡化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，也為設(shè)計硬件電路提供了依據(jù)；(2)設(shè)計電路時通過將頻綜、發(fā)射、接收i部分分開，有效降低了三者之間的干擾，提高了電路的可靠性。 作者：王耀 來源：《微計算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第4-2期 |
