謝芳

摘要：該文設(shè)計了一款依據(jù)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的超高頻RFID國家標準（GB/T 29768-2013）的識讀模塊。對模塊的工作流程以及發(fā)射鏈路及接收鏈路中核心控制單元進行了技術(shù)分析，并提供了設(shè)備選型的多種方案及比較。經(jīng)過分析比較，提出了一種考慮收發(fā)隔離度、發(fā)射鏈路匹配、干擾噪聲、解調(diào)后的直流分量抑制等關(guān)鍵因素的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：RFID；GB/T 29768-2013；識讀模塊

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）34-0200-04

Abstract： this paper designed a according to the intellectual property of UHF RFID standard （GB/T 29768-2013） the reading module. Workflow， as well as the launch of the module link and receive link in the technical analysis of the central control unit， and provides equipment solutions and comparison. After comparing presented considering receiving isolation， emission link-matching， noise， DC component suppression after demodulation， and other key factors of optimization solutions.

Key words：RFID；GB/T 29768-2013； the reading module

1 引言

目前超高頻RFID領(lǐng)域已基本被國際通用標準（ISO 18000-6C）占據(jù)，為了提升我國RFID的技術(shù)競爭力，國家質(zhì)量監(jiān)督總局聯(lián)合國家標準化委員會于2013年發(fā)布了我國自主知識產(chǎn)權(quán)的超高頻RFID國家標準：GB/T 29768-2013（以下簡稱“國標29768”），基于該標準的識讀設(shè)備的研究還處于起步階段。本論文提出了一種基于國標29768的RFID的識讀模塊詳細設(shè)計方案。并對該模塊中核心的控制單元進行了技術(shù)分析與設(shè)備選型。

2 國標29768識讀模塊設(shè)計方案

根據(jù)國標29768及查閱相關(guān)資料，整理出識讀模塊系統(tǒng)框圖1所示。識讀模塊按信息流向可分為發(fā)射鏈路及接收鏈路兩部分。按功能可分為5部分，分別是：射頻前端單元、調(diào)制解調(diào)單元、數(shù)字基帶單元、控制傳輸單元及電源管理單元。

2.1模塊工作流程

2.1.1發(fā)射鏈路

數(shù)字基帶單元生成包含RFID口令的TPP編碼，數(shù)字濾波后經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成兩路模擬信號分別送入I/Q正交調(diào)制調(diào)制器的I/Q之路，基帶模擬前端由D/A產(chǎn)生I、Q兩路信號，經(jīng)過濾波器限制帶寬后與相差900相位的2路本振信號進行ASK調(diào)制，然后將2路射頻信號合并得到所要的調(diào)制信號，調(diào)制信號經(jīng)過功率放大器后獲得足夠的發(fā)射功率，通過收發(fā)隔離單元、天線進行發(fā)射。

2.1.2接收鏈路

接收鏈路采用I/Q正交解調(diào)結(jié)構(gòu)，天線接收到的射頻信號經(jīng)過收發(fā)隔離單元后經(jīng)低噪聲放大器放大后送入正交解調(diào)器與相差900相位的2路本振信號混頻得到I、Q兩路基帶信號，該微弱信號然后經(jīng)過模擬基帶噪聲放大器、低通濾波器放大濾波后，送至A/D采樣得到數(shù)字信息。

標簽返回的信號包含了ASK及PSK調(diào)制，PSK包絡(luò)是恒定的。因此首先判斷解調(diào)的方式，然后根據(jù)不同的調(diào)制方式采用相對應(yīng)的解調(diào)算法來在數(shù)字端對信號進行處理。標簽返回的信號采用FM0及米勒編碼，數(shù)字基帶部分需采用相應(yīng)方式解碼。

2.2功能模塊技術(shù)分析

2.2.1射頻前端單元

射頻前端單元主要包含了功率放大器、發(fā)射功率檢測、鍵控開關(guān)、收發(fā)隔離、通道濾波器、回波功率檢測、低噪聲放大器等功能電路。

功率放大器：可采用兩級放大，前級放大作為驅(qū)動放大級、后級放大作為功率輸出級，整體增益及功率分配可根據(jù)選型的調(diào)制器輸出功率做靈活調(diào)整。

以圖2為例，如果調(diào)制器輸出功率為-10dBm，發(fā)射功率需33dBm，可以合理分配兩級放大的增益及輸出功率。在兩級放大之間需增加一級∏網(wǎng)絡(luò)以改善級聯(lián)駐波，后級放大（PA2）需預留3dB的增益余量以備放大電路的適配損耗。

發(fā)射功率檢測：通過耦合器耦合一部分發(fā)射信號功率，耦合端連接一檢波器將幅度轉(zhuǎn)為電壓信號，該電壓信號輸送至MCU的A/D端口供采樣，由此形成內(nèi)部反饋回路控制發(fā)射功率。回波功率檢測原理相同。

收發(fā)隔離：可選擇環(huán)形器或耦合器，環(huán)形器與耦合器各有優(yōu)劣，環(huán)形器不會帶來接收端額外的插入損耗、而耦合器尺寸較小。因此通常固定式讀寫器選擇使用環(huán)形器，而手持式讀寫器一般選擇耦合器。

通道濾波器：包含發(fā)射端濾波器及接收端濾波器，本系統(tǒng)中發(fā)射信號相對干凈，發(fā)射端濾波器主要濾除諧波，因此選擇低通濾波器即可；接收端濾波器主要濾除帶外干擾及噪聲，選擇帶通濾波器比較合適。

低噪聲放大器：低噪聲放大器主要作用是提供接收端的靈敏度，但考慮到解調(diào)器的輸入動態(tài)范圍一般在5—13dBm數(shù)量級，因此其增益不能過大，需小于10dB，考慮到低噪聲放大器的噪聲直接影響接收靈敏度，因此其選擇放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)小于1.3。

2.2.2調(diào)制解調(diào)單元

調(diào)制解調(diào)單元包含了調(diào)制器、頻率源、解調(diào)器、接收鏈路模擬中頻處理等功能電路。

調(diào)制器：識讀模塊采用ASK調(diào)制調(diào)制器主要實現(xiàn)將模擬基帶信號頻譜搬移至超高頻。可選集成的調(diào)制器芯片。

頻率綜合器：頻率綜合器主要為收發(fā)鏈路提供本振及信道選擇。頻率綜合器決定了讀寫器芯片的工作頻率，對頻率綜合器（本振）的要求是近端相位噪聲盡量小，但同時跳頻切換時間間隔（主要取決于頻率鎖定時間）需滿足要求。頻率綜合其近端相位噪聲解調(diào)后會形成低頻噪聲；頻率切換時間則影響了讀/盤點效率，讀寫器工作時只有在同一個信道完成讀/盤點流程后才會切花至下一個信道，如果頻率切換時間過長那么單位時間內(nèi)執(zhí)行的讀/盤點流程的次數(shù)就會減少，這樣會影響讀寫器的多標簽讀取能力。

本方案中頻率綜合器集成了壓控振蕩器、分頻器、鑒相器，為后期整機產(chǎn)品調(diào)試方便，鎖相環(huán)路外置。

解調(diào)器：解調(diào)器主要實現(xiàn)將標簽反饋的信號下變頻至零中頻附近?？蛇x集成的解調(diào)器芯片。

接收鏈路模擬中頻處理：模擬中頻處理部分主要將解調(diào)后的信號經(jīng)濾波放大后送至ADC采樣。本模塊采用了零中頻結(jié)構(gòu)的解調(diào)方式，接收的本振和標簽返回信號的載波同頻，中頻包含了較強的直流成分，中頻處理部分需包含了放大、濾波及去直流幾個環(huán)節(jié)。

2.2.3數(shù)字基帶單元

數(shù)字基帶單元是識讀模塊的核心單元，國標29768所規(guī)定的空口協(xié)議主要由數(shù)字基帶單元實現(xiàn)。數(shù)字基帶發(fā)射部分主要生成符合國標29768要求的對標簽的各種口令，接收部分主要對標簽返回的數(shù)據(jù)進行解碼?？蓴?shù)字基帶單元用DSP或FPGA實現(xiàn)。

2.2.4控制傳輸單元

控制傳輸單元實現(xiàn)對基帶單元、模擬前端單元的狀態(tài)控制及數(shù)據(jù)的傳輸，狀態(tài)控制包括：功率檢測、頻率設(shè)定、I/O口設(shè)定、自動增益控制、自檢功能等?？刂苽鬏攩卧捎肕CU實現(xiàn)。

2.2.5電源管理單元

電源管理單元主要實現(xiàn)對模塊整體的電源控制，是本模塊低功耗設(shè)計的核心。

2.3 接收鏈路實施方案

接收鏈路設(shè)計過程中有2個要點要重點考慮，分別是：接收鏈路噪聲系數(shù)及接收鏈路各級增益、電平分配。

2.3.1鏈路噪聲系數(shù)分析

噪聲系數(shù)是影響系統(tǒng)接收靈敏度的關(guān)鍵指標，從某種程度講降低噪聲系數(shù)跟能在很大程度上提高讀寫器的作用距離。

系統(tǒng)噪聲系數(shù)計算公式為NF=Si+174-10logB-（S/N），其中NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)、Si為系統(tǒng)最小接收靈敏度、B為噪聲帶寬、（S/N）為信噪比。通過查閱 圖可知若確定誤碼率為10-5時，ASK調(diào)制系統(tǒng)信噪比為15dB左右、PSK調(diào)制系統(tǒng)信噪比為16dB左右， （S/N）取相對較小值15。查閱圖 可知反向鏈路頻率最大為640kHz，因此濾波器最大帶寬為其2倍需為1.28MHz，即B取1.28×106，Si取-82dBm，將以上數(shù)值帶入公式可得出識讀模塊接收鏈路的最大噪聲系數(shù)NF=-82+174-10log（1.28×106）-15=16dB。

接收系統(tǒng)級聯(lián)噪聲系數(shù)計算公式如下：

F=F1+（F2-1）/G1+（F3-1）/G1G2+（F4-1）/G1G2G3+.....，其中Fn為第N級的噪聲系數(shù)，Gn為第n級的增益。由該公式可看出系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要決定于第一級器件的噪聲系數(shù)及增益。

2.3.2鏈路增益及電平分配分析

識讀模塊的工作模式為相干調(diào)制、解調(diào)，收發(fā)同頻，發(fā)射端的泄露電平無法通過濾波器濾除，會直接影響接收鏈路。因此為了保證接收鏈路各級電路工作在線性狀態(tài)就必須合理分配接收鏈路的增益及電平。

發(fā)射信號泄露包含兩種成分：一是發(fā)射端通過隔離器件直接泄露（Pt-r），另一種成分是發(fā)射端信號被天線反射回的信號（Pa-r）。如圖 所示

一般通用的天線反射系數(shù)為-21dB，環(huán)形器的隔離度為25dB、固有損耗約0.5dB，耦合器的隔離度為45dB左右、耦合度為10dB。若選擇發(fā)射功率為30dBm，因此可得出接收端泄露電平如下：

1） 采用環(huán)形器方式：Pa-r=30-21-0.5=8.5dBm，Pt-r=30-25=5 dBm，取8.5dBm。

2）采用耦合器方式：Pa-r=30-21-10=-1dBm，Pt-r=30-45=-15dBm，取-1dBm。

由上面兩組計算可看出，決定接收端泄露電平的部件主要在于天線的端口駐波（反射系數(shù)）。

2.3.3接收鏈路設(shè)計方案

本系統(tǒng)接收鏈路的設(shè)計可有兩種方案，第一種方案為標簽返回信號經(jīng)低噪聲放大器后送入解調(diào)器，第二種方案為標簽返回信號直接進入解調(diào)器。

兩種方案各有優(yōu)劣。第一種方案能降低接收鏈路噪聲系數(shù)，但鏈路線性度容易受影響；第二種方案鏈路線性度可以保證，但噪聲系數(shù)較高。

綜合比較，第一種方案中隔離器件選擇耦合器比較合適，第二種方案的隔離器件選擇環(huán)形器比較合適。

2.4發(fā)射鏈路及頻率源設(shè)計方案

發(fā)射鏈路與接收鏈路相比設(shè)計難度較小，設(shè)計過程中主要有兩個關(guān)鍵點：1、本振信號的純凈度；2、合理分配各級增益及電平；3、保證各級電路的級間匹配。

2.4.1 本振信號的純凈度分析

本振信號的純凈度主要有兩項關(guān)鍵指標：雜散及相位噪聲（如圖 所示）。

由圖11可看出決定本振源相位噪聲及雜散兩項參數(shù)的主要取決于國標29768中信號對鄰近信道的抑制要求。

由圖12可看出國標29768所規(guī)定的信道帶寬是250KHz，對鄰近信道的功率抑制比為-40dBc，交替信道抑制比為-60dBc。根據(jù)公式“相位噪聲=抑制比+10log信道帶寬“可算出本振在偏離中心頻率125kHz及375kHz處的最小相位噪聲分別為：

PN（125kHz）=-40-10log（250kHz）=-94dBc

PN（375kHz）=-60-10log（250kHz）=-114dBc

參照以往設(shè)計經(jīng)驗及對頻率源的基本要求，雜散的要求為近端（偏離中心頻率5MHz內(nèi)）必須無雜散，遠端需小于-60 dBc。

2.4.2 識讀模塊要求

發(fā)射需功率大于33dBm（2W），具體鏈路增益及電平分析見2.2.1章節(jié)。

2.4.3各級電路的級間匹配分析

本模塊中的發(fā)射鏈路中的元器件需選擇內(nèi)部匹配器件（輸入輸出端口均為50歐），根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗在各級之間需預留改善駐波的T型網(wǎng)絡(luò)。避免因端口反射產(chǎn)生自激。

2.4.4發(fā)射鏈路器件選型考慮

經(jīng)綜合對比，初步選擇AD公司的調(diào)制芯片ADF9010作為模擬前端的核心芯片。該芯片工作于840—960MHz頻段，集成了VCO、數(shù)字PLL、調(diào)制單元、接收模擬中頻濾波放大等功能，可以在最大程度上降低開發(fā)難度。

在ADF9010基礎(chǔ)上增加外部功率放大器及解調(diào)器即可組成RFID模擬前端。因此整體系統(tǒng)可簡化為四部分電路：以ADF9010為核心的電路（集成調(diào)制、頻率源、接收模擬中頻處理）、功率放大電路、低噪聲放大電路及解調(diào)電路，發(fā)射端兩級功率放大器需選擇內(nèi)部匹配50歐的輸入輸出器件。

3 總結(jié)

基于超高頻RFID國家標準GB/T 29768-2013 的識讀模塊其整體可視為零中頻架構(gòu)的收發(fā)信機，其關(guān)鍵指標“識讀距離”主要取決于“發(fā)射功率”及“接收靈敏度”這兩項關(guān)鍵參數(shù)，在設(shè)計過程中需充分考慮收發(fā)隔離度、發(fā)射鏈路匹配、干擾噪聲、解調(diào)后的直流分量抑制等因素。

參考文獻：

[1] 李寶山，李革.超高頻射頻識別讀寫器的研究與設(shè)計[J].電子與封裝，2011（9）.

[2] 杜太行，王國華，劉旭.UHF射頻讀寫器的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（20）.

[3] 周陳鋒，何怡剛，侯周國， 等.超高頻RFID讀寫器基帶模塊的原理與設(shè)計[J].微計算機信息，2009（11）.

[4] 王海峰，王敬超，張春，等. 一種超高頻RFID讀寫器設(shè)計[J].微計算機信息，2008（8）.

[5] 余堯.超高頻RFID讀寫器射頻前端的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學，2009.