淺議RFID讀卡器射頻電路研制

文章出處：http://coolbang.cn 作者：賴(lài)樹(shù)明等   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日

    前言

    射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，即Radio Frequency Identification）是一種基于雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的識(shí)別技術(shù)。文章論述了如何研制了RFID讀卡器射頻電路的相關(guān)信息，包括零中頻解調(diào)技術(shù)、載波電路、信號(hào)調(diào)制電路及射頻功率放大電路，并給出射頻電路模塊結(jié)構(gòu)的方案，這對(duì)簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的射頻電路，推廣射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化和交通控制等眾多領(lǐng)域有重要意義。
射頻識(shí)別技術(shù)（RFID，即Radio Frequency Identification）是一種基于雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的識(shí)別技術(shù)，其主要原理是通過(guò)無(wú)線電磁波進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別，RFID技術(shù)是微波技術(shù)、密碼學(xué)以及無(wú)線通信原理等眾多學(xué)科知識(shí)交叉的新興產(chǎn)物，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了高速公路收費(fèi)管理、鐵路物流運(yùn)輸控制管理及工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以劃分為低頻（135kHz以下）、高頻8197;（13.56MHz）、超高頻8197;（860～930MHz）和微波8197;（2.4GHz以上）等幾類(lèi)。射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽（射頻標(biāo)簽）、天線和閱讀器組成。 

    一、讀卡器 

    讀卡器一般由射頻信號(hào)處理模塊、基帶信號(hào)處理模塊、控制單元以及和外部設(shè)備連接的接口模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻信號(hào)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)三大功能：一是通過(guò)天線發(fā)射足夠功率的射頻電磁波，以激發(fā)電子標(biāo)簽并為其提供能量；二是對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)制的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電磁波傳送給標(biāo)簽；三是接收并解調(diào)來(lái)自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。為了處理往來(lái)于應(yīng)答器的兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)流，射頻信號(hào)處理模塊有兩個(gè)不同的信號(hào)通道，傳送到電子標(biāo)簽中去的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)射電路分支，而來(lái)自于電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過(guò)接收電路分支處理。
控制單元的主要功能：與上層應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來(lái)的命令；控制與電子標(biāo)簽的通信過(guò)程；信號(hào)的編碼與解碼。對(duì)于某些特定系統(tǒng)還有以下的附加功能：執(zhí)行防碰撞算法；對(duì)電子標(biāo)簽與讀卡器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；進(jìn)行電子標(biāo)簽和讀卡器之間雙向的身份驗(yàn)證。 

    二、射頻信號(hào)處理單元電路 

    讀卡器的發(fā)射信號(hào)功率遠(yuǎn)大于電子標(biāo)簽反向散射回來(lái)的信號(hào)，而且與接收信號(hào)同頻率，這樣如果大功率的反射信號(hào)漏泄到接收電路就會(huì)使接收電路各個(gè)部分的器件飽和，導(dǎo)致讀卡器對(duì)接收信號(hào)無(wú)法解調(diào)，因此射頻信號(hào)處理模塊的技術(shù)指標(biāo)好壞會(huì)直接影響到RFID系統(tǒng)的質(zhì)量水平。如圖2所示為射頻前端電路結(jié)構(gòu)示意圖，射頻信號(hào)處理模塊一般包括兩大單元：一是基帶信號(hào)調(diào)制發(fā)射模塊電路，它由鎖相環(huán)電路、混頻調(diào)制電路、濾波電路、功率放大電路等幾部分組成；二是射頻信號(hào)解調(diào)接收處理電路，它由差分放大電路，零中頻解調(diào)電路以及相應(yīng)的濾波電路構(gòu)成。 

    （一）零中頻信號(hào)接收處理電路 

    射頻信號(hào)接收處理電路可以超外差電路和零中頻接收電路等等。由于零中頻檢測(cè)接收機(jī)具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：頻率變換關(guān)系簡(jiǎn)單，非線性變換分量更少；可以避免使用中頻SAW濾波器；不需要中頻放大器，電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，性?xún)r(jià)比更高。 

    如前所述，電子標(biāo)簽發(fā)射回來(lái)的信號(hào)的調(diào)制為振幅鍵控調(diào)制8197（ASK）方式，并且與閱讀器發(fā)射信號(hào)的載波同頻，如圖3 所示為RFID系統(tǒng)中采用四通道零中頻解調(diào)電路，來(lái)自移相電路中四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)均包含閱讀器的發(fā)射信號(hào)和接收到的標(biāo)簽散射回來(lái)的信號(hào)，它們經(jīng)過(guò)二極管混頻處理后，利用低通濾波器將高頻成分濾除掉，將分別得到攜帶標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息和閱讀器天線與標(biāo)簽距離（反映在收發(fā)信號(hào)的相位差上）的信號(hào)，其中A、C兩點(diǎn)得到的信號(hào)在相位上將相差π， B、D的情況也是如此；將它們分別饋入差分放大器D1和D2放大后，得到兩路輸出信號(hào)，它們的振幅反映了標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，且相位上相差90°，即它們是正交的。信號(hào)再分別經(jīng)過(guò)差分放大器D3和D4進(jìn)行放大，然后通過(guò)比較電路，最終得到TTL電平的IQ信號(hào)送入基帶電路進(jìn)行處理。由于I和Q這兩路信號(hào)是正交的，且只跟閱讀器天線和標(biāo)簽之間的距離（根據(jù)電磁波的基本知識(shí)，其表現(xiàn)為收發(fā)信號(hào)之間的相位差）有關(guān)，這就是說(shuō)，當(dāng)標(biāo)簽位于閱讀器天線所發(fā)射電磁波覆蓋的區(qū)域內(nèi)，在每一個(gè)確定的時(shí)間里，這兩路信號(hào)不但是唯一確定的，而且更重要的是它們相位的正交保證了這兩路信號(hào)不可能同時(shí)為零，這就確保了電路對(duì)電子標(biāo)簽散射信號(hào)的有效捕獲。 

    （二）調(diào)制發(fā)射模塊電路 

    調(diào)制發(fā)射電路由三部分構(gòu)成：載波信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)調(diào)制電路和射頻功率放大電路等。
    1．載波發(fā)生電路。圖4所示為一個(gè)載波發(fā)生電路。其中PLL400-915A是鎖相環(huán)路頻率合成器，它具有良好的窄帶濾波特性和良好的相位噪聲指標(biāo)，同時(shí)它還具有輸出頻率純度高和頻率輸出可控等特點(diǎn)該芯片可由MCU通過(guò)程序進(jìn)行控制，輸出信號(hào)的頻率可在902MHz~928MHz之間變換，步進(jìn)頻率為200kHz，該特性可以方便用戶(hù)實(shí)現(xiàn)廣譜跳頻，提高系統(tǒng)抗干擾能力。電路中TCX0是溫度補(bǔ)償晶振，它提供穩(wěn)定、低相位噪聲的12.8MHz作為頻率合成器的參考頻率。本振信號(hào)輸出端所接SF2049E為帶通濾波器，以濾除輸出載波信號(hào)的高次諧波，降低系統(tǒng)的噪聲。 
    
    2．信號(hào)調(diào)制電路。調(diào)制電路如圖5所示。依照RFID 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射信號(hào)采用ASK調(diào)制。電路采用低噪聲射頻放大器芯片RF2361作為射頻功放的前置驅(qū)動(dòng)。RF2361具有低噪聲，高截獲點(diǎn)， 放大使能可控。通過(guò)調(diào)整控制端電壓VPD，其增益可從20dB迅速降到0dB，即通過(guò)電壓控制使它在關(guān)閉狀態(tài)與工作狀態(tài)之間快速地切換，從而實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制，而且能夠達(dá)到非常深的調(diào)制深度。這樣，編碼信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與非門(mén)芯片TC7S00達(dá)到對(duì)VPD的控制，從而利用對(duì)載波的放大控制實(shí)現(xiàn)了編碼信號(hào)對(duì)載波的ASK調(diào)制。 

    3．射頻功率放大電路。射頻功率放大器是無(wú)線發(fā)射機(jī)主要組成部分，為了有效地將調(diào)制信號(hào)通過(guò)天線以電磁波的形式輻射出，射頻信號(hào)必須獲得足夠大的射頻輸出功率，所以在信號(hào)被送入天線前必須采用射頻功率放大器進(jìn)行放大，射頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率。
射頻功率放大器的重要指標(biāo)為：
    （1）集電極效率ηc為輸出功率pout與電源供給功率pdc之比，即ηc=pout / pdc；
    （2）功率增加效率8197;（PAE， Power Added Efficiency）為輸出功率pout與輸入功率pin的差與電源供給功率pdc之比。
    （3）射頻功率放大器線性度指標(biāo)有三階互調(diào)截點(diǎn)（IP3）、1dB壓縮點(diǎn)、諧波、鄰道功率比等。鄰道功率比衡量由放大器的非線性引起的頻譜再生對(duì)鄰道的干擾程度。
    （4）雜散輸出與噪聲。 

    在發(fā)射系統(tǒng)中，射頻末級(jí)功率放大器輸出功率的范圍可小至毫瓦級(jí)（便攜式移動(dòng)通信設(shè)備）、大至數(shù)千瓦級(jí)（發(fā)射廣播電臺(tái)）。為了要實(shí)現(xiàn)大功率輸出，末級(jí)功率放大器的前置放大電路必須要有足夠高的激勵(lì)功率電平。根據(jù)工作頻率和輸出功率等要求，可以采用FET、射頻功率集成電路等作為射頻功率放大器。本系統(tǒng)采用了日立公司的功率放大芯片PF01411A來(lái)實(shí)現(xiàn)完成該任務(wù)，如圖6所示。PF01411A具有線性失真小，輸入功率要求低（0dBm即可），增益控制范圍可達(dá)90dB，效率可達(dá) 45％，最大輸出功率可達(dá)5W。MCU可通過(guò)電壓控制端Vapc來(lái)對(duì)輸出增益進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻輸出功率的控制。 

    三、結(jié)語(yǔ) 

    本文研制改進(jìn)了零中頻解調(diào)技術(shù)、載波電路、信號(hào)調(diào)制電路及射頻功率放大電路，特別是對(duì)讀卡器的重要組成部分射頻信號(hào)處理單元作了深入的研究，實(shí)驗(yàn)表明，研制電路的簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠。（文/東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院）