射頻識(shí)別系統(tǒng)讀卡器該如何設(shè)計(jì)？

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?(13.56MHz)、超高頻?(860～930MHz)和微波?(2.4GHz以上)等幾類。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。

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。

惡劣的讀卡器應(yīng)用環(huán)境

RFID的應(yīng)用環(huán)境可能非常惡劣。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫(yī)藥(ISM)頻帶。此頻帶中的RFID讀卡器受到來(lái)自無(wú)繩電話、無(wú)線耳麥、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及其他臨近讀卡器的干擾。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設(shè)計(jì)為能夠抵御強(qiáng)干擾信號(hào)，避免產(chǎn)生可導(dǎo)致詢問(wèn)錯(cuò)誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平，以便具備足夠的動(dòng)態(tài)范圍，從而以無(wú)錯(cuò)方式檢測(cè)出低電平標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)。

圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器，是一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)，能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器，因此最大限度地提高了穩(wěn)定性并降低了成本。

實(shí)用和可靠的射頻接收器設(shè)計(jì)

接收器的核心是Linear公司的LT5516，這是一種高度集成化的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器，芯片上提供了一個(gè)精確正交移相器(0度至90度)。來(lái)自天線的信號(hào)在通過(guò)射頻濾波器之后，通過(guò)一個(gè)不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數(shù)很低，在不需要低噪放大器(LNA)的情況下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

在接收數(shù)據(jù)時(shí)，讀卡器發(fā)射連續(xù)載波(未調(diào)制)，以便為標(biāo)簽提供電源。在收到請(qǐng)求后，電子標(biāo)簽通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅，響應(yīng)一個(gè)碼流。所采用的調(diào)制方式為幅移鍵控(ASK)或者反相-幅移鍵控鍵控(PR-ASK)。解調(diào)器帶有兩個(gè)正交移相檢出式輸出端口，因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導(dǎo)致某個(gè)通道無(wú)法接收信號(hào)，另一條通道(移相90度)就可接收較強(qiáng)的信號(hào)，反之亦然。這樣，整體接收可靠性就得以提高。

一旦解調(diào)完成，即可將I(相內(nèi))和Q(正交相位)差分輸出信號(hào)以AC方式耦合至一個(gè)運(yùn)算放大器(被配置為一個(gè)差分放大器)，隨后被轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。這個(gè)時(shí)候應(yīng)將高通角頻率設(shè)置為5KHz，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號(hào)頻率，高于最大多普勒頻率(可能被運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽采用)，同時(shí)保持高于電力線頻率(60Hz)。這樣，輸出信號(hào)就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過(guò)低通濾波器。低通角頻率應(yīng)被設(shè)置為5MHz，以便最大碼流信號(hào)穿過(guò)濾波器，達(dá)到基帶。

基帶信號(hào)然后被一個(gè)雙路低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(LTC2291，分辨率為12位)進(jìn)行數(shù)字化處理。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)行充分的采樣，從而精確地捕獲解調(diào)信號(hào)。在需要的時(shí)候，還可在基帶DSP中實(shí)現(xiàn)額外的數(shù)字濾波。這樣，接收器就能具備最大的邏輯閾值設(shè)置靈活性，該設(shè)置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行。

基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理，可提高用全FPGA解決方案實(shí)現(xiàn)的吸引力和集成度。

高動(dòng)態(tài)范圍射頻發(fā)射器設(shè)計(jì)

發(fā)射器集成了一個(gè)鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換式調(diào)制器。LT5568具備很高的線性度和較低的背景噪聲，因此能夠?yàn)樗l(fā)射的信號(hào)提供出色的動(dòng)態(tài)范圍性能。調(diào)制器能夠從數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)接收正交式基帶I和Q信號(hào)，然后直接調(diào)制至900MHz發(fā)射頻率。

在內(nèi)部，LO(本地振蕩器)被精確正交移相器分割。經(jīng)調(diào)制的射頻信號(hào)被合并為一個(gè)單端、單邊帶射頻輸出信號(hào)(鏡像被抑制了46dBc)。此外，調(diào)制器還帶有匹配的I和Q混合器，從而最大限度地抑制了LO載波信號(hào)(至-43dBm)。

復(fù)合調(diào)制電路具備出色的鄰道功率比(ACPR)，有助于滿足發(fā)射頻率屏蔽要求。例如，當(dāng)調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時(shí)，ACPR指標(biāo)優(yōu)于-60dBc。由于具備更出色的ACPR性能，信號(hào)可被放大至許可的1w功率(在美國(guó)為+30dBm)，或者放大至2w，以符合歐盟規(guī)范。在上述兩種情況下，重要的是保持電平固定，因?yàn)樵撾娖接糜谙螂娮訕?biāo)簽提供電源，并最大化讀卡距離。LTC5505型射頻功率檢測(cè)器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能，可準(zhǔn)確地測(cè)定功率，提供穩(wěn)定的反饋信號(hào)，以調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率。