新型RFID閱讀器接收電路設(shè)計

摘要：射頻識別(RFID)系統(tǒng)，由于其智能、快速、耐久、記憶容量大等優(yōu)點，擁有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。主要研究了UHF頻段RFID閱讀器接收電路的設(shè)計，分析了共零中頻接收電路結(jié)構(gòu)，解決了由RFID系統(tǒng)自身特殊性所帶來的零點問題和直流漂移，最終通過仿真驗證了該電路結(jié)構(gòu)的可行性。
關(guān)鍵詞：超高頻射頻識別；閱讀器；零中頻；濾波

0 引言
    閱讀器主要由控制單元、高頻收發(fā)模塊、天線以及其他與后臺設(shè)備相連的接口組成。應(yīng)答器，又叫作標(biāo)簽，是RFID讀取數(shù)據(jù)的來源，主要由天線和微電子芯片組成。RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是閱讀器，實現(xiàn)閱讀器的核心技術(shù)是接收電路。本文主要分析和構(gòu)造了UHF無源RFID閱讀器接收電路。

1 基本架構(gòu)
    組成RFID閱讀器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上半部分為發(fā)射鏈路，而其下半部分為接收鏈路。
    采用UHF頻段的閱讀器首先針對基帶信號實施PIE編碼，同時實施80％～100％ASK調(diào)制過程。在接收電路部分需支持PSK或ASK形式的解調(diào)，同時可以實施對基帶信號的米勒或FM0副載波解碼。系統(tǒng)的發(fā)射信號如下：
   
    式中：f(t)代表標(biāo)簽接收的信號；m(t)代表基帶信號；載波頻率則用ωc表示。
    而在標(biāo)簽反向散射過程中，接收端接收到信號如下：
   
    式中：g(t)表示接收端接收到的信號；m’(t)表示標(biāo)簽端基帶信號。
    最終在接收電路中進(jìn)行下變頻，解調(diào)過程和結(jié)果如下：
   
    式中：代表通過低通濾波器后的結(jié)果。
    圖1中的環(huán)行器隔離器件，通常能夠?qū)崿F(xiàn)20～30 dB的隔離效果。此外，利用兩個獨立的天線分別負(fù)責(zé)接收與發(fā)射的任務(wù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離效果。需要注意的是，在接收過程中，一定要同時發(fā)射同頻載波，所以能得出以下結(jié)論，系統(tǒng)中的噪聲分以下幾種：周圍環(huán)境因素干擾噪聲，發(fā)射端耦合接收端的同頻泄漏以及電子器件自身噪聲，此外還需關(guān)注器件接口間的損耗。

    依據(jù)雷達(dá)方程：
   
    式中：Pr，Pt分別表示接收與發(fā)射功率；Gt表示發(fā)射增益；Ar表示接收天線的面積；σ表示雷達(dá)截面積；Rr，Rt分別表示接收與發(fā)射路徑長度。
    根據(jù)雷達(dá)方程，能推導(dǎo)得出對數(shù)形式的通信方程，如下所示：
   
    也就是說，接收功率等于發(fā)射天線增益、發(fā)射功率以及接收天線增益之和，再減去系統(tǒng)損耗、空間損耗，所以空間損耗Lc可以用如下算式得出：
   
    如果無調(diào)制載波是f(t)=Acos(ωct)，標(biāo)簽發(fā)射的信號是g(t)=B(1+m(t))cos(ωct+φ)，而且環(huán)行器發(fā)射端至接收端的泄漏(即TX—RX Lea-k)和f(t)有關(guān)聯(lián)，是l(t)=Ccos(ωct)；s(t)=cos(ωct)表示時鐘信號，那么l(t)，g(t)分別和s(t)混頻之后結(jié)果如下：
   
   
    由功率的比較可以得知，系數(shù)C，即TX-RX Leak解調(diào)之后的幅度遠(yuǎn)大于標(biāo)簽返回信號的幅度，且可以看出是一個很大的直流分量，所以解調(diào)過程中產(chǎn)生的直流偏移是一個棘手的問題。因此可以得出結(jié)論，發(fā)射端耦合到接收端的周頻泄漏是最主要的干擾，如何抑制這種干擾則需進(jìn)一步的研究。對抑制干擾的方法研究較多，各解決方案也不盡相同。通過式(3)及式(7)能夠看出，系統(tǒng)接收到的信號與時鐘信號具有特定的相位差φ，因為標(biāo)簽的位置不同，cosφ也會隨之變化，所以在接收電路中，使用正交結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)仿真與理論驗證
    實施Simulink仿真，構(gòu)造了系統(tǒng)收發(fā)鏈路的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中上半部分為標(biāo)簽接收信號與發(fā)射鏈路，下半部分為環(huán)行器收發(fā)耦合信號和標(biāo)簽返回信號相互疊加的結(jié)果，并在接收端實施下變頻過程。根據(jù)ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽返回信息使用Miller副載波調(diào)制或FM0編碼調(diào)制，再實施ASK調(diào)制，在仿真環(huán)境里使用重復(fù)的“1101001101”序列的FM0編碼。因為Miller編碼或FM0編碼的頻譜具有較小的直流分量特性，因此在濾波時，把它和下變頻過程中生成的較大的DC直流漂移過濾掉。如果閱讀器至標(biāo)簽距離為1 m，經(jīng)計算空間損耗是18 dB，其中環(huán)行器隔離度可設(shè)置成20 dB。

    經(jīng)過接收機解調(diào)之后，獲取的標(biāo)簽返回信息時域波形如圖3所示，上下兩個波形分別表示標(biāo)簽端發(fā)射的基帶信息，以及接收機解調(diào)后信息。圖4表示的是在接收鏈路中，濾除DC前后的信號頻譜，上圖為濾除DC后的信號頻譜，而下圖為濾除前的頻譜，其含有較大的DC分量。

    圖4中能夠看到，需要在接收機混頻器后端，插接一個可以過濾直流的濾波器，由于對FM0信號的完整性沒有影響，所以可以滿足系統(tǒng)需求。同時可以看出，因為環(huán)行器反向泄漏等影響，造成接收端的收發(fā)同頻干擾比較大，容易導(dǎo)致接收機阻塞。

3 結(jié)語
    綜上所述，本文基于ISO18000-6C協(xié)議，研究設(shè)計了UHF RFID閱讀器接收電路，并對于零中頻接收結(jié)構(gòu)實施了理論分析，對其優(yōu)缺點也進(jìn)行了分析。通過仿真，得出零中頻結(jié)構(gòu)的信號波形和頻譜特性，能夠看出其可以實現(xiàn)RFID系統(tǒng)的要求。