采用ADI公司的解決方案開發(fā)UHF RFID讀卡器射頻前端

簡介

超高頻射頻識別(UHF RFID)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理、服裝零售等領(lǐng)域。近年來，它們在無人售貨超市和汽車電子標(biāo)識應(yīng)用方面也獲得了廣泛的關(guān)注。本文介紹基于ADI公司的信號鏈的UHF RFID讀卡器射頻前端的兩種實現(xiàn)方法。一種實現(xiàn)方法基于ADF9010和AD9963，另一種則基于AD9361。本文主要關(guān)注中國市場的汽車電子標(biāo)識這一目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，這種電子標(biāo)識必須符合中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768-2013“信息技術(shù)—射頻識別—空中接口協(xié)議(800/900MHz)”和GB/T 35786-2017“機動車電子標(biāo)識讀寫設(shè)備通用規(guī)范”。與分立式雙組件實現(xiàn)方案相比，這個基于AD9361的解決方案大大降低了設(shè)計復(fù)雜度，減少了組件數(shù)量和板空間，但接收器的靈敏度也有所下降。雖然本文描述的射頻前端針對特定應(yīng)用，但是分析方法和前端本身都適用于一般的UHF RFID讀卡器解決方案。

表1.標(biāo)簽讀卡器物理MAC層關(guān)鍵參數(shù)匯總

表2.讀卡器帶外發(fā)射要求

表3.2類讀卡器關(guān)鍵性能

標(biāo)準(zhǔn)匯總

根據(jù)GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《機動車電子標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)》，表1至表3總結(jié)了適合這些應(yīng)用的高性能2類讀卡器的關(guān)鍵空中接口參數(shù)和性能要求。

系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析

無源RFID系統(tǒng)有兩個基本的鏈路限制：對于正向鏈路，標(biāo)簽需要將接收到的讀寫器發(fā)射的射頻功率轉(zhuǎn)換成直流，讓自身的電子設(shè)備工作起來。通常情況下，前向鏈路的限制在于此。反向鏈路則受讀卡器接收器靈敏度限制。正向和反向鏈路預(yù)算公式3, 4如公式1至公式3所示：

(1)

(2)

(3)

Prip：標(biāo)簽接收各向同性功率

Ptx：讀卡器發(fā)射功率

Gtx：讀卡器發(fā)射天線增益

Gtag：標(biāo)簽天線增益

FSPL：自由空間路徑損失

Prx：讀卡器接收信號功率

Grx：讀卡器接收天線增益

?mod：標(biāo)簽調(diào)制效率

d：讀卡器和標(biāo)簽之間的距離

λ：自由空間中的信號波長

根據(jù)GB/T 35786-2017第6.2節(jié)和第6.5.2.2節(jié)的定義，Ptx為30dBm，饋線插入損耗小于1dB，所以實際的Ptx約為29dBm?，F(xiàn)場測試采用10dBi到12dBi增益的天線，所以假設(shè)Gtx為12dBi。對于Grx，在汽車電子標(biāo)識應(yīng)用中，讀卡器通常采用單天線配置，而讀卡器使用單根天線進(jìn)行傳輸和接收，因此Grx=Gtx=12dBi。標(biāo)簽天線通常類似于偶極子天線，可以合理地假設(shè)Gtag=2dBi。?mod代表標(biāo)簽的調(diào)制效率，由標(biāo)簽反向調(diào)制讀寫器的發(fā)射信號時，標(biāo)簽天線匹配和標(biāo)簽阻抗漂移決定，可以合理地假設(shè)?mod=–8dB。中心頻率為922.5MHz，所以λ=0.33m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預(yù)算基于前面描述的公式和參數(shù)計算得出。

圖1.正向和反向鏈路預(yù)算計算

為了支持標(biāo)準(zhǔn)中定義的25米鏈路范圍，標(biāo)簽靈敏度應(yīng)該高于-18.7dBm，讀卡器靈敏度應(yīng)該高于-70.4dBm。在該標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)簽靈敏度要求被定義為-18dBm，與分析結(jié)果高度吻合。但是，讀卡器的靈敏度要求被定義為–65dBm，與分析結(jié)果相比存在較大偏差。這種偏差可能來自于標(biāo)簽天線的增益值。在汽車電子標(biāo)識應(yīng)用中，不需要將標(biāo)簽天線設(shè)計成全向的。增加一個反射器將導(dǎo)致天線增益增加3dB。由于標(biāo)簽天線增益(Gtag)在公式2中為平方值，所以讀取器的靈敏度分析結(jié)果將增加6dB，達(dá)到–64.4dBm。在這種情況下，分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

UHF RFID讀卡器中的自我干擾器

在UHF RFID系統(tǒng)中，讀取器在發(fā)送連續(xù)波(CW)信號為無源標(biāo)簽供電時，會同時以相同頻率接收來自標(biāo)簽的反向散射信號。由于發(fā)送器-接收器之間的隔離性能欠佳，強連續(xù)波信號和相關(guān)的發(fā)送器噪聲會泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號被稱為自干擾(SJ)信號，它會降低讀卡器的靈敏度。

在汽車電子標(biāo)識應(yīng)用的RFID讀卡器中，定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號的產(chǎn)生主要是由于天線的反射、定向耦合器的隔離都有限以及連接到耦合器耦合端口的電路反射造成的。

可以使用兩種方法來克服這個SJ信號問題。第一種方法是在接收器LNA之前設(shè)計一個自干擾消除(SJC)電路。第二種方法是使用零中頻接收器架構(gòu)，而且發(fā)射器和接收器使用的相同的本地振蕩器(LO)。在這種情況下，自干擾信號將在基帶轉(zhuǎn)換為直流，然后使用隔直電容對信號進(jìn)行交流耦合。在這個隔直點后，去除了SJ信號，后續(xù)元件的動態(tài)范圍要求隨之放寬。這意味著在基帶上可增加足夠的增益以降低接收器的噪聲系數(shù)(NF)。這兩種方法可以單獨使用，也可以結(jié)合使用。一個典型的SJC電路如圖2所示。

圖2.典型的自干擾消除電路

讀卡器關(guān)鍵RF性能分析

包含UHF RFID讀卡器RF前端的SJC電路框圖如圖3所示。ADI公司的AD9963集成了雙通道DAC和雙通道ADC。ADF9010集成了發(fā)射器調(diào)制器、PLL/VCO、接收器基帶濾波器和PGA。解調(diào)器ADL5382 包含在ADF9010評估板中。ADL5523用作LNA，它可提供低噪聲系數(shù)、高增益和高線性度。75dB高動態(tài)范圍射頻檢波器LT5538適合SJC RF功率檢波器使用。

對于發(fā)射器來說，在數(shù)字域內(nèi)，應(yīng)對信號進(jìn)行低通濾波，以滿足頻域ACLR的要求，以及時域RF包絡(luò)的要求。在模擬域，

圖3.UHF RFID讀卡器RF前端框圖。

圖4.使用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀卡器RF前端。

PA線性度和LO相位噪聲都會影響ACLR的性能。經(jīng)過低通濾波后，由TPP編碼的ASK信號的峰均比(PAR)約為2dB。PA平均輸出功率約為32dBm，裕量為1dB，因此應(yīng)選擇大于35dBm P-1 dB的PA。對于LO相位噪聲，125kHz至375kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于-40dBc，375kHz至625kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于-60dBc。對于帶外發(fā)射要求，需要采用一個RF濾波器，以滿足發(fā)射器在諧波頻率處的雜散要求。對于接近工作頻率的要求，例如在915MHz和930MHz，100kHz測量帶寬的噪聲為–52dBm的要求，RF濾波器一般尚未衰減，所以調(diào)制器在0dBm輸出功率時的本底噪聲要求約為–52–10×log₁₀(105)–30=–132dBm/Hz。在5MHz偏移量下的相位噪聲要求也應(yīng)小于–132dBc。

接收器的靈敏度在GB/T 35786-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為-65dBm。假設(shè)讀卡器在所有可能的數(shù)據(jù)速率下都滿足-65dBm靈敏度要求，那么640kHz反向鏈路頻率(BLF)應(yīng)該是最糟的情況。對于包含RFID讀卡器的SJC，從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15dB，因此SJC輸出點的靈敏度要求為–80dBm，假設(shè)不包含直流的標(biāo)簽反向散射信號功率為–80–3=–83dBm。ASK調(diào)制信號解調(diào)閾值約為11dB，BLF 640kHz上行鏈路信號的信號帶寬為2.56MHz。所以總的NF需求為：NF≤–83–(–174+10×log₁₀(2.56×106)+11)=15.9dB。這個NF總體要求包括SJC之后的接收器電路的噪聲影響、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器信號支路與自干擾支路之間的延時是匹配的，那么SJC電路在抵消CW自干擾信號的同時，發(fā)射器的泄漏噪聲也會得到很好的抵消。發(fā)射器泄漏噪聲包括三部分：相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。一般情況下，幅度噪聲和白噪聲會抵消至–174dBm/Hz本底噪聲。對于剩余的相位噪聲，由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO，由于距離相關(guān)效應(yīng)，它在下變頻過程中會轉(zhuǎn)換為直流。在這種情況下，矢量調(diào)制器分支噪聲將是唯一的額外引入噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器分支本底噪聲為–162dBm/Hz，因此在SJC電路輸出端，有效NF為–174–(–162)=12dB，那么SJC之后接收器電路的NF要求為10×log₁₀(101.59–101.2)=13.6dB。

基于ADF9010和AD9963的解決方案

ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調(diào)制器、本地振蕩器(LO)和接收器模擬基帶前端，工作頻率范圍為840MHz至960MHz。AD9963是12位低功耗MxFE?轉(zhuǎn)換器，提供兩個采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個采樣速率為170 MSPS的DAC通道。

使用ADF9010和AD9963實現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端的框圖如圖4所示。ADL5523與ADL5382和ADF9010(接收器增益設(shè)置為24dB)整個系統(tǒng)的級聯(lián)NF小于3dB。

為了實現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端，筆者做了兩塊電路板。一塊是包括自適應(yīng)SJC算法在內(nèi)的SJC板，另一塊是集成了ADL5382，ADF9010和AD9963的收發(fā)信板。這兩塊板級聯(lián)在一起，用于測試發(fā)射和接收系統(tǒng)級RF性能。

為了進(jìn)行發(fā)射測試，采用Python?構(gòu)建由TPP編碼、50%調(diào)制深度、Tari設(shè)置為12.5μs RFID下行鏈路波形的DSB-ASK，并將其下載至FPGA板。在PA輸出功率為32dBm的天線端口上測試了頻譜域ACLR和時域RF包絡(luò)。測試結(jié)果如圖5所示。對于ACLR測試結(jié)果，鄰道的值大約是-42dBc，具有2dB裕量，隔道的值為-64dBc，具有4dB裕量。對于RF包絡(luò)，紋波小于1%，與5%限值相比具有足夠的裕量，且上升時間和下降時間都在1μs和8.25μs限值范圍內(nèi)。

為了進(jìn)行接收測試，使用ADI公司的SPDT RF開關(guān)HMC545A構(gòu)建標(biāo)簽仿真器，由微控制器單元進(jìn)行控制?？刂颇Ｊ绞且粋€RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表。利用MATLAB.?構(gòu)建了一個ASK解碼程序。通過使用此程序?qū)Q進(jìn)行解碼，并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以計算得出BER和接收器的靈敏度。圖6顯示了接收到的IQ數(shù)據(jù)和FFT圖。從圖中可以看出，該程序成功解碼了一個具有320kHz BLF的-74dBm RFID上行線路信號。

圖5.測試設(shè)置圖

圖6.發(fā)射器測試結(jié)果

使用AD9361來實現(xiàn)前端

AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，能夠通過不同配置實現(xiàn)各種廣泛應(yīng)用。它在單個器件中集成了提供所有收發(fā)器功能所需的全部RF、混合-信號和數(shù)字模塊。為了實現(xiàn)UHF RFID讀卡器，發(fā)射器和接收器應(yīng)該使用相同的LO來利用距離相關(guān)效應(yīng)，因此使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑，而不是常規(guī)的接收器路徑。AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑會旁路內(nèi)部LNA，所以添加了一個外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一種高性能GaAs pHEMT LNA，具有0.8dB NF和21.5dB增益。圖8所示的框圖顯示了用于實現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端的AD9361。與分立式組件方案相比，這款基于AD9361的解決方案得到了大幅簡化。AD9361基帶采用直流耦合，而不是交流耦合。在這種情況下，需要SJC電路能夠?qū)⒆愿蓴_信號降低到足夠低的水平，例如小于–35dBm，避免模擬電路出現(xiàn)飽和。因此，可以在數(shù)字域中移除自干擾轉(zhuǎn)換直流信號。

AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑增益分布由兩部分增益組成：前端增益(發(fā)射器監(jiān)控增益)和接收低通濾波器增益(GBBF)。發(fā)射器監(jiān)控器增益可以設(shè)置為0dB、6dB或9.5dB。GBBF可以設(shè)置為0dB至24dB，步長1dB。利用這種靈活的增益配置，可以輕松實現(xiàn)接收器AGC功能。對于這個UHF RFID讀卡器應(yīng)用，發(fā)射器監(jiān)控路徑增益設(shè)置為3dB，GBBF設(shè)置為6dB。當(dāng)AD9361增益設(shè)置為3dB時，ADL5523和AD9361的發(fā)射器監(jiān)控端口的級聯(lián)NF約為12.6dB。與13.6dB分析要求相比，此設(shè)置存在1dB的裕量，如果殘余的自干擾信號為-35dBm，則數(shù)字域功率為–7dBfs。

圖7.接收到的接收器數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)

圖8.使用AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端的框圖

圖9.測試設(shè)置框圖

基于AD9361的解決方案、測試設(shè)置和結(jié)果

為了實現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端，利用之前提到的包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板與AD9361級聯(lián)在一起，用于測試發(fā)射器和接收器系統(tǒng)級RF性能。測試設(shè)置框圖和連接圖如圖9和圖10所示。

測試結(jié)果如圖11所示。對于ACLR測試結(jié)果，鄰道的值大約是-42dBc，具有2dB裕量，隔道的值為-61dBc，具有1dB裕量。對于RF包絡(luò)，紋波小于1%，滿足5%限值裕量要求。上升時間和下降時間在1μs和8.25μs限值范圍內(nèi)。

為了進(jìn)行接收器測試，構(gòu)建了一個RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表，并將其下載到信號生成器SMW200A，然后針對SMW200A進(jìn)行配置，利用此數(shù)據(jù)列表發(fā)射DSB ASK信號。AD9361接收到的IQ數(shù)據(jù)存儲在FPGA板中，并利用FTP工具提取到PC。利用MATLAB構(gòu)建一個ASK解碼程序。使用此程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以計算得出BER和接收器的靈敏度。圖12顯示了MATLAB程序的FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，該程序成功解碼了一個具有640kHz BLF的-65dBm RFID上行線路信號。

圖10.測試設(shè)置圖

圖11.發(fā)射器測試結(jié)果

結(jié)論

本文首先概述了中國的汽車電子標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級鏈路預(yù)算、RFID中采用的關(guān)鍵技術(shù)(例如SJC)，以及關(guān)鍵的RF性能要求。最后，設(shè)置基于ADF9010和AD9963的解決方案，以及基于AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端，進(jìn)行系統(tǒng)級性能測試?；贏DF9010和AD9963的解決方案具有高性能和相當(dāng)大的裕量，可以滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求?；贏D9361的集成解決方案在降低接收器靈敏度的情況下也滿足這些要求，與分立式雙組件方案相比，此方案明顯簡化。雖然本文描述的射頻前端針對特定應(yīng)用，但是分析方法和前端本身都適用于一般的UHF RFID讀卡器解決方案。

圖12.接收到的接收器數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)