簡介
超高頻射頻識別(UHF RFID)系統(tǒng)已廣泛應用于資產管理、服裝零售等領域。近年來，它們在無人售貨超市和汽車電子標識應用方面也獲得了廣泛的關注。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方法。一種實現方法基于ADF9010和AD9963，另一種則基于AD9361。本文主要關注中國市場的汽車電子標識這一目標應用領域，這種電子標識必須符合中國標準GB/T 29768-2013“信息技術—射頻識別—空中接口協(xié)議(800/900MHz)”和GB/T 35786-2017“機動車電子標識讀寫設備通用規(guī)范”。與分立式雙組件實現方案相比，這個基于AD9361的解決方案大大降低了設計復雜度，減少了組件數量和板空間，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.標簽讀卡器物理MAC層關鍵參數匯總
表2.讀卡器帶外發(fā)射要求
表3.2類讀卡器關鍵性能
標準匯總
根據GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《機動車電子標識標準》，表1至表3總結了適合這些應用的高性能2類讀卡器的關鍵空中接口參數和性能要求。
系統(tǒng)鏈路預算分析
無源RFID系統(tǒng)有兩個基本的鏈路限制：對于正向鏈路，標簽需要將接收到的讀寫器發(fā)射的射頻功率轉換成直流，讓自身的電子設備工作起來。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。正向和反向鏈路預算公式3, 4如公式1至公式3所示：
(1)
(2)
(3)
Prip：標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：標簽調制效率
d：讀卡器和標簽之間的距離
λ：自由空間中的信號波長
根據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場測試采用10dBi到12dBi增益的天線，所以假設Gtx為12dBi。對于Grx，在汽車電子標識應用中，讀卡器通常采用單天線配置，而讀卡器使用單根天線進行傳輸和接收，因此Grx=Gtx=12dBi。標簽天線通常類似于偶極子天線，可以合理地假設Gtag=2dBi。?mod代表標簽的調制效率，由標簽反向調制讀寫器的發(fā)射信號時，標簽天線匹配和標簽阻抗漂移決定，可以合理地假設?mod=–8dB。中心頻率為922.5MHz，所以λ=0.33m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預算基于前面描述的公式和參數計算得出。
圖1.正向和反向鏈路預算計算
為了支持標準中定義的25米鏈路范圍，標簽靈敏度應該高于-18.7dBm，讀卡器靈敏度應該高于-70.4dBm。在該標準中，標簽靈敏度要求被定義為-18dBm，與分析結果高度吻合。但是，讀卡器的靈敏度要求被定義為–65dBm，與分析結果相比存在較大偏差。這種偏差可能來自于標簽天線的增益值。在汽車電子標識應用中，不需要將標簽天線設計成全向的。增加一個反射器將導致天線增益增加3dB。由于標簽天線增益(Gtag)在公式2中為平方值，所以讀取器的靈敏度分析結果將增加6dB，達到–64.4dBm。在這種情況下，分析結果符合標準要求。
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)信號為無源標簽供電時，會同時以相同頻率接收來自標簽的反向散射信號。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。
在汽車電子標識應用的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，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換為直流，然后使用隔直電容對信號進行交流耦合。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(NF)。這兩種方法可以單獨使用，也可以結合使用。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)射器調制器、PLL/VCO、接收器基帶濾波器和PGA。解調器ADL5382 包含在ADF9010評估板中。ADL5523用作LNA，它可提供低噪聲系數、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，在數字域內，應對信號進行低通濾波，以滿足頻域ACLR的要求，以及時域RF包絡的要求。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的相位噪聲積分應小于-40dBc，375kHz至625kHz的相位噪聲積分應小于-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小于–132dBc。
接收器的靈敏度在GB/T 35786-2017標準中規(guī)定為-65dBm。假設讀卡器在所有可能的數據速率下都滿足-65dBm靈敏度要求，那么640kHz反向鏈路頻率(BLF)應該是最糟的情況。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，假設不包含直流的標簽反向散射信號功率為–80–3=–83dBm。ASK調制信號解調閾值約為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。假設矢量調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，由于距離相關效應，它在下變頻過程中會轉換為直流。在這種情況下，矢量調制器分支噪聲將是唯一的額外引入噪聲。假設矢量調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(接收器增益設置為24dB)整個系統(tǒng)的級聯(lián)NF小于3dB。
為了實現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SJC算法在內的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。
為了進行發(fā)射測試，采用Python?構建由TPP編碼、50%調制深度、Tari設置為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。測試結果如圖5所示。對于ACLR測試結果，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，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。
為了進行接收測試，使用ADI公司的SPDT RF開關HMC545A構建標簽仿真器，由微控制器單元進行控制。控制模式是一個RFID上行鏈路FM0編碼數據列表。利用MATLAB.?構建了一個ASK解碼程序。通過使用此程序對IQ進行解碼，并將其與數據列表中的原始數據進行比較，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數據和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.測試設置圖
圖6.發(fā)射器測試結果
使用AD9361來實現前端
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各種廣泛應用。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-信號和數字模塊。為了實現UHF RFID讀卡器，發(fā)射器和接收器應該使用相同的LO來利用距離相關效應，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電路能夠將自干擾信號降低到足夠低的水平，例如小于–35dBm，避免模擬電路出現飽和。因此，可以在數字域中移除自干擾轉換直流信號。
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)控器增益可以設置為0dB、6dB或9.5dB。GBBF可以設置為0dB至24dB，步長1dB。利用這種靈活的增益配置，可以輕松實現接收器AGC功能。對于這個UHF RFID讀卡器應用，發(fā)射器監(jiān)控路徑增益設置為3dB，GBBF設置為6dB。當AD9361增益設置為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，此設置存在1dB的裕量，如果殘余的自干擾信號為-35dBm，則數字域功率為–7dBfs。
圖7.接收到的接收器數據FFT圖和解碼數據
圖8.使用AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端的框圖
圖9.測試設置框圖
基于AD9361的解決方案、測試設置和結果
為了實現UHF RFID讀卡器RF前端，利用之前提到的包含自適應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。測試設置框圖和連接圖如圖9和圖10所示。
測試結果如圖11所示。對于ACLR測試結果，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，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。
為了進行接收器測試，構建了一個RFID上行鏈路FM0編碼數據列表，并將其下載到信號生成器SMW200A，然后針對SMW200A進行配置，利用此數據列表發(fā)射DSB ASK信號。AD9361接收到的IQ數據存儲在FPGA板中，并利用FTP工具提取到PC。利用MATLAB構建一個ASK解碼程序。使用此程序對數據進行解碼，并將其與數據列表中的原始數據進行比較，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圖和解碼數據。測試結果表明，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.測試設置圖
圖11.發(fā)射器測試結果
結論
本文首先概述了中國的汽車電子標識標準。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級鏈路預算、RFID中采用的關鍵技術(例如SJC)，以及關鍵的RF性能要求。最后，設置基于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.接收到的接收器數據FFT圖和解碼數據
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