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射頻識別技術(RFID，Radio Frequency Identification)是在雷達技術的基礎上發(fā)展起來的，它的主要原理是通過尤線電波進行非接觸艤向數據通信從而獲取相關數據并實現目標識別。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以分為低頻(135 kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾類。其中超高頻(UHF)頻段和微波頻段的RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠、通訊速度快等優(yōu)點。更適合未來物流、供應鏈等領域的應用，因此UHF及更高頻率的RFID技術具有重大戰(zhàn)略意義。 本文介紹了超高頻RFID系統(tǒng)的工作原理和相關標準，并利用ADS軟件對發(fā)射和接收鏈路的拓撲結構進行了仿真和研究，最后給出了基于通用芯片的讀寫器射頻前端解決方案。 1 RFID系統(tǒng)工作原理及物理接口 1.1 工作原理 一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標簽、讀寫器以及計算機系統(tǒng)等部分組成。其基本工作流程如下：讀寫器將無線電載波信號經過發(fā)射天線向外發(fā)射。電子標簽從讀寫器發(fā)射的電磁波中提取其丁作所需的能饋，一部分電磁波被標簽后向散射(反射)回閱讀器，同時，標簽也按照存儲的數據序列來改，變自己的輸入阻抗從而實現對后向散射信號的調制。系統(tǒng)的接收天線接收電子標簽發(fā)出的信號，經天線的調節(jié)器傳輸給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調解碼，送往后臺的電腦控制器。電腦控制器根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，并發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構的動作。執(zhí)行機構按照電腦的指令進行動作，并通過計算機通信網絡將各個監(jiān)控點連接起來。構成總控信息平臺，根據不同的項目可以設計不同的軟件來完成要達到的功能。 1．2物理接口 根據目前較為主流的超高頻RFID國際標準ISO/IECl8000-6B的規(guī)定，系統(tǒng)傳輸基于“讀寫器先發(fā)言”機制，且在射頻信號收發(fā)方面有如下要求： (1)由讀寫器到電子標簽的數據傳輸采用曼徹斯特編碼，調制方式為調制深度為99％或1l％的ASK調制，其中99％的ASK調制町以用OOK調制實現；位速率為10kbps或40kbps。 (2)由電子標簽到讀寫器的返網鏈路采用FM0編碼，調制方式為反向散射調制。其調制方式與ASK調制類似，所以在解調端可以按照ASK方式解調。反向傳輸數據速率為40 kbps。 2 射頻前端設計 ADS(Advanced Design System)是Agilent公司開發(fā)研制的電子設計自動化軟件系統(tǒng)。它是射頻設計領域應用較為廣泛的一種EDA工具。該軟件的功能包括時域電路模擬(SPICE-like Simulation)、頻域電路模擬(Harmonic Balance Linear Analysis)、電磁模擬(EM Simulation)、通信系統(tǒng)模擬(Communication System Simulation)、數字信號處理設計(DSP)等。常用的ADS仿真分析控件有：S參數分析、瞬態(tài)分析、交流分析和諧波平衡分析等。 2．1發(fā)射鏈路設計與仿真 
圖1發(fā)射鏈路ADS仿真原理圖 如圖1所示，以方波信號發(fā)生器Vf_square模擬產生基帶信號，設基帶信號頻率為4MHz．基帶信號經混頻器MIXER與915MHz的本振信號進行混頻，再通過一個SAW帶通濾波器，濾除鏡像干擾，產生ASK調制信號，圖2上圖為發(fā)射信號的瞬態(tài)仿真波形圖。
圖2發(fā)射機發(fā)射信號的瞬態(tài)仿真圖及頻譜圖 利用fs()函數將時域波形轉換到頻域nr得輸入輸出頻譜圖，由圖2右下可以看出，頻率為4MHz的基帶信號，經過調制濾波放大后產生頻率為9llMHz和919MHz調制信號。 2．2接收鏈路設計與仿真 傳統(tǒng)收發(fā)信機的拓撲結構可歸結為三種類型：外差式，零中頻式和低中頻式。 綜合考慮靈敏度、功耗、結構復雜性等問題．目前很多RFID讀寫器的接收鏈路部分都采用r零中頻式結構。零中頻式結構的第一級混頻器將輸入的射頻信號直接變換為IF=0的頻帶，然后采用低通濾波器來拾取有用信號。由于去除了中頻級，所以它與外差式接收機相比具有以F優(yōu)勢：第一，零中頻不存在鏡像問題，不需要鏡像抑制濾波器。而且南于零巾頻接收機的本振頻率和接收到的射頻信號相同，接收到的信號為電子標簽對閱讀器發(fā)射信號的反射，因而接收電路的本振和發(fā)射電路的本振可以采用『司一本振。從而大大簡化了結構；第二，由于IF=0，所以僅需要低通濾波器，與帶通濾波器相比，低通濾波器更容易集成于片內；第三，由于對信號的放大在基帶，這進一步降低了能耗。 零中頻接收機接收到的標簽反射信號為ASK信號，可表示為：
Ac為接收到的載波信號的幅度，m(t)為有用信號，φ為接收信號的相位。接收機的本振信號為：
則將接收信號與本振信號混頻后，再經過低通濾波可得：
由上式可知，當φc-φlo=(2n+1)π/2(n=0、1、2、3)時，cos(φc-φlo)=0，從而使處理后得到的信號為零，即本振與接收信號的相位差有可能使接收到的有用信號為零，這就是所謂的接收機的零點效應。 本義采用I/Q雙路接收機束來消除零點效應。將(3)式表示為復數形式：
其中r1、r2分別為本振和接收信號傳播的距離，設r1=0，r2=2d,d為標簽到讀寫器的距離，則
由上式可得，出現零點的位置為：
同理可計算出另一路的零點位置為：
由(6)(7)兩式可看出，兩路的零點是交替的，不可能同時出現零點。事實上，當其中一路輸出為零時，另一路的輸出達到最大，且兩路的輸出功率之和始終為常數。 圖3是零中頻接收機I/Q雙路部分的瞬態(tài)仿真原理圖。
圖3零中頻接收機加雙路部分仿真原理圖 由圖4可看出，接收機接收到的射頻信號通過下變頻和低通濾波后轉換為零中頻信號。經過I/Q雙路處理后經過一個高通濾波器上除直流分量，再利用一個中心頻率為4MHz的帶通濾波器拾取基帶信號．最后通過比較器即可還原出基帶信號。 圖4右下為輸入輸出信號瞬態(tài)分析波形，通過對比可見二者存在一定的相位差。
圖4瞬態(tài)分析波形及頻域波形圖 3 硬件實現 基于以上的理論分析和系統(tǒng)仿真，作者選用通用的通信電子元器件設計了整個射頻前端，包括頻率綜合模塊、發(fā)射模塊和接收模塊三大部分，三個模塊通過同軸線相連。其中頻率綜合模塊用于提供915MHz的載波信號(LO)，采用ADI公司的ADF4360-7為核心芯片，該芯片集成了頻率綜合器和VCO，通過配置可提供350MHz到1800MHz的信號。發(fā)射模塊包括對基帶信號進行混頻、濾波、放大然后通過環(huán)行器送入天線等步驟。接收模塊首先對接收信號進行放大濾波等預處理，然后送入I/Q雙路并最終解調出基帶信號。整個設計主要由以下芯片組成：頻率綜合器ADF4360-7、混頻器T0785、射頻濾波器SF2049E、功率放大器RF2132、華揚公司的環(huán)行器HYH504AZ、功分器SCN-2-l1，90度移相功分器QCN-12A，低噪聲放大器MAX2642等。
圖5射頻前端系統(tǒng)原理圖 4 結論 本文研究了超高頻射頻識別讀寫器的體系結構，建立了射頻前端的ADS仿真模型，并針對零中頻接收機的零點效應問題對零中頻I/Q雙路接收機進行了理論分析和設計，最后在仿真和分析的基礎上給出了基于通用芯片的915MH：讀寫器射頻前端的解決方案，經實驗驗證，該方案可以很好的滿足ISO/IEC18000-6B協(xié)議的要求。 本文作者創(chuàng)新點：(1)利用ADS軟件進行了射頻前端拓撲分析，解決了因相位差產生的零點問題，簡化了接收機的結構，也為設計硬件電路提供了依據；(2)設計電路時通過將頻綜、發(fā)射、接收i部分分開，有效降低了三者之間的干擾，提高了電路的可靠性。 作者：王耀 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第4-2期 |
