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Developing a UHF RFID Reader RF Front End with an Analog Devices’ Solution 作者：Van Yang, Eagle Zhang and Aaron He | ADI公司 簡(jiǎn)介 超高頻射頻識別(UHF RFID)系統已廣泛應用于資產(chǎn)管理、服裝零售等領(lǐng)域。近年來(lái)，它們在無(wú)人售貨超市和汽車(chē)電子標識應用方面也獲得了廣泛的關(guān)注。本文介紹基于A(yíng)DI公司的信號鏈的UHF RFID讀卡器射頻前端的兩種實(shí)現方法。一種實(shí)現方法基于A(yíng)DF9010 和AD9963，另一種則基于A(yíng)D9361。本文主要關(guān)注中國市場(chǎng)的汽車(chē)電子標識這一目標應用領(lǐng)域，這種電子標識必須符合中國標準GB/T 29768-2013“信息技術(shù)—射頻識別—空中接口協(xié)議(800/900 MHz)”1和GB/T 35786-2017“機動(dòng)車(chē)電子標識讀寫(xiě)設備通用規范”2。與分立式雙組件實(shí)現方案相比，這個(gè)基于A(yíng)D9361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(guān)鍵參數匯總
表2.讀卡器帶外發(fā)射要求
表3.2類(lèi)讀卡器關(guān)鍵性能
標準匯總 根據GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《機動(dòng)車(chē)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(lèi)讀卡器的關(guān)鍵空中接口參數和性能要求。 系統鏈路預算分析 無(wú)源RFID系統有兩個(gè)基本的鏈路限制：對于正向鏈路，標簽需要將接收到的讀寫(xiě)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(lái)。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： 
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(xiàn)增益 Gtag：標簽天線(xiàn)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(xiàn)增益 ƞmod：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(cháng) 根據GB/T 35786-2017第6.2節和第6.5.2.2節的定義，Ptx為30 dBm，饋線(xiàn)插入損耗小于1 dB，所以實(shí)際的Ptx約為29 dBm�，F場(chǎng)測試采用10 dBi到12 dBi增益的天線(xiàn)，所以假設Gtx為12 dBi。對于Grx，在汽車(chē)電子標識應用中，讀卡器通常采用單天線(xiàn)配置，而讀卡器使用單根天線(xiàn)進(jìn)行傳輸和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。標簽天線(xiàn)通常類(lèi)似于偶極子天線(xiàn)，可以合理地假設Gtag = 2 dBi。ƞmod代表標簽的調制效率，由標簽反向調制讀寫(xiě)器的發(fā)射信號時(shí)，標簽天線(xiàn)匹配和標簽阻抗漂移決定，可以合理地假設ƞmod = –8 dB。中心頻率為922.5 MHz，所以λ= 0.33 m。圖1所示的系統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-18.7 dBm，讀卡器靈敏度應該高于-70.4 dBm。在該標準中，標簽靈敏度要求被定義為-18 dBm，與分析結果高度吻合。但是，讀卡器的靈敏度要求被定義為 –65 dBm，與 分析結果相比存在較大偏差。這種偏差可能來(lái)自于標簽天線(xiàn)的增益值。在汽車(chē)電子標識應用中，不需要將標簽天線(xiàn)設計成全向的。增加一個(gè)反射器將導致天線(xiàn)增益增加3 dB。由于標簽天線(xiàn)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6 dB，達到–64.4 dBm。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系統中，讀取器在發(fā)送連續波(CW)信號為無(wú)源標簽供電時(shí)，會(huì )同時(shí)以相同頻率接收來(lái)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，強連續波信號和相關(guān)的發(fā)送器噪聲會(huì )泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號被稱(chēng)為自干擾(SJ)信號，它會(huì )降低讀卡器的靈敏度。 在汽車(chē)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(chǎn)生主要是由于天線(xiàn)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(lái)克服這個(gè)SJ信號問(wèn)題。第一種方法是在接收器LNA之前設計一個(gè)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(jìn)行交流耦合。在這個(gè)隔直點(diǎn)后，去除了SJ信號，后續元件的動(dòng)態(tài)范圍要求隨之放寬。這意味著(zhù)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(gè)典型的SJC電路如圖2所示。5
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)射器調制器、PLL/VCO、接收器基帶濾波器和PGA。解調器ADL5382 包含在A(yíng)DF9010評估板中。 ADL5523 用作LNA，它可提供低噪聲系數、高增益和高線(xiàn)性度。75 dB高動(dòng)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(lái)說(shuō)，在數字域內，應對信號進(jìn)行低通濾波，以滿(mǎn)足頻域ACLR的要求，以及時(shí)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(xiàn)性度和LO相位噪聲都會(huì )影響ACLR的性能。經(jīng)過(guò)低通濾波后，由TPP編碼的ASK信號的峰均比 (PAR)約為2 dB。PA平均輸出功率約為32 dBm，裕量為1 dB，因此應選擇大于35 dBm P-1 dB的PA。對于LO相位噪聲，125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應小于-40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應小于-60 dBc。對于帶外發(fā)射要求，需要采用一個(gè)RF濾波器，以滿(mǎn)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915 MHz和930 MHz，100 kHz測量帶寬的噪聲為–52 dBm的要求，RF濾波器一般尚未衰減，所以調制器在0 dBm輸出功率時(shí)的本底噪聲要求約為–52 – 10 × log10 (105) – 30 = –132 dBm/Hz。在5 MHz偏移量下的相位噪聲要求也應小于 –132 dBc。 接收器的靈敏度在GB/T 35786-2017標準中規定為-65 dBm。假設讀卡器在所有可能的數據速率下都滿(mǎn)足-65 dBm靈敏度要求，那么640 kHz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(xiàn)端口到SJC輸出的插入損耗約為15 dB，因此SJC輸出點(diǎn)的靈敏度要求為–80 dBm，假設不包含直流的標簽反向散射信號功率為–80 – 3 = –83 dBm。ASK調制信號解調閾值約為11 dB，BLF 640 kHz上行鏈路信號的信號帶寬為2.56 MHz。所以總的NF需求為：NF ≤ –83 – (–174 + 10 × log10 (2.56 × 106) + 11) = 15.9 dB。這個(gè)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(shí)是匹配的，那么SJC電路在抵消CW自干擾信號的同時(shí)，發(fā)射器的泄漏噪聲也會(huì )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(huì )抵消至–174 dBm/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，它在下變頻過(guò)程中會(huì )轉換為直流。6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–162 dBm/Hz，因此在SJC電路輸出端，有效NF為–174 – (–162) = 12 dB，那么SJC之后接收器電路的NF要求為10 × log10 (101.59 – 101.2) = 13.6 dB。 基于A(yíng)DF9010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840 MHz至960 MHz。AD9963是12位低功耗MxFE®轉換器，提供兩個(gè)采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個(gè)采樣速率為170 MSPS的DAC通道。 使用ADF9010和AD9963實(shí)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24 dB）整個(gè)系統的級聯(lián)NF小于3 dB。 為了實(shí)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)射和接收系統級RF性能。 為了進(jìn)行發(fā)射測試，采用Python®構建由TPP編碼、50%調制深度、Tari設置為12.5 μs 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32 dBm的天線(xiàn)端口上測試了頻譜域ACLR和時(shí)域RF包絡(luò )。測試結果如圖5所示。對于A(yíng)CLR測試結果，鄰道的值大約是-42 dBc，具有2 dB裕量，隔道的值為-64 dBc，具有4 dB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(shí)間和下降時(shí)間都在1 μs和8.25 μs限值范圍內。 為了進(jìn)行接收測試，使用ADI公司的SPDT RF開(kāi)關(guān)HMC545A 構建標簽仿真器，由微控制器單元進(jìn)行控制�？刂颇Ｊ绞且粋�(gè)RFID上行鏈路FM0編碼數據列表。利用MATLAB.®構建了一個(gè)ASK解碼程序。通過(guò)使用此程序對IQ進(jìn)行解碼，并將其與數據列表中的原始數據進(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數據和FFT圖。從圖中可以看出，該程序成功解碼了一個(gè)具有320 kHz BLF的-74 dBm RFID上行線(xiàn)路信號。
圖5.測試設置圖
圖6.發(fā)射器測試結果 使用AD9361來(lái)實(shí)現前端 AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，能夠通過(guò)不同配置實(shí)現各種廣泛應用。它在單個(gè)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(shí)現UHF RFID讀卡器，發(fā)射器和接收器應該使用相同的LO來(lái)利用距離相關(guān)效應，因此使用AD9361發(fā)射器監控路徑，而不是常規的接收器路徑。AD9361發(fā)射器監控路徑會(huì )旁路內部LNA，所以添加了一個(gè)外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一種高性能GaAs pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。圖8所示的框圖顯示了用于實(shí)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A(yíng)D9361的解決方案得到了大幅簡(jiǎn)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–35 dBm，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)射器監控路徑增益分布由兩部分增益組成：前端增益（發(fā)射器監控增益）和接收低通濾波器增益(GBBF)。發(fā)射器監控器增益可以設置為0 dB、6 dB或 9.5 dB。GBBF可以設置為0 dB至24 dB，步長(cháng)1 dB。利用這種靈活的增益配置，可以輕松實(shí)現接收器AGC功能。對于這個(gè)UHF RFID讀卡器應用，發(fā)射器監控路徑增益設置為3 dB，GBBF設置為6 dB。當AD9361增益設置為3 dB時(shí)，ADL5523和AD9361的發(fā)射器監控端口的級聯(lián)NF約為12.6 dB。與13.6 dB分析要求相比，此設置存在1 dB的裕量，如果殘余的自干擾信號為 -35 dBm，則數字域功率為–7 dBfs。
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A(yíng)D9361的解決方案、測試設置和結果 為了實(shí)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A(yíng)CLR測試結果，鄰道的值大約是-42 dBc，具有2 dB裕量，隔道的值為-61 dBc，具有1 dB裕量。對于RF包絡(luò )，紋波小于1%，滿(mǎn)足5%限值裕量要求。上升時(shí)間和下降時(shí)間在1 μs和8.25 μs限值范圍內。 為了進(jìn)行接收器測試，構建了一個(gè)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(jìn)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(gè)ASK解碼程序。使用此程序對數據進(jìn)行解碼，并將其與數據列表中的原始數據進(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圖和解碼數據。測試結果表明，該程序成功解碼了一個(gè)具有640 kHz BLF的-65 dBm RFID上行線(xiàn)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(chē)電子標識標準。然后分析了UHF RFID系統級鏈路預算、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，設置基于A(yíng)DF9010和AD9963的解決方案，以及基于A(yíng)D9361的UHF RFID讀卡器RF前端，進(jìn)行系統級性能測試�；贏(yíng)DF9010和AD9963的解決方案具有高性能和相當大的裕量，可以滿(mǎn)足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求�；贏(yíng)D9361的集成解決方案在降低接收器靈敏度的情況下也滿(mǎn)足這些要求，與分立式雙組件方案相比，此方案明顯簡(jiǎn)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 參考文獻 1 GB/T 29768-2013 “信息技術(shù)—射頻識別—空中接口協(xié)議(800/900 Mhz)�！� 2 GB/T 35786-2017 “機動(dòng)車(chē)電子標識讀寫(xiě)設備通用規范�！� 3 Monza X天線(xiàn)應用筆記。Impinj. 4 Gregor Lasser、Christoph F. Mecklenbrauker�！癛FID讀卡器的自干擾 噪聲限值�！�2015年IEEE國際RFID會(huì )議，2015年6月。 5 Alírio Boaventura、João Santos、Arnaldo Oliveira、Nuno Borges Carvalho�！巴耆綦x：無(wú)源RFID 系統中的自干擾處理�！盜EEE微波雜志，第17卷第11期，2016年11月。 6 Byung-Jun Jang、Hyun-Goo Yoon�！癠HF RFID讀卡器 相位噪聲的距離相關(guān)效應�！盜EEE微波與無(wú)線(xiàn)元件快報，2009年1月 作者簡(jiǎn)介 Van Yang是ADI上海分公司的系統應用工程師經(jīng)理。Van于2015年加入ADI，擔任工業(yè)和醫療客戶(hù)支持部門(mén)的現場(chǎng)應用工程師。加入ADI之前，Van曾在TI擔任了四年多的現場(chǎng)應用工程師。他畢業(yè)于華中科技大學(xué)，獲得了通信與信息系統碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：van.yang@analog.com。 Eagle Zhang是ADI深圳分公司的一名現場(chǎng)應用經(jīng)理。Eagle于2001年加入ADI公司。Eagle最初擔任ADI的現場(chǎng)應用工程師，隨后還擔任ADI中國核心市場(chǎng)技術(shù)支持經(jīng)理和ADI華南區現場(chǎng)應用經(jīng)理。在其擔任現場(chǎng)應用經(jīng)理期間，Eagle構建了ADI華南區現場(chǎng)技術(shù)支持團隊。Eagle獲得了清華大學(xué)工程熱物理學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：eagle.zhang@analog.com。 Aaron He是ADI上海分公司的系統應用工程師。他于2017年加入ADI公司。加入ADI之前，Aaron曾在愛(ài)立信擔任高級RF工程師。Aaron擁有超過(guò)十年的無(wú)線(xiàn)通信基站設計、集成和生產(chǎn)測試系統開(kāi)發(fā)工作經(jīng)驗。Aaron于2001年獲得西安交通大學(xué)通信工程學(xué)士學(xué)位，并于2006年獲得華中科技大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：aaron.he@analog.com。 |
