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射頻識別技術(shù)(RFID，Radio Frequency Identification)是在雷達技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，它的主要原理是通過(guò)尤線(xiàn)電波進(jìn)行非接觸艤向數據通信從而獲取相關(guān)數據并實(shí)現目標識別。RFID系統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(lèi)。其中超高頻(UHF)頻段和微波頻段的RFID系統具有讀寫(xiě)距離遠、通訊速度快等優(yōu)點(diǎn)。更適合未來(lái)物流、供應鏈等領(lǐng)域的應用，因此UHF及更高頻率的RFID技術(shù)具有重大戰略意義。 本文介紹了超高頻RFID系統的工作原理和相關(guān)標準，并利用ADS軟件對發(fā)射和接收鏈路的拓撲結構進(jìn)行了仿真和研究，最后給出了基于通用芯片的讀寫(xiě)器射頻前端解決方案。 1 RFID系統工作原理及物理接口 1.1 工作原理 一個(gè)典型的RFID系統一般由RFID標簽、讀寫(xiě)器以及計算機系統等部分組成。其基本工作流程如下：讀寫(xiě)器將無(wú)線(xiàn)電載波信號經(jīng)過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向外發(fā)射。電子標簽從讀寫(xiě)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(shí)，標簽也按照存儲的數據序列來(lái)改，變自己的輸入阻抗從而實(shí)現對后向散射信號的調制。系統的接收天線(xiàn)接收電子標簽發(fā)出的信號，經(jīng)天線(xiàn)的調節器傳輸給讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器對接收到的信號進(jìn)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)出指令信號控制執行機構的動(dòng)作。執行機構按照電腦的指令進(jìn)行動(dòng)作，并通過(guò)計算機通信網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)監控點(diǎn)連接起來(lái)。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(lái)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的規定，系統傳輸基于“讀寫(xiě)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(xiě)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(shí)現；位速率為10kbps或40kbps。 (2)由電子標簽到讀寫(xiě)器的返網(wǎng)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(lèi)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(kāi)發(fā)研制的電子設計自動(dòng)化軟件系統。它是射頻設計領(lǐng)域應用較為廣泛的一種EDA工具。該軟件的功能包括時(shí)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(chǎn)生基帶信號，設基帶信號頻率為4MHz．基帶信號經(jīng)混頻器MIXER與915MHz的本振信號進(jìn)行混頻，再通過(guò)一個(gè)SAW帶通濾波器，濾除鏡像干擾，產(chǎn)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(shí)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(jīng)過(guò)調制濾波放大后產(chǎn)生頻率為9llMHz和919MHz調制信號。 2．2接收鏈路設計與仿真 傳統收發(fā)信機的拓撲結構可歸結為三種類(lèi)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(wèn)題．目前很多RFID讀寫(xiě)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(lái)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(wèn)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(jiǎn)化了結構；第二，由于IF=0，所以?xún)H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(jìn)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(jīng)過(guò)低通濾波可得：
由上式可知，當φc-φl(shuí)o=(2n+1)π/2(n=0、1、2、3)時(shí)，cos(φc-φl(shuí)o)=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(diǎn)效應。 本義采用I/Q雙路接收機束來(lái)消除零點(diǎn)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(xiě)器的距離，則
由上式可得，出現零點(diǎn)的位置為：
同理可計算出另一路的零點(diǎn)位置為：
由(6)(7)兩式可看出，兩路的零點(diǎn)是交替的，不可能同時(shí)出現零點(diǎn)。事實(shí)上，當其中一路輸出為零時(shí)，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(guò)下變頻和低通濾波后轉換為零中頻信號。經(jīng)過(guò)I/Q雙路處理后經(jīng)過(guò)一個(gè)高通濾波器上除直流分量，再利用一個(gè)中心頻率為4MHz的帶通濾波器拾取基帶信號．最后通過(guò)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(guò)對比可見(jiàn)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(shí)現 基于以上的理論分析和系統仿真，作者選用通用的通信電子元器件設計了整個(gè)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(gè)模塊通過(guò)同軸線(xiàn)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(guò)配置可提供350MHz到1800MHz的信號。發(fā)射模塊包括對基帶信號進(jìn)行混頻、濾波、放大然后通過(guò)環(huán)行器送入天線(xiàn)等步驟。接收模塊首先對接收信號進(jìn)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(gè)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射頻前端系統原理圖 4 結論 本文研究了超高頻射頻識別讀寫(xiě)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(diǎn)效應問(wèn)題對零中頻I/Q雙路接收機進(jìn)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(xiě)器射頻前端的解決方案，經(jīng)實(shí)驗驗證，該方案可以很好的滿(mǎn)足ISO/IEC18000-6B協(xié)議的要求。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：(1)利用ADS軟件進(jìn)行了射頻前端拓撲分析，解決了因相位差產(chǎn)生的零點(diǎn)問(wèn)題，簡(jiǎn)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(shí)通過(guò)將頻綜、發(fā)射、接收i部分分開(kāi)，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(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第4-2期 |
