淺議RFID讀卡器射頻電路研制

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：賴樹明等   人氣： 發表時間：2011年10月16日

    前言

    射頻識別技術（RFID，即Radio Frequency Identification）是一種基于雷達技術發展而來的識別技術。文章論述了如何研制了RFID讀卡器射頻電路的相關信息，包括零中頻解調技術、載波電路、信號調制電路及射頻功率放大電路，并給出射頻電路模塊結構的方案，這對簡化傳統的射頻電路，推廣射頻識別（RFID）技術在工業自動化和交通控制等眾多領域有重要意義。
射頻識別技術（RFID，即Radio Frequency Identification）是一種基于雷達技術發展而來的識別技術，其主要原理是通過無線電磁波進行非接觸雙向數據通信從而獲取相關數據并實現目標識別，RFID技術是微波技術、密碼學以及無線通信原理等眾多學科知識交叉的新興產物，其應用領域覆蓋了高速公路收費管理、鐵路物流運輸控制管理及工業自動化監控等眾多領域。RFID系統按照工作頻段可以劃分為低頻（135kHz以下）、高頻8197;（13.56MHz）、超高頻8197;（860～930MHz）和微波8197;（2.4GHz以上）等幾類。射頻識別系統通常由電子標簽（射頻標簽）、天線和閱讀器組成。 

    一、讀卡器 

    讀卡器一般由射頻信號處理模塊、基帶信號處理模塊、控制單元以及和外部設備連接的接口模塊等組成，其結構如圖1所示。射頻信號處理模塊主要實現三大功能：一是通過天線發射足夠功率的射頻電磁波，以激發電子標簽并為其提供能量；二是對發射信號進行調制，然后將已調制的信號數據轉化為電磁波傳送給標簽；三是接收并解調來自電子標簽的射頻信號。為了處理往來于應答器的兩個方向上的數據流，射頻信號處理模塊有兩個不同的信號通道，傳送到電子標簽中去的數據通過發射電路分支，而來自于電子標簽的數據通過接收電路分支處理。
控制單元的主要功能：與上層應用軟件進行通信，并執行應用軟件發來的命令；控制與電子標簽的通信過程；信號的編碼與解碼。對于某些特定系統還有以下的附加功能：執行防碰撞算法；對電子標簽與讀卡器之間要傳送的數據進行加密和解密；進行電子標簽和讀卡器之間雙向的身份驗證。 

    二、射頻信號處理單元電路 

    讀卡器的發射信號功率遠大于電子標簽反向散射回來的信號，而且與接收信號同頻率，這樣如果大功率的反射信號漏泄到接收電路就會使接收電路各個部分的器件飽和，導致讀卡器對接收信號無法解調，因此射頻信號處理模塊的技術指標好壞會直接影響到RFID系統的質量水平。如圖2所示為射頻前端電路結構示意圖，射頻信號處理模塊一般包括兩大單元：一是基帶信號調制發射模塊電路，它由鎖相環電路、混頻調制電路、濾波電路、功率放大電路等幾部分組成；二是射頻信號解調接收處理電路，它由差分放大電路，零中頻解調電路以及相應的濾波電路構成。 

    （一）零中頻信號接收處理電路 

    射頻信號接收處理電路可以超外差電路和零中頻接收電路等等。由于零中頻檢測接收機具有實現簡單，成本低的優點，其技術優勢表現在：頻率變換關系簡單，非線性變換分量更少；可以避免使用中頻SAW濾波器；不需要中頻放大器，電路結構更簡潔，性價比更高。 

    如前所述，電子標簽發射回來的信號的調制為振幅鍵控調制8197（ASK）方式，并且與閱讀器發射信號的載波同頻，如圖3 所示為RFID系統中采用四通道零中頻解調電路，來自移相電路中四個檢測點的信號均包含閱讀器的發射信號和接收到的標簽散射回來的信號，它們經過二極管混頻處理后，利用低通濾波器將高頻成分濾除掉，將分別得到攜帶標簽數據信息和閱讀器天線與標簽距離（反映在收發信號的相位差上）的信號，其中A、C兩點得到的信號在相位上將相差π， B、D的情況也是如此；將它們分別饋入差分放大器D1和D2放大后，得到兩路輸出信號，它們的振幅反映了標簽的數據信息，且相位上相差90°，即它們是正交的。信號再分別經過差分放大器D3和D4進行放大，然后通過比較電路，最終得到TTL電平的IQ信號送入基帶電路進行處理。由于I和Q這兩路信號是正交的，且只跟閱讀器天線和標簽之間的距離（根據電磁波的基本知識，其表現為收發信號之間的相位差）有關，這就是說，當標簽位于閱讀器天線所發射電磁波覆蓋的區域內，在每一個確定的時間里，這兩路信號不但是唯一確定的，而且更重要的是它們相位的正交保證了這兩路信號不可能同時為零，這就確保了電路對電子標簽散射信號的有效捕獲。 

    （二）調制發射模塊電路 

    調制發射電路由三部分構成：載波信號發生電路、信號調制電路和射頻功率放大電路等。
    1．載波發生電路。圖4所示為一個載波發生電路。其中PLL400-915A是鎖相環路頻率合成器，它具有良好的窄帶濾波特性和良好的相位噪聲指標，同時它還具有輸出頻率純度高和頻率輸出可控等特點該芯片可由MCU通過程序進行控制，輸出信號的頻率可在902MHz~928MHz之間變換，步進頻率為200kHz，該特性可以方便用戶實現廣譜跳頻，提高系統抗干擾能力。電路中TCX0是溫度補償晶振，它提供穩定、低相位噪聲的12.8MHz作為頻率合成器的參考頻率。本振信號輸出端所接SF2049E為帶通濾波器，以濾除輸出載波信號的高次諧波，降低系統的噪聲。 
    
    2．信號調制電路。調制電路如圖5所示。依照RFID 協議標準，發射信號采用ASK調制。電路采用低噪聲射頻放大器芯片RF2361作為射頻功放的前置驅動。RF2361具有低噪聲，高截獲點， 放大使能可控。通過調整控制端電壓VPD，其增益可從20dB迅速降到0dB，即通過電壓控制使它在關閉狀態與工作狀態之間快速地切換，從而實現ASK調制，而且能夠達到非常深的調制深度。這樣，編碼信號通過驅動電路與非門芯片TC7S00達到對VPD的控制，從而利用對載波的放大控制實現了編碼信號對載波的ASK調制。 

    3．射頻功率放大電路。射頻功率放大器是無線發射機主要組成部分，為了有效地將調制信號通過天線以電磁波的形式輻射出，射頻信號必須獲得足夠大的射頻輸出功率，所以在信號被送入天線前必須采用射頻功率放大器進行放大，射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率。
射頻功率放大器的重要指標為：
    （1）集電極效率ηc為輸出功率pout與電源供給功率pdc之比，即ηc=pout / pdc；
    （2）功率增加效率8197;（PAE， Power Added Efficiency）為輸出功率pout與輸入功率pin的差與電源供給功率pdc之比。
    （3）射頻功率放大器線性度指標有三階互調截點（IP3）、1dB壓縮點、諧波、鄰道功率比等。鄰道功率比衡量由放大器的非線性引起的頻譜再生對鄰道的干擾程度。
    （4）雜散輸出與噪聲。 

    在發射系統中，射頻末級功率放大器輸出功率的范圍可小至毫瓦級（便攜式移動通信設備）、大至數千瓦級（發射廣播電臺）。為了要實現大功率輸出，末級功率放大器的前置放大電路必須要有足夠高的激勵功率電平。根據工作頻率和輸出功率等要求，可以采用FET、射頻功率集成電路等作為射頻功率放大器。本系統采用了日立公司的功率放大芯片PF01411A來實現完成該任務，如圖6所示。PF01411A具有線性失真小，輸入功率要求低（0dBm即可），增益控制范圍可達90dB，效率可達 45％，最大輸出功率可達5W。MCU可通過電壓控制端Vapc來對輸出增益進行控制，以實現對射頻輸出功率的控制。 

    三、結語 

    本文研制改進了零中頻解調技術、載波電路、信號調制電路及射頻功率放大電路，特別是對讀卡器的重要組成部分射頻信號處理單元作了深入的研究，實驗表明，研制電路的簡單、實用、可靠。（文/東莞理工學院電子工程學院）