RFID讀卡器射頻電路的研制

　讀卡器與處理單元

射頻識別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是一種基于雷達技術(shù)發(fā)展而來(lái)的識別技術(shù)。文章論述了如何研制了RFID讀卡器射頻電路的相關(guān)信息，包括零中頻解調技術(shù)、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(jiǎn)化傳統的射頻電路，推廣射頻識別(RFID)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化和交通控制等眾多領(lǐng)域有重要意義。

射頻識別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是一種基于雷達技術(shù)發(fā)展而來(lái)的識別技術(shù)，其主要原理是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電磁波進(jìn)行非接觸雙向數據通信從而獲取相關(guān)數據并實(shí)現目標識別，RFID技術(shù)是微波技術(shù)、密碼學(xué)以及無(wú)線(xiàn)通信原理等眾多學(xué)科知識交叉的新興產(chǎn)物，其應用領(lǐng)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(yè)自動(dòng)化監控等眾多領(lǐng)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(lèi)。射頻識別系統通常由電子標簽(射頻標簽)、天線(xiàn)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。射頻信號處理模塊主要實(shí)現三大功能：一是通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射足夠功率的射頻電磁波，以激發(fā)電子標簽并為其提供能量；二是對發(fā)射信號進(jìn)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(lái)自電子標簽的射頻信號。為了處理往來(lái)于應答器的兩個(gè)方向上的數據流，射頻信號處理模塊有兩個(gè)不同的信號通道，傳送到電子標簽中去的數據通過(guò)發(fā)射電路分支，而來(lái)自于電子標簽的數據通過(guò)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(jìn)行通信，并執行應用軟件發(fā)來(lái)的命令；控制與電子標簽的通信過(guò)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(jìn)行加密和解密；進(jìn)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(fā)射信號功率遠大于電子標簽反向散射回來(lái)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(huì )使接收電路各個(gè)部分的器件飽和，導致讀卡器對接收信號無(wú)法解調，因此射頻信號處理模塊的技術(shù)指標好壞會(huì )直接影響到RFID系統的質(zhì)量水平。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(fā)射模塊電路，它由鎖相環(huán)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(shí)現簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)優(yōu)勢表現在：頻率變換關(guān)系簡(jiǎn)單，非線(xiàn)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(jiǎn)潔，性?xún)r(jià)比更高。

如前所述，電子標簽發(fā)射回來(lái)的信號的調制為振幅鍵控調制8197(ASK)方式，并且與閱讀器發(fā)射信號的載波同頻，RFID系統中采用四通道零中頻解調電路，來(lái)自移相電路中四個(gè)檢測點(diǎn)的信號均包含閱讀器的發(fā)射信號和接收到的標簽散射回來(lái)的信號，它們經(jīng)過(guò)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(xiàn)與標簽距離(反映在收發(fā)信號的相位差上)的信號，其中A、C兩點(diǎn)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(jīng)過(guò)差分放大器D3和D4進(jìn)行放大，然后通過(guò)比較電路，最終得到TTL電平的IQ信號送入基帶電路進(jìn)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(xiàn)和標簽之間的距離(根據電磁波的基本知識，其表現為收發(fā)信號之間的相位差)有關(guān)，這就是說(shuō)，當標簽位于閱讀器天線(xiàn)所發(fā)射電磁波覆蓋的區域內，在每一個(gè)確定的時(shí)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(shí)為零，這就確保了電路對電子標簽散射信號的有效捕獲。

調制發(fā)射模塊電路

(二)調制發(fā)射模塊電路

調制發(fā)射電路由三部分構成：載波信號發(fā)生電路、信號調制電路和射頻功率放大電路等。

1.載波發(fā)生電路。為一個(gè)載波發(fā)生電路。其中PLL400-915A是鎖相環(huán)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(shí)它還具有輸出頻率純度高和頻率輸出可控等特點(diǎn)該芯片可由MCU通過(guò)程序進(jìn)行控制，輸出信號的頻率可在902MHz~928MHz之間變換，步進(jìn)頻率為200kHz，該特性可以方便用戶(hù)實(shí)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。依照RFID 協(xié)議標準，發(fā)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(dòng)。RF2361具有低噪聲，高截獲點(diǎn)，放大使能可控。通過(guò)調整控制端電壓VPD，其增益可從20dB迅速降到0dB，即通過(guò)電壓控制使它在關(guān)閉狀態(tài)與工作狀態(tài)之間快速地切換，從而實(shí)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(guò)驅動(dòng)電路與非門(mén)芯片TC7S00達到對VPD的控制，從而利用對載波的放大控制實(shí)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(wú)線(xiàn)發(fā)射機主要組成部分，為了有效地將調制信號通過(guò)天線(xiàn)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(xiàn)前必須采用射頻功率放大器進(jìn)行放大，射頻功率放大器的主要技術(shù)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(xiàn)性度指標有三階互調截點(diǎn)(IP3)、1dB壓縮點(diǎn)、諧波、鄰道功率比等。鄰道功率比衡量由放大器的非線(xiàn)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(fā)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(dòng)通信設備)、大至數千瓦級(發(fā)射廣播電臺)。為了要實(shí)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(lái)實(shí)現完成該任務(wù)，PF01411A具有線(xiàn)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(guò)電壓控制端Vapc來(lái)對輸出增益進(jìn)行控制，以實(shí)現對射頻輸出功率的控制。

三、結語(yǔ)

本文研制改進(jìn)了零中頻解調技術(shù)、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(shí)驗表明，研制電路的簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠。