無(wú)源超高頻RFID應答器的設計
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從RFIDIC設計角度看，RFID存在兩個(gè)主要的設計約束：功率可用性/帶寬和應答器的復雜性。無(wú)源UHFRFID應答器設計要求折衷考慮功率要求、復雜性和芯片尺寸等因素，以獲得期望的性能。
目前，一些主要國家對UHF工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)(ISM)頻段的頻譜分配、帶寬和輻射功率的要求差異很大。(輻射功率常被定義為有效的各向同性輻射功率(EIRP))。根據"EPC全球"標準，UHF頻段范圍從860MHz到960MHz，允許的功率水平為4W。但不同地區對UHFISM頻段的要求不同：在北美，UHFISM頻段為902MHz到928MHz，最大EIRP為4W；在歐洲，UHFISM頻段為865MHz到868MHz，最大EIRP為2W；在日本，UHFISM頻段為952MHz到954MHz，最大EIRP為4W。
應答器的復雜性是另一個(gè)設計約束因素。應答器的接收范圍取決于RFIC片(標簽)的最低導通功率(閾值功率)。在UHFRFID系統中，無(wú)源反向散射原理經(jīng)常用在從標簽到讀卡器的反向鏈路中?？勺x取范圍常常由從讀卡器到標簽的前向鏈接中標簽的可用輻射功率決定，這是因為到達讀卡器RF前端的可用反向散射信號強度大約為-25～-65dBm。
圖2：Dickson電荷泵是UHFRFID整流器電路的一種可選結構，圖中是Dickson電荷泵的工作原理圖。
UHFRFID整流器電路的另一種可選結構是Dickson電荷泵(圖2)，它主要用在非易失性存儲器中，以產(chǎn)生EEPROM電路所需的高編程電壓。因為大多數RFID芯片也包含非易失性存儲器，所以設計工程師可以重用該電路拓撲，實(shí)現產(chǎn)生高電壓的電路，從而節省開(kāi)發(fā)時(shí)間。
Dickson結構的簡(jiǎn)化等式如式1。
其中，Vp,RF=輸入RF信號幅度，Vf,D=二極管正向壓降。
Dickson電荷泵幾乎可用任何半導體器件來(lái)構建，但采用肖特基二極管和低閾值電壓(VTH)MOSFET的設計具有最佳性能。Dickson電荷泵電路要求輸入電壓很小，設計工程師可以通過(guò)控制級數(N)來(lái)選擇想要的輸出電壓和輸入阻抗。但由于整流器件數量多，并存在泄漏電流和寄生參數，Dickson電荷泵的功率轉換效率較低。
RFID應答器的調制器和解調器
RFID調制器將應答器數據發(fā)送到RFID詢(xún)問(wèn)器或讀卡器。反向散射調制被專(zhuān)門(mén)用在UHFRFID系統中。EPCGen2協(xié)議定義了幅移鍵控(ASK)和相移鍵控(PSK)兩個(gè)調制方案。在A(yíng)SK調制方案中，兩個(gè)阻抗狀態(tài)(只改變純電阻，開(kāi)路或短路或等于兩個(gè)非零電阻)在兩個(gè)天線(xiàn)引腳之間互相切換。用戶(hù)可以選擇任何一個(gè)狀態(tài)來(lái)表示邏輯1或0。在PSK調制方案中也有兩個(gè)受控的阻抗狀態(tài)，但只改變虛部值。為在兩個(gè)虛部電抗值之間切換，設計工程師常常使用大MOSFET或帶壓敏電容的變容二極管。
圖3：天線(xiàn)/RFID芯片連接的簡(jiǎn)單等效電路可用電抗與電阻并聯(lián)來(lái)表示。
在UHFRFID芯片設計中，天線(xiàn)端的等效阻抗可用電抗與電阻并聯(lián)來(lái)表示(圖3)。假設天線(xiàn)具有最小散射，則反向散射功率由式2表示：
其中，PEIRP=有效的全向輻射功率，RA=天線(xiàn)電阻，R=芯片電阻，Ae=有效的雷達截面(RCS)面積。
在A(yíng)SK調制中，天線(xiàn)端的等效阻抗為實(shí)數(X>>R)，并在R1和R2之間對數據信號進(jìn)行了調制。為使兩個(gè)狀態(tài)具有一樣的阻抗失配，選擇R1R2=R2A就足夠了。此時(shí)，在這兩個(gè)狀態(tài)中從天線(xiàn)傳送到負載的功率相等。假設R2>R1，為調制天線(xiàn)端的等效電阻，可以使用一個(gè)由數據信號驅動(dòng)的開(kāi)關(guān)，將電阻RMOD與應答器輸入電阻(R2)并聯(lián)，這樣R1=R2||RMOD。當不接電阻RMOD時(shí)，從天線(xiàn)等效的電阻等于R2，從天線(xiàn)傳送到負載的所有功率PIN2都可用來(lái)給應答器供電。當連接RMOD時(shí)，天線(xiàn)端的等效電阻等于R1，從天線(xiàn)傳送到負載的功率PIN的一部分可以用來(lái)為發(fā)射應答器供電，其余功率消耗在電阻RMOD上。當PIN2等于PIN1時(shí)，R1=R2。因此，從設計角度看，在A(yíng)SK機制中不可能為標簽IC提供恒定功率。相應的等式為：
其中，PAV=平均功率，Ae=有效RCS面積。
在PSK調制方案中，R=RA，這樣應答器近似處于匹配狀態(tài)，虛部分量X與數據信號進(jìn)行調制。反向散射信號的相位信號θ由式4確定：
如果對X進(jìn)行以零為中心的對稱(chēng)調制，則應答器的輸入功率PIN在調制期間保持不變，由式5確定：
大多數PSK調制器允許用輸入信號對輸出電容進(jìn)行調制。應答器中變化的電抗分量常常是容性的，因為這更節省IC面積，并能獲得高Q值。與IC制造工藝中的感性元件相比，它的Q值很小，而且幾乎不占面積。在應答器前端，當信號發(fā)生變化時(shí)，可采用匹配網(wǎng)絡(luò )(感性元件)，以便與在調制器輸出端等效的電容平均值發(fā)生諧振，因此：
其中，C1=當輸入信號等于1時(shí)的調制器輸出電容，C2=當輸入信號等于0時(shí)的調制器輸出電容。
天線(xiàn)端的等效平均電抗(X)包括微分電容分量，并由式7確定：
在A(yíng)SK和PSK的實(shí)現中，調制方案的選擇將影響芯片的輸入阻抗、位誤碼率(BER)和應答器的輸入功率。應答器的輸入功率也是限制工作范圍的最關(guān)鍵因素。因此，盡管ASK具有面積更小、性能與頻率無(wú)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，但由于PSK能為應答器提供恒定電源，所以設計工程師通常更愿意選擇PSK。
解調器被用來(lái)將RF載波中的數字信息解調出來(lái)。因為成本和電路板面積是主要的考慮因素，所以一般不考慮昂貴的相干檢測/超外差檢測。與幅度調制(AM/ASK)兼容的調制機制(DSBASK、SSB-ASK和PR-ASK)是詢(xún)問(wèn)器-標簽調制方案的實(shí)際選擇，正如EPCGen2協(xié)議所定義的那樣。對ASK兼容信號進(jìn)行解碼所需的模擬元件是類(lèi)似的，也是整流器和比較器。有些系統采用脈寬調制(PWM)，因此除了使用包絡(luò )檢波器外，這些系統中的解調器必須測量輸入信號的脈寬，并利用脈寬甄別器區分信號中的數字1和數字0信息，否則數字模塊必須區分基于不同編碼的脈沖。
ASK采用最簡(jiǎn)單的RF檢波，它使用了一個(gè)用二極管電容網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的基本包絡(luò )檢波器。ASK解調器將以幅度變化形式存在的信息解調出來(lái)。解調器實(shí)際上是一個(gè)邊沿檢波器。在RFID系統的前向鏈路中不采用PSK，因為PSK解調采用了超外差檢波，需要本振(LO)、混頻器和濾波電路，這些電路非常復雜，而且需要很大的裸片面積。
圖4：RFID應答器的邏輯內存映射。
解調器的工作原理是：輸入載波通過(guò)整流器和包絡(luò )檢波器，獲得其包絡(luò )信息；包絡(luò )檢波器后面的低通濾波器屏蔽載波上其余的紋波噪聲；隨后信號被饋送到遲滯比較器，產(chǎn)生輸出。在邊沿檢波設計中必須考慮三個(gè)因素：低通濾波、比較器的遲滯性和比較器的靈敏度。RFID讀卡器決定了給數據率加標簽、編碼和包絡(luò )屏蔽期間的低通濾波參數。濾波器帶寬應該小于信號帶寬。有關(guān)數據包絡(luò )的規范在RFID空中接口協(xié)議中有說(shuō)明。
比較器必須滿(mǎn)足UHFRFID應答器解調器定義的性能要求。應答器輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍應根據不同的物理區域，在幾百毫伏到幾伏左右變化。包絡(luò )檢波器和低通濾波器后面的信號應具有相同的幅值范圍。比較器的性能指標包括比較器的共模輸入電平，以及以共模輸入電平百分比表示的差模輸入電平。
比較器的另一個(gè)重要參數是遲滯性。當模擬輸入信號緩慢移動(dòng)或者包含噪聲時(shí)，但輸入信號處于閾值點(diǎn)附近時(shí)，比較器輸出可能發(fā)生振蕩。利用遲滯性可使輸出轉換期間的振蕩最小，但高遲滯性也意味著(zhù)靈敏度下降、轉換速度變慢。
RFID應答器的數字控制模塊
數字控制模塊處理詢(xún)問(wèn)命令、執行防沖突協(xié)議、進(jìn)行數據總校驗、運行存儲器讀寫(xiě)操作，并執行輸出控制和數據流動(dòng)。EPCGen2標準的命令組很復雜，需要使用復雜的數字核。根據用戶(hù)需求，如果要實(shí)現全部的Class1(包括讀寫(xiě))性能，則需要非易失性存儲器。
詢(xún)問(wèn)器利用三種基本操作管理標簽組。這些操作中的每一個(gè)都包含一個(gè)或多個(gè)命令。這些操作定義如下：
1．選擇過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器選擇RFID標簽組用于編目和讀寫(xiě)的過(guò)程。在編目之前，詢(xún)問(wèn)器可能使用一個(gè)或多個(gè)"選擇"命令來(lái)選擇某一特定標簽組。
2．編目過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器識別不同標簽的過(guò)程。詢(xún)問(wèn)器通過(guò)以發(fā)射四個(gè)節中的一個(gè)之一發(fā)射"查詢(xún)"命令，開(kāi)始編目過(guò)程。一個(gè)或多個(gè)RFID標簽可能回答。詢(xún)問(wèn)器檢測到一個(gè)信號標簽回答后，請求該標簽的PC、EPC和CRC-16。每次只能一個(gè)節進(jìn)行編目操作。
3．讀寫(xiě)過(guò)程是詢(xún)問(wèn)器與單個(gè)標簽交互問(wèn)答(讀或者寫(xiě))的方法。在讀寫(xiě)之前，單個(gè)標簽必須惟一標識。讀寫(xiě)包括多個(gè)命令，其中有些使用了R=>T連接的一次基于焊盤(pán)覆蓋編碼。
與讀卡器命令一致，標簽將把其內部狀態(tài)以7個(gè)響應中的一個(gè)發(fā)送:Ready，ArbitRAte,Reply，Acknowledged，Open,Secured和Killed。標簽可能同時(shí)支持多達4個(gè)會(huì )話(huà)，使其可將分離的和編目的標簽連接至目前環(huán)境下的各個(gè)讀卡器。該標簽通過(guò)分時(shí)，使不同的讀卡器分享其他的標簽。雙向沖突檢測和排除控制由詢(xún)問(wèn)器和標簽來(lái)處理。在編目階段，詢(xún)問(wèn)器首先發(fā)出Query命令，一旦接收，標簽將把產(chǎn)生的15b隨即數(RNG)代碼從內部裝入其槽計數器。如果裝載的RNG為零，標簽將通過(guò)把它本身的代碼反射回輪詢(xún)器的辦法來(lái)回答輪詢(xún)器。如果裝載的RNG不為零，標簽保持原來(lái)的狀態(tài)。讀卡器則給標簽發(fā)送另一個(gè)QueryRep。一旦接收到，標簽將減少其槽計數器數，并且當值變?yōu)榱銜r(shí)回復。如果發(fā)送Query或QueryRep命令后沒(méi)有檢測到?jīng)_突，詢(xún)問(wèn)器將給標簽發(fā)回ACK(應答)命令。標簽接收ACK命令后將變?yōu)閼馉顟B(tài)，準備接收下一個(gè)命令。詢(xún)問(wèn)器將記錄已成功輪詢(xún)的標簽。如果回復后，標簽沒(méi)有從讀卡器接收到ACK命令，就回到Arbitrate狀態(tài)，減小槽計數器的值。沖突控制機制基本上取決于裝入槽計數器的RNG值。因為可以回復詢(xún)問(wèn)器可能性為215，所以不同標簽可以以時(shí)分交替方式共享通信。
標簽存儲器分為四個(gè)不同的組，每一個(gè)都包含0或者更多的存儲字(見(jiàn)圖4)：
1．包含取消和讀取密碼的保留存儲器。
2．包含有一個(gè)CRC-16、協(xié)議控制(PC)位的EPC存儲器，以及標簽連接或將連接的用來(lái)標識物體的電子產(chǎn)品碼(EPC)。
3．TID存儲器包含有一個(gè)8-bISO/IEC15963分配類(lèi)標識，用于詢(xún)問(wèn)器惟一標識常規命令和/或標簽支持的可選功能。
4．允許用戶(hù)定義數據存儲的用戶(hù)存儲器。存儲器結構由用戶(hù)定義。
所有內存條的邏輯地址從零(00h)開(kāi)始編址。物理內存映射由銷(xiāo)售商定義。
在EPCGen2協(xié)議中，標簽設計工程師可以自由選擇ASK或者PSK的反射調制，詢(xún)問(wèn)器(讀卡器)必須能支持任何一個(gè)類(lèi)型的解碼。除了選擇調制類(lèi)型外，要發(fā)送的數據還必須被編碼成FM0基帶或者M(jìn)iller調制信號。數字模塊應該根據編碼選擇，插入合適的前同步信號序列。數字模塊也必須包含一個(gè)可以將輸入脈沖船轉換成有效命令的解碼器。
從電路設計角度看，除整流器外，應答器的數字模塊消耗了大多數功率，這是因為該模塊包括存儲器、有限狀態(tài)機以及輸入/輸出(I/O)單元。為擴大應答器的工作范圍，使數字模塊的功率消耗最小非常重要。標準單元庫被經(jīng)常用來(lái)綜合應答器的數字模塊。針對有些情況，制造商還開(kāi)發(fā)了定制單元，以提供低功耗性能。
應答器中的存儲器單元很重要。為實(shí)現標簽的讀/寫(xiě)，必須要有EEPROM和閃存等非易失性存儲器。采特殊工藝的EEPROM或閃存的可用性，也將限制它們在讀/寫(xiě)標簽中的應用。如果需要EEPROM和閃存，就必須采用雙層多晶硅工藝。
數字控制模塊可以使用硬件方法或軟件可編程方法(使用微程序或微控制器)來(lái)實(shí)現。硬件方法需要的電路面積最小，但犧牲了靈活性?？删幊棠Ｐ托枰艽蟮碾娐访娣e(采用微程序方法的電路面積大15倍，采用微控制器方法的電路面積大60倍)，初始設計時(shí)間也相當長(cháng)。因為重新配置工作可以轉移到具有更高抽象能力的軟件工程上，所以設計更改非常方便。
本文小結
UHFRFID應答器的一個(gè)主要設計約束是功率估算，它必須為數字模塊提供幾十μW的功率。如果要增加工作距離，則必須增加功率。另一個(gè)設計約束條件是芯片尺寸，通常選擇尺寸盡可能小的IC。在迄今為止涉及最簡(jiǎn)單的RFID發(fā)射應答器中，整流器和數字模塊這兩個(gè)部分的功耗最大。數字模塊的不同性能參數使設計工程師可以在不同的設計約束之間進(jìn)行折衷，包括架構、邏輯類(lèi)型和綜合過(guò)程中最優(yōu)化的面積/功耗。
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