超高頻電子標簽（RFID)射頻模擬前端的設計與仿真

當前國內對RFID標簽的研究都集中在頻率為125KHz、134KHz 的低頻和13.56MHz 的高頻頻段, 在860～960MHz 的UHF 段和2.45GHz 以上的微波頻段研究相對較少。然而后者由于具有操作距離遠、通信速度快、尺寸小等優(yōu)點(diǎn), 未來(lái)的應用將更廣泛。本文介紹了一種符合ISO18 000- 6B 標準的超高頻( 中心頻率為915MHz) 標簽的工作原理、主要特性、系統結構,并給出了其射頻模擬前端關(guān)鍵部分電路的設計與仿真。

2 工作原理及其特性

2.1 工作原理

RFID 系統一般包括閱讀器、標簽( 或稱(chēng)射頻卡) 兩部分。當標簽收到閱讀器主動(dòng)發(fā)出的射頻信號時(shí), 標簽被喚醒,一方面通過(guò)射頻耦合的方式獲取能量, 另一方面將收到的信號進(jìn)行解調, 從載波中還原出數字信號, 然后根據其中包含的指令完成相應的操作, 并將應答信息通過(guò)反向散射回送給閱讀器。當同時(shí)有多個(gè)標簽出現在閱讀器的射頻場(chǎng)時(shí), 閱讀器通過(guò)啟動(dòng)防沖突算法, 逐個(gè)識別標簽。

根據供電方式的不同, 標簽可分為有源標簽和無(wú)源標簽兩種, 都由標簽芯片和天線(xiàn)組成。本文介紹的是一種無(wú)源超高頻電子標簽, 本身無(wú)電源, 靠從閱讀器的射頻場(chǎng)獲取能量。每個(gè)標簽都含有唯一的識別碼, 用來(lái)標識標簽所附著(zhù)物體的信息。

2.2 物理接口

標簽和閱讀器之間基于“閱讀器先發(fā)言”的傳輸機制, 采用半雙工的通信方式。射頻接口采用ASK 載波調制, 調制深度為11%或99%( 本文設計的標簽取99%) , 占用頻道帶寬為200KHz。前向鏈路采用Manchester 編碼, 反向鏈路采用FM0編碼, 反向散射[3]。

2.3 標簽的應答格式

標簽收到閱讀器的命令后, 進(jìn)行處理并應答, 應答格式如下:

靜默是標簽持續2 字節的反向散射; 返回幀頭是一個(gè)16位數據“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”; 數據通常包含一個(gè)64 位的UID 號、8 位的標志段以及用戶(hù)信息;CRC 采用16 位數據編碼[3]。

3 標簽整體系統結構

標簽由天線(xiàn)、射頻模擬前端、控制部分組成。

圖1 顯示出了標簽的系統結構框圖。天線(xiàn)用于發(fā)射和接收電磁波; 射頻模擬前端主要是由包絡(luò )檢波電路、ASK 調制電路、穩壓電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、偏置電路以及上電復位電路組成, 用于獲取能量并調制解調信號; 控制部分含控制邏輯、微處理器( CPU) , 用于控制相關(guān)協(xié)議、指令及處理功能; EEPROM存儲器用于存儲標簽的系統信息和數據, 存儲時(shí)間可以長(cháng)達幾十年, 并且在沒(méi)有供電的情況下, 其數據信息不會(huì )丟失。

圖1 標簽射頻模擬前端系統級設計與仿真

4 標簽射頻模擬前端系統級設計與仿真

超高頻915MHz 電子標簽沒(méi)有內部電源供電, 所需能量由天線(xiàn)耦合高頻信號, 經(jīng)過(guò)模擬前端整流穩壓產(chǎn)生。模擬前端的另外一個(gè)功能是產(chǎn)生啟動(dòng)數字電路工作的上電復位信號。同時(shí), 模擬前端還將對接收的信息進(jìn)行解調和對發(fā)送信息的調制。所以模擬前端是射頻識別系統中的重要組成部分, 是射頻識別技術(shù)區別與其他自動(dòng)識別技術(shù)的根本標志。

4.1 標簽射頻模擬前端的Simulink 功能框架設計

Matlab 中的Simulink 是一種系統級的仿真工具[4], 將系統中各部分電路的功能對應建立其相應的模塊, 先對每個(gè)模塊單獨仿真, 在達到預期效果之后, 再進(jìn)行整體仿真。

圖2 為用Simulink 仿真工具搭建的標簽模擬前端功能框圖。

圖2 射頻模擬前端的Simulink 仿真框圖

4.2 標簽射頻模擬前端的系統級仿真結果

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圖3 為射頻模擬前端關(guān)鍵部分的Simulink 仿真結果, 如圖所示。

正弦調制: 即用正弦波( 載波) 和數字信號相乘即可得到,可通過(guò)將數字信號增益后疊加常數信號來(lái)進(jìn)行調制深度的調節。直流電源的產(chǎn)生: 是通過(guò)將調制信號進(jìn)行絕對值的運算來(lái)模擬全波整流, 通過(guò)低通濾波器傳遞函數的設計來(lái)模擬濾波。圖3 中( a) 為整流濾波電路仿真結果, 可看到a 中整流濾波后得到直流電壓, 可給標簽供電。

包絡(luò )檢波解調電路: 由一個(gè)非線(xiàn)性器件和低通濾波器實(shí)現, 非線(xiàn)性器件用絕對值實(shí)現, 而低通濾波由傳遞函數實(shí)現。檢波電路由一個(gè)載帶濾波器和電壓判決器組成, 載帶濾波由傳遞函數實(shí)現, 電壓判決器由比較器實(shí)現。包絡(luò )產(chǎn)生電路和檢波電路連接在一起就構成包絡(luò )檢波解調電路從而恢復出數字信號,( b) 中可看到解調之后的數字信號和原來(lái)的未調制前一致。

復位信號產(chǎn)生: 可由電壓比較器實(shí)現,( c) 中可看到當電源電壓上升至可使標簽正常工作的穩定值時(shí), 復位信號跳高并保持穩定電壓。這樣可使標簽啟動(dòng)工作。結果表明標簽射頻模擬前端原理設計基本正確, 獲得了較滿(mǎn)意的仿真結果。

5 標簽射頻模擬前端電路級設計與仿真

5.1 標簽射頻模擬前端電路級設計

通過(guò)上述Simulink 系統仿真結果并結合超高頻電子標簽設計的技術(shù)指標, 下面給出射頻模擬接口關(guān)鍵部分電路的設計及部分芯片選型。

復位信號產(chǎn)生電路: 選擇National Semiconductor 公司生產(chǎn)的LMV7235 電壓比較器芯片來(lái)設計。該芯片具有開(kāi)漏輸出,超低功耗, 保證工作電源電壓2.7~5V 即可, 允許地和電源電壓檢測。

上變頻模塊和下變頻模塊: 上變頻模塊選擇MOTOROLA公司生產(chǎn)的雙平衡混頻器MRFIC2002。該芯片是為工作在800~1000MHz 頻率范圍的發(fā)射機而設計的, 適用于GSM以及ISM 頻帶發(fā)射機。下變頻模塊選擇Atmel 公司生產(chǎn)的800~1000MHz 下變頻混頻器T0780。該芯片是應用于數字通信系統800~1000MHz 頻率范圍的收發(fā)機。采用5V 電源供電,當0dB 輸入到集成的本振驅動(dòng)器時(shí), 可提供10dB 增益。RF 和LO 輸入可采用差分或單端方式驅動(dòng), 并具有高LO- RF 隔離。帶通濾波器: 選擇日本富士通半導體公司生產(chǎn)的F5CE- 915M00- ISM900- D236 集成帶通濾波器。濾波器中心頻率為915MHz, 通頻帶為902~928MHz,通帶內波紋小, 滿(mǎn)足發(fā)射部分信能指標要求。

時(shí)鐘信號產(chǎn)生電路: 選擇National Semiconductor 公司生產(chǎn)的LMV761 單6- 腳SOT23 低壓具有推挽輸出的精密比較器芯片實(shí)現。

包絡(luò )檢波電路: 由非線(xiàn)性器件和低通濾波器組成。非線(xiàn)性器件一般是二極管或MOS 管。為了濾除高頻干擾, 載帶濾波電路由RC 低通濾波器構成。信號電壓經(jīng)過(guò)包絡(luò )檢波和低通濾波器后分別接到電壓比較器的同相輸入端和反相輸入端, 另外,電壓比較器的輸入端還通過(guò)電阻引入偏置電壓[5]。

反向散射調制是通過(guò)并聯(lián)電阻R1 在數據流的時(shí)鐘中接通或斷開(kāi),通過(guò)電阻值的設置調節調制深度。ASK 信號需經(jīng)過(guò)功率放大才能達到發(fā)射所需的功率, 選用Maxim 公司生產(chǎn)的低壓硅RF 功率放大器MAX2430。MAX2430 應用于數字無(wú)繩電話(huà), 915MHzISM頻帶應用, 雙向尋呼, 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)( LAN) , 蜂窩電話(huà), AM和FM模擬發(fā)射器。

圖4 為超高頻電子標簽射頻模擬前端的整體電路設計圖。

5.2 標簽射頻模擬前端的Multis im 仿真結果

Multisim 是構建電路并立即模擬運行的理想工具, 適用于模擬/ 數字線(xiàn)路板的設計[7]。結合上面設計的標簽射頻模擬前端電路, 利用Multisim 搭建了其關(guān)鍵部分的電路模塊, 并進(jìn)行了仿真。圖5 和圖6 分別是給出了各部分的時(shí)域和頻域仿真結果。

圖5 ( a) 中信號是經(jīng)過(guò)二極管橋式整流電路和濾波電路后, 濾除高頻成分得到輸出給標簽供電的直流電壓信號。( b)中如圖5 所示, 處于圖上方的信號是電壓信號, 處于下方的是復位信號。當電源電壓上升到一定值時(shí), 復位信號跳高使控制部分正常工作。( c) 中可看到通過(guò)包絡(luò )產(chǎn)生電路產(chǎn)生的包絡(luò )信號還含有很多沒(méi)有濾除的高頻成分, 這樣的信號如果直接輸入到電壓判決器的話(huà), 由于高頻信號的干擾, 會(huì )造成判決出錯等情況, 所以我們必須對這個(gè)包絡(luò )信號再進(jìn)行低通濾波濾除多余的高頻成分后, 再輸出給電壓判決器判決輸出解調。( d)中位于上方的是未進(jìn)行低通濾波的包絡(luò )信號, 下方是進(jìn)行了低通濾波的包絡(luò )信號, 明顯可以看出高頻成分被濾除了。

圖6( a) 中是未調制的基帶數字信號的頻譜特性, 它的中心頻率在基帶附近,( b) 為高頻載波的頻譜, 它的中心頻率是915MHz。( c) 為調制后信號的頻譜, 它的中心頻率是915MHz。將基帶數字信號的頻譜搬移到了以高頻載波中心頻率為中心的頻段上。( d) 為最初產(chǎn)生的包絡(luò )信號的頻譜特性, 我們可以看到它的中心頻率已經(jīng)被搬移到了基帶附近, 但是由于還參雜著(zhù)一些我們不需要的高頻成分, 它的頻譜除了在基帶附近增益最大外, 在其他的一些高頻段上仍存在較大增益。( e) 是通過(guò)低通濾波后的包絡(luò )信號頻譜特性。我們可以看出, 高頻成分得到了濾除, 頻譜中心仍在基帶, 但是頻譜變得光滑。( f) 是解調后數字基帶信號的頻譜特性。其頻率中心在基帶左右, 基本滿(mǎn)足解調要求。

6 總結

本文對超高頻915MHz 電子標簽的射頻模擬前端部分進(jìn)行了設計及芯片的選擇, 然后用PROTEL 軟件繪制了整體電路圖并對其進(jìn)行了Simulink 系統仿真以及Multisim 時(shí)域和頻域的電路仿真, 能夠實(shí)現ISO18000- 6B 要求的特性和功能。該標簽成本較低, 易于開(kāi)發(fā), 具有識別距離遠、通信速度快、尺寸較小等特點(diǎn), 可廣泛應用于集裝箱跟蹤、物流管理等活動(dòng)。