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UHF RFID阅读器解调方式的研究
作者：北京交通大学 电子信息工程学院 王启娟 刘章发
来源：RFID世界网
日期：2007-09-05 15:49:06
摘要：在对UHF RFID 阅读器工作原理进行分析的基础上，介绍了一种工作在UHF频段下的阅读器的射频接口电路，并确定阅读器的解调方式。重点对零中频解调方式进行了研究。
1引言
射频识别(Radio Frequeney Identification简称RFID)技术是90年代兴起的自动识别技术。它是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID的距离可从几厘米至几米，这主要是由系统工作的频率决定的，一般情况下，工作频率越高．作用距离越远。尽管RFID在不同频段有着不同的应用。但近年来被业内人士看好的技术是基于UHF频段的无线射频识别技术。
从经典的无线传输模型公式(1)中
(1)
可以看出：UHF频段的RFID具有波长适中、远场耦合、标签 较小、空间衰耗小、工作距离相对较远等优点。所以它适合应用在 物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合。根据我国最新制定的国家标准，我国工作在UHF的RFID 的频率为860MHz一960MHz。本文研究工作在915MHz的RFID阅读器中的一种零中频解调方法。
2阅读器工作原理
阅读器是RFID系统中的基本单元。RFID系统的基本组成包括标签和阅读器两部分，RFID应用系统包括标签、读写器和RFID应用平台三大部分。如图1所示。
2．1阅读器系统概况
在不同的频率范围内，从标签到阅读器的数据传输方式有根本性的不同，比如，根据不同的工作频率，传输方式有负载调制，反向散射，高次谐波等。但是，所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的构造设计上是很相似的。所有系统的阅读器均可简化为两个基本的功能块：控制系统和由发送器和接收器组成的高频接口。此外，还有许对附加的接口，以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统。整个系统的控制由一个外部应用系统通过控制指令来实现。(见图2)
2．2阅读器射频接口工作原理
射频接口是阅读器的重要组成部分，UHF RFID阅读器射频接口原理图如图3所示。其工作原理如下：频率源电路提供射频载波信号源，经功率分配器分成两路并放大。其中一路进入发射电路，调制放大器将欲发送的数字信号调制到频率源输出的射频载波上，调制后的载波信号放大后经功率放大器输出。另一路被用作本振信号进入接收电路，而来自天线的标签回发信号同样进入接收电路，跟本振信号共同作用在解调电路上，解调后的信号经过放大、整形，通过数模转换电路送入控制处理单元进行解码处理。
2．3解调方式
根据其工作原理．UHF RFID阅读器的解调方式一般采用正交零中频解调或非零中频解调方案。在非零中频解调中，如果采用下变频，则会产生一个镜像频率。这就需要在前端使用一个高频滤波器在混频之前削弱镜像信号。这对振荡器和滤波器的要求都很高。而采用上变频可以极大的削弱镜像信号，可以使前端的滤波变得容易，降低了对振荡器和滤波器的要求，但付出的代价就是频道的选择要在一个更高的频率上进行，这也给中频处理链中其他的单元提出了更高的要求。
而在零中频解调中．由于镜像本身也是需要的信号．因此就没有需要抑制的镜像信号，所以前端的镜像抑制滤波器可以去掉。此外由于用了0中频，所以后续的基带处理都在很低的频率下进行的。这样的系统允许有很高的集成度，也容易实现。
2．4正交零中频解调原理
天线收到的RF信号通过一低噪声放大器(LNA)后，分为I、Q两个通道分别与频率为载波频率的两个正交的本振信号进行混频，直接下变频为基带信号，然后经低通滤波器滤去上变频分量，再通过放大器后送入A／D转换器采样，最后送入DSP处理，如图4所示。
本振信号为连续波，表示为VL(t)=Acosω0t，经过90 变为VLQ(t)=Acos(ω0t+π／2)，天线接收到的标签回发信号为AM波，接收信号为VR(【)=B(【)cos((1)0t+‘P)，其中B(【)是标签的数据信息，一般为单极性的二进制数据，‘p为收发信号之间的相位差，跟天线和标签之间的距离有关。对每路混频器，输入信号包括本振和接收信号，输出信号为两个输入信号的混频结果：
I通道：wqj06．tif
0通道：wqi07．tif
每路信号经低通滤波器将高频分量2~o0t滤除掉，就得到了标签回发信号B(t)：
I通道为：1／2AB(t)cosq~；Q通道为：1／2AB(t)cos((P一’rr／2)。
从上面的公式可以看出：两通道的相位差为竹／2。这两个信号通过放大器放大后进入DSP进行处理．最终得到所需要的数据。
由于I、Q通道的信号是正交的，且它们只和阅读器天线和标签之间的距离有关，也就是说，当标签位于阅读器天线覆盖区域里，I、Q信号的正交性决定了这两个信号不可能同时为零，这样就保证了总有一路不为零的信号送人DSP处理器，保证了收到信号的有效性。
3结束语
本文在对UHF RFID阅读的结构及工作原理进行详细分析的基础上，构建了一个工作在UHF RFID阅读器中的射频接口模
块，并根据其工作原理确定了其中所用的解调器的解调方式，并对这种解调方式的合理性进行了研究．实验也证明了这种解调方式简化了阅读器的设计，节约了成本，而且性能也有一定的提高。鉴于国内经济的持续发展，中国成为世界工厂及最大的应用市场的地位和作用的日益显著。RHD技术在物流和供应链中的应用必将发挥越来越重要的作用。RFID技术的研究及产品的开发也显得日益重要。我国应该研发具有自主知识产权的RFID技术，以利于国内产品向着降低成本、走向世界的方向发展。
参考文献：
『l]Klaus Finkenzeller．RFID Handbook：Fundamentals and Ap． plications in Contactless Smart Cards and Identification 【MI．John Wiley＆ Sons．Ltd．2003．
『2]Thomas H．Lee．The Design of CMOS Radio—Frequency In． tegrated Circuits『M1．Second Edition．Publishing House of Electron．ics Industry．电子工业出版社．2005．694～762．
『3]Jianming Zhang，Zeming Xie，Shengli Lai，Zehai Wu．A Design of RF Receiving Circuit of RFID Reader 『A1． Microwave and Millimeter Wave Technology．
2Oo4． ICMMT 4th International Con．ference on． Proceedings 1 8—2 1 Aug．2004 Page(s)：406 —409．
『4】张益强，郑铭，张其善．远距离无源射频识别系统设计『J]．遥测控制，2004(25)，4：45—49．
编者注:由于文档转换的关系,部分公式和数据有些问题.特别提供原文下载.
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射频识别(Radio Frequeney Identification简称RFID)技术是90年代兴起的自动识别技术。它是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID的距离可从几厘米至几米，这主要是由系统工作的频率决定的，一般情况下，工作频率越高．作用距离越远。尽管RFID在不同频段有着不同的应用。但近年来被业内人士看好的技术是基于UHF频段的无线射频识别技术。
从经典的无线传输模型公式(1)中
(1) 可以看出：UHF频段的RFID具有波长适中、远场耦合、标签 较小、空间衰耗小、工作距离相对较远等优点。所以它适合应用在 物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合。根据我国最新制定的国家标准，我国工作在UHF的RFID 的频率为860MHz一960MHz。本文研究工作在915MHz的RFID阅读器中的一种零中频解调方法。
2阅读器工作原理
阅读器是RFID系统中的基本单元。RFID系统的基本组成包括标签和阅读器两部分，RFID应用系统包括标签、读写器和RFID应用平台三大部分。如图1所示。
2．1阅读器系统概况
在不同的频率范围内，从标签到阅读器的数据传输方式有根本性的不同，比如，根据不同的工作频率，传输方式有负载调制，反向散射，高次谐波等。但是，所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的构造设计上是很相似的。所有系统的阅读器均可简化为两个基本的功能块：控制系统和由发送器和接收器组成的高频接口。此外，还有许对附加的接口，以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统。整个系统的控制由一个外部应用系统通过控制指令来实现。(见图2)
2．2阅读器射频接口工作原理
射频接口是阅读器的重要组成部分，UHF RFID阅读器射频接口原理图如图3所示。其工作原理如下：频率源电路提供射频载波信号源，经功率分配器分成两路并放大。其中一路进入发射电路，调制放大器将欲发送的数字信号调制到频率源输出的射频载波上，调制后的载波信号放大后经功率放大器输出。另一路被用作本振信号进入接收电路，而来自天线的标签回发信号同样进入接收电路，跟本振信号共同作用在解调电路上，解调后的信号经过放大、整形，通过数模转换电路送入控制处理单元进行解码处理。
2．3解调方式
根据其工作原理．UHF RFID阅读器的解调方式一般采用正交零中频解调或非零中频解调方案。在非零中频解调中，如果采用下变频，则会产生一个镜像频率。这就需要在前端使用一个高频滤波器在混频之前削弱镜像信号。这对振荡器和滤波器的要求都很高。而采用上变频可以极大的削弱镜像信号，可以使前端的滤波变得容易，降低了对振荡器和滤波器的要求，但付出的代价就是频道的选择要在一个更高的频率上进行，这也给中频处理链中其他的单元提出了更高的要求。
而在零中频解调中．由于镜像本身也是需要的信号．因此就没有需要抑制的镜像信号，所以前端的镜像抑制滤波器可以去掉。此外由于用了0中频，所以后续的基带处理都在很低的频率下进行的。这样的系统允许有很高的集成度，也容易实现。
2．4正交零中频解调原理
天线收到的RF信号通过一低噪声放大器(LNA)后，分为I、Q两个通道分别与频率为载波频率的两个正交的本振信号进行混频，直接下变频为基带信号，然后经低通滤波器滤去上变频分量，再通过放大器后送入A／D转换器采样，最后送入DSP处理，如图4所示。
本振信号为连续波，表示为VL(t)=Acosω0t，经过90 变为VLQ(t)=Acos(ω0t+π／2)，天线接收到的标签回发信号为AM波，接收信号为VR(【)=B(【)cos((1)0t+‘P)，其中B(【)是标签的数据信息，一般为单极性的二进制数据，‘p为收发信号之间的相位差，跟天线和标签之间的距离有关。对每路混频器，输入信号包括本振和接收信号，输出信号为两个输入信号的混频结果：
I通道：wqj06．tif
0通道：wqi07．tif
每路信号经低通滤波器将高频分量2~o0t滤除掉，就得到了标签回发信号B(t)：
I通道为：1／2AB(t)cosq~；Q通道为：1／2AB(t)cos((P一’rr／2)。
从上面的公式可以看出：两通道的相位差为竹／2。这两个信号通过放大器放大后进入DSP进行处理．最终得到所需要的数据。
由于I、Q通道的信号是正交的，且它们只和阅读器天线和标签之间的距离有关，也就是说，当标签位于阅读器天线覆盖区域里，I、Q信号的正交性决定了这两个信号不可能同时为零，这样就保证了总有一路不为零的信号送人DSP处理器，保证了收到信号的有效性。
3结束语
本文在对UHF RFID阅读的结构及工作原理进行详细分析的基础上，构建了一个工作在UHF RFID阅读器中的射频接口模
块，并根据其工作原理确定了其中所用的解调器的解调方式，并对这种解调方式的合理性进行了研究．实验也证明了这种解调方式简化了阅读器的设计，节约了成本，而且性能也有一定的提高。鉴于国内经济的持续发展，中国成为世界工厂及最大的应用市场的地位和作用的日益显著。RHD技术在物流和供应链中的应用必将发挥越来越重要的作用。RFID技术的研究及产品的开发也显得日益重要。我国应该研发具有自主知识产权的RFID技术，以利于国内产品向着降低成本、走向世界的方向发展。
参考文献：
『l]Klaus Finkenzeller．RFID Handbook：Fundamentals and Ap． plications in Contactless Smart Cards and Identification 【MI．John Wiley＆ Sons．Ltd．2003．
『2]Thomas H．Lee．The Design of CMOS Radio—Frequency In． tegrated Circuits『M1．Second Edition．Publishing House of Electron．ics Industry．电子工业出版社．2005．694～762．
『3]Jianming Zhang，Zeming Xie，Shengli Lai，Zehai Wu．A Design of RF Receiving Circuit of RFID Reader 『A1． Microwave and Millimeter Wave Technology．
2Oo4． ICMMT 4th International Con．ference on． Proceedings 1 8—2 1 Aug．2004 Page(s)：406 —409．
『4】张益强，郑铭，张其善．远距离无源射频识别系统设计『J]．遥测控制，2004(25)，4：45—49．
编者注:由于文档转换的关系,部分公式和数据有些问题.特别提供原文下载.
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