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RFID读卡器射频电路研制
作者：赖树明，任斌，余成
来源：中国高新网
日期：2010-11-04 11:42:12
摘要：射频识别技术（RFID，即Radio Frequency Identification）是一种基于雷达技术发展而来的识别技术。文章论述了如何研制了RFID读卡器射频电路的相关信息，包括零中频解调技术、载波电路、信号调制电路及射频功率放大电路，并给出射频电路模块结构的方案，这对简化传统的射频电路，推广射频识别（RFID）技术在工业自动化和交通控制等众多领域有重要意义。
射频识别技术（RFID，即Radio Frequency Identification）是一种基于雷达技术发展而来的识别技术，其主要原理是通过无线电磁波进行非接触双向数据通信从而获取相关数据并实现目标识别，RFID技术是微波技术、密码学以及无线通信原理等众多学科知识交叉的新兴产物，其应用领域覆盖了高速公路收费管理、铁路物流运输控制管理及工业自动化监控等众多领域。RFID系统按照工作频段可以划分为低频（135kHz以下）、高频 （13.56MHz）、超高频 （860～930MHz）和微波 （2.4GHz以上）等几类。射频识别系统通常由电子标签（射频标签）、天线和阅读器组成。
一、读卡器
读卡器一般由射频信号处理模块、基带信号处理模块、控制单元以及和外部设备连接的接口模块等组成，其结构如图1所示。射频信号处理模块主要实现三大功能：一是通过天线发射足够功率的射频电磁波，以激发电子标签并为其提供能量；二是对发射信号进行调制，然后将已调制的信号数据转化为电磁波传送给标签；三是接收并解调来自电子标签的射频信号。为了处理往来于应答器的两个方向上的数据流，射频信号处理模块有两个不同的信号通道，传送到电子标签中去的数据通过发射电路分支，而来自于电子标签的数据通过接收电路分支处理。
控制单元的主要功能：与上层应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。对于某些特定系统还有以下的附加功能：执行防碰撞算法；对电子标签与读卡器之间要传送的数据进行加密和解密；进行电子标签和读卡器之间双向的身份验证。
二、射频信号处理单元电路
读卡器的发射信号功率远大于电子标签反向散射回来的信号，而且与接收信号同频率，这样如果大功率的反射信号漏泄到接收电路就会使接收电路各个部分的器件饱和，导致读卡器对接收信号无法解调，因此射频信号处理模块的技术指标好坏会直接影响到RFID系统的质量水平。如图2所示为射频前端电路结构示意图，射频信号处理模块一般包括两大单元：一是基带信号调制发射模块电路，它由锁相环电路、混频调制电路、滤波电路、功率放大电路等几部分组成；二是射频信号解调接收处理电路，它由差分放大电路，零中频解调电路以及相应的滤波电路构成。
（一）零中频信号接收处理电路
射频信号接收处理电路可以超外差电路和零中频接收电路等等。由于零中频检测接收机具有实现简单，成本低的优点，其技术优势表现在：频率变换关系简单，非线性变换分量更少；可以避免使用中频SAW滤波器；不需要中频放大器，电路结构更简洁，性价比更高。
如前所述，电子标签发射回来的信号的调制为振幅键控调制 （ASK）方式，并且与阅读器发射信号的载波同频，如图3 所示为RFID系统中采用四通道零中频解调电路，来自移相电路中四个检测点的信号均包含阅读器的发射信号和接收到的标签散射回来的信号，它们经过二极管混频处理后，利用低通滤波器将高频成分滤除掉，将分别得到携带标签数据信息和阅读器天线与标签距离（反映在收发信号的相位差上）的信号，其中A、C两点得到的信号在相位上将相差π， B、D的情况也是如此；将它们分别馈入差分放大器D1和D2放大后，得到两路输出信号，它们的振幅反映了标签的数据信息，且相位上相差90°，即它们是正交的。信号再分别经过差分放大器D3和D4进行放大，然后通过比较电路，最终得到TTL电平的IQ信号送入基带电路进行处理。由于I和Q这两路信号是正交的，且只跟阅读器天线和标签之间的距离（根据电磁波的基本知识，其表现为收发信号之间的相位差）有关，这就是说，当标签位于阅读器天线所发射电磁波覆盖的区域内，在每一个确定的时间里，这两路信号不但是唯一确定的，而且更重要的是它们相位的正交保证了这两路信号不可能同时为零，这就确保了电路对电子标签散射信号的有效捕获。
（二）调制发射模块电路
调制发射电路由三部分构成：载波信号发生电路、信号调制电路和射频功率放大电路等。
1．载波发生电路。图4所示为一个载波发生电路。其中PLL400-915A是锁相环路频率合成器，它具有良好的窄带滤波特性和良好的相位噪声指标，同时它还具有输出频率纯度高和频率输出可控等特点该芯片可由MCU通过程序进行控制，输出信号的频率可在902MHz~928MHz之间变换，步进频率为200kHz，该特性可以方便用户实现广谱跳频，提高系统抗干扰能力。电路中TCX0是温度补偿晶振，它提供稳定、低相位噪声的12.8MHz作为频率合成器的参考频率。本振信号输出端所接SF2049E为带通滤波器，以滤除输出载波信号的高次谐波，降低系统的噪声。
2．信号调制电路。调制电路如图5所示。依照RFID 协议标准，发射信号采用ASK调制。电路采用低噪声射频放大器芯片RF2361作为射频功放的前置驱动。RF2361具有低噪声，高截获点，放大使能可控。通过调整控制端电压VPD，其增益可从20dB迅速降到0dB，即通过电压控制使它在关闭状态与工作状态之间快速地切换，从而实现ASK调制，而且能够达到非常深的调制深度。这样，编码信号通过驱动电路与非门芯片TC7S00达到对VPD的控制，从而利用对载波的放大控制实现了编码信号对载波的ASK调制。
3．射频功率放大电路。射频功率放大器是无线发射机主要组成部分，为了有效地将调制信号通过天线以电磁波的形式辐射出，射频信号必须获得足够大的射频输出功率，所以在信号被送入天线前必须采用射频功率放大器进行放大，射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
射频功率放大器的重要指标为：（1）集电极效率ηc为输出功率pout与电源供给功率pdc之比，即ηc=pout / pdc；（2）功率增加效率 （PAE， Power Added Efficiency）为输出功率pout与输入功率pin的差与电源供给功率pdc之比，即PAE=（pout-pin）/ pdc=（1-1/Ap）ηc。当pout>>pin时，有ηc≈PAE。如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设计目标的核心。（3）射频功率放大器线性度指标有三阶互调截点（IP3）、1dB压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。（4）杂散输出与噪声。
在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小至毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前置放大电路必须要有足够高的激励功率电平。根据工作频率和输出功率等要求，可以采用FET、射频功率集成电路等作为射频功率放大器。本系统采用了日立公司的功率放大芯片PF01411A来实现完成该任务，如图6所示。PF01411A具有线性失真小，输入功率要求低（0dBm即可），增益控制范围可达90dB，效率可达 45％，最大输出功率可达5W。MCU可通过电压控制端Vapc来对输出增益进行控制，以实现对射频输出功率的控制。
三、结语
本文研制改进了零中频解调技术、载波电路、信号调制电路及射频功率放大电路，特别是对读卡器的重要组成部分——射频信号处理单元作了深入的研究，实验表明，研制电路的简单、实用、可靠。（文/东莞理工学院电子工程学院）
一、读卡器
读卡器一般由射频信号处理模块、基带信号处理模块、控制单元以及和外部设备连接的接口模块等组成，其结构如图1所示。射频信号处理模块主要实现三大功能：一是通过天线发射足够功率的射频电磁波，以激发电子标签并为其提供能量；二是对发射信号进行调制，然后将已调制的信号数据转化为电磁波传送给标签；三是接收并解调来自电子标签的射频信号。为了处理往来于应答器的两个方向上的数据流，射频信号处理模块有两个不同的信号通道，传送到电子标签中去的数据通过发射电路分支，而来自于电子标签的数据通过接收电路分支处理。
控制单元的主要功能：与上层应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。对于某些特定系统还有以下的附加功能：执行防碰撞算法；对电子标签与读卡器之间要传送的数据进行加密和解密；进行电子标签和读卡器之间双向的身份验证。
二、射频信号处理单元电路
读卡器的发射信号功率远大于电子标签反向散射回来的信号，而且与接收信号同频率，这样如果大功率的反射信号漏泄到接收电路就会使接收电路各个部分的器件饱和，导致读卡器对接收信号无法解调，因此射频信号处理模块的技术指标好坏会直接影响到RFID系统的质量水平。如图2所示为射频前端电路结构示意图，射频信号处理模块一般包括两大单元：一是基带信号调制发射模块电路，它由锁相环电路、混频调制电路、滤波电路、功率放大电路等几部分组成；二是射频信号解调接收处理电路，它由差分放大电路，零中频解调电路以及相应的滤波电路构成。
（一）零中频信号接收处理电路
射频信号接收处理电路可以超外差电路和零中频接收电路等等。由于零中频检测接收机具有实现简单，成本低的优点，其技术优势表现在：频率变换关系简单，非线性变换分量更少；可以避免使用中频SAW滤波器；不需要中频放大器，电路结构更简洁，性价比更高。
如前所述，电子标签发射回来的信号的调制为振幅键控调制 （ASK）方式，并且与阅读器发射信号的载波同频，如图3 所示为RFID系统中采用四通道零中频解调电路，来自移相电路中四个检测点的信号均包含阅读器的发射信号和接收到的标签散射回来的信号，它们经过二极管混频处理后，利用低通滤波器将高频成分滤除掉，将分别得到携带标签数据信息和阅读器天线与标签距离（反映在收发信号的相位差上）的信号，其中A、C两点得到的信号在相位上将相差π， B、D的情况也是如此；将它们分别馈入差分放大器D1和D2放大后，得到两路输出信号，它们的振幅反映了标签的数据信息，且相位上相差90°，即它们是正交的。信号再分别经过差分放大器D3和D4进行放大，然后通过比较电路，最终得到TTL电平的IQ信号送入基带电路进行处理。由于I和Q这两路信号是正交的，且只跟阅读器天线和标签之间的距离（根据电磁波的基本知识，其表现为收发信号之间的相位差）有关，这就是说，当标签位于阅读器天线所发射电磁波覆盖的区域内，在每一个确定的时间里，这两路信号不但是唯一确定的，而且更重要的是它们相位的正交保证了这两路信号不可能同时为零，这就确保了电路对电子标签散射信号的有效捕获。
（二）调制发射模块电路
调制发射电路由三部分构成：载波信号发生电路、信号调制电路和射频功率放大电路等。
1．载波发生电路。图4所示为一个载波发生电路。其中PLL400-915A是锁相环路频率合成器，它具有良好的窄带滤波特性和良好的相位噪声指标，同时它还具有输出频率纯度高和频率输出可控等特点该芯片可由MCU通过程序进行控制，输出信号的频率可在902MHz~928MHz之间变换，步进频率为200kHz，该特性可以方便用户实现广谱跳频，提高系统抗干扰能力。电路中TCX0是温度补偿晶振，它提供稳定、低相位噪声的12.8MHz作为频率合成器的参考频率。本振信号输出端所接SF2049E为带通滤波器，以滤除输出载波信号的高次谐波，降低系统的噪声。
2．信号调制电路。调制电路如图5所示。依照RFID 协议标准，发射信号采用ASK调制。电路采用低噪声射频放大器芯片RF2361作为射频功放的前置驱动。RF2361具有低噪声，高截获点，放大使能可控。通过调整控制端电压VPD，其增益可从20dB迅速降到0dB，即通过电压控制使它在关闭状态与工作状态之间快速地切换，从而实现ASK调制，而且能够达到非常深的调制深度。这样，编码信号通过驱动电路与非门芯片TC7S00达到对VPD的控制，从而利用对载波的放大控制实现了编码信号对载波的ASK调制。
3．射频功率放大电路。射频功率放大器是无线发射机主要组成部分，为了有效地将调制信号通过天线以电磁波的形式辐射出，射频信号必须获得足够大的射频输出功率，所以在信号被送入天线前必须采用射频功率放大器进行放大，射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。
射频功率放大器的重要指标为：（1）集电极效率ηc为输出功率pout与电源供给功率pdc之比，即ηc=pout / pdc；（2）功率增加效率 （PAE， Power Added Efficiency）为输出功率pout与输入功率pin的差与电源供给功率pdc之比，即PAE=（pout-pin）/ pdc=（1-1/Ap）ηc。当pout>>pin时，有ηc≈PAE。如何提高输出功率和保证高的效率，是射频功率放大器设计目标的核心。（3）射频功率放大器线性度指标有三阶互调截点（IP3）、1dB压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量由放大器的非线性引起的频谱再生对邻道的干扰程度。（4）杂散输出与噪声。
在发射系统中，射频末级功率放大器输出功率的范围可小至毫瓦级（便携式移动通信设备）、大至数千瓦级（发射广播电台）。为了要实现大功率输出，末级功率放大器的前置放大电路必须要有足够高的激励功率电平。根据工作频率和输出功率等要求，可以采用FET、射频功率集成电路等作为射频功率放大器。本系统采用了日立公司的功率放大芯片PF01411A来实现完成该任务，如图6所示。PF01411A具有线性失真小，输入功率要求低（0dBm即可），增益控制范围可达90dB，效率可达 45％，最大输出功率可达5W。MCU可通过电压控制端Vapc来对输出增益进行控制，以实现对射频输出功率的控制。
三、结语
本文研制改进了零中频解调技术、载波电路、信号调制电路及射频功率放大电路，特别是对读卡器的重要组成部分——射频信号处理单元作了深入的研究，实验表明，研制电路的简单、实用、可靠。（文/东莞理工学院电子工程学院）
