超高频电子标签（RFID)射频模拟前端的设计与仿真

    1 前言

    当前国内对RFID标签的研究都集中在频率为125KHz、134KHz 的低频和13.56MHz 的高频频段, 在860～960MHz 的UHF 段和2.45GHz 以上的微波频段研究相对较少。然而后者由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点, 未来的应用将更广泛。本文介绍了一种符合ISO18 000- 6B 标准的超高频( 中心频率为915MHz) 标签的工作原理、主要特性、系统结构,并给出了其射频模拟前端关键部分电路的设计与仿真。

    2 工作原理及其特性

    2.1 工作原理

    RFID 系统一般包括阅读器、标签( 或称射频卡) 两部分。当标签收到阅读器主动发出的射频信号时, 标签被唤醒,一方面通过射频耦合的方式获取能量, 另一方面将收到的信号进行解调, 从载波中还原出数字信号, 然后根据其中包含的指令完成相应的操作, 并将应答信息通过反向散射回送给阅读器。当同时有多个标签出现在阅读器的射频场时, 阅读器通过启动防冲突算法, 逐个识别标签。

    根据供电方式的不同, 标签可分为有源标签和无源标签两种, 都由标签芯片和天线组成。本文介绍的是一种无源超高频电子标签, 本身无电源, 靠从阅读器的射频场获取能量。每个标签都含有唯一的识别码, 用来标识标签所附着物体的信息。

    2.2 物理接口

    标签和阅读器之间基于“阅读器先发言”的传输机制, 采用半双工的通信方式。射频接口采用ASK 载波调制, 调制深度为11%或99%( 本文设计的标签取99%) , 占用频道带宽为200KHz。前向链路采用Manchester 编码, 反向链路采用FM0编码, 反向散射[3]。

    2.3 标签的应答格式

    标签收到阅读器的命令后, 进行处理并应答, 应答格式如下:

    静默是标签持续2 字节的反向散射; 返回帧头是一个16位数据“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”; 数据通常包含一个64 位的UID 号、8 位的标志段以及用户信息;CRC 采用16 位数据编码[3]。

    3 标签整体系统结构

    标签由天线、射频模拟前端、控制部分组成。

    图1 显示出了标签的系统结构框图。天线用于发射和接收电磁波; 射频模拟前端主要是由包络检波电路、ASK 调制电路、稳压电路、时钟产生电路、偏置电路以及上电复位电路组成, 用于获取能量并调制解调信号; 控制部分含控制逻辑、微处理器( CPU) , 用于控制相关协议、指令及处理功能; EEPROM存储器用于存储标签的系统信息和数据, 存储时间可以长达几十年, 并且在没有供电的情况下, 其数据信息不会丢失。

图1 标签射频模拟前端系统级设计与仿真

    4 标签射频模拟前端系统级设计与仿真

    超高频915MHz 电子标签没有内部电源供电, 所需能量由天线耦合高频信号, 经过模拟前端整流稳压产生。模拟前端的另外一个功能是产生启动数字电路工作的上电复位信号。同时, 模拟前端还将对接收的信息进行解调和对发送信息的调制。所以模拟前端是射频识别系统中的重要组成部分, 是射频识别技术区别与其他自动识别技术的根本标志。

    4.1 标签射频模拟前端的Simulink 功能框架设计

    Matlab 中的Simulink 是一种系统级的仿真工具[4], 将系统中各部分电路的功能对应建立其相应的模块, 先对每个模块单独仿真, 在达到预期效果之后, 再进行整体仿真。

    图2 为用Simulink 仿真工具搭建的标签模拟前端功能框图。

图2 射频模拟前端的Simulink 仿真框图

    4.2 标签射频模拟前端的系统级仿真结果

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    图3 为射频模拟前端关键部分的Simulink 仿真结果, 如图所示。

    正弦调制: 即用正弦波( 载波) 和数字信号相乘即可得到,可通过将数字信号增益后叠加常数信号来进行调制深度的调节。直流电源的产生: 是通过将调制信号进行绝对值的运算来模拟全波整流, 通过低通滤波器传递函数的设计来模拟滤波。图3 中( a) 为整流滤波电路仿真结果, 可看到a 中整流滤波后得到直流电压, 可给标签供电。

    包络检波解调电路: 由一个非线性器件和低通滤波器实现, 非线性器件用绝对值实现, 而低通滤波由传递函数实现。检波电路由一个载带滤波器和电压判决器组成, 载带滤波由传递函数实现, 电压判决器由比较器实现。包络产生电路和检波电路连接在一起就构成包络检波解调电路从而恢复出数字信号,( b) 中可看到解调之后的数字信号和原来的未调制前一致。

    复位信号产生: 可由电压比较器实现,( c) 中可看到当电源电压上升至可使标签正常工作的稳定值时, 复位信号跳高并保持稳定电压。这样可使标签启动工作。结果表明标签射频模拟前端原理设计基本正确, 获得了较满意的仿真结果。

    5 标签射频模拟前端电路级设计与仿真

    5.1 标签射频模拟前端电路级设计

    通过上述Simulink 系统仿真结果并结合超高频电子标签设计的技术指标, 下面给出射频模拟接口关键部分电路的设计及部分芯片选型。

    复位信号产生电路: 选择National Semiconductor 公司生产的LMV7235 电压比较器芯片来设计。该芯片具有开漏输出,超低功耗, 保证工作电源电压2.7~5V 即可, 允许地和电源电压检测。

    上变频模块和下变频模块: 上变频模块选择MOTOROLA公司生产的双平衡混频器MRFIC2002。该芯片是为工作在800~1000MHz 频率范围的发射机而设计的, 适用于GSM以及ISM 频带发射机。下变频模块选择Atmel 公司生产的800~1000MHz 下变频混频器T0780。该芯片是应用于数字通信系统800~1000MHz 频率范围的收发机。采用5V 电源供电,当0dB 输入到集成的本振驱动器时, 可提供10dB 增益。RF 和LO 输入可采用差分或单端方式驱动, 并具有高LO- RF 隔离。带通滤波器: 选择日本富士通半导体公司生产的F5CE- 915M00- ISM900- D236 集成带通滤波器。滤波器中心频率为915MHz, 通频带为902~928MHz,通带内波纹小, 满足发射部分信能指标要求。

    时钟信号产生电路: 选择National Semiconductor 公司生产的LMV761 单6- 脚SOT23 低压具有推挽输出的精密比较器芯片实现。

    包络检波电路: 由非线性器件和低通滤波器组成。非线性器件一般是二极管或MOS 管。为了滤除高频干扰, 载带滤波电路由RC 低通滤波器构成。信号电压经过包络检波和低通滤波器后分别接到电压比较器的同相输入端和反相输入端, 另外,电压比较器的输入端还通过电阻引入偏置电压[5]。

    反向散射调制是通过并联电阻R1 在数据流的时钟中接通或断开,通过电阻值的设置调节调制深度。ASK 信号需经过功率放大才能达到发射所需的功率, 选用Maxim 公司生产的低压硅RF 功率放大器MAX2430。MAX2430 应用于数字无绳电话, 915MHzISM频带应用, 双向寻呼, 无线局域网( LAN) , 蜂窝电话, AM和FM模拟发射器。

    图4 为超高频电子标签射频模拟前端的整体电路设计图。

    5.2 标签射频模拟前端的Multis im 仿真结果

    Multisim 是构建电路并立即模拟运行的理想工具, 适用于模拟/ 数字线路板的设计[7]。结合上面设计的标签射频模拟前端电路, 利用Multisim 搭建了其关键部分的电路模块, 并进行了仿真。图5 和图6 分别是给出了各部分的时域和频域仿真结果。

    图5 ( a) 中信号是经过二极管桥式整流电路和滤波电路后, 滤除高频成分得到输出给标签供电的直流电压信号。( b)中如图5 所示, 处于图上方的信号是电压信号, 处于下方的是复位信号。当电源电压上升到一定值时, 复位信号跳高使控制部分正常工作。( c) 中可看到通过包络产生电路产生的包络信号还含有很多没有滤除的高频成分, 这样的信号如果直接输入到电压判决器的话, 由于高频信号的干扰, 会造成判决出错等情况, 所以我们必须对这个包络信号再进行低通滤波滤除多余的高频成分后, 再输出给电压判决器判决输出解调。( d)中位于上方的是未进行低通滤波的包络信号, 下方是进行了低通滤波的包络信号, 明显可以看出高频成分被滤除了。

    图6( a) 中是未调制的基带数字信号的频谱特性, 它的中心频率在基带附近,( b) 为高频载波的频谱, 它的中心频率是915MHz。( c) 为调制后信号的频谱, 它的中心频率是915MHz。将基带数字信号的频谱搬移到了以高频载波中心频率为中心的频段上。( d) 为最初产生的包络信号的频谱特性, 我们可以看到它的中心频率已经被搬移到了基带附近, 但是由于还参杂着一些我们不需要的高频成分, 它的频谱除了在基带附近增益最大外, 在其他的一些高频段上仍存在较大增益。( e) 是通过低通滤波后的包络信号频谱特性。我们可以看出, 高频成分得到了滤除, 频谱中心仍在基带, 但是频谱变得光滑。( f) 是解调后数字基带信号的频谱特性。其频率中心在基带左右, 基本满足解调要求。

    6 总结

    本文对超高频915MHz 电子标签的射频模拟前端部分进行了设计及芯片的选择, 然后用PROTEL 软件绘制了整体电路图并对其进行了Simulink 系统仿真以及Multisim 时域和频域的电路仿真, 能够实现ISO18000- 6B 要求的特性和功能。该标签成本较低, 易于开发, 具有识别距离远、通信速度快、尺寸较小等特点, 可广泛应用于集装箱跟踪、物流管理等活动。