無源超高頻RFID應(yīng)答器的設(shè)計
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從RFIDIC設(shè)計角度看，RFID存在兩個主要的設(shè)計約束：功率可用性/帶寬和應(yīng)答器的復(fù)雜性。無源UHFRFID應(yīng)答器設(shè)計要求折衷考慮功率要求、復(fù)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(yī)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(jù)"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(qū)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(yīng)答器的復(fù)雜性是另一個設(shè)計約束因素。應(yīng)答器的接收范圍取決于RFIC片(標簽)的最低導(dǎo)通功率(閾值功率)。在UHFRFID系統(tǒng)中，無源反向散射原理經(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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)RFID芯片也包含非易失性存儲器，所以設(shè)計工程師可以重用該電路拓撲，實現(xiàn)產(chǎn)生高電壓的電路，從而節(jié)省開發(fā)時間。
Dickson結(jié)構(gòu)的簡化等式如式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(dǎo)體器件來構(gòu)建，但采用肖特基二極管和低閾值電壓(VTH)MOSFET的設(shè)計具有最佳性能。Dickson電荷泵電路要求輸入電壓很小，設(shè)計工程師可以通過控制級數(shù)(N)來選擇想要的輸出電壓和輸入阻抗。但由于整流器件數(shù)量多，并存在泄漏電流和寄生參數(shù)，Dickson電荷泵的功率轉(zhuǎn)換效率較低。
RFID應(yīng)答器的調(diào)制器和解調(diào)器
RFID調(diào)制器將應(yīng)答器數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID詢問器或讀卡器。反向散射調(diào)制被專門用在UHFRFID系統(tǒng)中。EPCGen2協(xié)議定義了幅移鍵控(ASK)和相移鍵控(PSK)兩個調(diào)制方案。在ASK調(diào)制方案中，兩個阻抗狀態(tài)(只改變純電阻，開路或短路或等于兩個非零電阻)在兩個天線引腳之間互相切換。用戶可以選擇任何一個狀態(tài)來表示邏輯1或0。在PSK調(diào)制方案中也有兩個受控的阻抗狀態(tài)，但只改變虛部值。為在兩個虛部電抗值之間切換，設(shè)計工程師常常使用大MOSFET或帶壓敏電容的變?nèi)荻O管。
圖3：天線/RFID芯片連接的簡單等效電路可用電抗與電阻并聯(lián)來表示。
在UHFRFID芯片設(shè)計中，天線端的等效阻抗可用電抗與電阻并聯(lián)來表示(圖3)。假設(shè)天線具有最小散射，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=天線電阻，R=芯片電阻，Ae=有效的雷達截面(RCS)面積。
在ASK調(diào)制中，天線端的等效阻抗為實數(shù)(X>>R)，并在R1和R2之間對數(shù)據(jù)信號進行了調(diào)制。為使兩個狀態(tài)具有一樣的阻抗失配，選擇R1R2=R2A就足夠了。此時，在這兩個狀態(tài)中從天線傳送到負載的功率相等。假設(shè)R2>R1，為調(diào)制天線端的等效電阻，可以使用一個由數(shù)據(jù)信號驅(qū)動的開關(guān)，將電阻RMOD與應(yīng)答器輸入電阻(R2)并聯(lián)，這樣R1=R2||RMOD。當(dāng)不接電阻RMOD時，從天線等效的電阻等于R2，從天線傳送到負載的所有功率PIN2都可用來給應(yīng)答器供電。當(dāng)連接RMOD時，天線端的等效電阻等于R1，從天線傳送到負載的功率PIN的一部分可以用來為發(fā)射應(yīng)答器供電，其余功率消耗在電阻RMOD上。當(dāng)PIN2等于PIN1時，R1=R2。因此，從設(shè)計角度看，在ASK機制中不可能為標簽IC提供恒定功率。相應(yīng)的等式為：
其中，PAV=平均功率，Ae=有效RCS面積。
在PSK調(diào)制方案中，R=RA，這樣應(yīng)答器近似處于匹配狀態(tài)，虛部分量X與數(shù)據(jù)信號進行調(diào)制。反向散射信號的相位信號θ由式4確定：
如果對X進行以零為中心的對稱調(diào)制，則應(yīng)答器的輸入功率PIN在調(diào)制期間保持不變，由式5確定：
大多數(shù)PSK調(diào)制器允許用輸入信號對輸出電容進行調(diào)制。應(yīng)答器中變化的電抗分量常常是容性的，因為這更節(jié)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?guī)缀醪徽济娣e。在應(yīng)答器前端，當(dāng)信號發(fā)生變化時，可采用匹配網(wǎng)絡(luò)(感性元件)，以便與在調(diào)制器輸出端等效的電容平均值發(fā)生諧振，因此：
其中，C1=當(dāng)輸入信號等于1時的調(diào)制器輸出電容，C2=當(dāng)輸入信號等于0時的調(diào)制器輸出電容。
天線端的等效平均電抗(X)包括微分電容分量，并由式7確定：
在ASK和PSK的實現(xiàn)中，調(diào)制方案的選擇將影響芯片的輸入阻抗、位誤碼率(BER)和應(yīng)答器的輸入功率。應(yīng)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、性能與頻率無關(guān)的優(yōu)點，但由于PSK能為應(yīng)答器提供恒定電源，所以設(shè)計工程師通常更愿意選擇PSK。
解調(diào)器被用來將RF載波中的數(shù)字信息解調(diào)出來。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(diào)制(AM/ASK)兼容的調(diào)制機制(DSBASK、SSB-ASK和PR-ASK)是詢問器-標簽調(diào)制方案的實際選擇，正如EPCGen2協(xié)議所定義的那樣。對ASK兼容信號進行解碼所需的模擬元件是類似的，也是整流器和比較器。有些系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制(PWM)，因此除了使用包絡(luò)檢波器外，這些系統(tǒng)中的解調(diào)器必須測量輸入信號的脈寬，并利用脈寬甄別器區(qū)分信號中的數(shù)字1和數(shù)字0信息，否則數(shù)字模塊必須區(qū)分基于不同編碼的脈沖。
ASK采用最簡單的RF檢波，它使用了一個用二極管電容網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的基本包絡(luò)檢波器。ASK解調(diào)器將以幅度變化形式存在的信息解調(diào)出來。解調(diào)器實際上是一個邊沿檢波器。在RFID系統(tǒng)的前向鏈路中不采用PSK，因為PSK解調(diào)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(fù)雜，而且需要很大的裸片面積。
圖4：RFID應(yīng)答器的邏輯內(nèi)存映射。
解調(diào)器的工作原理是：輸入載波通過整流器和包絡(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(shè)計中必須考慮三個因素：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(shù)據(jù)率加標簽、編碼和包絡(luò)屏蔽期間的低通濾波參數(shù)。濾波器帶寬應(yīng)該小于信號帶寬。有關(guān)數(shù)據(jù)包絡(luò)的規(guī)范在RFID空中接口協(xié)議中有說明。
比較器必須滿足UHFRFID應(yīng)答器解調(diào)器定義的性能要求。應(yīng)答器輸入電壓的動態(tài)范圍應(yīng)根據(jù)不同的物理區(qū)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(yīng)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。
比較器的另一個重要參數(shù)是遲滯性。當(dāng)模擬輸入信號緩慢移動或者包含噪聲時，但輸入信號處于閾值點附近時，比較器輸出可能發(fā)生振蕩。利用遲滯性可使輸出轉(zhuǎn)換期間的振蕩最小，但高遲滯性也意味著靈敏度下降、轉(zhuǎn)換速度變慢。
RFID應(yīng)答器的數(shù)字控制模塊
數(shù)字控制模塊處理詢問命令、執(zhí)行防沖突協(xié)議、進行數(shù)據(jù)總校驗、運行存儲器讀寫操作，并執(zhí)行輸出控制和數(shù)據(jù)流動。EPCGen2標準的命令組很復(fù)雜，需要使用復(fù)雜的數(shù)字核。根據(jù)用戶需求，如果要實現(xiàn)全部的Class1(包括讀寫)性能，則需要非易失性存儲器。
詢問器利用三種基本操作管理標簽組。這些操作中的每一個都包含一個或多個命令。這些操作定義如下：
1．選擇過程是詢問器選擇RFID標簽組用于編目和讀寫的過程。在編目之前，詢問器可能使用一個或多個"選擇"命令來選擇某一特定標簽組。
2．編目過程是詢問器識別不同標簽的過程。詢問器通過以發(fā)射四個節(jié)中的一個之一發(fā)射"查詢"命令，開始編目過程。一個或多個RFID標簽可能回答。詢問器檢測到一個信號標簽回答后，請求該標簽的PC、EPC和CRC-16。每次只能一個節(jié)進行編目操作。
3．讀寫過程是詢問器與單個標簽交互問答(讀或者寫)的方法。在讀寫之前，單個標簽必須惟一標識。讀寫包括多個命令，其中有些使用了R=>T連接的一次基于焊盤覆蓋編碼。
與讀卡器命令一致，標簽將把其內(nèi)部狀態(tài)以7個響應(yīng)中的一個發(fā)送:Ready，ArbitRAte,Reply，Acknowledged，Open,Secured和Killed。標簽可能同時支持多達4個會話，使其可將分離的和編目的標簽連接至目前環(huán)境下的各個讀卡器。該標簽通過分時，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問器和標簽來處理。在編目階段，詢問器首先發(fā)出Query命令，一旦接收，標簽將把產(chǎn)生的15b隨即數(shù)(RNG)代碼從內(nèi)部裝入其槽計數(shù)器。如果裝載的RNG為零，標簽將通過把它本身的代碼反射回輪詢器的辦法來回答輪詢器。如果裝載的RNG不為零，標簽保持原來的狀態(tài)。讀卡器則給標簽發(fā)送另一個QueryRep。一旦接收到，標簽將減少其槽計數(shù)器數(shù)，并且當(dāng)值變?yōu)榱銜r回復(fù)。如果發(fā)送Query或QueryRep命令后沒有檢測到?jīng)_突，詢問器將給標簽發(fā)回ACK(應(yīng)答)命令。標簽接收ACK命令后將變?yōu)閼?yīng)答狀態(tài)，準備接收下一個命令。詢問器將記錄已成功輪詢的標簽。如果回復(fù)后，標簽沒有從讀卡器接收到ACK命令，就回到Arbitrate狀態(tài)，減小槽計數(shù)器的值。沖突控制機制基本上取決于裝入槽計數(shù)器的RNG值。因為可以回復(fù)詢問器可能性為215，所以不同標簽可以以時分交替方式共享通信。
標簽存儲器分為四個不同的組，每一個都包含0或者更多的存儲字(見圖4)：
1．包含取消和讀取密碼的保留存儲器。
2．包含有一個CRC-16、協(xié)議控制(PC)位的EPC存儲器，以及標簽連接或?qū)⑦B接的用來標識物體的電子產(chǎn)品碼(EPC)。
3．TID存儲器包含有一個8-bISO/IEC15963分配類標識，用于詢問器惟一標識常規(guī)命令和/或標簽支持的可選功能。
4．允許用戶定義數(shù)據(jù)存儲的用戶存儲器。存儲器結(jié)構(gòu)由用戶定義。
所有內(nèi)存條的邏輯地址從零(00h)開始編址。物理內(nèi)存映射由銷售商定義。
在EPCGen2協(xié)議中，標簽設(shè)計工程師可以自由選擇ASK或者PSK的反射調(diào)制，詢問器(讀卡器)必須能支持任何一個類型的解碼。除了選擇調(diào)制類型外，要發(fā)送的數(shù)據(jù)還必須被編碼成FM0基帶或者Miller調(diào)制信號。數(shù)字模塊應(yīng)該根據(jù)編碼選擇，插入合適的前同步信號序列。數(shù)字模塊也必須包含一個可以將輸入脈沖船轉(zhuǎn)換成有效命令的解碼器。
從電路設(shè)計角度看，除整流器外，應(yīng)答器的數(shù)字模塊消耗了大多數(shù)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(yīng)答器的工作范圍，使數(shù)字模塊的功率消耗最小非常重要。標準單元庫被經(jīng)常用來綜合應(yīng)答器的數(shù)字模塊。針對有些情況，制造商還開發(fā)了定制單元，以提供低功耗性能。
應(yīng)答器中的存儲器單元很重要。為實現(xiàn)標簽的讀/寫，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/寫標簽中的應(yīng)用。如果需要EEPROM和閃存，就必須采用雙層多晶硅工藝。
數(shù)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)來實現(xiàn)。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(shè)計時間也相當(dāng)長。因為重新配置工作可以轉(zhuǎn)移到具有更高抽象能力的軟件工程上，所以設(shè)計更改非常方便。
本文小結(jié)
UHFRFID應(yīng)答器的一個主要設(shè)計約束是功率估算，它必須為數(shù)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。另一個設(shè)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單的RFID發(fā)射應(yīng)答器中，整流器和數(shù)字模塊這兩個部分的功耗最大。數(shù)字模塊的不同性能參數(shù)使設(shè)計工程師可以在不同的設(shè)計約束之間進行折衷，包括架構(gòu)、邏輯類型和綜合過程中最優(yōu)化的面積/功耗。
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