超高頻電子標(biāo)簽（RFID)射頻模擬前端的設(shè)計(jì)與仿真

當(dāng)前國內(nèi)對(duì)RFID標(biāo)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(duì)較少。然而后者由于具有操作距離遠(yuǎn)、通信速度快、尺寸小等優(yōu)點(diǎn), 未來的應(yīng)用將更廣泛。本文介紹了一種符合ISO18 000- 6B 標(biāo)準(zhǔn)的超高頻( 中心頻率為915MHz) 標(biāo)簽的工作原理、主要特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并給出了其射頻模擬前端關(guān)鍵部分電路的設(shè)計(jì)與仿真。

2 工作原理及其特性

2.1 工作原理

RFID 系統(tǒng)一般包括閱讀器、標(biāo)簽( 或稱射頻卡) 兩部分。當(dāng)標(biāo)簽收到閱讀器主動(dòng)發(fā)出的射頻信號(hào)時(shí), 標(biāo)簽被喚醒,一方面通過射頻耦合的方式獲取能量, 另一方面將收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào), 從載波中還原出數(shù)字信號(hào), 然后根據(jù)其中包含的指令完成相應(yīng)的操作, 并將應(yīng)答信息通過反向散射回送給閱讀器。當(dāng)同時(shí)有多個(gè)標(biāo)簽出現(xiàn)在閱讀器的射頻場時(shí), 閱讀器通過啟動(dòng)防沖突算法, 逐個(gè)識(shí)別標(biāo)簽。

根據(jù)供電方式的不同, 標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽兩種, 都由標(biāo)簽芯片和天線組成。本文介紹的是一種無源超高頻電子標(biāo)簽, 本身無電源, 靠從閱讀器的射頻場獲取能量。每個(gè)標(biāo)簽都含有唯一的識(shí)別碼, 用來標(biāo)識(shí)標(biāo)簽所附著物體的信息。

2.2 物理接口

標(biāo)簽和閱讀器之間基于“閱讀器先發(fā)言”的傳輸機(jī)制, 采用半雙工的通信方式。射頻接口采用ASK 載波調(diào)制, 調(diào)制深度為11%或99%( 本文設(shè)計(jì)的標(biāo)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(biāo)簽的應(yīng)答格式

標(biāo)簽收到閱讀器的命令后, 進(jìn)行處理并應(yīng)答, 應(yīng)答格式如下:

靜默是標(biāo)簽持續(xù)2 字節(jié)的反向散射; 返回幀頭是一個(gè)16位數(shù)據(jù)“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”; 數(shù)據(jù)通常包含一個(gè)64 位的UID 號(hào)、8 位的標(biāo)志段以及用戶信息;CRC 采用16 位數(shù)據(jù)編碼[3]。

3 標(biāo)簽整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標(biāo)簽由天線、射頻模擬前端、控制部分組成。

圖1 顯示出了標(biāo)簽的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。天線用于發(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(diào)制電路、穩(wěn)壓電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、偏置電路以及上電復(fù)位電路組成, 用于獲取能量并調(diào)制解調(diào)信號(hào); 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(chǔ)器用于存儲(chǔ)標(biāo)簽的系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù), 存儲(chǔ)時(shí)間可以長達(dá)幾十年, 并且在沒有供電的情況下, 其數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失。

圖1 標(biāo)簽射頻模擬前端系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真

4 標(biāo)簽射頻模擬前端系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真

超高頻915MHz 電子標(biāo)簽沒有內(nèi)部電源供電, 所需能量由天線耦合高頻信號(hào), 經(jīng)過模擬前端整流穩(wěn)壓產(chǎn)生。模擬前端的另外一個(gè)功能是產(chǎn)生啟動(dòng)數(shù)字電路工作的上電復(fù)位信號(hào)。同時(shí), 模擬前端還將對(duì)接收的信息進(jìn)行解調(diào)和對(duì)發(fā)送信息的調(diào)制。所以模擬前端是射頻識(shí)別系統(tǒng)中的重要組成部分, 是射頻識(shí)別技術(shù)區(qū)別與其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的根本標(biāo)志。

4.1 標(biāo)簽射頻模擬前端的Simulink 功能框架設(shè)計(jì)

Matlab 中的Simulink 是一種系統(tǒng)級(jí)的仿真工具[4], 將系統(tǒng)中各部分電路的功能對(duì)應(yīng)建立其相應(yīng)的模塊, 先對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)仿真, 在達(dá)到預(yù)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(biāo)簽?zāi)M前端功能框圖。

圖2 射頻模擬前端的Simulink 仿真框圖

4.2 標(biāo)簽射頻模擬前端的系統(tǒng)級(jí)仿真結(jié)果

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

正弦調(diào)制: 即用正弦波( 載波) 和數(shù)字信號(hào)相乘即可得到,可通過將數(shù)字信號(hào)增益后疊加常數(shù)信號(hào)來進(jìn)行調(diào)制深度的調(diào)節(jié)。直流電源的產(chǎn)生: 是通過將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行絕對(duì)值的運(yùn)算來模擬全波整流, 通過低通濾波器傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)來模擬濾波。圖3 中( a) 為整流濾波電路仿真結(jié)果, 可看到a 中整流濾波后得到直流電壓, 可給標(biāo)簽供電。

包絡(luò)檢波解調(diào)電路: 由一個(gè)非線性器件和低通濾波器實(shí)現(xiàn), 非線性器件用絕對(duì)值實(shí)現(xiàn), 而低通濾波由傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)。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(shù)實(shí)現(xiàn), 電壓判決器由比較器實(shí)現(xiàn)。包絡(luò)產(chǎn)生電路和檢波電路連接在一起就構(gòu)成包絡(luò)檢波解調(diào)電路從而恢復(fù)出數(shù)字信號(hào),( b) 中可看到解調(diào)之后的數(shù)字信號(hào)和原來的未調(diào)制前一致。

復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生: 可由電壓比較器實(shí)現(xiàn),( c) 中可看到當(dāng)電源電壓上升至可使標(biāo)簽正常工作的穩(wěn)定值時(shí), 復(fù)位信號(hào)跳高并保持穩(wěn)定電壓。這樣可使標(biāo)簽啟動(dòng)工作。結(jié)果表明標(biāo)簽射頻模擬前端原理設(shè)計(jì)基本正確, 獲得了較滿意的仿真結(jié)果。

5 標(biāo)簽射頻模擬前端電路級(jí)設(shè)計(jì)與仿真

5.1 標(biāo)簽射頻模擬前端電路級(jí)設(shè)計(jì)

通過上述Simulink 系統(tǒng)仿真結(jié)果并結(jié)合超高頻電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo), 下面給出射頻模擬接口關(guān)鍵部分電路的設(shè)計(jì)及部分芯片選型。

復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生電路: 選擇National Semiconductor 公司生產(chǎn)的LMV7235 電壓比較器芯片來設(shè)計(jì)。該芯片具有開漏輸出,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(cè)。

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(jī)而設(shè)計(jì)的, 適用于GSM以及ISM 頻帶發(fā)射機(jī)。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(yīng)用于數(shù)字通信系統(tǒng)800~1000MHz 頻率范圍的收發(fā)機(jī)。采用5V 電源供電,當(dāng)0dB 輸入到集成的本振驅(qū)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(qū)動(dòng), 并具有高LO- RF 隔離。帶通濾波器: 選擇日本富士通半導(dǎo)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(nèi)波紋小, 滿足發(fā)射部分信能指標(biāo)要求。

時(shí)鐘信號(hào)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(xiàn)。

包絡(luò)檢波電路: 由非線性器件和低通濾波器組成。非線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(gòu)成。信號(hào)電壓經(jīng)過包絡(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電阻引入偏置電壓[5]。

反向散射調(diào)制是通過并聯(lián)電阻R1 在數(shù)據(jù)流的時(shí)鐘中接通或斷開,通過電阻值的設(shè)置調(diào)節(jié)調(diào)制深度。ASK 信號(hào)需經(jīng)過功率放大才能達(dá)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(yīng)用于數(shù)字無繩電話, 915MHzISM頻帶應(yīng)用, 雙向?qū)ず? 無線局域網(wǎng)( LAN) , 蜂窩電話, AM和FM模擬發(fā)射器。

圖4 為超高頻電子標(biāo)簽射頻模擬前端的整體電路設(shè)計(jì)圖。

5.2 標(biāo)簽射頻模擬前端的Multis im 仿真結(jié)果

Multisim 是構(gòu)建電路并立即模擬運(yùn)行的理想工具, 適用于模擬/ 數(shù)字線路板的設(shè)計(jì)[7]。結(jié)合上面設(shè)計(jì)的標(biāo)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(jié)果。

圖5 ( a) 中信號(hào)是經(jīng)過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(biāo)簽供電的直流電壓信號(hào)。( b)中如圖5 所示, 處于圖上方的信號(hào)是電壓信號(hào), 處于下方的是復(fù)位信號(hào)。當(dāng)電源電壓上升到一定值時(shí), 復(fù)位信號(hào)跳高使控制部分正常工作。( c) 中可看到通過包絡(luò)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的包絡(luò)信號(hào)還含有很多沒有濾除的高頻成分, 這樣的信號(hào)如果直接輸入到電壓判決器的話, 由于高頻信號(hào)的干擾, 會(huì)造成判決出錯(cuò)等情況, 所以我們必須對(duì)這個(gè)包絡(luò)信號(hào)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(diào)。( d)中位于上方的是未進(jìn)行低通濾波的包絡(luò)信號(hào), 下方是進(jìn)行了低通濾波的包絡(luò)信號(hào), 明顯可以看出高頻成分被濾除了。

圖6( a) 中是未調(diào)制的基帶數(shù)字信號(hào)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(diào)制后信號(hào)的頻譜, 它的中心頻率是915MHz。將基帶數(shù)字信號(hào)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(hào)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) 是通過低通濾波后的包絡(luò)信號(hào)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(diào)后數(shù)字基帶信號(hào)的頻譜特性。其頻率中心在基帶左右, 基本滿足解調(diào)要求。

6 總結(jié)

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