基于現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)的射頻讀卡器設計

   
      基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：天線或線圈、帶RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標簽（每個標簽具有唯一的電子識別碼）。表1顯示了常用的四個RFID頻率及其潛在的應用領域。其中，目前商業(yè)上應用最廣的是超高頻（UHF），它在供應鏈管理中有可能得到廣泛的應用。

　　EPC電子標簽

　　EPC表示電子產(chǎn)品代碼，是RFID電子標簽的標準，它包括電子標簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和無線通信協(xié)議。EPC標準將條形碼規(guī)范中的數(shù)據(jù)信息標準與ANSI或其他標準化組織（802.11b）制定的無線數(shù)據(jù)通信標準結(jié)合在一起。目前應用在供應鏈管理中的EPC標準，屬于第二代EPC Class-1標準。

　　Class-1標簽在出廠時已經(jīng)被寫入

　　惡劣的讀卡器應用環(huán)境

　　RFID的應用環(huán)境可能非常惡劣。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫(yī)藥（ISM）頻帶。此頻帶中的RFID讀卡器受到來自無繩電話、無線耳麥、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡以及其他臨近讀卡器的干擾。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設計為能夠抵御強干擾信號，避免產(chǎn)生可導致詢問錯誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平，以便具備足夠的動態(tài)范圍，從而以無錯方式檢測出低電平標簽響應信號。

                        
      圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器，是一個成熟的設計，能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個高動態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器，因此最大限度地提高了穩(wěn)定性并降低了成本。

　　實用和可靠的射頻接收器設計

　　接收器的核心是Linear公司的LT5516，這是一種高度集成化的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器，芯片上提供了一個精確正交移相器（0度至90度）。來自天線的信號在通過射頻濾波器之后，通過一個不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數(shù)很低，在不需要低噪放大器（LNA）的情況下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

　　在接收數(shù)據(jù)時，讀卡器發(fā)射連續(xù)載波（未調(diào)制），以便為標簽提供電源。在收到請求后，電子標簽通過對載波進行調(diào)幅，響應一個碼流。所采用的調(diào)制方式為幅移鍵控（ASK）或者反相-幅移鍵控鍵控（PR-ASK）。解調(diào)器帶有兩個正交移相檢出式輸出端口，因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導致某個通道無法接收信號，另一條通道（移相90度）就可接收較強的信號，反之亦然。這樣，整體接收可靠性就得以提高。

　　一旦解調(diào)完成，即可將I（相內(nèi)）和Q（正交相位）差分輸出信號以AC方式耦合至一個運算放大器（被配置為一個差分放大器），隨后被轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。這個時候應將高通角頻率設置為5KHz，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號頻率，高于最大多普勒頻率（可能被運動標簽采用），同時保持高于電力線頻率（60Hz）。這樣，輸出信號就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過低通濾波器。低通角頻率應被設置為5MHz，以便最大碼流信號穿過濾波器，達到基帶。

　　基帶信號然后被一個雙路低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（LTC2291，分辨率為12位）進行數(shù)字化處理。由于標簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進行充分的采樣，從而精確地捕獲解調(diào)信號。在需要的時候，還可在基帶DSP中實現(xiàn)額外的數(shù)字濾波。這樣，接收器就能具備最大的邏輯閾值設置靈活性，該設置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行。

　　基帶任務和數(shù)字化射頻信道化處理，可提高用全FPGA解決方案實現(xiàn)的吸引力和集成度。

    高動態(tài)范圍射頻發(fā)射器設計

　　發(fā)射器集成了一個鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換式調(diào)制器。LT5568具備很高的線性度和較低的背景噪聲，因此能夠為所發(fā)射的信號提供出色的動態(tài)范圍性能。調(diào)制器能夠從數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接收正交式基帶I和Q信號，然后直接調(diào)制至900MHz發(fā)射頻率。

　　在內(nèi)部，LO（本地振蕩器）被精確正交移相器分割。經(jīng)調(diào)制的射頻信號被合并為一個單端、單邊帶射頻輸出信號（鏡像被抑制了46dBc）。此外，調(diào)制器還帶有匹配的I和Q混合器，從而最大限度地抑制了LO載波信號（至-43dBm）。

　　復合調(diào)制電路具備出色的鄰道功率比（ACPR），有助于滿足發(fā)射頻率屏蔽要求。例如，當調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時，ACPR指標優(yōu)于-60dBc。由于具備更出色的ACPR性能，信號可被放大至許可的1w功率（在美國為+30dBm），或者放大至2w，以符合歐盟規(guī)范。在上述兩種情況下，重要的是保持電平固定，因為該電平用于向電子標簽提供電源，并最大化讀卡距離。LTC5505型射頻功率檢測器的內(nèi)部溫度補償功能，可準確地測定功率，提供穩(wěn)定的反饋信號，以調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率。

　　基帶處理和網(wǎng)絡接口

　　在基帶頻率上，FPGA執(zhí)行發(fā)送至DAC和來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形的信道化任務。這一過程也被稱為數(shù)字中頻處理，涉及濾波、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換和采樣率變化等。F