射頻識別系統(tǒng)讀卡器該如何設(shè)計？

射頻識別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是一種基于雷達(dá)技術(shù)發(fā)展而來的識別技術(shù)，其主要原理是通過無線電磁波進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并實現(xiàn)目標(biāo)識別，RFID技術(shù)是微波技術(shù)、密碼學(xué)以及無線通信原理等眾多學(xué)科知識交叉的新興產(chǎn)物，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了高速公路收費管理、鐵路物流運輸控制管理及工業(yè)自動化監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以劃分為低頻(135kHz以下)、高頻?(13.56MHz)、超高頻?(860～930MHz)和微波?(2.4GHz以上)等幾類。射頻識別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽(射頻標(biāo)簽)、天線和閱讀器組成。

讀卡器一般由射頻信號處理模塊、基帶信號處理模塊、控制單元以及和外部設(shè)備連接的接口模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻信號處理模塊主要實現(xiàn)三大功能：一是通過天線發(fā)射足夠功率的射頻電磁波，以激發(fā)電子標(biāo)簽并為其提供能量;二是對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)制的信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電磁波傳送給標(biāo)簽;三是接收并解調(diào)來自電子標(biāo)簽的射頻信號。為了處理往來于應(yīng)答器的兩個方向上的數(shù)據(jù)流，射頻信號處理模塊有兩個不同的信號通道，傳送到電子標(biāo)簽中去的數(shù)據(jù)通過發(fā)射電路分支，而來自于電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過接收電路分支處理。

控制單元的主要功能：與上層應(yīng)用軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用軟件發(fā)來的命令;控制與電子標(biāo)簽的通信過程;信號的編碼與解碼。對于某些特定系統(tǒng)還有以下的附加功能：執(zhí)行防碰撞算法;對電子標(biāo)簽與讀卡器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密;進(jìn)行電子標(biāo)簽和讀卡器之間雙向的身份驗證。

惡劣的讀卡器應(yīng)用環(huán)境

RFID的應(yīng)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(luò)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(shè)計為能夠抵御強(qiáng)干擾信號，避免產(chǎn)生可導(dǎo)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(biāo)簽響應(yīng)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(shè)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(shè)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(biāo)簽提供電源。在收到請求后，電子標(biāo)簽通過對載波進(jìn)行調(diào)幅，響應(yīng)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(dǎo)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(qiáng)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(yīng)將高通角頻率設(shè)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(biāo)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(yīng)被設(shè)置為5MHz，以便最大碼流信號穿過濾波器，達(dá)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(jìn)行數(shù)字化處理。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)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(shè)置靈活性，該設(shè)置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行。

基帶任務(wù)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(shè)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(fù)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(dāng)調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時，ACPR指標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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。