UHFRFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器射頻收發(fā)模塊硬件設(shè)計(jì)綜述

引 言

射頻收發(fā)模塊是UHFRFID讀寫(xiě)器中一個(gè)至關(guān)重要的模塊，主要由調(diào)制解調(diào)電路及天線組成，完成高頻信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、發(fā)射接收，是標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的高頻接口，它的實(shí)現(xiàn)方式直接關(guān)系到讀寫(xiě)器控制處理模塊的設(shè)計(jì)以及整個(gè)超高頻讀寫(xiě)器的性能[1]。因此，在進(jìn)行 UHFRFID讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)時(shí)， 首要解決的問(wèn)題就是射頻收發(fā)電路采用何種實(shí)現(xiàn)方案。

1 射頻收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

UHF RFID 讀寫(xiě)器射頻收發(fā)模塊的實(shí)現(xiàn)方式通常有三種： 采用專用UHF RFID 讀寫(xiě)器芯片；采用集成無(wú)線收發(fā)芯片； 采用分立組件搭建[2]。

1.1 采用專用讀寫(xiě)器芯片的射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

目前較成熟的應(yīng)用有 UHFRFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器的專用讀寫(xiě)器芯片， 主要有 Impinj公司的 R1000和 R2000，WJ公司的 WJC200，PHYCHIPS 公司的 PR9000和 AMS公司的AS3990、AS3991和 AS3992等。香港科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、北京大學(xué)等一些科研機(jī)構(gòu)與高校也在開(kāi)展UHFRFID系統(tǒng)讀寫(xiě)器射頻收發(fā)芯片的研發(fā)工作 [3,4]。這些芯片集成了讀寫(xiě)器中大部分的射頻前端電路和部分?jǐn)?shù)字電路，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，數(shù)字基帶的編解碼及標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的處理可以在芯片內(nèi)完成。如 R2000符合EPCglobalUHFClass 1Gen2／ ISO18000-6C國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成 ASK調(diào)制解調(diào)器、濾波器、功放、FPGA等模塊[5] ；AS3992集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模擬前端，并且內(nèi)置了 ISO18000-6C 的完整協(xié)議處理系統(tǒng)，寄存器數(shù)量少，方便小型設(shè)備開(kāi)發(fā)，與 R1000、R2000相比抗干擾能力更強(qiáng)[6]。WJ 公司的產(chǎn)品一般是將WJC200 和ARM7 控制器結(jié)合，以小封裝模塊的形式推出的，如WJM3000 和WRJ7000[7] ；PR9000 在接收靈敏度、穩(wěn)定性、密集標(biāo)簽閱讀等方面與R1000、R2000 及AS3992 相比較差，適合近距離、低端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)控制以及與上位機(jī)通信只需要一個(gè)非常簡(jiǎn)單的MCU 和一些接口電路就可以實(shí)現(xiàn)，芯片外圍的射頻前端只需要一個(gè)環(huán)行器或定向耦合器或電橋作為隔離器件隔離發(fā)射和接收通道 ；若需要拓展讀寫(xiě)距離，可以在芯片的射頻輸出端增加一個(gè)射頻功率放大器。

采用專用讀寫(xiě)器芯片實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)模塊的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，只需要添加讀寫(xiě)器芯片的外圍器件和匹配電路就可以工作，外圍電路簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，降低了開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，性能可靠有保障，非常適合讀寫(xiě)器的小型化應(yīng)用。如遠(yuǎn)望谷公司以及文獻(xiàn) [8]、文獻(xiàn) [9]、文獻(xiàn) [10] 使用 R1000 和R2000 開(kāi)發(fā)了多款產(chǎn)品 ；文獻(xiàn) [6]、文獻(xiàn) [11]、文獻(xiàn) [12] 的射頻處理采用奧地利微電子公司的AS3992 芯片為核心。缺點(diǎn)是芯片的核心技術(shù)完全由國(guó)外把持，核心技術(shù)受制于人，無(wú)法做到擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)保密，不利于我國(guó) RFID 事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)，單片專用讀寫(xiě)器芯片及隔離器件價(jià)格昂貴， 讀寫(xiě)器的硬件制作成本高昂，不利于 UHF RFID 應(yīng)用的大面積推廣，若芯片停產(chǎn)或者購(gòu)買(mǎi)不到芯片，相關(guān)的開(kāi)發(fā)將付諸東流，開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品將會(huì)受到停產(chǎn)的威脅。

1.2 采用集成無(wú)線收發(fā)芯片的射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

采用專用讀寫(xiě)器芯片的成本較高，核心技術(shù)又完全由國(guó)外把持，因此，UHF RFID 讀寫(xiě)器射頻收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)通常采用通用集成收發(fā)芯片代替專用讀寫(xiě)器芯片。目前應(yīng)用廣泛的通用集成收發(fā)芯片有ADI 公司推出的 ADF7020、ADF9010，TI 公司的 CC1100、CC1110，Nordic 公司的 nRF905、nRF9E5 等，發(fā)射通道和接收通道都使用通用集成無(wú)線收發(fā)芯片。為

提高讀寫(xiě)距離，在發(fā)射鏈路前端增加一個(gè)射頻功率放大器， 為防止射頻載波功率大量泄漏到接收通路的接收器芯片，采用了環(huán)行器或定向耦合器隔離發(fā)射通道和接收通道。文獻(xiàn) [13]、文獻(xiàn) [14]、文獻(xiàn) [15] 射頻收發(fā)模塊就是選用ADF7020 及射頻收發(fā)隔離、諧波濾波、電路匹配和功率放大等外圍電路構(gòu)成。文獻(xiàn)[16] 的射頻收發(fā)模塊由CC1100 射頻收發(fā)片、功率放大電路、接口電路等部分組成。

上述芯片技術(shù)較為成熟，集成度高、射頻性能優(yōu)越、成本低、能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。但這些芯片功率一般，不能直接滿足RFID 的設(shè)計(jì)要求，而且協(xié)議完全由軟件實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度較大。

1.3 采用分立組件的射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

分立組件搭建的射頻收發(fā)模塊主要包括調(diào)制模塊、射頻功放、天線、解調(diào)模塊、低噪聲放大器等。設(shè)計(jì)的思路是把射頻收發(fā)模塊分成射頻發(fā)送單元和射頻接收單元分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，再集成到一塊射頻板上。模塊的結(jié)構(gòu)通常有兩種，一種是在發(fā)射端采用高性能的鎖相環(huán)和混頻器，在接收端使用低噪聲放大器和混頻器。另一種主要是面向低成本的設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn) [2] 采用了通用收發(fā)芯片和分立元件搭建射頻前端電路的方案，在射頻發(fā)射通路，使用通用射頻收發(fā)芯片產(chǎn)生載波信號(hào)并調(diào)制基帶信號(hào)，射頻功率放大器用于放大射頻信號(hào)，增加讀寫(xiě)器的輸出功率。在接收通路使用四通道、零中頻接收機(jī)方案， 利用四路雙差分結(jié)構(gòu)解決讀寫(xiě)盲區(qū)或靈敏度不夠等問(wèn)題 ；利用便宜的二極管作為簡(jiǎn)單的單端混頻器用于每個(gè)通道上，對(duì)接收到的標(biāo)簽信號(hào)進(jìn)行下變頻處理。

分立組件設(shè)計(jì)方案可以大大縮減硬件成本，并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以根據(jù)不同模塊的集成度和性能參數(shù)的不同， 設(shè)計(jì)出符合不同需求的讀寫(xiě)器，靈活性和可移植性都非常強(qiáng)， 最終開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品成本比較低。存在的缺點(diǎn)是器件數(shù)目多，調(diào)試難度大，需要考慮系統(tǒng)工作流程，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求高，后端的微處理器以及數(shù)字信號(hào)處理模塊的選擇需要仔細(xì)斟酌 ；其射頻性能不如采用集成讀寫(xiě)器芯片，尤其在多讀卡器環(huán)境下， 讀寫(xiě)器的穩(wěn)定性不能得到保障 ；由于射頻收發(fā)模塊使用的是雙通道檢波結(jié)構(gòu)，讀寫(xiě)器工作時(shí)存在明顯的讀寫(xiě)盲區(qū)。

2 結(jié) 語(yǔ)

采用分立組件實(shí)現(xiàn)UHF RFID 讀寫(xiě)器射頻收發(fā)模塊是早期比較常用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的模塊電路復(fù)雜，功耗大，集成之后的射頻板尺寸較大，不利于讀寫(xiě)器的手持化。集成無(wú)線收發(fā)芯片目前在無(wú)線監(jiān)測(cè)、無(wú)線報(bào)警、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、遙控等領(lǐng)域有著相當(dāng)多的應(yīng)用，在 UHF RFID 系統(tǒng)讀寫(xiě)器上也已經(jīng)有了許多成功的應(yīng)用案例。專用讀寫(xiě)器芯片由于其集成度高，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間， 現(xiàn)已成為目前國(guó)內(nèi)主流 UHF RFID 讀寫(xiě)器開(kāi)發(fā)的首選。近年來(lái)，讀寫(xiě)器不斷向小型化、便攜化、低功耗的方向發(fā)展，要求讀寫(xiě)器具有更快的識(shí)別速度、更低的漏讀率、超多目標(biāo)識(shí)別、多標(biāo)準(zhǔn)兼容[10]。因此，選用集成度更高、功耗更低、功能更全面、成本更低、功率調(diào)節(jié)范圍更大、接收靈敏度更高的專用讀寫(xiě)器芯片是未來(lái)射頻收發(fā)模塊硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的方向。