| 标题 | 新型RFID阅读器接收电路设计 |
| 范文 | 刘占线 摘 要：射频识别(RFID)系统，由于其智能、快速、耐久、记忆容量大等优点，拥有广阔的应用发展前景。主要研究了UHF频段RFID阅读器接收电路的设计，分析了其零中频接收电路结构，解决了由RFID系统自身特殊性所带来的零点问题和直流漂移，最终通过仿真验证了该电路结构的可行性。 关键词：超高频射频识别； 阅读器； 零中频; 滤波 中图分类号：TN92-34文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)09-0183-03 Design About Receiver Circuit of UHF RFID Reader LIU Zhan-xian (Department of Computer Science,Shaanxi Vocational & Technical College,Xian 710100,China) Abstract： Radio Frequency Identification (RFID) has wide application prospect because of its intelligence,high-speed,durability,extended memory and some other advantages. The receiver circuit of UHF RFID reader is designed. Zero-IF architecture is analyzed,and DC offset produced by RFID is presented. The feasibility of the architecture is validated by simulation experiment. Keywords： UHF RFID; reader; zero-IF; filter 0 引 言 阅读器主要由控制单元、高频收发模块、天线以及其他与后台设备相连的接口组成。应答器，又叫作标签，是RFID读取数据的来源，主要由天线和微电子芯片组成。RFID系统的关键部分是阅读器，实现阅读器的核心技术是接收电路。本文主要分析和构造了UHF无源RFID阅读器接收电路。 1 基本架构 组成RFID阅读器的电路结构如图1所示，其上半部分为发射链路，而其下半部分为接收链路。 采用UHF频段的阅读器首先针对基带信号实施PIE编码，同时实施80%～100%ASK调制过程。在接收电路部分需支持PSK或ASK形式的解调，同时可以实施对基带信号的米勒或FM0副载波解码。系统的发射信号如下： f(t)=A(1+m(t))cos(ωct) (1) 式中：f(t)代表标签接收的信号；m(t)代表基带信号；载波频率则用ωc表示。 而在标签反向散射过程中，接收端接收到信号如下： g(t)=B(1+m′(t))cos(ωct+φ) (2) 式中：g(t)表示接收端接收到的信号；m′(t)表示标签端基带信号。 最终在接收电路中进行下变频，解调过程和结果如下： B(1+m′(t))cos(ωct+φ)cos(ωct) =12B(1+m′(t))［cos(2ωct+φ)+cos φ］ LPF12B(1+m′(t))cos φ (3) 式中:LPF代表通过低通滤波器后的结果。 图1 RFID阅读器电路结构 图1中的环行器隔离器件，通常能够实现20～30 dB的隔离效果。此外，利用两个独立的天线分别负责接收与发射的任务，也能够实现较好的隔离效果。需要注意的是，在接收过程中，一定要同时发射同频载波，所以能得出以下结论，系统中的噪声分以下几种：周围环境因素干扰噪声，发射端耦合接收端的同频泄漏以及电子器件自身噪声，此外还需关注器件接口间的损耗。 依据雷达方程: Pr=PtGtArσ(4π)2R2tR2r (4) 式中:Pr，Pt分别表示接收与发射功率;Gt表示发射增益;Ar表示接收天线的面积;σ表示雷达截面积;Rr，Rt分别表示接收与发射路径长度。 根据雷达方程，能推导得出对数形式的通信方程，如下所示： Pr=Pt+Gt－Lc－Lcs+Gr (5) 也就是说，接收功率等于发射天线增益、发射功率以及接收天线增益之和，再减去系统损耗、空间损耗，所以空间损耗Lc可以用如下算式得出： Lc (dB)=32.45+20lg R(km)+20lg f (MHz) (6) 如果无调制载波是f(t)=Acos(ωct)，标签发射的信号是g(t)=B(1+m(t))cos(ωct+φ)，而且环行器发射端至接收端的泄漏(即TX-RX Leak)和f(t)有关联，是l(t)=Ccos(ωct);s(t)=cos(ωct)表示时钟信号，那么l(t),g(t)分别和s(t)混频之后结果如下： g(t)*s(t)=B(1+m(t))cos((ωct)+φ)*cos(ωct) LPF12B(1+m(t))cos φ (7) l(t)*s(t)=Ccos(ωct)*cos(ωct)LPF12C (8) 由功率的比较可以得知，系数C，即TX-RX Leak解调之后的幅度远大于标签返回信号的幅度，且可以看出是一个很大的直流分量，所以解调过程中产生的直流偏移是一个棘手的问题。因此可以得出结论，发射端耦合到接收端的同频泄漏是最主要的干扰，如何抑制这种干扰则需进一步的研究。对抑制干扰的方法研究较多，各解决方案也不尽相同。通过式(3)及式(7)能够看出，系统接收到的信号与时钟信号具有特定的相位差φ，因为标签的位置不同，cos φ也会随之变化，所以在接收电路中，使用正交结构。 2 系统仿真与理论验证 实施Simulink仿真，构造了系统收发链路的结构，如图2所示。图2中上半部分为标签接收信号与发射链路，下半部分为环行器收发耦合信号和标签返回信号相互叠加的结果，并在接收端实施下变频过程。根据ISO18000-6C协议标准，标签返回信息使用Miller副载波调制或FM0编码调制，再实施ASK调制，在仿真环境里使用重复的“1101001101”序列的FM0编码。因为Miller编码或FM0编码的频谱具有较小的直流分量特性，因此在滤波时，把它和下变频过程中生成的较大的DC直流漂移过滤掉。如果阅读器至标签距离为1 m，经计算空间损耗是18 dB，其中环行器隔离度可设置成20 dB。 图2 RFID系统Simulink仿真 经过接收机解调之后，获取的标签返回信息时域波形如图3所示，上下两个波形分别表示标签端发射的基带信息，以及接收机解调后信息。图4表示的是在接收链路中，滤除DC前后的信号频谱，上图为滤除DC后的信号频谱，而下图为滤除前的频谱，其含有较大的DC分量。 图3 阅读器接收电路解调输出结果 图4 阅读器接收电路解调输出信号频谱分析 图4中能够看到，需要在接收机混频器后端，插接一个可以过滤直流的滤波器,由于对FM0信号的 完整性没有影响，所以可以满足系统需求。同时可以看出,因为环行器反向泄漏等影响，造成接收端的收发同频干扰比较大，容易导致接收机阻塞。 3 结 语 综上所述，本文基于ISO18000-6C协议，研究设计了UHF RFID阅读器接收电路，并对于零中频接收结构实施了理论分析，对其优缺点也进行了分析。通过仿真，得出零中频结构的信号波形和频谱特性，能够看出其可以实现RFID系统的要求。 参考文献 ［1］国家质量监督检验检疫总局.射频识别协议-第1类第2代UHF RFID 860兆赫~960兆赫通讯协议[S].北京：国家质量监督检验检疫总局,2000. ［2］石荣，陈锡明，唐南，等.通信方程与雷达方程的统一性分析［J］.电子对抗，2006(5)：15-17. ［3］KIM Wan-Kyu,LEE Moon-Que,KIM Jin-Hyun. A pa-ssive circulator for RFID application with high isolation using a directional coupler [C]// 36th European Microwave Conference. Manchester: [s.n.],2006: 196-199. ［4］CURTY Jari-Pascal,DECLERCQ Michel. Design and optimization of passive UHF RFID systems [M]. [S.l.]: Springer,2007. ［5］黄群.图像比对技术在侦察破案中的应用［J］.影像材料，2002(1)：23-24. ［6］张津，万振凯.基于数学形态学的图像二值化算法［J］.仪器仪表用户，2008(2)：80-81. ［7］OUYANG Sen，WANG Jian-hua. A new morphology method for enhancing power quality monitoring system [J]. Electrical Power and Energy Systems,2007(29): 121-128. ［8］李晓飞，马大玮，粘永健,等.图像腐蚀和膨胀的算法研究［J］.影像技术，2005(1)：37-39. ［9］杨淑莹.VC++图像处理程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2003. ［10］宫海波，武岳山，刘奕昌.一种2.45 GHz频段RFID读写器天线[J].现代电子技术,2010,33(7):59-63. ［11］田径,储海兵.RFID读写器的设计[J].现代电子技术,2009,32(1):54-57. ［12］公磊，周聪.基于Android的移动终端应用程序开发与研究［J］.计算机与现代化，2008(8)：85-89. ［13］韩青.以商业级Linux抓住Android带来的商机［J］.现代电信科技，2008(1)：24-26. 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 |
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