UHF RFID閱讀器解調(diào)方式的研究

1引言

射頻識(shí)別(Radio Frequeney Identification簡稱RFID)技術(shù)是90年代興起的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID的距離可從幾厘米至幾米，這主要是由系統(tǒng)工作的頻率決定的，一般情況下，工作頻率越高．作用距離越遠(yuǎn)。盡管RFID在不同頻段有著不同的應(yīng)用。但近年來被業(yè)內(nèi)人士看好的技術(shù)是基于UHF頻段的無線射頻識(shí)別技術(shù)。
從經(jīng)典的無線傳輸模型公式(1)中
      (1)

可以看出：UHF頻段的RFID具有波長適中、遠(yuǎn)場(chǎng)耦合、標(biāo)簽 較小、空間衰耗小、工作距離相對(duì)較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。所以它適合應(yīng)用在 物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識(shí)別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場(chǎng)合。根據(jù)我國最新制定的國家標(biāo)準(zhǔn)，我國工作在UHF的RFID 的頻率為860MHz一960MHz。本文研究工作在915MHz的RFID閱讀器中的一種零中頻解調(diào)方法。 

2閱讀器工作原理 

閱讀器是RFID系統(tǒng)中的基本單元。RFID系統(tǒng)的基本組成包括標(biāo)簽和閱讀器兩部分，RFID應(yīng)用系統(tǒng)包括標(biāo)簽、讀寫器和RFID應(yīng)用平臺(tái)三大部分。如圖1所示。

2．1閱讀器系統(tǒng)概況 
在不同的頻率范圍內(nèi)，從標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方式有根本性的不同，比如，根據(jù)不同的工作頻率，傳輸方式有負(fù)載調(diào)制，反向散射，高次諧波等。但是，所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的構(gòu)造設(shè)計(jì)上是很相似的。所有系統(tǒng)的閱讀器均可簡化為兩個(gè)基本的功能塊：控制系統(tǒng)和由發(fā)送器和接收器組成的高頻接口。此外，還有許對(duì)附加的接口，以便將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給另外的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的控制由一個(gè)外部應(yīng)用系統(tǒng)通過控制指令來實(shí)現(xiàn)。(見圖2) 

2．2閱讀器射頻接口工作原理 
射頻接口是閱讀器的重要組成部分，UHF RFID閱讀器射頻接口原理圖如圖3所示。其工作原理如下：頻率源電路提供射頻載波信號(hào)源，經(jīng)功率分配器分成兩路并放大。其中一路進(jìn)入發(fā)射電路，調(diào)制放大器將欲發(fā)送的數(shù)字信號(hào)調(diào)制到頻率源輸出的射頻載波上，調(diào)制后的載波信號(hào)放大后經(jīng)功率放大器輸出。另一路被用作本振信號(hào)進(jìn)入接收電路，而來自天線的標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)同樣進(jìn)入接收電路，跟本振信號(hào)共同作用在解調(diào)電路上，解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過放大、整形，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路送入控制處理單元進(jìn)行解碼處理。

2．3解調(diào)方式 
根據(jù)其工作原理．UHF RFID閱讀器的解調(diào)方式一般采用正交零中頻解調(diào)或非零中頻解調(diào)方案。在非零中頻解調(diào)中，如果采用下變頻，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鏡像頻率。這就需要在前端使用一個(gè)高頻濾波器在混頻之前削弱鏡像信號(hào)。這對(duì)振蕩器和濾波器的要求都很高。而采用上變頻可以極大的削弱鏡像信號(hào)，可以使前端的濾波變得容易，降低了對(duì)振蕩器和濾波器的要求，但付出的代價(jià)就是頻道的選擇要在一個(gè)更高的頻率上進(jìn)行，這也給中頻處理鏈中其他的單元提出了更高的要求。 

而在零中頻解調(diào)中．由于鏡像本身也是需要的信號(hào)．因此就沒有需要抑制的鏡像信號(hào)，所以前端的鏡像抑制濾波器可以去掉。此外由于用了0中頻，所以后續(xù)的基帶處理都在很低的頻率下進(jìn)行的。這樣的系統(tǒng)允許有很高的集成度，也容易實(shí)現(xiàn)。

2．4正交零中頻解調(diào)原理
天線收到的RF信號(hào)通過一低噪聲放大器(LNA)后，分為I、Q兩個(gè)通道分別與頻率為載波頻率的兩個(gè)正交的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，直接下變頻為基帶信號(hào)，然后經(jīng)低通濾波器濾去上變頻分量，再通過放大器后送入A／D轉(zhuǎn)換器采樣，最后送入DSP處理，如圖4所示。 

本振信號(hào)為連續(xù)波，表示為VL(t)=Acosω0t，經(jīng)過90 變?yōu)閂LQ(t)=Acos(ω0t+π／2)，天線接收到的標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)為AM波，接收信號(hào)為VR(【)=B(【)cos((1)0t+‘P)，其中B(【)是標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，‘p為收發(fā)信號(hào)之間的相位差，跟天線和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)。對(duì)每路混頻器，輸入信號(hào)包括本振和接收信號(hào)，輸出信號(hào)為兩個(gè)輸入信號(hào)的混頻結(jié)果： 
I通道：wqj06．tif 
0通道：wqi07．tif 
每路信號(hào)經(jīng)低通濾波器將高頻分量2~o0t濾除掉，就得到了標(biāo)簽回發(fā)信號(hào)B(t)：

I通道為：1／2AB(t)cosq~；Q通道為：1／2AB(t)cos((P一’rr／2)。 
從上面的公式可以看出：兩通道的相位差為竹／2。這兩個(gè)信號(hào)通過放大器放大后進(jìn)入DSP進(jìn)行處理．最終得到所需要的數(shù)據(jù)。

由于I、Q通道的信號(hào)是正交的，且它們只和閱讀器天線和標(biāo)簽之間的距離有關(guān)，也就是說，當(dāng)標(biāo)簽位于閱讀器天線覆蓋區(qū)域里，I、Q信號(hào)的正交性決定了這兩個(gè)信號(hào)不可能同時(shí)為零，這樣就保證了總有一路不為零的信號(hào)送人DSP處理器，保證了收到信號(hào)的有效性。 

3結(jié)束語 

本文在對(duì)UHF RFID閱讀的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)工作在UHF RFID閱讀器中的射頻接口模 
塊，并根據(jù)其工作原理確定了其中所用的解調(diào)器的解調(diào)方式，并對(duì)這種解調(diào)方式的合理性進(jìn)行了研究．實(shí)驗(yàn)也證明了這種解調(diào)方式簡化了閱讀器的設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本，而且性能也有一定的提高。鑒于國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，中國成為世界工廠及最大的應(yīng)用市場(chǎng)的地位和作用的日益顯著。RHD技術(shù)在物流和供應(yīng)鏈中的應(yīng)用必將發(fā)揮越來越重要的作用。RFID技術(shù)的研究及產(chǎn)品的開發(fā)也顯得日益重要。我國應(yīng)該研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID技術(shù)，以利于國內(nèi)產(chǎn)品向著降低成本、走向世界的方向發(fā)展。 

參考文獻(xiàn)： 

『l]Klaus Finkenzeller．RFID Handbook：Fundamentals and Ap． plications in Contactless Smart Cards and Identification 【MI．John Wiley＆ Sons．Ltd．2003． 
『2]Thomas H．Lee．The Design of CMOS Radio—Frequency In． tegrated Circuits『M1．Second Edition．Publishing House of Electron．ics Industry．電子工業(yè)出版社．2005．694～762． 
『3]Jianming Zhang，Zeming Xie，Shengli Lai，Zehai Wu．A Design of RF Receiving Circuit of RFID Reader 『A1． Microwave and Millimeter Wave Technology． 
2Oo4． ICMMT 4th International Con．ference on． Proceedings 1 8—2 1 Aug．2004 Page(s)：406 —409． 
『4】張益強(qiáng)，鄭銘，張其善．遠(yuǎn)距離無源射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)『J]．遙測(cè)控制，2004(25)，4：45—49． 

編者注:由于文檔轉(zhuǎn)換的關(guān)系,部分公式和數(shù)據(jù)有些問題.特別提供原文下載.

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