基于零中頻的聲表面波射頻識別收發(fā)機的設計

　　射頻接收和發(fā)送模塊位于無線通信系統(tǒng)的最前端，其性能和結構直接影響整個通信系統(tǒng)。其器件尺寸的不斷縮減及電源電壓的不斷下降，也對模擬集成電路設計提出了更高的要求，高度集成化、低功耗、高速度都成為射頻工程師追求的目標。因此，具有高集成度、低功耗等特點的零中頻接收機將成為未來無線通信領域的趨勢[1]。本文在介紹零中頻結構性能和特點的基礎上，結合聲表面波(SAW)的物理特性，給出了SAW RFID系統(tǒng)的設計方案。

　　1 SAW RFID系統(tǒng)組成

　　SAW RFID具有無線無源、識別距離遠、識別速度快、批量生產成本低、對液體和金屬不敏感的優(yōu)點，可以用來測量壓力、應力、扭曲、加速度以及溫度等參數的變化，應用廣泛。

　　一個完整的聲表面射頻識別系統(tǒng)[2]至少包括收發(fā)機、SAW標簽以及天線三部分，如圖1所示。其中，SAW標簽由叉指換能器(IDT)和刻在標簽上的反射柵組成。識別時，讀卡器的天線周期性地發(fā)送高頻詢問脈沖在電子標簽天線的接收范圍內，并在晶體表面?zhèn)鞑?。根據聲表面波的物理特性，接收到的信號經過壓電效應和逆壓電效應進行聲電以及電聲的轉化，實現標簽信號的發(fā)送和接收，收發(fā)機通過天線傳輸電信號。

　　2 零中頻SAW RFID收發(fā)機設計

　　零中頻(Zero-IF)[3]又稱為直接下變頻(Direct-Conversion)解，其方法是將信號從載波直接變頻到基帶。這時中頻為零，鏡頻和自身信號重疊在一起，要采用I/Q正交的結構抑制鏡像頻率干擾。由于零中頻接收機不需要片外高Q值帶通濾波器，所以可以實現單片集成而受到廣泛的重視。

　　零中頻接收機最大的優(yōu)勢是：下變頻過程中不需經過中頻，且鏡像頻率(即射頻信號本身)不存在鏡像頻率干擾，原超外差結構中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器均可省略。這樣一方面取消了外部元件，有利于系統(tǒng)的單片集成，降低了成本;另一方面系統(tǒng)所需的電路模塊及外部節(jié)點數減少，降低了接收機所需的功耗，并減少了射頻信號受外部干擾的機會。

　　零中頻結構的優(yōu)點是：(1)零中頻方案利用直接解調方案，不存在中頻頻率，因此沒有鏡像干擾。(2)接收機的射頻部分只包含了射頻放大器以及混頻器，易于滿足線性動態(tài)范圍的要求。(3)電路設計簡單，容易集成，成本較低，PCB布板覆蓋面積小。

　　2.1 收發(fā)機電路設計

　　2.2 接收機電路設計

　　本系統(tǒng)的接收機采用零中頻的結構進行設計。零中頻接收機由于沒有中頻帶通濾波器的影響，在應用中也比超外差收發(fā)信機更靈活。不過零中頻結構存在直流偏置、本振泄漏、偶次失真和閃爍噪聲[3]等問題。針對這些問題，本文的解決方案如下。

　　(1)直流偏置是零中頻方案特有的一種干擾，本文采用交流耦合以及諧波混頻來解決，具體設計如圖3所示。

　　(2)本振泄露是指混頻器中泄露到輸出口或輸入口的本振信號。本文按照GB7236選擇高隔離度的混頻器以及采用本振泄漏消除電路對本振泄漏預校正參數進行修正。

　　(3)在電路設計中，可以采用提高混頻器和鎖相環(huán)的隔離度或在低噪聲放大器和混頻器中間使用全差分結構來抑制偶次諧波，進而消除偶次失真。

　　(4)將零中頻結構中的混頻器設計成有一定增益，并且盡量減小混頻器的噪聲來降低閃爍噪聲。

　　此外，由于器件的性能和品質都直接影響接收機接收信號的質量，所以在電路設計過程中，選取高性能、低損耗的器件，以減少干擾噪聲。

　　根據以上解決方法，本文給出如圖3所示的零中頻接收機的設計方案。圖3中前端包括帶通濾波器(BPF)和低噪聲放大器(LNA)，其中帶通濾波器在常溫下射頻輸出功率最大可達到12.6 W，插入損耗比較低(為1.2 dB)，并且損耗變化幅度為±0.25 dB，性能良好。低噪聲放大器具有低噪聲、高增益、廣泛的動態(tài)范圍等優(yōu)點，在900 MHz頻段其增益可達到17 dB、低噪聲系數不超過1.0 dB。

　　此外，該接收機采用I、Q零中頻正交解調結構[5]，來自于天線的標簽反射信號經功分器分成兩路，分別送入相應的混頻器與相差90°相位的兩路本振信號混頻得到I、Q兩路基帶信號。該微弱信號隨后經過低噪聲放大器和低通濾波器放大濾波后，經A/D采樣送入基帶處理器進行解碼處理。設計中同時利用了自動增益控制(AGC)平衡和匹配的作用來防止直流漂移受增益變化的影響而產生干擾，以增加系統(tǒng)的可靠性。

　　2.3 控制單元設計

　　控制單元的硬件系統(tǒng)由前端模塊、DSP處理模塊、顯示模塊、系統(tǒng)功能模塊和電源模塊組成，如圖4所示。

　　DSP是整個系統(tǒng)的核心模塊，其采用的是TI公司的TMS320DM6437芯片[6]，主要作用是實現數據的實時處理。其數據的傳輸通過前端模塊實現，主要是通過收發(fā)機進行實時采集。功能模塊是實現用戶需求的模塊，其主要功能包括語音輸入/輸出、SD卡的讀寫、USB的傳輸以及溫度的測量等。電源模塊主要用于保障整個系統(tǒng)電源的穩(wěn)定。

　　3 測試結果與性能分析

　　為了驗證所設計的接收機傳輸性能的質量，本文通過頻譜分析儀分別對發(fā)送信號和接收信號進行了測量，并給出測試結果分析。

　　如圖5所示，以915 MHz脈沖信號為例，利用Agilent E4407B頻譜分析儀[7]對發(fā)送信號進行頻譜分析，可以得到高質量的915 MHz的脈沖信號，信號強度高達13.36 dBm，而干擾噪聲近似為0。

　　利用信號源產生915 MHz信號，該信號經過零中頻接收機，經射頻前端處理、正交解調、放大濾波之后送給A/D芯片進行采樣。如圖6所示，采樣頻率為40 MHz，采樣輸入信號為20 kHz，此時信噪比可以達到70 dB以上，滿足接收機要求。

　　本文采用了I、Q零中頻正交解調技術，結合SAW的物理特性，針對零中頻結構中的直流偏置、偶次失真等問題，設計了一種SAW RFID收發(fā)機，并以SAW RFID系統(tǒng)結構為基礎，分別給出了發(fā)射機和接收機的設計框圖，同時描述了各射頻模塊的輸出功率、損耗、增益等參數性能，減少收發(fā)機的誤碼率和噪聲干擾。研究表明，該系統(tǒng)體積小、成本低、電路簡單，發(fā)射915 MHz信號時功率高達13.36 dBm，同時接收機信噪比可以達到70 dB，干擾小，達到了系統(tǒng)設計要求。

　　參考文獻

　　[1] 陳焱舒.應用于GSM零中頻接收機的基頻電路設計[D].西安：西安電子科技大學，2009.

　　[2] 王圣禮.超高頻射頻識別(RFID)閱讀器的設計與實現[D].杭州：浙江大學，2008.

　　[3] 李志群，王志功.零中頻射頻接收機技術[J].電子產品世界，2004(13)：69-72.

　　[4] LUDWIG R，BRETCHK0 P.射頻電路設計——理論與應用[M].王子儀，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

　　[5] 徐建，吳建輝，時龍興，等.雙正交零中頻接收機拓撲結構設計[J].電路與系統(tǒng)學報，2000，5(2)：78-81.

　　[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320DM6437 video/imaging fixedpoint digital signal processor[R].2010.

　　[7] 陳旻，劉平.頻譜分析儀檢波方式的分析與研究[J].現代電子技術，2010(1):97-99,102.