基于ADI的UHF RFID讀卡器射頻前端的兩種實(shí)現(xiàn)方法解析

超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理、服裝零售等領(lǐng)域。近年來，它們?cè)跓o人售貨超市和汽車電子標(biāo)識(shí)應(yīng)用方面也獲得了廣泛的關(guān)注。本文介紹基于ADI公司的信號(hào)鏈的UHF RFID讀卡器射頻前端的兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種實(shí)現(xiàn)方法基于ADF9010 和AD9963，另一種則基于AD9361。本文主要關(guān)注中國市場(chǎng)的汽車電子標(biāo)識(shí)這一目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，這種電子標(biāo)識(shí)必須符合中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768-2013“信息技術(shù)—射頻識(shí)別—空中接口協(xié)議(800/900 MHz)”1和GB/T 35786-2017“機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)讀寫設(shè)備通用規(guī)范”2。與分立式雙組件實(shí)現(xiàn)方案相比，這個(gè)基于AD9361的解決方案大大降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，減少了組件數(shù)量和板空間，但接收器的靈敏度也有所下降。雖然本文描述的射頻前端針對(duì)特定應(yīng)用，但是分析方法和前端本身都適用于一般的UHF RFID讀卡器解決方案。

表1.標(biāo)簽讀卡器物理MAC層關(guān)鍵參數(shù)匯總 

表2.讀卡器帶外發(fā)射要求 

表3.2類讀卡器關(guān)鍵性能

標(biāo)準(zhǔn)匯總

根據(jù)GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)》，表1至表3總結(jié)了適合這些應(yīng)用的高性能2類讀卡器的關(guān)鍵空中接口參數(shù)和性能要求。

系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析

無源RFID系統(tǒng)有兩個(gè)基本的鏈路限制：對(duì)于正向鏈路，標(biāo)簽需要將接收到的讀寫器發(fā)射的射頻功率轉(zhuǎn)換成直流，讓自身的電子設(shè)備工作起來。通常情況下，前向鏈路的限制在于此。反向鏈路則受讀卡器接收器靈敏度限制。正向和反向鏈路預(yù)算公式3， 4如公式1至公式3所示：

Prip：標(biāo)簽接收各向同性功率

Ptx：讀卡器發(fā)射功率

Gtx：讀卡器發(fā)射天線增益

Gtag：標(biāo)簽天線增益

FSPL：自由空間路徑損失

Prx：讀卡器接收信號(hào)功率

Grx：讀卡器接收天線增益

?mod：標(biāo)簽調(diào)制效率

d：讀卡器和標(biāo)簽之間的距離

λ：自由空間中的信號(hào)波長

根據(jù)GB/T 35786-2017第6.2節(jié)和第6.5.2.2節(jié)的定義，Ptx為30 dBm，饋線插入損耗小于1 dB，所以實(shí)際的Ptx約為29 dBm?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用10 dBi到12 dBi增益的天線，所以假設(shè)Gtx為12 dBi。對(duì)于Grx，在汽車電子標(biāo)識(shí)應(yīng)用中，讀卡器通常采用單天線配置，而讀卡器使用單根天線進(jìn)行傳輸和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。標(biāo)簽天線通常類似于偶極子天線，可以合理地假設(shè)Gtag = 2 dBi。?mod代表標(biāo)簽的調(diào)制效率，由標(biāo)簽反向調(diào)制讀寫器的發(fā)射信號(hào)時(shí)，標(biāo)簽天線匹配和標(biāo)簽阻抗漂移決定，可以合理地假設(shè)?mod = –8 dB。中心頻率為922.5 MHz，所以λ= 0.33 m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預(yù)算基于前面描述的公式和參數(shù)計(jì)算得出。

圖1.正向和反向鏈路預(yù)算計(jì)算

為了支持標(biāo)準(zhǔn)中定義的25米鏈路范圍，標(biāo)簽靈敏度應(yīng)該高于-18.7 dBm，讀卡器靈敏度應(yīng)該高于-70.4 dBm。在該標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)簽靈敏度要求被定義為-18 dBm，與分析結(jié)果高度吻合。但是，讀卡器的靈敏度要求被定義為 –65 dBm，與 分析結(jié)果相比存在較大偏差。這種偏差可能來自于標(biāo)簽天線的增益值。在汽車電子標(biāo)識(shí)應(yīng)用中，不需要將標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)成全向的。增加一個(gè)反射器將導(dǎo)致天線增益增加3 dB。由于標(biāo)簽天線增益(Gtag)在公式2中為平方值，所以讀取器的靈敏度分析結(jié)果將增加6 dB，達(dá)到–64.4 dBm。在這種情況下，分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

UHF RFID讀卡器中的自我干擾器

在UHF RFID系統(tǒng)中，讀取器在發(fā)送連續(xù)波(CW)信號(hào)為無源標(biāo)簽供電時(shí)，會(huì)同時(shí)以相同頻率接收來自標(biāo)簽的反向散射信號(hào)。由于發(fā)送器-接收器之間的隔離性能欠佳，強(qiáng)連續(xù)波信號(hào)和相關(guān)的發(fā)送器噪聲會(huì)泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號(hào)被稱為自干擾(SJ)信號(hào)，它會(huì)降低讀卡器的靈敏度。

在汽車電子標(biāo)識(shí)應(yīng)用的RFID讀卡器中，定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號(hào)的產(chǎn)生主要是由于天線的反射、定向耦合器的隔離都有限以及連接到耦合器耦合端口的電路反射造成的。

可以使用兩種方法來克服這個(gè)SJ信號(hào)問題。第一種方法是在接收器LNA之前設(shè)計(jì)一個(gè)自干擾消除(SJC)電路。第二種方法是使用零中頻接收器架構(gòu)，而且發(fā)射器和接收器使用的相同的本地振蕩器(LO)。在這種情況下，自干擾信號(hào)將在基帶轉(zhuǎn)換為直流，然后使用隔直電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合。在這個(gè)隔直點(diǎn)后，去除了SJ信號(hào)，后續(xù)元件的動(dòng)態(tài)范圍要求隨之放寬。這意味著在基帶上可增加足夠的增益以降低接收器的噪聲系數(shù)(NF)。這兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以結(jié)合使用。一個(gè)典型的SJC電路如圖2所示。

圖2.典型的自干擾消除電路

讀卡器關(guān)鍵RF性能分析

包含UHF RFID讀卡器RF前端的SJC電路框圖如圖3所示。ADI公司的AD9963集成了雙通道DAC和雙通道ADC。ADF9010集成了發(fā)射器調(diào)制器、PLL/VCO、接收器基帶濾波器和PGA。解調(diào)器ADL5382 包含在ADF9010評(píng)估板中。 ADL5523 用作LNA，它可提供低噪聲系數(shù)、高增益和高線性度。75 dB高動(dòng)態(tài)范圍射頻檢波器LT5538 適合SJC RF功率檢波器使用。

對(duì)于發(fā)射器來說，在數(shù)字域內(nèi)，應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，以滿足頻域ACLR的要求，以及時(shí)域RF包絡(luò)的要求。在模擬域，

圖3.UHF RFID讀卡器RF前端框圖。

圖4.使用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀卡器RF前端

PA線性度和LO相位噪聲都會(huì)影響ACLR的性能。經(jīng)過低通濾波后，由TPP編碼的ASK信號(hào)的峰均比 (PAR)約為2 dB。PA平均輸出功率約為32 dBm，裕量為1 dB，因此應(yīng)選擇大于35 dBm P-1 dB的PA。對(duì)于LO相位噪聲，125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于-40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于-60 dBc。對(duì)于帶外發(fā)射要求，需要采用一個(gè)RF濾波器，以滿足發(fā)射器在諧波頻率處的雜散要求。對(duì)于接近工作頻率的要求，例如在915 MHz和930 MHz，100 kHz測(cè)量帶寬的噪聲為–52 dBm的要求，RF濾波器一般尚未衰減，所以調(diào)制器在0 dBm輸出功率時(shí)的本底噪聲要求約為–52 – 10 × log10 (105) – 30 = –132 dBm/Hz。在5 MHz偏移量下的相位噪聲要求也應(yīng)小于 –132 dBc。

接收器的靈敏度在GB/T 35786-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為-65 dBm。假設(shè)讀卡器在所有可能的數(shù)據(jù)速率下都滿足-65 dBm靈敏度要求，那么640 kHz反向鏈路頻率(BLF)應(yīng)該是最糟的情況。對(duì)于包含RFID讀卡器的SJC，從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15 dB，因此SJC輸出點(diǎn)的靈敏度要求為–80 dBm，假設(shè)不包含直流的標(biāo)簽反向散射信號(hào)功率為–80

– 3 = –83 dBm。ASK調(diào)制信號(hào)解調(diào)閾值約為11 dB，BLF 640 kHz上行鏈路信號(hào)的信號(hào)帶寬為2.56 MHz。所以總的NF需求為：NF ≤ –83 – (–174 + 10 × log10 (2.56 × 106) + 11) = 15.9 dB。這個(gè)NF總體要求包括SJC之后的接收器電路的噪聲影響、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器信號(hào)支路與 自干擾支路之間的延時(shí)是匹配的，那么SJC電路在抵消CW自干擾信號(hào)的同時(shí)，發(fā)射器的泄漏噪聲也會(huì)得到很好的抵消。發(fā)射器泄漏噪聲包括三部分：相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。一般情況下，幅度噪聲和白噪聲會(huì)抵消至–174 dBm/Hz本底噪聲。對(duì)于剩余的相位噪聲，由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO，由于距離相關(guān)效應(yīng)，它在下變頻過程中會(huì)轉(zhuǎn)換為直流。6在這種情況下，矢量調(diào)制器分支噪聲將是唯一的額外引入噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器分支本底噪聲為–162 dBm/Hz，因此在SJC電路輸出端，有效NF為–174 – (–162) = 12 dB，那么SJC之后接收器電路的NF要求為10 × log10 (101.59 – 101.2) = 13.6 dB。

基于ADF9010和AD9963的解決方案

ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調(diào)制器、本地振蕩器(LO)和接收器模擬基帶前端，工作頻率范圍為840 MHz至960 MHz。AD9963是12位低功耗MxFE®轉(zhuǎn)換器，提供兩個(gè)采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個(gè)采樣速率為170 MSPS的DAC通道。

使用ADF9010和AD9963實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端的框圖如圖4所示。ADL5523與ADL5382和ADF9010(接收器增益設(shè)置為24 dB)整個(gè)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)NF小于3 dB。

為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端，筆者做了兩塊電路板。一塊是包括自適應(yīng)SJC算法在內(nèi)的SJC板，另一塊是集成了ADL5382，ADF9010和AD9963的收發(fā)信板。這兩塊板級(jí)聯(lián)在一起，用于測(cè)試發(fā)射和接收系統(tǒng)級(jí)RF性能。

為了進(jìn)行發(fā)射測(cè)試，采用Python®構(gòu)建由TPP編碼、50%調(diào)制深度、Tari設(shè)置為12.5 μs RFID下行鏈路波形的DSB-ASK，并將其下載至FPGA板。在PA輸出功率為32 dBm的天線端口上測(cè)試了頻譜域ACLR和時(shí)域RF包絡(luò)。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。對(duì)于ACLR測(cè)試結(jié)果，鄰道的值大約是-42 dBc，具有2 dB裕量，隔道的值為-64 dBc，具有4 dB裕量。對(duì)于RF包絡(luò)，紋波小于1%，與5%限值相比具有足夠的裕量，且上升時(shí)間和下降時(shí)間都在1 μs和8.25 μs限值范圍內(nèi)。

為了進(jìn)行接收測(cè)試，使用ADI公司的SPDT RF開關(guān)HMC545A 構(gòu)建標(biāo)簽仿真器，由微控制器單元進(jìn)行控制?？刂颇Ｊ绞且粋€(gè)RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表。利用MATLAB.®構(gòu)建了一個(gè)ASK解碼程序。通過使用此程序?qū)Q進(jìn)行解碼，并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以計(jì)算得出BER和接收器的靈敏度。圖6顯示了接收到的IQ數(shù)據(jù)和FFT圖。從圖中可以看出，該程序成功解碼了一個(gè)具有320 kHz BLF的-74 dBm RFID上行線路信號(hào)。

圖5.測(cè)試設(shè)置圖

圖6.發(fā)射器測(cè)試結(jié)果

使用AD9361來實(shí)現(xiàn)前端

AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，能夠通過不同配置實(shí)現(xiàn)各種廣泛應(yīng)用。它在單個(gè)器件中集成了提供所有收發(fā)器功能所需的全部RF、混合-信號(hào)和數(shù)字模塊。為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀卡器，發(fā)射器和接收器應(yīng)該使用相同的LO來利用距離相關(guān)效應(yīng)，因此使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑，而不是常規(guī)的接收器路徑。AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑會(huì)旁路內(nèi)部LNA，所以添加了一個(gè)外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一種高性能GaAs pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。圖8所示的框圖顯示了用于實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端的AD9361。與分立式組件方案相比，這款基于AD9361的解決方案得到了大幅簡(jiǎn)化。AD9361基帶采用直流耦合，而不是交流耦合。在這種情況下，需要SJC電路能夠?qū)⒆愿蓴_信號(hào)降低到足夠低的水平，例如小于–35 dBm，避免模擬電路出現(xiàn)飽和。因此，可以在數(shù)字域中移除自干擾轉(zhuǎn)換直流信號(hào)。

AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑增益分布由兩部分增益組成：前端增益(發(fā)射器監(jiān)控增益)和接收低通濾波器增益(GBBF)。發(fā)射器監(jiān)控器增益可以設(shè)置為0 dB、6 dB或 9.5 dB。GBBF可以設(shè)置為0 dB至24 dB，步長1 dB。利用這種靈活的增益配置，可以輕松實(shí)現(xiàn)接收器AGC功能。對(duì)于這個(gè)UHF RFID讀卡器應(yīng)用，發(fā)射器監(jiān)控路徑增益設(shè)置為3 dB，GBBF設(shè)置為6 dB。當(dāng)AD9361增益設(shè)置為3 dB時(shí)，ADL5523和AD9361的發(fā)射器監(jiān)控端口的級(jí)聯(lián)NF約為12.6 dB。與13.6 dB分析要求相比，此設(shè)置存在1 dB的裕量，如果殘余的自干擾信號(hào)為

-35 dBm，則數(shù)字域功率為–7 dBfs。

圖7.接收到的接收器數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)

圖8.使用AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端的框圖

圖9.測(cè)試設(shè)置框圖

基于AD9361的解決方案、測(cè)試設(shè)置和結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端，利用之前提到的包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板與AD9361級(jí)聯(lián)在一起，用于測(cè)試發(fā)射器和接收器系統(tǒng)級(jí)RF性能。測(cè)試設(shè)置框圖和連接圖如圖9和圖10所示。

測(cè)試結(jié)果如圖11所示。對(duì)于ACLR測(cè)試結(jié)果，鄰道的值大約是-42 dBc，具有2 dB裕量，隔道的值為-61 dBc，具有1 dB裕量。對(duì)于RF包絡(luò)，紋波小于1%，滿足5%限值裕量要求。上升時(shí)間和下降時(shí)間在1 μs和8.25 μs限值范圍內(nèi)。

為了進(jìn)行接收器測(cè)試，構(gòu)建了一個(gè)RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表，并將其下載到信號(hào)生成器SMW200A，然后針對(duì)SMW200A進(jìn)行配置，利用此數(shù)據(jù)列表發(fā)射DSB ASK信號(hào)。AD9361接收到的IQ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA板中，并利用FTP工具提取到PC。利用MATLAB構(gòu)建一個(gè)ASK解碼程序。使用此程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以計(jì)算得出BER和接收器的靈敏度。圖12顯示了MATLAB程序的FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，該程序成功解碼了一個(gè)具有640 kHz BLF的-65 dBm RFID上行線路信號(hào)。

 

圖10.測(cè)試設(shè)置圖

圖11.發(fā)射器測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

本文首先概述了中國的汽車電子標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算、RFID中采用的關(guān)鍵技術(shù)(例如SJC)，以及關(guān)鍵的RF性能要求。最后，設(shè)置基于ADF9010和AD9963的解決方案，以及基于AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)性能測(cè)試?；贏DF9010和AD9963的解決方案具有高性能和相當(dāng)大的裕量，可以滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求?；贏D9361的集成解決方案在降低接收器靈敏度的情況下也滿足這些要求，與分立式雙組件方案相比，此方案明顯簡(jiǎn)化。雖然本文描述的射頻前端針對(duì)特定應(yīng)用，但是分析方法和前端本身都適用于一般的UHF RFID讀卡器解決方案。

圖12.接收到的接收器數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)

參考文獻(xiàn)

1 GB/T 29768-2013 “信息技術(shù)—射頻識(shí)別—空中接口協(xié)議(800/900 Mhz)。”

2 GB/T 35786-2017 “機(jī)動(dòng)車電子標(biāo)識(shí)讀寫設(shè)備通用規(guī)范。”

3 Monza X天線應(yīng)用筆記。Impinj.

4 Gregor Lasser、Christoph F. Mecklenbrauker。“RFID讀卡器的自干擾 噪聲限值。”2015年IEEE國際RFID會(huì)議，2015年6月。

5 Alírio Boaventura、João Santos、Arnaldo Oliveira、Nuno Borges Carvalho。“完全隔離：無源RFID 系統(tǒng)中的自干擾處理。”IEEE微波雜志，第17卷第11期，2016年11月。

6 Byung-Jun Jang、Hyun-Goo Yoon。“UHF RFID讀卡器 相位噪聲的距離相關(guān)效應(yīng)。”IEEE微波與無線元件快報(bào)，2009年1月