零中频接收技术在RFID设计中的应用

RFID（射频识别）技术是近年来发展迅速的一种自动识别技术。射频识别的距离可从几十厘米至几米，这是由系统工作频率和标签类型（有源和无源）决定的；根据电子标签的读写方式，又分为只读标签和可读可写标签；对于单次或多次可写的标签，依其内存大小。可以输入数个甚至数千个字节的信息；同时，电子标签还具有极高的保密性。射频识别技术适用的领域主要包括：物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合，要求频繁改变数据内容的场合尤为适用。  



UHF RFID读卡机是指工作在UHF频段的RFID阅读系统，国际通用的UHF频段就是ISM（工业、科学、医药）公用频段，如865_868MHz、902_928MHz等频段，它们分别适用于不同的国家或地区，前者是欧洲使用频段，而后者大多在美国、加拿大等国家使用。高频系统的基本特点是电子标签及读卡机成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远，适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。  



目前，关于RFID系统的国际标准很多，尚不统一。主要的标准包括ISO/IEC 15693（13.56MHz）、ISO/IEC 18000， ISO/IEC 18000 part 6规定的是UHF频段RFID的空中接口协议。还有其他的标准组织，如美国标准组织（Auto-ID、Global EPC）以及日本标准组织等相应标准。 中国也正在制定符合本国市场需求的中国标准。  



典型RFID系统组成及工作原理  


典型RFID系统组成  


本文介绍的是UHF无源读卡机的设计原理，典型RFID的系统组成。如图1，射频识别系统的组成一般至少包括两个部分：   


       （1） 电子标签（Tag）    


       （2） 读卡机（Reader）  


其中，电子标签也常称为标签、射频卡、Tag、Transponder，而读卡机也常称为读卡器、Reader、Interrogator。当然一个完整的RFID系统还必须包括主PC、读卡机天线、接口电缆、终端监控软件等，有时一个RFID系统还需要跟internet相连以获得远端的数据信息或跟多个RFID系统相连。  

       图1　典型的RFID系统

电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中电子标签附着在待识别物体的表面。读卡机可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。进一步通过计算机及网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。  



电子标签是将体积极小（＜1mm2＝的芯片跟尺寸适中的天线固定在一起的，一般标签天线为频率受限器件，考虑到工作频段和增益的要求，天线不能做得很小。标签天线可以是单天线结构也可以是多天线即极化隔离结构。读卡机同样包括至少一付天线跟标签进行通信，读卡机的天线一般没有尺寸限制，其极化方式也是根据应用场合不同分别设计的，如果读卡机天线是园极化形式，那么对标签的安装方式则没有任何要求。  



RFID系统工作原理  



目前，国际上UHF RFID电子标签大多是无源标签。对于无源的电子标签，其工作所必须的电源是通过对读卡机天线发射来的射频信号进行检波得到的。当装有电子标签的物体目标进入到读卡机天线的有效覆盖区域里时，因为标签天线的工作频率同为读卡机天线的工作频率，则标签天线接收到足够功率的射频信号，位于标签芯片前端的电荷泵电路便开始工作，它将天线接收送来的这部分信号转换成直流电压供后端的电路使用。  



读卡机天线发射的是AM波，被标签天线接收到的该AM信号一部分进入检波电路（电荷泵），另外一部分信号则进入解调电路，解调电路输出的是AM波的包络信号，包括读卡机发给标签的时钟校正、同步等指令。而标签在对读卡机的各种指令进行分析、执行之后，将事先储存在ROM里的唯一的ID信息再调制到读卡机的发射信号上，最常使用的调制技术就是反向散射调制。标签反向散射的调制信号非常微弱，被读卡机的天线接收送入接收、解调电路，再经过DSP处理，从而得到正确的标签ID信息。  



UHF RFID读卡机设计原理  



本系统工作属于半双工模式，遵循ITF（读卡机讲话优先）原则，即标签是否需要回发信号建立在有没有接收到并正确解调出读卡机发来的指令，也就是说，系统开始工作时，先由读卡机发出一系列的读标签指令，当标签进入读卡机天线的有效覆盖区域时，会被电磁场激活，开始解调读卡机的指令，只有正确得到读指令后，标签才会将自己的ID信息等数据通过反向散射的调制方式回发给读卡机。  



本文介绍的是多通道零中频检测技术的应用，重点在于接收电路的介绍，对发射信号（功率源）的产生、发射调制电路以及DSP信号处理、控制电路等不做详细阐述。  



研制成功的900MHz RFID读卡机系统原理图如图2所示。合成器（Sythesizer）产生系统工作所需要的902~928MHz频率信号，经过适当的缓冲放大之后分成两路，一路进入调制、发射电路，另一路进入接收电路作为本振信号，而来自天线的标签回发信号同样进入接收电路，跟本振信号共同作用在多通道零中频解调电路上。  

       图2　UHF RFID读卡机系统原理图

MCU控制频率合成器产生系统工作所需要的RF信号，该RF信号被分为两路分别送入调制发射（Modulator&PA）电路和接收（Receiver）电路。从MCU发来的发射信号（Transmission Data）被调制到RF信号上成为AM调幅波，利用发射天线（ANT）辐射出去，当标签进入读卡机天线的有效识别区域内后，开始跟读卡机进行无线通信，标签回发信号非常微弱，被读卡机接收天线接收后送入接收电路，最终经过解调得到标签回发的数据信息送回MCU。而MCU通过串口或以太网接口跟主计算机相连，通过控制软件可以实现对读卡机操作，如读卡、写卡等命令。  



零中频技术应用  



在选择接收机电路方案的时候，设计复杂度、成本、功耗等是首先需要考虑的，常见的两种接收机设计原理包括超外差式和零差式。超外差接收机不仅电路复杂，成本也非常昂贵，相比之下，零差接收机（也叫零中频接收机）只需要一级同频混频器就可以直接得到解调信号（即基带信号），不仅极大的降低了成本，而且结构非常简单，调测试方便。  

       图3　通道零中频接收电路

研制的UHF RFID读卡机接收电路设计原理图3所示，其中包括4通道零中频接收电路。其中，900MHz移相网络使用分立元件电感、电容实现，跟传统的微带线移相网络相比，极大的降低了PCB布板的面积。  



A点的本振信号为连续波，用VLA(t)=Acosω0t表示，A为信号幅度。本振信号经过三级移相，在B、C、D点分别形成信号如下：B点VLB(t)=Acos(ω0t+π/4)、C点VLC(t)=Acos(ω0t+2π/4)、D点VLD(t)=Acos(ω0t+3π/4)。  



天线接收到的标签回发信号为AM波，假设在D点的接收信号为VRD(t)=B(t)cos(ω0t+φ)，其中B(t)是标签的数据信息，一般为单极性的二进制数据，φ为收发信号之间的相位差，跟天线和标签之间的距离有关。  



接收信号经过三级移相，在C、B、A点分别形成信号如下：C点VRC(t)=B(t)cos(ω0t+φ+π/4)、B点VRB(t)=B(t)cos(ω0t+φ+2π/4)、A点VRA(t)=B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)。  



对每路二极管混频电路，输入信号包括本振和接收信号，输出信号为两个输入信号的混频结果，例如A’点Acosω0tx B(t)cos(ω0t+φ+3π/4)=AB(t)/2cos(2ω0t+φ+3π/4)+ AB(t)/2cos(φ+3π/4)。 
每路信号再经过低通滤波器将高频分量2ω0t滤除掉，就得到标签回发信号B(t)：  



A’’点AB(t)/2cos(φ+3π/4)；B’’点AB(t)/2cos(φ+π/4)；C’’点AB(t)/2cos(φ-π/4)；D’’点AB(t)/2cos(φ-3π/4)。  



不难看出，AB(t)/2cos(φ+3π/4)和AB(t)/2cos(φ-π/4)相位差π，AB(t)/2cos(φ+π/4)和AB(t)/2cos(φ-3π/4)相位差π，分别进入差分放大器Diff1和Diff2。两个差分放大器的输出信号分别为：  



       I点：G1(AB(t)/2cos(φ+3π/4)- AB(t)/2cos(φ-π/4))= -G1 AB(t) sin(φ+π/4)= G1 AB(t) cos(φ+3π/4)；  



       Q点：G2(AB(t)/2cos(φ+π/4)- AB(t)/2cos(φ-3π/4))= -G2 AB(t) sin(φ-π/4)= G2 AB(t) cos(φ+π/4)；  



其中，G1 、G2分别为差分放大器Diff1和Diff2的增益。显然两个差分放大器的输出信号只跟φ有关，而且是正交的，再分别经过放大和比较，最终得到TTL电平的IQ信号送入DSP进行处理。  



I-Data和Q-Data是正交信号，且只跟读卡机天线和标签之间的距离（收发信号之间的相位差）有关，也就是说，当标签位于读卡机天线覆盖区域里，在每一个确定的时间里，I-Data和Q-Data是唯一确定的，而且，因为I-Data和Q-Data之间的正交性决定了这两个信号不可能同时为零，也就是说，总会有一路不为零的信号（I-Data或Q-Data）送入DSP，这就保证了DSP总能收到有效的标签回发信号。  



结束语  



本文采用了4通道零中频接收技术，使得UHF RFID读卡机设计大为简化，成本低廉，跟同类产品相比具有很高的性价比。系统设计符合FCC电磁标准要求，即输出射频功率小于1W，对电子标签识别稳定，最大识别距离达到6米。