基于FPGA的無(wú)線射頻讀卡器開發(fā)與設(shè)計(jì)

與其他常用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)如條形碼和磁條一樣，無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)也是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。每一個(gè)目標(biāo)對(duì)象在射頻讀卡器中對(duì)應(yīng)唯一的電子識(shí)別碼（UID），或者“電子標(biāo)簽”。標(biāo)簽附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，如紙箱、貨盤或包裝箱等。射頻讀卡器（應(yīng)答器）從電子標(biāo)簽上讀取識(shí)別碼。

基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：天線或線圈、帶RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標(biāo)簽（每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子識(shí)別碼）。表1顯示了常用的四個(gè)RFID頻率及其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，目前商業(yè)上應(yīng)用最廣的是超高頻（UHF），它在供應(yīng)鏈管理中有可能得到廣泛的應(yīng)用。

EPC電子標(biāo)簽

EPC表示電子產(chǎn)品代碼，是RFID電子標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)，它包括電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和無(wú)線通信協(xié)議。EPC標(biāo)準(zhǔn)將條形碼規(guī)范中的數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)與ANSI或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織（802.11b）制定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合在一起。目前應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理中的EPC標(biāo)準(zhǔn)，屬于第二代EPCClass-1標(biāo)準(zhǔn)。

Class-1標(biāo)簽在出廠時(shí)已經(jīng)被寫入，但也是可以現(xiàn)場(chǎng)下載。通常情況下，一旦標(biāo)簽已被寫入，內(nèi)存即被鎖定不可再次寫入信息。Class-1標(biāo)簽采用常規(guī)的分組傳輸協(xié)議—讀卡器發(fā)送包含相關(guān)命令和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽隨后做出響應(yīng)。

惡劣的讀卡器應(yīng)用環(huán)境

RFID的應(yīng)用環(huán)境可能非常惡劣。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫(yī)藥（ISM）頻帶。此頻帶中的RFID讀卡器受到來(lái)自無(wú)繩電話、無(wú)線耳麥、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及其他臨近讀卡器的干擾。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設(shè)計(jì)為能夠抵御強(qiáng)干擾信號(hào)，避免產(chǎn)生可導(dǎo)致詢問(wèn)錯(cuò)誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平，以便具備足夠的動(dòng)態(tài)范圍，從而以無(wú)錯(cuò)方式檢測(cè)出低電平標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)。

圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器，是一個(gè)成熟的設(shè)計(jì)，能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器，因此最大限度地提高了穩(wěn)定性并降低了成本。

實(shí)用和可靠的射頻接收器設(shè)計(jì)

接收器的核心是Linear公司的LT5516，這是一種高度集成化的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器，芯片上提供了一個(gè)精確正交移相器（0度至90度）。來(lái)自天線的信號(hào)在通過(guò)射頻濾波器之后，通過(guò)一個(gè)不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數(shù)很低，在不需要低噪放大器（LNA）的情況下，仍能保持其21.5dBmIIP3和9.7dBP1dB的性能。

在接收數(shù)據(jù)時(shí)，讀卡器發(fā)射連續(xù)載波（未調(diào)制），以便為標(biāo)簽提供電源。在收到請(qǐng)求后，電子標(biāo)簽通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅，響應(yīng)一個(gè)碼流。所采用的調(diào)制方式為幅移鍵控（ASK）或者反相-幅移鍵控鍵控（PR-ASK）。解調(diào)器帶有兩個(gè)正交移相檢出式輸出端口，因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導(dǎo)致某個(gè)通道無(wú)法接收信號(hào)，另一條通道（移相90度）就可接收較強(qiáng)的信號(hào)，反之亦然。這樣，整體接收可靠性就得以提高。

一旦解調(diào)完成，即可將I（相內(nèi)）和Q（正交相位）差分輸出信號(hào)以AC方式耦合至一個(gè)運(yùn)算放大器（被配置為一個(gè)差分放大器），隨后被轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。這個(gè)時(shí)候應(yīng)將高通角頻率設(shè)置為5KHz，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號(hào)頻率，高于最大多普勒頻率（可能被運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽采用），同時(shí)保持高于電力線頻率（60Hz）。這樣，輸出信號(hào)就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過(guò)低通濾波器。低通角頻率應(yīng)被設(shè)置為5MHz，以便最大碼流信號(hào)穿過(guò)濾波器，達(dá)到基帶。

基帶信號(hào)然后被一個(gè)雙路低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（LTC2291，分辨率為12位）進(jìn)行數(shù)字化處理。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)行充分的采樣，從而精確地捕獲解調(diào)信號(hào)。在需要的時(shí)候，還可在基帶DSP中實(shí)現(xiàn)額外的數(shù)字濾波。這樣，接收器就能具備最大的邏輯閾值設(shè)置靈活性，該設(shè)置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行。

基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理，可提高用全FPGA解決方案實(shí)現(xiàn)的吸引力和集成度。

高動(dòng)態(tài)范圍射頻發(fā)射器設(shè)計(jì)

發(fā)射器集成了一個(gè)鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換式調(diào)制器。LT5568具備很高的線性度和較低的背景噪聲，因此能夠?yàn)樗l(fā)射的信號(hào)提供出色的動(dòng)態(tài)范圍性能。調(diào)制器能夠從數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接收正交式基帶I和Q信號(hào)，然后直接調(diào)制至900MHz發(fā)射頻率。

在內(nèi)部，LO（本地振蕩器）被精確正交移相器分割。經(jīng)調(diào)制的射頻信號(hào)被合并為一個(gè)單端、單邊帶射頻輸出信號(hào)（鏡像被抑制了46dBc）。此外，調(diào)制器還帶有匹配的I和Q混合器，從而最大限度地抑制了LO載波信號(hào)（至-43dBm）。

復(fù)合調(diào)制電路具備出色的鄰道功率比（ACPR），有助于滿足發(fā)射頻率屏蔽要求。例如，當(dāng)調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時(shí)，ACPR指標(biāo)優(yōu)于-60dBc。由于具備更出色的ACPR性能，信號(hào)可被放大至許可的1w功率（在美國(guó)為+30dBm），或者放大至2w，以符合歐盟規(guī)范。在上述兩種情況下，重要的是保持電平固定，因?yàn)樵撾娖接糜谙螂娮訕?biāo)簽提供電源，并最大化讀卡距離。LTC5505型射頻功率檢測(cè)器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能，可準(zhǔn)確地測(cè)定功率，提供穩(wěn)定的反饋信號(hào)，以調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率。

基帶處理和網(wǎng)絡(luò)接口

在基帶頻率上，FPGA執(zhí)行發(fā)送至DAC和來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形的信道化任務(wù)。這一過(guò)程也被稱為數(shù)字中頻處理，涉及濾波、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換和采樣率變化等。FPGA甚至可以并行處理多個(gè)信道。

圖2顯示了一個(gè)射頻讀卡器的架構(gòu)。其他基帶處理任務(wù)包括：
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