超高頻電子標簽（RFID)射頻模擬前端的設計與仿真

當前國內(nèi)對RFID標簽的研究都集中在頻率為125KHz、134KHz 的低頻和13.56MHz 的高頻頻段, 在860～960MHz 的UHF 段和2.45GHz 以上的微波頻段研究相對較少。然而后者由于具有操作距離遠、通信速度快、尺寸小等優(yōu)點, 未來的應用將更廣泛。本文介紹了一種符合ISO18 000- 6B 標準的超高頻( 中心頻率為915MHz) 標簽的工作原理、主要特性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并給出了其射頻模擬前端關鍵部分電路的設計與仿真。

2 工作原理及其特性

2.1 工作原理

RFID 系統(tǒng)一般包括閱讀器、標簽( 或稱射頻卡) 兩部分。當標簽收到閱讀器主動發(fā)出的射頻信號時, 標簽被喚醒,一方面通過射頻耦合的方式獲取能量, 另一方面將收到的信號進行解調(diào), 從載波中還原出數(shù)字信號, 然后根據(jù)其中包含的指令完成相應的操作, 并將應答信息通過反向散射回送給閱讀器。當同時有多個標簽出現(xiàn)在閱讀器的射頻場時, 閱讀器通過啟動防沖突算法, 逐個識別標簽。

根據(jù)供電方式的不同, 標簽可分為有源標簽和無源標簽兩種, 都由標簽芯片和天線組成。本文介紹的是一種無源超高頻電子標簽, 本身無電源, 靠從閱讀器的射頻場獲取能量。每個標簽都含有唯一的識別碼, 用來標識標簽所附著物體的信息。

2.2 物理接口

標簽和閱讀器之間基于“閱讀器先發(fā)言”的傳輸機制, 采用半雙工的通信方式。射頻接口采用ASK 載波調(diào)制, 調(diào)制深度為11%或99%( 本文設計的標簽取99%) , 占用頻道帶寬為200KHz。前向鏈路采用Manchester 編碼, 反向鏈路采用FM0編碼, 反向散射[3]。

2.3 標簽的應答格式

標簽收到閱讀器的命令后, 進行處理并應答, 應答格式如下:

靜默是標簽持續(xù)2 字節(jié)的反向散射; 返回幀頭是一個16位數(shù)據(jù)“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”; 數(shù)據(jù)通常包含一個64 位的UID 號、8 位的標志段以及用戶信息;CRC 采用16 位數(shù)據(jù)編碼[3]。

3 標簽整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

標簽由天線、射頻模擬前端、控制部分組成。

圖1 顯示出了標簽的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。天線用于發(fā)射和接收電磁波; 射頻模擬前端主要是由包絡檢波電路、ASK 調(diào)制電路、穩(wěn)壓電路、時鐘產(chǎn)生電路、偏置電路以及上電復位電路組成, 用于獲取能量并調(diào)制解調(diào)信號; 控制部分含控制邏輯、微處理器( CPU) , 用于控制相關協(xié)議、指令及處理功能; EEPROM存儲器用于存儲標簽的系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù), 存儲時間可以長達幾十年, 并且在沒有供電的情況下, 其數(shù)據(jù)信息不會丟失。

圖1 標簽射頻模擬前端系統(tǒng)級設計與仿真

4 標簽射頻模擬前端系統(tǒng)級設計與仿真

超高頻915MHz 電子標簽沒有內(nèi)部電源供電, 所需能量由天線耦合高頻信號, 經(jīng)過模擬前端整流穩(wěn)壓產(chǎn)生。模擬前端的另外一個功能是產(chǎn)生啟動數(shù)字電路工作的上電復位信號。同時, 模擬前端還將對接收的信息進行解調(diào)和對發(fā)送信息的調(diào)制。所以模擬前端是射頻識別系統(tǒng)中的重要組成部分, 是射頻識別技術區(qū)別與其他自動識別技術的根本標志。

4.1 標簽射頻模擬前端的Simulink 功能框架設計

Matlab 中的Simulink 是一種系統(tǒng)級的仿真工具[4], 將系統(tǒng)中各部分電路的功能對應建立其相應的模塊, 先對每個模塊單獨仿真, 在達到預期效果之后, 再進行整體仿真。

圖2 為用Simulink 仿真工具搭建的標簽模擬前端功能框圖。

圖2 射頻模擬前端的Simulink 仿真框圖

4.2 標簽射頻模擬前端的系統(tǒng)級仿真結(jié)果

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圖3 為射頻模擬前端關鍵部分的Simulink 仿真結(jié)果, 如圖所示。

正弦調(diào)制: 即用正弦波( 載波) 和數(shù)字信號相乘即可得到,可通過將數(shù)字信號增益后疊加常數(shù)信號來進行調(diào)制深度的調(diào)節(jié)。直流電源的產(chǎn)生: 是通過將調(diào)制信號進行絕對值的運算來模擬全波整流, 通過低通濾波器傳遞函數(shù)的設計來模擬濾波。圖3 中( a) 為整流濾波電路仿真結(jié)果, 可看到a 中整流濾波后得到直流電壓, 可給標簽供電。

包絡檢波解調(diào)電路: 由一個非線性器件和低通濾波器實現(xiàn), 非線性器件用絕對值實現(xiàn), 而低通濾波由傳遞函數(shù)實現(xiàn)。檢波電路由一個載帶濾波器和電壓判決器組成, 載帶濾波由傳遞函數(shù)實現(xiàn), 電壓判決器由比較器實現(xiàn)。包絡產(chǎn)生電路和檢波電路連接在一起就構(gòu)成包絡檢波解調(diào)電路從而恢復出數(shù)字信號,( b) 中可看到解調(diào)之后的數(shù)字信號和原來的未調(diào)制前一致。

復位信號產(chǎn)生: 可由電壓比較器實現(xiàn),( c) 中可看到當電源電壓上升至可使標簽正常工作的穩(wěn)定值時, 復位信號跳高并保持穩(wěn)定電壓。這樣可使標簽啟動工作。結(jié)果表明標簽射頻模擬前端原理設計基本正確, 獲得了較滿意的仿真結(jié)果。

5 標簽射頻模擬前端電路級設計與仿真

5.1 標簽射頻模擬前端電路級設計

通過上述Simulink 系統(tǒng)仿真結(jié)果并結(jié)合超高頻電子標簽設計的技術指標, 下面給出射頻模擬接口關鍵部分電路的設計及部分芯片選型。

復位信號產(chǎn)生電路: 選擇National Semiconductor 公司生產(chǎn)的LMV7235 電壓比較器芯片來設計。該芯片具有開漏輸出,超低功耗, 保證工作電源電壓2.7~5V 即可, 允許地和電源電壓檢測。

上變頻模塊和下變頻模塊: 上變頻模塊選擇MOTOROLA公司生產(chǎn)的雙平衡混頻器MRFIC2002。該芯片是為工作在800~1000MHz 頻率范圍的發(fā)射機而設計的, 適用于GSM以及ISM 頻帶發(fā)射機。下變頻模塊選擇Atmel 公司生產(chǎn)的800~1000MHz 下變頻混頻器T0780。該芯片是應用于數(shù)字通信系統(tǒng)800~1000MHz 頻率范圍的收發(fā)機。采用5V 電源供電,當0dB 輸入到集成的本振驅(qū)動器時, 可提供10dB 增益。RF 和LO 輸入可采用差分或單端方式驅(qū)動, 并具有高LO- RF 隔離。帶通濾波器: 選擇日本富士通半導體公司生產(chǎn)的F5CE- 915M00- ISM900- D236 集成帶通濾波器。濾波器中心頻率為915MHz, 通頻帶為902~928MHz,通帶內(nèi)波紋小, 滿足發(fā)射部分信能指標要求。

時鐘信號產(chǎn)生電路: 選擇National Semiconductor 公司生產(chǎn)的LMV761 單6- 腳SOT23 低壓具有推挽輸出的精密比較器芯片實現(xiàn)。

包絡檢波電路: 由非線性器件和低通濾波器組成。非線性器件一般是二極管或MOS 管。為了濾除高頻干擾, 載帶濾波電路由RC 低通濾波器構(gòu)成。信號電壓經(jīng)過包絡檢波和低通濾波器后分別接到電壓比較器的同相輸入端和反相輸入端, 另外,電壓比較器的輸入端還通過電阻引入偏置電壓[5]。

反向散射調(diào)制是通過并聯(lián)電阻R1 在數(shù)據(jù)流的時鐘中接通或斷開,通過電阻值的設置調(diào)節(jié)調(diào)制深度。ASK 信號需經(jīng)過功率放大才能達到發(fā)射所需的功率, 選用Maxim 公司生產(chǎn)的低壓硅RF 功率放大器MAX2430。MAX2430 應用于數(shù)字無繩電話, 915MHzISM頻帶應用, 雙向?qū)ず? 無線局域網(wǎng)( LAN) , 蜂窩電話, AM和FM模擬發(fā)射器。

圖4 為超高頻電子標簽射頻模擬前端的整體電路設計圖。

5.2 標簽射頻模擬前端的Multis im 仿真結(jié)果

Multisim 是構(gòu)建電路并立即模擬運行的理想工具, 適用于模擬/ 數(shù)字線路板的設計[7]。結(jié)合上面設計的標簽射頻模擬前端電路, 利用Multisim 搭建了其關鍵部分的電路模塊, 并進行了仿真。圖5 和圖6 分別是給出了各部分的時域和頻域仿真結(jié)果。

圖5 ( a) 中信號是經(jīng)過二極管橋式整流電路和濾波電路后, 濾除高頻成分得到輸出給標簽供電的直流電壓信號。( b)中如圖5 所示, 處于圖上方的信號是電壓信號, 處于下方的是復位信號。當電源電壓上升到一定值時, 復位信號跳高使控制部分正常工作。( c) 中可看到通過包絡產(chǎn)生電路產(chǎn)生的包絡信號還含有很多沒有濾除的高頻成分, 這樣的信號如果直接輸入到電壓判決器的話, 由于高頻信號的干擾, 會造成判決出錯等情況, 所以我們必須對這個包絡信號再進行低通濾波濾除多余的高頻成分后, 再輸出給電壓判決器判決輸出解調(diào)。( d)中位于上方的是未進行低通濾波的包絡信號, 下方是進行了低通濾波的包絡信號, 明顯可以看出高頻成分被濾除了。

圖6( a) 中是未調(diào)制的基帶數(shù)字信號的頻譜特性, 它的中心頻率在基帶附近,( b) 為高頻載波的頻譜, 它的中心頻率是915MHz。( c) 為調(diào)制后信號的頻譜, 它的中心頻率是915MHz。將基帶數(shù)字信號的頻譜搬移到了以高頻載波中心頻率為中心的頻段上。( d) 為最初產(chǎn)生的包絡信號的頻譜特性, 我們可以看到它的中心頻率已經(jīng)被搬移到了基帶附近, 但是由于還參雜著一些我們不需要的高頻成分, 它的頻譜除了在基帶附近增益最大外, 在其他的一些高頻段上仍存在較大增益。( e) 是通過低通濾波后的包絡信號頻譜特性。我們可以看出, 高頻成分得到了濾除, 頻譜中心仍在基帶, 但是頻譜變得光滑。( f) 是解調(diào)后數(shù)字基帶信號的頻譜特性。其頻率中心在基帶左右, 基本滿足解調(diào)要求。

6 總結(jié)

本文對超高頻915MHz 電子標簽的射頻模擬前端部分進行了設計及芯片的選擇, 然后用PROTEL 軟件繪制了整體電路圖并對其進行了Simulink 系統(tǒng)仿真以及Multisim 時域和頻域的電路仿真, 能夠?qū)崿F(xiàn)ISO18000- 6B 要求的特性和功能。該標簽成本較低, 易于開發(fā), 具有識別距離遠、通信速度快、尺寸較小等特點, 可廣泛應用于集裝箱跟蹤、物流管理等活動。