（通信与信息系统专业论文）uhf+rfid标签芯片模拟射频前端电路设计.pdf

摘要 摘要 射频识别是一种非接触的远程获取信息的技术。随着技术的发展，射频识别 的应用领域不断扩大，逐渐成为现代信息社会的一项重要技术。尤其是近几年中 国对物联网的重视，射频识别技术作为其中的核心技术之一，将会取得更快速的 发展。 目前，国外射频识别技术已经取得了阶段性的成果。随着技术应用范围的不 断扩大，高频与低频射频识别系统的缺点日益突出，很多应用只能使用信息量大、 识别距离远的超高频射频识别系统。国外在超高频射频识别系统方面的研究已经 取得了突破性的进展，部分厂商已经推出了相关的射频识别产品。国内相比国外 在这方面的研究起步较晚，尤其是标签芯片的设计技术更是薄弱，还有没有任何 一家厂商推出能够真正量产的产品。本课题选择超高频射频识别标签芯片作为研 究方向，具有十分重要的意义。 本文基于i s o1 8 0 0 0 6 c b 标准，对i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准、r f i d 系统原理以 及标签芯片的系统架构作了简要的分析，重点对u h fr f i d 无源标签芯片的各个 模块做了详细的理论分析，并基于t s m c0 1 8 1 t mc m o s 工艺进行仿真设计，并给 出了系统仿真的验证。芯片通过了m p w 项目流片验证，并利用各种测试系统进行 了芯片测试。 关键词：超高频，r f i d ，i s o1 8 0 0 0 6 ，模拟射频前端，芯片测试 a b s t r a c t a bs t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nc o m p a r i s o n 、析t l lo t h e ri d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e sh a sg r e a ta d v a n t a g e s t h et e c h n o l o g yc a l ln o wb ea p p l i e di nm o r ea n d m o r ea r e a s ，s u c ha sm i l i t a r y , l o g i s t i c s ，t r a n s p o r t a t i o n ，r e t a i la n ds oo n t h a n k st or f i d ， p e o p l e sl i v e sb e c o m ee a s i e ra n dt h ee f f i c i e n c yo fs o c i e t yi sg r e a t l yi m p r o v e d t h e r f i dt e c h n o l o g yh a sb e e nr e c o g n i z e da so n eo ft h em a j o rt e c h n o l o g yo ft h i sc e n t u r y r e c e n t l y , c h i n aa t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et on e t w o r k i n g r f i dw i l lb r i n gi ne x p l o s i v e g r o w t h a tp r e s e n t ，r f i dt e c h n o l o g yh a so b t a i n e dp e r i o d i ca c h i e v e m e n ti nf o r e i g n w e a k n e s s e so fh fa n dl fr f i dh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t m a n y a p p l i c a t i o n sc a no n l yu s eu h fr f i ds y s t e m sw h i c hh a v eh i g h - c a p a c i t yc a r d e ro f i n f o r m a t i o na n dc a nb ei d e n t i f i e da tl o n gr a n g e ab r e a k t h r o u g hh a sb e e nm a d ei nu h f r f i ds y s t e m sa b r o a d s o m ew e l l k n o w nm a n u f a c t u r e r sh a v er e l e a s e dt h e i ro w nr e l a t e d p r o d u c t s t h er e s e a r c ho ft h i sa s p e c to fd o m e s t i cs t a r t e dl a t t e rt h a nf o r e i g n ，e s p e c i a l l yi n d e s i g no fc h i p s ot h er e s e a r c ho fu h fr f i dt a gc h i ph a se x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c e b a s e do ni s o18 0 0 0 6 c bs t a n d a r d s ，i s o i e c18 0 0 0 - 6s t a n d a r d ，r f i dt a gc h i p s y s t e mp r i n c i p l e ，a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r eo ft a gc h i pa r es i m p l e l yd i s c u s s e d e a c h m o d u l eo fa n a l o gr ff r o n t e n do fu h fr f i dt a gc h i pi sa n a l y s e di nd e t a i l b a s e do n t s m co 18 p mc m o s p r o c e s s ，a n a l o gr ff r o n t e n do fu h f r f i dt a gc h i pi sd e s i g n e d a n dv e r i f i e db yb e e nt a p e do u ti nt h em p w p r o j e c t k e y w o r d s ：u h f , r f i d ，i s o18 0 0 0 - 6 ，a n a l o gr ff r o n t e n d ，c h i pt e s t i n g 图目录 图目录 图2 1 射频识别系统框图。9 图2 2 标签芯片的系统架构图1 1 图2 3 应用于13 5 6 m h z 的标签芯片系统结构图。1 2 图2 _ 4 超高频r f i d 标签芯片的功能框图1 3 图2 5 电子标签系统的工作流程1 4 图2 - 6 超高频无源r f i d 标签芯片的等效电路1 5 图2 7 带匹配网络的r f i d 标签的等效电路1 7 图3 1 几种应用于超高频r f i d 标签的天线形状1 8 图2 2d i c k s o n 倍压整流电路的原理图2 4 图3 3 单级整流电路的原理图2 5 图3 4 单级整流电路输入电压电流波形2 5 图3 5 具有双电压输出的整流电路原理图2 7 图3 - 6 整流电路的输出波形2 8 图3 7 稳压电路的原理图2 9 图3 8 稳压基准源电路的t e s t b e n c h 31 图3 - 9 稳压电路输出随电源电压变化31 图3 1 0 稳压电路电流驱动能力测试图3 2 图3 1 1 稳压电路瞬态响应仿真图3 2 图3 1 2 调制电路的原理图3 3 图3 1 3 解调电路的原理图一3 5 图3 1 4 解调电路的输出波形3 6 图3 1 5 时钟产生电路的原理图3 7 图3 1 6 时钟频率的电压、温度特性3 8 图3 1 7 上电复位电路框图3 9 图3 1 8 上电复位电路输出波形3 9 图3 1 9u h fr f i d 无源标签芯片模拟射频前端框图4 0 图3 2 0 模拟射频前端的仿真t e s t b e n c h 4 1 图3 2 1 输入射频信号的波形4 1 v 图目录 图3 2 2 模拟射频前端系统仿真波形4 3 图4 1 标签芯片模拟射频前端的版图4 5 图4 2 模拟射频前端芯片照片4 5 图4 3b o n d i n g 至p c b 板的芯片照片4 5 图4 4 模拟射频前端的系统测试结构图4 6 图4 5 稳压电路测试输出波形4 8 图4 6 解调阅读器发送的命令4 8 图4 7 芯片对数字信号进行调制4 9 图4 - 8 芯片内部产生的时钟4 9 图4 - 9 芯片内部产生的上电复位信号4 9 v i 表目录 表目录 表2 1i s o18 0 0 0 6 标准不同类型的比较1o 表3 1 不同距离下整流电路高电压驱动能力仿真2 8 表3 2 输入数据1 ，输入阻抗随温度、电源电压和频率的变化3 4 表3 3 输入数据0 ，输入阻抗随温度、电源电压和频率的变化3 4 表3 - 4 数据1 和0 对应的反射系数3 4 表3 5 解调电路在各种工作条件下的仿真结果3 6 表3 - 6 上电复位电路在各种温度下的仿真结果4 0 表4 1 模拟射频前端芯片的待测引脚定义4 6 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名鼬日期：2p 扣年月争日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：堂皇呈导师签名： 立丝歪童： 日期：2 d f d 年? 月午日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 射频识别( r f i d ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是利用空间电磁波的无线通 信技术，实现非接触的远程读取信息。电子标签一般存储了与物品相关的各种信 息，并且通常体积较小，可以附着在各种物体的表面。阅读器能够通过电磁波与 附着在物品表面的标签进行通信，读取电子标签存储器中存储的与物品相关的信 息。通过这种方式，可以实现同时对大量的物品进行快速地识别。 与其他识别技术如条形码相比，射频识别技术有许多优点。射频识别技术可 存储的信息容量大，识别速度快，无需接触，可读可写，智能化。随着技术的迅 速发展，射频识别技术应用的领域越来越多，如物流、交通、零售、军事等，极 大地提高了整个社会的效率，被公认为是本世纪重大技术之一i lj 。随着中国对物联 网的高度重视，射频识别技术作为其中最核心的技术之一将会得到高速的发展。 射频识别技术的应用将有助于推动整个社会的发展，具有非常广阔的市场前景。 1 _ 2 射频识别系统及国内外发展现状 射频识别技术起源于上世纪三十年代。当时，英国军队存在如何分辨敌我双 方战机的问题。他们在自己的战机上附着一个用于识别的标记，当雷达发射电磁 波对飞机进行检测时，附着在飞机上的标记会返回信息，通过这种方式实现了分 辨敌我双方的战机。当时这种系统被称作为i f f ( i d e n t i t y ：f r i e n do rf o e ) ，直到现在 这种识别技术还是世界上的空中管制系统的基础，也是目前射频识别技术的起源。 上世纪七十年代末，美国政府允许将r f i d 技术在民间使用。上世纪七十年代 开始试用的高速公路自动收费系统是交通部门为提高交通管理效率而发明的。随 后出现的基于r f i d 技术的电子防盗系统重点关注的是标签的可靠性和成本。直到 上世纪八十年代，欧美及日本发达国家开始研发并生产可以应用于各个领域的电 子标签。1 9 8 9 年，t i 公司开始了整个系统组件的研发。 上世纪九十年代，随着计算机互联网的飞速发展，射频识别技术也得到了阶 电子科技大学硕士学位论文 段性的进步。该技术无论是理论还是产品的研发方面都取得了很快的发展。许多 发达国家开始将该技术应用于生产、军事及物流等领域，同时各个组织积极推动 了相关技术的国际标准。许多国外科研部门以及世界知名的厂商都在该技术方面 投入了大量的人力物力，也相继推出了各自的系统应用解决方案。 集成电路技术在二十一世纪取得了长足的发展。射频识别技术随着集成电路 技术的发展也日益成熟，凭借其他识别技术无法比拟的优势在更多的领域中得到 应用，成本也逐年下降，体积越来越小，可以任意附着在物品表面，成为物联网 和供应链的核心技术之一。该技术被公认为本世纪重大技术之一，同时被美国国 防部率先应用在军事设备的管理上【3 】。2 0 0 4 年，沃尔码等国际零售业公司开始使 用该技术进行货物的管理。由此，射频识别技术进入了商用化试行阶段。 国外很多科研机构和知名厂商在r f i d 技术上发展十分迅速，并取得了不小的 成就。p h i l i p s 、t i 等公司都推出了一系列适用于短距离识别的h f 频段的系统解决 方案，其中包括了阅读器及标签等相关产品。德国f e i g 公司推出的产品主要是针 对h f 频段的远距离识别下的应用。在u h f 频段方面，最早由a m t e c h 公司推出 了相关的产品。现在，其他一些世界知名的公司如a t m e l 、m a t r i c s 等都陆续投入 到超高频频段的r f i d 技术研究当中。在微波频段方面，射频识别技术的研究还不 成熟，目前处于初期研究阶段，a t m e l 公司在微波频段的技术处于比较领先的水平。 u h fr f i d 系统相比其他频段的系统识别距离更远，目前是业界研究的热点。 表1 1 是目前知名企业的u h fr f i d 标签产品。s t 公司生产的x r a 0 0 标签识别距 离最大约十米，该标签需要获取的最低射频功率仅为2 7 p w 。a t m e l 公司推出的 a t a 5 5 9 0 标签与x r a 0 0 在性能上大致相当，两者的输入阻抗和电源工作电压略有 不同。i m p i n j 公司推出的z u m a 标签最大识别距离为8 米。2 0 0 3 年，a t m e l 公司发 表了一篇关于u h f 频段的无源标签芯片的文章，该芯片所需的最小输入射频功率 低至1 7 1 1 w 4 1 。2 0 0 7 年，b a r n e t t 在i s s c c 上发表了最小输入射频功率仅为1 4 d b m ， 识别距离高达7 米的u h f 频段无源标签芯片【5 1 。 而在微波频段( 2 4 5 g h z ) 方面，该技术起步相对较晚，世界各地还在研究之 中。目前成熟的标签芯片产品不多，只有三种可以商用的产品，美国a t m e l 公司 最近提出了该频段下的解决方案1 4 】，如表1 1 所示。其中，e m 公司推出的e m 4 2 2 2 以及飞利浦公司推出的u c o d e 都是兼容u h f 和微波双频段的系统。标签在微波频 段的识别距离相比u h f 频段大大减小，如飞利浦公司推出的u c o d e 在u h f 频段 2 第一章绪论 识别距离为7 米，而在微波频段其识别距离仅为1 8 米。在2 0 0 5 年，瑞士研究院 在j s s c 上发表了一款最小输入射频功率低至为3 p , w ，识别距离高达1 2 米的微波 频段( 2 4 5 g h z ) 的标签芯片嘲。 表1 1 业界工作在9 0 0 m h z 的无源标签【4 1 型号工艺输入阻抗识别距离正向链路反向链路输入射 t 3m 频功率 4 ，e i r p l x w a t m e l 0 5 9 m6 7 - j 2 1 0 9 5p w ma s k p s k3 0 翻5 5 9 0c m o s5 - 8 0 k b i t s 5 - 8 0 k b i t s s c h o t t k y e m m i c r o 0 5 9 m n an ap w ma s kn a e m 4 2 2 2c m o s 2 5 6 k b i t s 2 5 6 k b i t s s c h o t t k y i m p i n j0 2 5 9 m n a8 r mp w mf s k4 2 z u m ac m o s4 0 8 0 k b i t s s a s p h i l i p s n ar d a7a s k4 0 k b i t s a m ( a s k ) 5 5 u c o d e 4 0 k b i t s s t x r a o oc m o s 6 7 - j 1 9 7 l op w m f s k2 7 l5 7 0 k b i t s3 0 1 4 0 k b i t s 表1 - 2 业界工作在2 4 5 g h z 的无源标签 型号工艺输入阻抗识别距离正向链路反向链路输入射频 f 2m 功率i , t w 4 吧乇p e m m i c r o 0 5 9 m n a 1p w ma s k3 8 0 e m 4 2 2 2c m o s s c h o t t k y p h i l i p s n an a 1 8 a s k a s k1 1 7 u c o d e h i t a c h i “0 1 8 l a m 6 0o 4n aa s k 2 2 0 0 c h i p c m o s a t m e l o 5 9 m4 - j 8 9 2 6p w m p s k5 6 r e s e a r c h c m o s s c h o t t k y 1 3r f i d 技术应用及前景展望 中国r f i d 产业正在高速地发展。2 0 0 8 年，中国r f i d 产业市场规模达到5 9 亿人民币。2 0 0 9 年产业市场规模增加至7 0 亿人民币，相比2 0 0 8 年增涨了约2 0 。 目前，中国逐渐形成了比较完整的产业链，包括r f i d 产品的研发、封装、阅读器、 电子科技大学硕士学位论文 天线、中间件、软件、系统集成、测试等，这为r f i d 在中国各个领域实现规模化 的应用打下了坚实的基础。 2 0 0 9 年，r f i d 产业在中国也受到全球金融危机的影响。然而，在政府和企业 的支持下，未来几年中国r f i d 产业规模将迅速扩大。随着r f i d 产业标准的逐渐 建立，以及r f i d 产业在更多行业中的规模化应用，成本将不断降低，技术也日益 成熟，将会形成产业间互动发展的局面。 就目前而言，该技术将会率先在政府支持的项目中得到规模化应用。之后随 着技术日益成熟和成本的逐渐降低，r f i d 技术将在其他更多的行业中得到规模化 的应用： 1 ) 供应链 产品从生产到包装、物流、存货、销售整个流动过程中，会涉及到大量毫无 关系的生产厂商、公司及群体。r f i d 技术能够将这些联系在一起，在整个过程跟 踪产品，形成了快捷完备的系统流程。传统的条形码无法进行唯一性识别，即大 量产品可能共有同一个条形码。而r f i d 标签能够为产品提供唯一性的识别，可以 区分同一类商品的不同产品在整个供应链中的不同过程，如在不同供货商提货， 不同销售地点及不提货时间。r f i d 技术能够提供实时的数据交互，为不同的供货 商和公司提供共享的资源。 零售业与此类似，它从产品生产出来就在仓库为各个物品附着标签，然后配 送至各个零售店。零售商的仓库用于货物的装箱和拆分。在这里，根据每个零售 店的需求进行配货。货物被拆分成单件各个物品，每个物品都附着有相应的电子 标签。 2 ) 电子票证 r f i d 技术还能够广泛应用与电子票证中。中国的电子票证具有非常巨大的需 求。例如在列车客票上，北京到天津的每日卖出的列车客票高达上万次，北京地 铁每日销售的车票超过数十万次，节假日期间可能超过2 5 万次。全国各大城市的 列车客票的需求至少也有数亿张。除了列车客票，其他行业如会议，公共活动等 的票证需求量也非常巨大。因此r f i d 技术在票证中国市场具有非常广阔的市场前 景。该技术还能够应用于各种票据的管理中，如票据的销售和防伪等，并可在会 议、大型超市、金融等系统中得到应用。 4 第一章绪论 3 ) 机动车自动识别管理 r f i d 技术还能够应用于机动车的统一管理上。通过在每个车辆中附着电子标 签，不仅便于车辆的统一管理，还可以随时了解车辆的位置和状态，便于交通部 门进行道路交通的管理。该技术应用于车辆的管理不仅可以实现车辆的跟踪，还 能最大限度上减少事故的机率。同时，车主可以利用该技术对车辆进行有效地保 管，也能避免车辆盗窃的发生，即使车辆丢失以后也能很快地找回车辆。利用该 技术还可以用于车辆牌照的管理，有效地防止使用假牌照。 4 ) 动植物监测 r f i d 技术还可以应用于动植物的生长监测。将电子标签植入动物皮下，可以 进行自动识别与跟踪，这样可以监测动物的生长状况，为大型饲养厂提供了高效 率的管理系统。大型饲养厂还可以利用该技术为动物进行标注，为动物进行疫苗 的接种、饲养等档案，实现自动化的饲养管理。该技术还能用于赛马比赛中，用 于测量赛马的速度和到达时间。同样，在种植项目中运用该技术，可以方便地监 测植物的生长状况并进行统一管理，大大提高了种植效率。 5 ) 烟酒药品等物品的防伪 假冒商品，尤其是药品，是人们非常关注的社会安全问题，严重侵害了人们 的利益，严重者可能对生命造成威胁。因此，防伪技术对于一些贵重商品，如烟 酒药品等就显得尤为重要。全国约有四万家白酒公司，但仅有不到4 0 0 家企业使 用了标签防伪技术。因此，在白酒行业中将最少有2 亿个电子标签的需求量。贵 州茅台酒厂每年消耗高达8 0 0 万元人民币以上用于白酒的防伪上，这其中的标签 需求数量也高达数千万只。其他行业，如药品、食品等，电子防伪标签也有很大 的需求量。因此，r f i d 技术在很多商品的防伪上具有巨大的市场前景。 1 4r f i d 面临的问题 当然，中国r f i d 要形成更大规模的应用和发展无论是技术还是市场还有很多 需要解决的问题，主要体现在： 1 ) 标签成本问题 r f i d 技术要取得更大规模的应用首先要解决成本问题。无论是中国还是其他 任何国家，能否大规模地推广应用该技术关键在于其成本能否降下来。目前，业 电子科技大学硕士学位论文 内认为每个标签的成本降至o 3 元左右才能满足大部分应用的要求。目前，尤其是 国内的标签成本远远不能达到该要求。成本过高，r f i d 的应用就会受到很大程 度上的限制。目前，国内r f i d 技术的研究还不够成熟，没有形成一个完善的产业 链，很难形成规模，没有规模标签成本就难以降低。随着标签需求的不断增大， 标签的生产将会规模化，其成本也会不断降低。 2 ) 标准制定问题 完善的产品标准体制对射频识别技术的应用推广也具有非常重大的意义。大 规模地应用r f i d 技术，就需要制定一个统一的标准，任何产品都必须遵守。目前， 国际上还没有建立一个统一的标准，而是存在多个标准共存的局面，如i s o 、e p c g l o b a l 、u i d 、越mg l o b a l 、i p x 等，也有不少国家制定了自己的r f i d 标准。如 果各个厂商按照各自的标准生产自己的产品，那么会导致各自的产品彼此之间互 补兼容，这势必阻碍了r f i d 产品的应用推广。目前，r f i d 技术的专利绝大部分 被欧美及日本等发达国家占有，其中美国的专利占所有专利约七成左右。中国现 在还没有制定出自己的相关标准。信息产业部规定在8 4 0 8 4 5 m h z 频率范围内为 我国超高频r f i d 的合法使用频率。中国r f i d 产业应该努力提高自身的技术水平， 缩小与发达国外之间的差距，推出符合中国的相关标准。 3 ) 产业链问题 目前，中国已经基本掌握了h f 和l f 频段的r f i d 产品的研发和生产技术。 然而，由于缺乏核心技术，我国的r f i d 产品与国外相比没有优势，这势必阻碍了 r f i d 技术的推广。尤其在超高频r f i d 上，国内还处于刚刚起步的阶段，不具备 能够规模化生产的技术，相关的产业链没有全部形成，产品的成本很高。只有通 过自主知识创新，努力研究核心技术，才能缩小与国外的差距，降低r f i d 的生产 成本，提高竞争力，形成完善的r f i d 产业链。 4 ) 信息安全问题 随着r f i d 技术的不断发展，各个领域的系统应用的需求也越来越大。而对于 许多应用环境来说，首先需要解决的问题就是信息安全问题。为解决这个问题， 系统需要在电子标签中加入一些特殊的安全模式，并且这种模式是具有一定的水 平。系统中的安全问题主要体现在数据及网络方面的隐患，各大研究机构及生产 厂商都需要共同寻求信息安全问题的解决方案。 6 第一章绪论 1 5 本文的选题依据及研究内容 相比其他标签，无源标签因其能够从阅读器发出的载波信号中获取能量而无 需外加电池而具有更大的优势。然而，无源标签的设计难点在于需要从多个方面 对设计进行综合考虑，如尽可能降低的功耗和成本、尽可能小的体积、以及运用 何种调制方式等，这些方面也在一定程度上体现了芯片的设计水准。国内r f i d 技 术的研究相比国外起步较晚，尤其是标签芯片的设计技术更是薄弱。随着r f i d 技 术的应用领域不断扩大，高频及低频系统的各种缺点越来越突出，无法满足许多 应用的要求。高频及低频r f i d 系统作用距离通常在1 0 厘米左右，有些系统通过 改善系统结构可以增大识别距离，但由于频段的限制，最大识别距离不会超过一 米。为了扩大r f i d 系统的应用范围，必须使用超高频r f i d 系统。u h fr f i d 无 源标签价格低廉，作用距离较远，使用寿命长，识别速度快，信息容量大，特别 适合上述其他频段标签无法胜任的应用。目前，国内外研究的热点是如何增大u h f 无源标签芯片的识别距离。增大识别距离需要从两个大的方面考虑，一是尽可能 高的能量转换效率，二是尽可能低的功耗【8 】，这些都对标签芯片的模拟射频前端的 性能提出了比较高的要求。目前国内在这方面的研究才刚刚起步，还未推出具有 自主知识产权的能够量产的标签芯片，有必要对u h fr f i d 无源标签芯片进行深 入的研究。 本课题基于u h fr f i d 无源标签芯片的系统原理，对芯片的模拟射频前端部 分进行合理的分模块设计，并给出各个模块的具体电路及仿真结果。本课题采用 的t s m c0 1 8 岬c m o s 工艺进行设计，并通过了m p w 项目流片验证。 本论文主要章节具体组织结构如下： 第二章“射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 对射频识别系统的 组成进行了简单的介绍，分析了目前流行的各种u h fr f i d 国际标准。然后对u h f r f i d 无源标签芯片的系统架构及工作流程做了详细的分析。针对无源标签的特点， 对其最关键的技术指标识别距离进行详细的研究。 第三章“u h fr f i d 无源标签芯标签片模拟射频前端设计及仿真”首先介绍 了模拟射频前端芯片的设计指标和其中的设计难点，然后详细给出了各个模块的 基本原理及仿真验证的结果。最后，针对整个模拟射频前端给出了联合仿真的结 果。 7 电子科技大学硕士学位论文 第四章“u h fr f i d 无源标签芯片测试验证 对测试原理进行了介绍，给出了 针对标签芯片模拟射频前端各个模块的测试方案及具体测试步骤。最后，给出了 实际测试得到了结果并进行了分析。 第五章“总结与展望”对本论文的设计工作进行了总结，提出了下一步还需 要改进和研究的方向。 第二章射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 第二章射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 2 1 射频识别系统组成 射频识别系统的组成会随着应用条件的不同而有所变化。一般情况下，射频 识别系统主要由三个部分组成9 1 ，分别是阅读器、电子标签和用于数据处理的计算 机，如图2 1 所示。其中，天线的主要作用是在阅读器和标签之间进行能量和信号 的传递。当电子标签进入到阅读器的感应范围内时，它们之间就通过天线进行能 量的传递和数据的将交换，从而达到识别标签的目的。 图2 - 1 射频识别系统框图 阅读器与标签是通过射频载波进行通信的，这种信号的通信方式有两种【9 】：一 种是利用空间中的交变磁场进行通信，这种方式主要适用于低频及高频的r f i d 系 统，识别距离较短，一般只有几十厘米左右；另一种是利用电磁波后向散射进行 通信，主要原理是阅读器发出载波后碰到目标将一部分电磁波能量反射回来，反 射的电磁波能量携带了目标物体的数据信息，从而达到识别目标的目的，这种方 式主要适用于超高频及微波r f i d 系统，识别距离比较远，一般能达到数米左右。 r f i d 系统的工作流程如下：当标签进入到阅读器的有效作用距离内时，标签 被激活进入准备工作状态。阅读器利用天线向外辐射射频调制波信号。标签一方 面从阅读器发出的射频调制波信号中获取供标签内部电路工作所需的能量，另一 方面从载波信号中解调出阅读器发出的指令和数据。标签收到指令后通过内部状 态机解析指令并返回相应的数据，该数据传递至内部的调制器模块并通过标签天 9 电子科技大学硕士学位论文 线返回到阅读器。阅读器接收到标签反射回来的射频信号并解码出对应的数据信 息，然后交至数据处理计算机进行相应的处理。数据处理计算机分析标签的各种 状态，并给出相应的处理指令。 标签根据工作电源的不同可分为三类：有源标签、无源标签和半有源标签。 无源标签本身不带电源，它通过天线感应到的微弱信号来为标签提供能量。无源 标签一方面从阅读器发出的射频调制波信号中获取供标签内部电路工作所需的能 量，另一方面从载波信号中解调出阅读器发出的指令和数据。这种标签的成本低， 缺点是识别距离有限。有源标签内部电路完全由外接电池供电，其优点是识别距 离远，存储容量大，缺点是成本较高。半有源标签内部装有电池，但该电池只是 起到供电辅助支持的作用，内部电路耗电很少，使用寿命较长，成本介于无源与 有源标签之间。 2 2 射频识别系统各种标准简介 射频识别技术从上世纪九十年代开始得到了快速的发展，并建立了一系列相 应的标准。在u h f 频段上，目前国际上流行的主要是三种标准【1 2 】：美国e p cg l o b a l 、 i s o i e c1 8 0 0 0 6 、u b i q u i t o u si d 。这三种标准互不兼容，主要是在数据帧格式及数 据调制方式的不同。 e p cg l o b a l 标准是由u c c 及e a n 共同发起的，并由i b m 、a u t o i dl a b 研究 中心给及技术支持。国际标准化组织( i s o ) 制定了一系列r f i d 标准。在r f i d 阅读器及标签测试上制定了相应的标准，包括用于测试r f i d 系统兼容性的标准 i s 0 1 8 0 4 7 和测试r f i d 系统性能的标准i s 0 1 8 0 4 6 。 中国目前还没有制定自己的r f i d 标准，国内主要生产厂商的标签采用的是 i s o 标准。i s o1 8 0 0 0 6 标准是适用于物流管理的r f i d 国际标准，其工作频率范 围在8 4 0 m h z 到9 6 0 m h z 之间【1 0 1 。该标准规定，标签至少需要支持其中一种类型 的协议。符合i s o1 8 0 0 0 6 标准的r f i d 系统可以相互兼容，并实现各种需要远距 离识别目标的应用。表2 1 是i s o1 8 0 0 0 6 标准的三种类型协议的比较。 表2 1i s o18 0 0 0 - 6 标准不同类型的比较 参数 t y p e at y p eb t y p ec 前向链路 p i e 曼彻斯特 p 正 调制深度2 7 - 1 0 0 1 8 或1 0 0 8 0 r 1 0 0 1 0 第二章射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 反向链路 f m 0f m 0 f m 0 ，子载波m i l l e r f m 0 ：4 0 k b p s - 一6 0 k b p s 反向链路数据率 4 0 k b p s4 0 k b p s m i l l e r ：5 k b p s 3 2 0 k b p s 防碰撞算法 a l o h a 二进制树随机时槽防碰撞 u d 编码6 4b i t s 6 4b i t s1 6b i t s 4 9 6b i t s 1 6b i tc r c 校 质询命令使用5b i tc r c 校 前向链路错误校验 5b i tc r c 校验 验，其余均使用1 6 b i t c r c 校 验 验 1 6b i tc r c 校r n l 6 无c r c 校验，其余均 反向链路错误校验 1 6b i tc r c 校验 验1 6b i tc r c 校验 2 1 5 以内为线性，大于该数为 防碰撞性能 2 5 02 2 5 6 n l o g ( n ) 2 3u h fr f i d 标签芯片系统结构 2 3 1 标签芯片的系统架构 标签芯片根据应用环境的不同其功能与性能上会有所差异，但标签芯片的基 本系统架构组成都基本相同，如图2 2 所示是一般标签芯片的系统框图。一般标签 芯片主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理及存储单元模块【1 5 】。其中，标 签天线一般不会集成到芯片中。 天线i 标签芯片 i 一 蓁斟蓁蘸 调制反射信号 数 字 基 带 处 理 存 储 器 图2 - 2 标签芯片的系统架构图 射频前端的主要作用是：将标签天线感应下来的微弱的射频能量转化为供芯 片内部电路工作所需的直流能量；对天线接收的载波信号进行包络检波，供后级 解调器的比较器使用；将数字基带处理部分送来的数据进行调制并通过天线返回 到阅读器。 电子科技大学硕士学位论文 模拟前端的主要作用是：为芯片内部各模块提供稳定的电源；将射频前端得 到的包络信号进行检波并整形，得到数字基带处理部分所需的数字信号；为数字 基带处理部分提供用于初始化的上电复位信号和稳定的时钟信号。 数字基带处理部分的主要作用是：对接收的指令进行处理，并提供返回的数 据以及时钟校准和编解码模块等的控制信号。数字基带处理部分还有一个重要的 作用是实现多标签下的防碰撞算法以及其他安全信息功能。由于r f i d 协议相对比 较简单，因此数字状态机的设计规模也较小，可以通过普通状态机进行实现。 2 3 2 标签芯片的系统结构及工作流程 图2 3 是应用于1 3 5 6 m h z 的高频r f i d 标签芯片系统结构。芯片内部的射频 接口电路是电子标签的模拟、射频传输路径和数字基带处理部分的一个接口。它 从芯片外的耦合线圈上得到感应电流，整流稳压后给芯片提供稳定的电源。从阅 读器发射出来的调制信号，经过解调后重新构建产生用于逻辑控制电路中进一步 加工的数字串行数据流。时钟提取电路从高频载波中产生出用于数据基带部分的 系统时钟1 2 7 】。为了将芯片内处理后的数据返回到阅读器，模拟射频前端也包括有 副载波调制器。 图2 - 3 应用于1 3 5 6 m h z 的标签芯片系统结构图 超高频与高频标签芯片相比，不同之处在于标签的能量耦合方式以及时钟产 生的方式。超高频标签因为载波频率太高无法从载波中提取时钟，只能由芯片内 部产生时钟。图2 - 4 是超高频r f i d 标签芯片的结构框图。超高频r f i d 标签的天 线主要功能是接收射频能量和调制信号以及将数字基带处理模块发送来的数据反 1 2 第二章射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 射调制到阅读器。设计射频前端模块时需要考虑在正常工作时能够接受的最大最 小射频信号能量、整流效率、电流驱动能力、解调灵敏度、输入阻抗、工作频率、 反射类型等1 6 1 【2 0 1 。超高频r f i d 标签芯片的模拟前端部分的主要是为芯片提供稳 定的电源、为数字部分提供上电复位信号、提供稳定的时钟等。 iil r 一一一一 ir f i i a n a l o g i d i g i t a l ill- -i l 调制 jii l i 千 ii 、r e s di 1 i p o r l- r j i 十：。 数字存 匹配 整流j稳压控制储 天线 l0l 7 部分器 网络 i i 时钟 l + ；： jr i i ili i 解调 i iil i ， i lil 图2 - 4 超高频r f i d 标签芯片的功能框图 标签芯片的模拟射频前端的工作流程如下：当处在阅读器的电磁场范围内时， 标签通过天线接收到射频信号能量，利用整流电路将交流能量转变成直流能量， 再通过稳压电路进行稳压后为芯片内部其它模块提供稳定的电源电压。a s k 解调 电路从射频调制信号中解码出阅读器发送过来的指令和数据，并送至数字基带处 理模块。标签芯片根据数字基带返回的数据控制标签的输入阻抗，从而改变天线 接口处的反射系数来实现对数据信号的调制。 电子标签的系统工作流程如下：阅读器复位后，首先对自身电路复位，再对 外发送查询指令。当标签处于阅读器的作用距离以外时，标签由于没有获取能量 无法产生工作电源，因此不会有任何操作。当标签处于阅读器的作用距离之内时， 标签产生电源并产生上电复位信号。在这种状态下，标签准备接收阅读器发送的 查询指令并做出相应的反应，如图2 5 所示。 标签接收阅读器发送的指令，同时还需要分析当前的工作状态【2 1 1 2 2 1 。当本身 的工作状态满足对应的执行条件时就利用指令译码功能执行相应的操作，并通过 内部的状态机进行数据处理，得出应当返回的数据交至调制器，同时将状态置为 准备状态。若接收到的指令不符合相应的执行条件，芯片内部的状态机将产生错 误报告并返回至阅读器，同时将工作状态置为准备状态。此时，若阅读器再对标 签进行操作时，只能从发送询查询指令开始，重复以上所有流程。 电子科技大学硕士学位论文 图2 5 电子标签系统的工作流程 2 4u h fr f i d 无源标签识别距离影晌因素分析 2 4 i 电源恢复分析 识别 一- 认证 读，写 无源超高频r f i d 标签工作所需的全部能量来自于阅读器发出的电磁波中。因 此，标签芯片转换能量的效率越高，内部电路的功耗越低，其识别距离越远。无 源标签获取的射频能量随着标签阅读器之间的距离，工作频率，环境温度等多种 因素的不同而不同。一般情况下，若阅读器发出的射频信号是连续波，且传播媒 介视为理想的真空，则标签接收的能量为【2 4 】【2 5 】【2 6 】： 一昭= p r 砌( 去) 2 ( 2 - 1 ) 其中，k 是标签通过天线接收下来的射频信号能量，是阅读器的发射功 率，g 垤是标签天线的增益，g 胛砌是阅读器天线的增益，r 是标签与读阅读器之 间的距离。 通过式2 - 1 可以得出，标签获取能量的大小与其距离呈正比，与工作频率呈反 比。在国际上，只嫩，被定义为全向辐射功率( e i r p ) 。全向发射功率通常被 1 4 第二章射频识别系统及u h f 无源标签芯片基本原理 规定在一定的功率值内，例如北美地区的标准规定【2 9 】，阅读器的等效辐射功率应 小于3 6d b m 。在理想的真空中