（通信与信息系统专业论文）rfid系统的研究及芯片关键电路设计.pdf

摘要 摘要 射频识别( r f i d ) 是一门多学科的领域，其内容包括电磁场、天线和数字通 信等多个方面。国内r f i d 芯片设计处在起步阶段，而r f i d 芯片的应用将越来 越广泛本文通过对r f i d 的研究与芯片电路的设计，希望探索一条研发r f i d 芯片的道路。 本文着重从系统和芯片两个角度分析r f i d 芯片的设计首先从芯片设计角 度对r f i d 理论进行深入研究与讨论，提出了一种电感耦合式r f i d 系统芯片的 设计方法，并建立仿真模型，以i s o - 1 5 6 9 3 标准为基础，提出系统参数，并仿 真验证。其次在第一部分基础上，采用华润上华0 5 u m 工艺分析设计了整流电 路，得出针对本文中应用最好的整流电路结构。提出一个符合i s 沪1 5 6 9 3 的解 调电路，经仿真验证，满足设计要求。 关键字；r f i d ，设计，整流，解调 a b s 仃a c t a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u c i l c yi d e n 瓶c a t i o n ) s y s t 锄i sa n e wi n f 0 眦a t i o ns c i e n c e 卸d t e c h n o l o g y w h i c hi n v o l v 龉m 锄ys u b j e c t s ，s u c h 黯e l e c 啊c a ls y s t c m s ，a n t e i m a ，a i l d m i c r o e l e c n i c s e t c t h ed o m e s t i cr f i di cd e s 细i si i lt h ep m l a r yp 嘶o d ，b u t 也e r ea r e m o r e 觚d m o r ea p p l i c a t i o 璐o f r f i c w t h i sp 印e r i sa b o u t t h c r f i d s y s t 锄a 1 1 d r f mc i 删i td c s i 弘，h o p i n g t 0e x p l o r e a r o a d t o r f i d i cd c s i 印 t l l i sa r t i c l e 锄a l y z e dr f i d 丘d mt 、oa s p e c t s ：s y s t e ma n di cd e s i 印f i r s t l y d i s c u s s c dn l cp r i n c i p l e so fi 啦，锄db m gf o 册a r dad e s i 弘e dp l 托t or f dt a gi c ， m a k cam o d e la b o mm ei n d u c t i v ec o u p l er f ms y s t 锄；西v ep 踟e t 哪o f “sm o d e l s e c o n d l y c o r d i n gt ot h ef i r s tp a 咄l l s e s0 6 啪c m o st c c h n o l o g y 柚dd e s i 驴n l l e o fc s m ct os i n m l 如t h e 嗽：t i | j e rc 沁u i 协，d m wac o n c l l l s i o n ，也e nd e s i 印ab e s t r e c t i 丘e rc i 咖i t hn ”d a c c o r d i n gt 0i s 0 1 5 6 9 3 ，p u tf o 州a r dad e m o d u l a t o rc i r 饥i t ， a f t e rt h e s i m u l a t i o no f c i f c u i t ，t h ed 锄o d u i a t o rc 锄a d a p tt ot h ed e m 柚do f d e s i g n k e y w o r d s ：r f d ，d c s i 鹦r e c t i f i e r d 锄o “a t o i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：互危 凇t 辱s 旯碣日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签 蒯名：学位论文作者签 、 名： 玩 解密时年月日 间： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：互龙 互曲f 年j 月刁日 第一章绪论 第一章绪论 第一节r f i d 的简介 1 1 1r f i d 历史与现状 射频识别技术r f i d ( r a d i of r e q u c i l c yi d e n t 诳c a t i o n ) 是自动识别技术的一种， 即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别。 r f d 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的 敌我辨识”系统 1 】。r f i d 的早期由于制造成本高和元件尺寸大的原因，只是应 用在军事和研究机构的试验。随着技术的进步集成电路、可编程记忆芯片、微 处理器及计算机软件应用的发展，r f d 应用领域日益扩大，现己涉及到人们日 常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术 二十世纪七十年代后，制造业、畜牧业、运输业等行业开发了以集成电路 为基础的r f m 系统i c 标签技术进一步发展，在可写记忆、读速度、作用距 离上有了很大的提高。现今r f d 技术已经应用在更广的范围，从美国的铁路运 输到欧洲的牧场畜牧，野生动物研究都在应用着褂砷技术。 2 0 0 3 年，世界排名第一的零售商沃尔玛宣布，到2 0 0 5 年1 月份时要求它前 l o o 大的供应商采用r f d 技术。r f d 识别技术的发展已经自下而上地被推动。 同时，r f d 的发展也面临一些障碍，其中最主要的是r f d 标签的价格。 一般认为价格在5 美元以上的芯片，主要为应用于军事、生物科技和医疗方面 的有源器件，l o 美分1 美元左右的常为用于运输、仓储、包装、文件等的无源 器件，消费应用如零售的标签在5 l o 美分，医药、各种票证( 车票、入场券等) 、 货币等应用的标签则在5 美分以下，标签价格将直接影响r 册的市场规模。 国内的r f d 产业才刚刚起步，从业公司无论规模、技术和人员配置等方面 和国外的竞争对手相比还有很大的差距，特别是芯片产业。国内企业与国外r f d 先进技术之间的差距主要体现在r f d 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设 计及开发方面，国内已有多个成功的低频r l ) 系统标签芯片面市。 1 1 2r f i d 的应用领域 目前全世界已经安装了约5 0 0 0 种r f i d 系统，实际年销售额约为9 6 4 亿美 i 第一章绪论 元，用于生产线自动化、仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火 车和货运集装箱的识别、物流管理、生产线追踪等领域。在全世界范围内可以 找到很多成功的r f i d 系统在各个领域应用的范例 1 1 3 国际标准及应用的频率 目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容， 表现在频段和数据格式上的差异，这也给m q d 的大范围应用带来了困难。 对于物流领域，现在全球有两大r f d 标准阵营：欧美的a u t 0 mc e n l e r 与 日本的u b i q u i t o u smc 印t c r ( u d ) 。 对于技术上的应用，目前常用的r f d 国际标准主要有用于对动物识别的 i s 01 1 7 8 4 和1 1 7 8 5 ，用于非接触智能卡的i s o1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 、i s 0 1 5 6 9 3 ( c i i l i t yc a r 出) 、i s o1 4 4 4 3 口r o x i i i l i t y c a r d s ) ，用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 等。有些标准正在形成和完善之中，比如用于供应链的i s o1 8 0 0 0 无源超高频 ( 8 6 0 m l l z 9 3 0 m h z 载波频率) 部分的c 1 g 2 标准不久会正式推出，我国自己的 国家标准正在制定，不久将要推出。 i s 01 8 0 0 0 是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准，原因是 它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。 i s o l 8 0 0 0 系列主要标准概述如表3 2 l每 第一章绪论 采用i s o1 8 0 0 0 6 对空气接口的规定加上e p c 系统的编码结构再加上0 n s 架构，就可以构成一个完整的供应链标准。 通常情况下，i 谭i d 阅读器发送的频率称为r f i d 系统的工作频率或载波频 率。从上节关于标准的叙述中也可看出，r f i d 载波频率基本上有3 个范围：低 频( 3 0 l ( h z 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 m h z 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 。常见的 工作频率有低频1 2 5 k h z 与1 3 4 2 l c h z 、高频1 3 5 6 m h z 、超高频4 3 3 m l l z 、8 6 0 m h z 9 3 0 m h z ，2 4 5 g h z 等。 第二节r f i d 的系统组成及分类 1 2 1r f i d 的系统组成部分 一个典型的r f m 系统由标签( t a g ) ，阅读器( r e a d e r ) ，天线( a n t e n n a ) 、 数据处理计算机四部分组成一在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。如 图1 1 所示： 图1 2 r f i d 系统 从上图可以看出r f i d 系统工作过程，标签进入磁场后，接收阅读器发出的 射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 ( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( a c t i v e t a g ，有源标签或主动标签) ，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统( 计 算机) 进行有关数据处理，。 r f i d 系统要考虑标签接收的能量、时钟、信息，通信协议；同时要考虑到 3 第一章绪论 电磁场，通信方法，各个国家无线电管理的规定，标签实现的工艺限制，最后 要满足应用上考虑( 成本、尺寸大小、作用距离、数据速度、信号整体、兼容 性等) 。这些参考具体应用指标。 1 2 2i c f i d 的分类 为了更好理解r f d 的应用，有必要对r f i d 的分类进行简单的描述。关于 r f d 系统的分类，从不同的角度由多种分类方法，而且各种分类交错在了一起。 现概括如下； ( 1 )从标签是否有i c 芯片可以分为：c h i p 和c 眦p l e s s ( 1 b i t 应答器) 。 ( 2 )从标签供电角度可以分为：有源标签、无源标签、半有源标签。 ( 3 )从芯片利用次数，可分为只读标签和读写标签。 ( 4 )从r f i d 的工作方式，可分为全双工( f d x ) ，半双工( h d x ) 和时序系统 ( s e q ) 。f d x 系统实时性能最好，实现时最为复杂，h d x 系统相对 来说性能最好，s e q 系统对能量消耗要求最为严格 4 7 。 ( 5 ) 从作用距离可以分为密耦合、遥耦合、远距离系统。 密耦合作用距离近，一般用于安全要求高但对距离不要求的应用中。 遥耦合又可分为近耦合( i s o1 4 4 4 3 ) 【4 】、疏耦合系统( i s o1 5 6 9 3 ) 【5 】。 第三节本论文选题的意义 当前国际上r f m 的研究和试验正在如火如荼的展开，国内的r f d 产业刚 刚起步，国内企业与国外r f d 先进技术之间的差距主要体现在i 啦m 芯片技术 方面。专家预测射频识别产品在未来5 年内，在我国市场需求巨大，将形成5 0 0 亿元的庞大市场。但是国内的大多数r f d 产品都是采用国外的芯片，国内具有 r f d 芯片设计能力的公司还非常有限。想要进一步发展r f d 产品，将产业做 强做大，自主创新是关键。 本论文课题以天津科委r f m 芯片研发项目为背景，通过对r f d 芯片的研 究与设计，希望探索一条研发r f d 芯片的道路，这对于促进民族产业的发展， 研制具有自主知识产权的电子标签芯片，具有重要意义。 4 第一章绪论 第四节本文的研究内容和作者的主要工作， 工作在o 8 m 距离的物流应用r f d 系统很多，本论文的前提是应用在这个 作用距离的电感耦合式无源r f d 芯片 如何设计研发一个r f i d 芯片，当前现有的论文和资料没有关于这方面的论 述。本论文尝试从开发一个r f d 芯片的角度论述r f i d 系统及其电路设计 对于如何得到芯片的外部输入条件，本文的第二章从基础物理理论开始分 析r f i d 系统及其原理；然后在第三章运用数字通信的原理分析r f i d 系统，为 电路结构设计提供参考。 第四章分析和设计r f i d 芯片的性能指标。包括选择通信的方式。输入电压， 可用功率的范围，选择的那个国际标准等内容。为了和阅读器更好得配合，本 文建立了一个1 3 5 6 m 的电感耦合式系统的仿真模型，并根据国际标准i s 0 1 5 6 9 3 提出了系统参数并仿真验证。 第五章在得到所有系统参数后，仿真分析了整流电路，得出针对本文应用 最有效的整流电路；提出了一个适用于1 5 6 9 3 标准的解调电路；最后用c o m s 工 艺实现了解调和整流电路。 5 第二章r f m 系统的电磁原理 第二章r f l d 系统的电磁原理 绝大多的1 3 5 6 m 射频识别( r f i d ) 系统是按电感耦合的模式工作的。因此 要理解阅读器与应答器之间的能量和数据传输的过程，深入研究磁耦合的本质 是非常必要的。本章从系统的角度对高频及辐射传输能量和数掘的传输电磁原 理进行探讨。 第一节引言 2 1 1 麦克斯韦方程与电磁场基础 早在1 8 6 4 年英国科学家麦克斯韦建立了电磁学的完整理论麦克斯韦方 程如下各式，从理论上预言了电磁波的存在，并在1 8 8 7 年被赫兹所证实该方 程被认为是电磁学之经典理论基础。由该方程所导出的一些关于电磁场的基本 关系及相关结论是求解电磁学问题的理论依据 v e ：一。生生 at 可xh ：j 垒堡一d a t 飞d = p v 口= 0 e 是电场强度( v m )h 是磁场强度( a m ) d 电位移( c 平方米) j 是电流密度( a 平方米) 电流和电荷的连续转换等式如下： v + 一鲁p = o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) b 是电磁通量密度 p 电荷密度 每单位时间通过的电磁场的单位面积平均功率以波印亭向量表示： 6 ( 2 5 ) 第二章r 凡d 系统的电磁原理 s = r 占日) 其中s 为功率密度单位为w m2 ，日为h 的共扼复数。 ( 2 6 ) 通过绝缘媒介时，在两个场正交的方向传播。 我们用以下几个参数去描述场和波： t 。= m 瓜= = = 卢 ( 2 ，) 其中c 是光速约为3 1 0 8 n 以，占。自由空间的介电常数为 8 8 5 4 2 。l o 一1 2 f m ，o 自由空间的磁导率为4 石1 0 - ，电位移 d 叫一，磁感应强度肚日自由空间阻抗2 等， 上述的各公式和参数是描述电磁场的基本参数。 2 1 2 天线及作用区域 【8 】从麦克斯维方程我们可以得到有天线产生和辐射的电场和磁场。参考理 想的电偶极子天线，由一个振荡的理想的电偶极予，设其长度为d l ，则产生的 场强可由下式表示： 一鼽夕2 zc o s 叫击+ 击p 卜 一等舻2 z 咖口防击+ 击卜， 咖一陪奇卜矿 ， 7 第二章r f i d 系统的电磁原理 由上式可以看出，场强由场点到天线的距离f 决定。当彦“l ( 或者 r “a 2 石) 时，三次方项起决定作用，在这个距离电场强度以l ，3 衰减，磁场 强度以l ，2 衰减，我们可以定义这一区域为近场。 当距离， 丑2 石一次方项起主要作用，电场和磁场都是以l ，衰减，我们 定义这一区域为远场。 进一步研究公式，我们注意到在近场彦 1 ) ，一次方项起主要作用，场公式简化为 萨= j 兰咿啪咖砸 ( 2 4 砌。 “” h 行= j 导膨一s i i l 印 ( 2 1 2 ) 4 胛 可以看出电场和磁场同相，在方向上正交。并且自由空间的阻抗为 ，；”o 电场和磁场都是以1 ，衰减。计算远场坡印亭矢量显示出有一个 真正的能量密度通过一个面传播。在远场中电磁场构成个一个电磁波。对于 小的环形天线进行类似的推倒可以得出相似的结论，小的环形天线可以等效为 一个理想的磁振子，采用二重性原理就可以由基本电振子的场直接得出磁振子 的场。小环天线的阻抗与基本电振子大不相同，基本电振子是容性，小环则是 感性。 8 第二章r f 系统的电磁原理 当0 6 2 d 肌s r 2 d 肌时，为辐射近场区，在此区域，辐射功率密度大于 无功功率密度，场方向图是经向距离r 的函数，并且可能有相当大的经向场分量。 我们讨论的电磁场不仅仅在远场中，也包括瑞利区域。通过上述的讨论可 以得到：在近场中场是电抗性和似稳的，而在远场中电磁场构成了辐射波。远 场和近场的过渡点实际由天线的几何形状决定，但通常把。定义为转折点。 考虑到这些，r f m 系统有两种耦合方式，( 1 ) 在低频时，操作距离属于近 场，r f i d 系统通过似稳场耦合( 2 ) 在高频时，r f d 系统操作在远场，通过电 磁波耦合。 2 1 3 传播空间、天线、电路的阻抗 阻抗反映了自由空间、天线和电路的内在性质。在电磁场理论中，阻抗反 映了电场和磁场之间的联系：z = 吾。在天线或电子线路中，阻抗是电压和电流 之间的联系：z 号。 天线在端口有输入阻抗：。墨耐+ 。缸+ f 。实部由实际辐射电阻墨耐和 欧姆消耗电阻r 。组成，而电抗部分x 表示在天线周围的场中存储的能量。天 线相对于波长越小，则辐射阻抗分量越低，电抗分量越高，这表明一个效率不 高的辐射。在近场时，考虑理想的电偶极子和小环，可得到小环( s m a l l1 0 0 p ) 有一个大的正的电抗分量，理想电偶极子有一个负的电抗分量。正电抗表示电 感，负电抗表示电容，对于工作在近场的r f d 系统理解这点非常重要 第二节磁场原理 基本的磁场原理已经广为人知，所以本节不再叙述，而是侧重于分析与r f d 近场磁耦合方式相关的理论。 2 2 1 近场作用原理 前面已经提到近场是电抗性和似稳的。而且近场r f d 应用中电感式耦合模 型远远多于电容式耦合，所以本节重点分析电感式耦合。 9 第二章腑d 系统的电磁原理 图2 1r f i d 系统等效耦台原理图 应用在近场的r f 系统等效次耦合原理图如图2 1 所示。由电磁感应定律 可知，阅读器天线线圈产生高频的强电磁场，这个交变的磁场中一小部分穿过 距阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈，通过感应，在应答器线圈产生 一个电压u ，将其整流后作为数据载体的电源。这两个线圈的结构可以解释成交 压器耦合，且变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。变压器两边都调谐到 一个工作频率( 例如1 3 5 6 m ) ，使阅读器线圈产生大的电流，应答器标签天线感 应到最大的电压。阅读器的天线线圈与标签之间的功率传输效率与工作频率f 应答器线圈的匝数n 、被标签线圈包围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之 问的距离成比例。 当标签应答器处在阅读器的磁场中时，该应答器就从磁场取得能量，从阅 读器天线内阻可以测量出这个功耗，负载阻抗大小的变化将引起阅读器天线上 电压的变化，实现远距离应答器对天线电压的调制。这就是所谓负载调制。如 果应答器负载阻抗以一定时钟频率动作，则将在载波频率附近产生两条谱线， 这称为副载波调制。 2 2 2 近场耦合电路模型分析 近场耦合变压器模型图2 2 所示 1 0 第二章r f i d 系统的电磁原理 近场磁耦舍等效电路图 图2 2 近场耦合变压器 h l 苌 其中l l 、r 。、为阅读器天线等效电感、电阻，c l 为天线的调谐电容；l 2 、 r l 2 、为标签天线等效电感，c 2 为应答器标签天线的谐振电容。实际上电容c 2 是由标签天线的并联电容和实际电路的寄生电容组成。同样r l l 由阅读器天线 内阻和应答器等效的反射阻抗组成。所以对电路分析应该从两个方面进行；阅 读器，应答器系统和应答器阅读器系统。这两个方面对应着标签的数据下行和上 行的数据链路。 2 2 2 1 阅读器一应答器系统 ( 1 ) 感应电压与谐振 在电感式耦合系统中，阅读器通常都是环形或矩形导体线圈天线，当标签 天线距离阅读器天线距离为x 时，天线产生的磁场强度如下式 。 i n 硭 环形天线爿2 丽 q 1 3 2 僻+ ， ， 舰磁肚而萧1 南+ 剥4 ， 粝j 觑) 2 + ) 2 + 工2 【厂2 厂2 j 根据经验，阅读器的阅读范围，大致与发射天线半径相同【3 】。 第一二章r 凡d 系统的电磁原理 阅读器天线磁场只有少部分穿过标签天线，并在标签天线线圈感应出电压 ：，为了在标签线圈得到高的电压，在标签线圈上并联电容c 2 构成谐振回路。 等效的电路图重画如下图2 3 所示 图2 3 等效的电路 鹰生亳薯 电窖c 则标签的负载上的电压u 2 为： 2 而毒豢 亿旧 式中c 2 = q + o 现在再来分析电路元件r 2 ，l 2 ，r l 对电压u 2 的影响。考虑线圈电路的品质 因数q 值如下式：【8 】 ，、， 回路储能 1 g 万葡丽：百面 ( 2 1 6 ) 础，尺， 通过串联和并联阻抗的等效互换【9 】，变换r l 的等效电阻与r 2 串联，则很 容易看清楚，q 值随r l 和i m 的变化情况： 当r ：无穷大、也跏时，等效电阻趋近于无穷大，q 趋近于无穷小，电 压u 2 同样趋近于0 ；而当月：踟、也- 无穷大。时，等效电阻趋近于无穷小，q 第二章r f i d 系统的电磁原理 趋近于无穷大，电压u 2 同样趋近于很大。可见标签电阻小、负载电阻大有利于 增加u 2 的值。 当r 2 和负载电阻确定后，把q 作为l 2 的函数，保持c 2 是回路谐振，可 以发现有一个最佳的l 2 使q 值和u 2 最大。 在设计应答器时把上述影响考虑在内，可使电感耦合的射频系统能量作用 距离达到最佳化。 ( 1 ) 应答器的供应电源 对于标签芯片来说，一般为无源芯片，芯片电源必须从u 2 中获得。标签线 圈的感应电压可用下式计算： “l2 o 彳国日疗( 2 1 7 ) 式中，h e 行为正弦形磁场的有效场强，为磁场角频率，n 为线圈匝数，a 为线圈的横截面积 代入公式( 2 3 ) 得芯片获得原始( 未加限压电路) 电压估算公式： 吣蒜等赫 。仁峋 u ，= _ 7 7 二，l 殳、 l + d 础2 + 恐x l 月l + ，c t c 2 ) 、。 当标签和阅读器距离很近时，电压u 2 可达到l o o v 以上但芯片需要一个 稳定的电源工作，一般为1 8 v 。5 v 。所以需要调节电压，在电路设计中有多种限 压电路，在这里分析限压电路的工作原理。 供电电压u 2 调节通过振荡回路的谐振可以达到很高的数值。并联c 2 在l 2 上，产生谐振。为了不依赖于耦合系数k 和或其他参数去调节电压u 2 并在实用 中保持稳定，在数据负载上并联一个分流电阻r s ，( 实际中用分流电路实现) 。 可以计算得到下式：【3 】 血；：，三一 ( 2 1 9 ) ，国t 。上i 工2 f i l 蒿瓦一。们2 一玄 ，国三2 + r2 。 矗 1 3 第二章r f i d 系统的电磁原理 上式中u 为稳定时的电压 图2 4 限压电路原理图 随着感应电压：的增加，分流电阻r s 的值不断减少，进而减少了回路谐 振的q 值，使u 2 保持稳定。分流电阻r s 的变化值作为祸合系数的函数，一般 电阻取值覆盖几个数量级，所以必须用半导体电路才能实现，这就是在电路设 计时考虑的限压电路。上图2 4 是限压电路原理图。 ( 2 ) 标签最小动作场强及应答器的作用距离 在实际电路设计时，在考虑后级电路的参数后，例如最小工作电压，等效 阻抗后，可以通过( 2 6 ) 式对作用距离进行估算，设最小工作电压为u m i n ，则 ；堕熊丝竺坠关堕鱼坠墨丛 ( 2 ：。) 如果考虑到阅读器发送频率与应答器谐振频率在实际应用中的不一致情 况，公式( 2 8 ) 可以改写为： 日一= “1国协笼支2 + p 亨2 - 甜 弘a n ( 2 2 1 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，应答器谐振频率与阅读器发送频率的偏差导致应答器的 较高的动作场强和较小的阅读器作用距离 从最小动作场强进一步可以估算出应答器的能量作用距离，在这个距离上 1 4 第二章r f i d 系统的电磁原理 标签恰好由足够的能量供应答器工作( 这个能量由标签功耗决定) 。由( 2 1 ) 式 可以计算出这个能量作用距离。 工= ( 2 2 2 ) 值的注意的是这个距离与系统功能作用距离不是一个概念，系统的功能作 用距离取决能够检测出标签的数据的距离。 2 2 2 2 应答器一阅读器系统 前面分析了从阅读器到标签的下行电路的情况。为了深入分析应答器到 阅读器的上行数据传输，下面从阅读器角度分析应答器对阅读器的影响。 ( 1 ) 应答器在阅读器端的反射阻抗 如果一个标签应答器进入阅读器的磁场，则由楞次定律可知，应答器线圈电 ， 流i 2 通过互感m 对电流i l 起作用，在阅读器端可以等效为反射电阻z ，【8 】。则 相应的等效电路图如下图2 5 所示： b x 1 伽c 1 ) c 惭t x 焉师。龟知埘地 。 。知 阔读器天线线圈 图2 5 阅读器端等效电路图 当阅读器端天线回路谐振时，电压矢量图2 6 所示 第二章r 肋系统的电磁原理 ，m j r z t l ，l 1 u c l ，r ， 1 1 r & r 图2 6 电压矢量图 由上面两个图可以计算阅读器天线电压 ”州一，拍础- 卟- ，枷而惫酉 ( 2 2 3 ) f 2 为标签线圈的电流，m 为耦合互感 由上式可以得到反射电阻【9 】 z ，：塑竖；竺：墨：刍! 墨2 4 z 控r 2 + _ ，础2 + z 2 其中，z 2 为应答器芯片的负载阻抗和谐振电容c 2 的等效阻抗 用标签应答器中的c 2 和r l 代入表达式，得到最终的标签电路在阅读器的 反射阻抗公式( 2 1 1 ) z ，一_ 警牛 即_ ，鸣+ 赢 ( 2 ) 影响反射阻抗的变量 从公式( 2 1 1 ) ，可以得出以下结论： 第二章r f i d 系统的电磁原理 1 )固定应答器谐振频率，只改变发送频率，则 当发送频率 谐振频率，z ，表现为容性负载； 2 )耦合系数k 改变，则z r 正比于k 的平方，当发送频率和谐 振谐振频率一致时，z ，为实数，当不一致时，则z ，含有感性或容性成 分。 3 )只有应答器电容c 2 改变时，则 当c 22 。2 岛使标签线圈谐振时- z t 达到最大值 当c 2 ，2 夕乞。：如使标签线圈谐振时，乙表现为容性或感性 c 2 趋近于o 或无穷大时，由2 1 l 可以得到两个极值。 z ，一等尝 6 ) 。 胄2 + ，a 正2 + r l 、 z ，一竺丝：刍：墨2。 月2 + ，础2 ( 2 2 7 ) 4 ) 只改变负载电阻r l 时，可以得到负载电阻越大则反射阻抗z ，越 大，反射电阻于应答器天线电流成正比，而不是与应答器芯片电流成正 比。r 。趋近于o 或无穷大时，由2 1 1 也可以得到两个极值 z ，一铅 岛+ _ ，础2 、 z ，一! 埤9 ) 二t = t i 五z ，i 恐+ _ ，越：+ 齑 5 ) 改变应答器电感l ：，保持谐振频率固定时，可以发现在l ：为某 ， 一数值时反射阻抗z r 最大大( 品质因数q 同时达到最大) 1 7 第二章r f i d 系统的电磁原理 ( 3 ) 负载调制 对于无源r f i d 电感耦合系统来说，大部分都是使用负载调制的方法。对标 签电路来说，所有可能改变的负载参数只有芯片的负载电阻和并联电容。下面 讨论一下这两种负载调制的方法。在文献 1 0 】负载调制测试的电路如下图2 7 ： 图2 7 负载调制测试的电路 这种调制方式是使并联电阻r m o d 在数据流的时钟( 或如图所示的已调的 4 0 0 多k h z 副载波) 中打开或关闭，从前一小节中我们知道这样会使阅读器端的 反射电阻变化，从而引起阅读器线圈的上电压的变化。其产生影响的电压矢量 图如下图2 8 所示。从图中可以看出，负载在两个值之间切换，使反射电阻的 电压在u z t l 和u z l 2 之问变化，从而总电压u r 】( 在u r ) 【l 和u l x 2 之间变化。当 使用电阻负载调制时，u 矗相位始终保持不变；而电容负载调制使u z t 的大小和 相位都在变化。 对于一般的低频系统( 编码：在第一个半比特周期中的“高电平表示二进制 的l ，而持续整个比特周期的低电平表示二进制的“0 n r z 编码：“高”信号表示二迸制l ，“低”信号表示二进制。在f s k 或p s k 调制中几乎只使用n r z 编码。 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期时的负边沿表示二进制 “1 ”，半个比特周期中的正边沿表示二进制“0 ”因此曼彻斯特编码也被 称作为分相编码( s p l i t p h a s ec o d i n g ) 米勒( m i l l e r ) 编码：在半个比特周期内的任意边沿表示= 进制“1 4 ， 而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制。o 变型米勒编码：对米勒编码的改型品种来说，每个边沿都为“负” 脉冲所取代。 第三章r f i d 系统的调制和解调理论 差动双相( d b p ) 编码(f m o ) ：在半个比特周期中的任意边沿表示二 进制的“o 。，而没有边沿就是二进制的“l 此外，在有比特周期开始时， 电平都要反相。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建( 如果需要的话) 。 差动编码：在差动编码时，要传输的二进制“1 ”将引起信号电平的 改变( 切换) ，而在二进制“o ”时，信号电平保持不变。用x 0 r 门和d 触发 器就很容易从r r z 信号中产生差动编码。 脉冲一间歇编码：在下一个脉冲前的暂停时日j 为t 表示二进制 “l 。而下一个脉冲前的暂停持续时间2 t 则表示二进制“0 ”。 脉冲时间调制：包括脉冲宽度调制( p 1 】| m ) 和脉冲定位调制( p 刚) ，是随 脉冲宽度或位置来传送信息。p 删通过制定不同的脉冲宽度来表示二进制的 o 和i ；p p m 通过制定不同的脉冲位置来表示二进制的0 和1 各个编码的波形如图3 2 所示： n r z r z m a n o h 一日7 m i 口r f m 0 p t 帆 p v v m p p m 0 1 f1odo1o _ il l 一 _ _ j 厂m。1 l广 厂rli 一 广 lm j l i u _l l1厂。 lin1 - _l _ jlll刈l uu 圹uu 图3 2 r f l d 常用基带码型 各种编码都有其优点和应用场合，可参考相关书籍，此处不再累述 为射频识别系统选择一种合适的信号编码系统时。应当注意不同的边缘条 件。最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输故障的敏感度。此外，对无源 第三章r f i d 系统的调制和解调理论 应答器( 应答器的能源取自阅读器的h f 场) 来说，不允许由于信号编码与调制方 法的不适当的组合而中断应答器的能量供应 第三节数字信号载波调制法 数字信息必须附加在高频电磁波上才能有效发射到周围的空间，也就是必 须把基带信号变换成频带信号，这就是调制的作用【9 】 1 2 】调制的本质是指把携 带有用信息的基带信号的频谱从低频范围搬移到高频范围。传统的无线电技术 中，主要是模拟调制的方法。改变电磁波的三个参数，可以分为振幅调制，频 率调制和相位调制。所有其它的方法都是从这三种类型之一引申出来的。数字 调制技术( 用数字信号对载波的不同参量进行调制) 就是先把信号进行脉冲调制， 然后再去用这个已调脉冲去改变高频载波的三个参数，使高频载波的振幅、频 率或者相位随着基带信号的变化而变化，于是有了三种基本数字调制方法： 幅移键控a s k ( a 叩l i t u d es h i f tk e y i n g ) 频移键控f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 相移键控p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) 信息( 数据) 对电磁波的影响过程称作调制，未调制的电磁波被称作载波。分 析空间中任意一点电磁波的性能，从测得的接收功率、频率或相位的变化中可 以重建此信息，此过程称作解调。 上述的数字调制方法可以分为二进制数字调制( 2 a s k ，2 f s k ，2 p s k ) 和 多进制数字调制( m a s k ，蛐f s k ，m p s k ) 。射频识别系统通常就是采用的二进 制数字调制方法。由于1 3 5 6 m 系统大都下行使用2 a s k 方法，上行采用2 a s k 或2 f s k 方法，所以重点分析2 a s k 和2 f s k ，对其他两种方法只做简单的介绍。 3 3 1 二进制幅度键控调制( 2 a s k ) 在振幅键控时，2 a s k 调制原理用二进制数字序列的数字基带信号去控制连 续高频载波的幅度。高频载波按二进制编码信号在两种状态s l 和s o 。之间切换 ( 键控) 如图3 3 所示s l 设为满幅度，s 0 可以取s l 和o 之问的值。s l 和s o 二 者之比被称作键控度m ，如下式( 3 1 ) 二进制“l ”表示为载波输出s l ，二迸制“0 ” 表示无载波输出s 0 ( 1 0 0 a s k ) 或另一个幅度输出( m a s k ) 。一般书籍中定义 的调制深度m 。式( 3 2 ) 与键控度m 的关系可以通过( 3 1 ) ( 3 2 ) 式进行换算。 2 4 第三章r n d 系统的调制和解调理论 m ：娑 一一石。了 s l + s o 。 ：罢掣 ( 3 2 ) m t2 百 慨) 2 a s k 调制的产生如下图3 3 所示a ，b 两种原理 开关电路 图3 32 a s k 调制原理 ( 6 ) 二进制编码信号由i 和o 状态的序列组成，周期为t 而比特持续时间为t 从数学角度来看振幅键控a s k 调制，是编码信号s ( d 乘以载波。通过编码信号 频谱与载波频率f c 的卷积或通过编码信号的傅里叶展开乘以载波，就可以得到 振幅键控( a s k ) 信号的频谱。它在上边带和下边带中包含了编码信号的频谱，与 载波对称。对于1 0 0 的调制方式信号时间波形图如下图3 4 所示 啪 二口 卜乙一ii i i ii -it 载波信号p 4 d 3 i 弋笋勺q 气) f 七凸 3 c 7 9 q j 气尹b d q 凸d 弋芦舯 2 a s k 信号码弋户孛上b 气严百气尹9 气声j o 气胁 图3 41 0 0 的调制方式信号时间波形 3 3 1 12 a s k 信号的简单分析 二迸制振幅键控信号表示式与双边带调幅信号时域表示式类似。二进制振幅 键控信号的功率谱密度由离散谱和连续谱两部分组成。离散谱由载波分量确定， 第二章r f i d 系统的调制平解调理论 连续谱由基带信号波形烈f ) 确定，二进制振幅键控信号的带宽b 2 a s k 是基带信 号波形带宽的两倍，即b 2 a s k ，2 b 抗噪声性能在相同的信噪比条件下。相干检 测法的误码性能优于包络检波法的性能；在大信噪比条件下，包络检波法的误 码性能将接近同步检测法的性能 1 l 】另外，包络检波法存在门限效应，同步检 测法无门限效应。由于r f d 系统一般是大信噪比，所以通常使用包络检波法。 3 3 2 二进制频移键控调制( 2 f s k ) 数字频率调制是利用数字基带信号控制高频载波的频率来进行频谱变换的 种数字调制方式，用二进制编码信号在两种频率n 和岔之间进行切换，原理 图如下图3 5 所示。把两种特有的频率f l 和也的算术平均值定义为载波频率f 打。 载波频率与特有频率之问的差被称作频差【1 2 】。 啦聿信号娃膨 图3 52 f s k 原理图 采用键控方法进行调制，在发送端使用不同频率的高频载波对应数字基带 信号的不同状态。在接收端则将不同频率的高频载波还原成为相应的状态。2 f s k 信号的调制有两种方法：直接调频法和频率键控法。直接调频法用数字基带信 号的状态控制载波发生器的某些参数，直接改变载波频率，使数字基带信号的 不同状态对应载波发生器不同的输出载波频率f 1 和q 来实现。 频率键控法使用数字基带信号控制电子开关在两个载波发生器之间进行转 换，从而输出不同频率的信号。r f d 的负载调制如果使用双频率时就是这种方 法。当使用副载波法时，就是用数字信号先把n 和也进行2 a s k 调制，再用这 两个被调制波去调制载波。 2 f s k 的解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控 信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值比较最终判决出输出信号。解 调方法有非相干解调、包络检测法、相干检测法、过零检测法、差分检测法等。 第三章r f l d 系统的调制和解调理论 3 3 3 二进制相移键控调制( 2 p s k 或b p s k ) 数字相位调制是利用二进制或多进制数字基带信号控制连续高频载波的相 位；高频载波的相位随着数字基带信号的变化而变化，最终实现频谱的搬移。 数字相位调制可以分为二进制和多进制相位调制：绝对调相( p s k ) 和相对 调相( d p s k ) 。 在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化 时，则产生二进制移相键控( 2 p s k ) 信号。 2 p s k 信号的产生可以通过直接调相法和相移键控法实现。但是解调必须用 相干解调【1 2 】。 第四节r f i d 芯片调制解调电路原理 对于1 5 6 9 3 标准的r f i d 系统数据链路采用的2 a s k 调制方式，为了更好设 计标签芯片的电路，要深入研究一下2 a s k 系统的下行解调电路原理和上行反 向调制原理及其性能。 3 4 12 a s k 信号的解调方法 2 a s k 信号的解调方法有两种包络解调法和相干解调法( 同步检波法) 。其 解调的原理图如下所示：( 图3 6 ) 包络解调法( 图3 7 ) 相干解调法 抽棒脉冲 伍巫西固瞧匿丑匝匦匿蛩医巫匦盈匝型亟蛩一 “盟喇栅衄蚴匕j 8 盟口u _ l 图3 6 本地载波抽样脉冲 图3 7 包络解调法的方法，1 0 0 a s k 解调的时间波形如下图3 8 所示，电路原理 2 7 第三章r 兀d 系统的调制和解调理论 图3 9 1 ：一：一：广 一w i 厂饥m 卅 。w 洲m腓m c 厂一、 厂、 厂、厂、 。 厂 厂 广 图3 8a s k 信号非相干解调过程的时间波形 图3 9 包络检波与原理图 3 4 1 1 包络检波的质量指标分析 8 】 1 ) 检波效率k d ( 电压传输系数) ： 输出的低频电压幅值与输入高频调幅波的包络幅值之比，即； x 4 = 瓷一c o s 8 日为电流导通角 2 ) 等效输入电阻r i n ： 输入高频电压的振幅与输入的高频电流的基波振幅之比。即： 如= 等= 老* 尝 3 ) 检波失真： ( 3 3 ) ( 3 4 ) 第三章r f i d 系统的调制和解调理论 包络检波器输出波形与调幅波包络线的相似程度。 检波失真包括有惰性失真、负峰切割失真、非线性失真、频率失真。这几 种失真对一个2 a s k 解调影响最大是对惰性失真，可以证明当满足式( 3 5 ) 时，可 以避免这种失真。 r 一 7 v 。能