（电路与系统专业论文）915mhz读写器的射频前端电路研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘要 射频识别作为近年来逐渐兴起的一种非接触式自动识别技术，在各领域的应 用越来越广泛。目前，超高频射频识别读写器的射频模拟前端电路存在元器件数 目多、成本高、功耗大等问题。针对这一情况，论文以9 1 5 m h z 读写器射频前端 电路为研究对象，对读写器射频前端的拓扑结构、参数选择、电路设计与调试等 方面作了详细的分析和研究，主要研究内容有： ( 1 ) 阐述了射频识别技术的发展、原理和射频识别系统的构成，分析了 i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 标准，研究了射频通信电路设计的相关理论。在给出读 写器主要技术基础上，提出了读写器总体设计框图，并详细分析了射频前端电路 的结构和工作原理。论文将射频前端电路分为发射电路和接收电路两部分分别进 行设计和调试。 ( 2 ) 在发射电路中，针对超高频r f i d 读写器的工作特点，设计了基于数字 频率合成器l m x 2 3 1 5 的锁相环路，给出了锁相环伪随机跳频程序流程图。仿真 结果表明该锁相环电路具有良好的性能，适用于实际的r f i d 读写器电路设计。 选用合适的i c ，设计了符合i s o l e c l 8 0 0 0 6t y p eb 标准要求的射频调制，射频 功率放大电路和电源管理电路，实现了读写器输出功率可调，射频放大器电源可 管理的功能，有效地减少了读写器的功耗。 ( 3 ) 在接收电路中，设计了基于射频功率检测芯片a d 8 3 1 9 的反射功率检测 电路，能持续检测负载匹配状态，实现无负载保护功能。并针对超高频r f i d 读 写器的工作特点，选用合适器件，设计了零中频接收电路，减少了外接元件，降 低了读写器成本和功耗。 ( 4 ) 根据读写器总体设计要求，开发了读写器样机，对其射频模拟前端电路 进行了分模块调试，给出了实验结果并对实验数据进行了分析。 通过对读写器样机测试表明，其输出功率、读卡距离、功耗等技术性能指标 均达到或优于设计标准要求，样机运行稳定可靠，达到了预期的设计目标。 关键词：射频识别；超高频；读写器；射频前端 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yl d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) h a sb e e ng r a d u a l l yu s e di na l lf i e l d sa s an e wc o n t a c t l e s sa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p e d i nr e c e n t y e a r s a i m i n g a tt h ew e a k n e s so fr fa n a l o g yf r o n te n dc i r c u i ti nu l t r ah i g h f r e q u e n c y ( u h f ) r f i dr e a d e r ，s u c ha st o om a n yc o m p o n e n t s ，h i g hc o s t ，h i g hp o w e r c o n s u m p t i o n ， a n ds oo n ， t o p o l o g y ，p a r a m e t e r s e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g na r e a n a l v z e da n ds t u d i e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ， t h ed e v e l o p m e n t ，w o r k i n gp r i n c i p l e sa n ds y s t e ms t r u c t u r eo fr f i d w e r ei n t r o d u c e d ，t h ei s o i e c18 0 0 0 6t y p ebs t a n d a r dw a sa n a l y s e d ，a n dt h et h e o r y o fr fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sr e s e a r c h e d a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s0 fr f i dr e a d e f ，t h ep a p e ro f f e r s t h eo v e f a l ld e s i g nd i a g r a mo ft h e r e a d e ra n da n a l y z e st h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e sa n di n t e r f a c e s o ft h er f a n a l o gf r o n te n di nd e t a i l t h er fa n a l o g yf r o n te n dc i r c u i t i n c l u d e st r a n s m i s s i o n c i r c u i ta n dr e c e i v e rc i r c u i t s e c o n d l y ， t h i sp a p e rd e s i g n st h ep l lc i r c u i tb a s e do nd i g i t a lf r e q u e n c y s v n t h e s i z e rl m x 2 31 5 ，w h i c ha i m sa tt h er e q u i r e m e n ta n dt h ec h a r a c t e ro fu h f r f i dr e a d e r t h e ni tp r e s e n t sp s e u d o r a n d o mf r e q u e n c yh o p p i n gp r o g r a mn o w c h a r t 0 fp l l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp l lc i r c u i th a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dc a n b ea p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lr f i dr e a d e rc i r c u i t b yc h 0 0 s i n ga p p r o p r i a t ei c ，t h i s p a p e rd e s i g n st h er fm o d u l a t i o nc i r c u i t ，r fp o w e ra m p l i f i c a t i o nc i r c u i ta n dp o w e r m a n a g e m e n tc i r c u i tw h i c ha r ec o m p a t i b l ew i t h t h ei s o i e c18 0 0 0 - 6t y p eb s t a n d a r d t h er e a d e rp o w e fc o n s u m p t i o ni sr e d u c e de f f e c t i v e l y ，b e c a u s et h er e a d e r o u t p u tp o w e ri sa d j u s t a b l ea n dt h er fa m p l i f i e rs u p p l yi sm a n a g e d t h i r d l y ， t h i sp a p e rd e s i g n st h er e n e c t e dp o w e rd e t e c t i o nc i r c u i tb a s e do n a d 8 3l9 ，a n dr e a l i z e sn o n 1 0 a dp r o t e c t i o nb yd e t e c t i n gt h ei m p e d a n c em a t c h i n g b e t w e e nr e a d e ra n dl o a dc o n t i n u a ny a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n ta n dt h ec h a r a c t e ro f u h fr f i dr e a d er ，z e r o i fc i r c u i th a sb e e na d o p t e dt or e d u c et h er e a d e rc o s ta n d p o w e rc o n s u m p t i o n f u r t h e r f i n a l l y ，u n d e ft h es y s t e md e s i g nf e q u i r e m e n t s ，au h f r f i dr e a d e rp r o t o t y p e w a sd e v e l o p e d i t sh a f d w a r ew a se x p e r i m e n t e da n dd e b u g g e d ，a n dt h ee x p e f i m e n t a l r e s u l t sa n dd a t aw e r eg i v e no u t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o t y p e so u t p u tp o w e r ， r e a dd i s t a n c ea n d p o w e rc o n s u m p t i oa r e a t t a i n e do rb e t t e rt h a nd e s i g ns t a n d a r d sr e q n i r e d t h e m 硕十学位论文 p f o t o t y p ec a nw o r ks t a b l ya n da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n l i f i c a t i o n ；u 1 t r ah i g hf r e q l l e n c y ；r e a d e r ；r a d i o f r e q u e n c yf r o n te n d i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 巧卵童i j 日期：2 0 。g 年宇月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 缉刽 i 瓷的 日期：2 1 。0 8 年争月b 日 日期：细鸪年争月南日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题的背景 射频识别( 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 ，简称r f i d ) 是上世纪9 0 年代兴 起的一种非接触式自动识别技术，它利用射频信号的空间耦合原理和无线传输特 性，实现信息传递并通过所传递的信息达到识别目的【1 1 。 目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，而 且数据量都很小不能改写；接触式i c 卡的价格稍高些，数据存储量较大，安全 性好，但是也容易磨损，寿命短；与以上几种技术相比，r f i d 标签有以下几点 非常明显的优势【2 1 ：免接触式操作。r f i d 技术通过无线通信方式工作，无需 直接接触，无机械磨损，使用寿命长，工作时直接读取信息至后台数据库内，精 度高，应用便利，操作方便快捷，无需人工干预即可完成信息的输入和处理。 适应环境能力强。条码和磁卡一旦弄脏就读取不到信息，而r f i d 技术在黑暗和 脏污等恶劣环境之中也可以正常读取数据。r f i d 系统工作时无需可见光源，对 水、油和药品等物质也有很强的抗污性。可读写重复使用。r f i d 标签携带的 信息为电子数据，读取数据的同时可以将信息写入电子标签，以提供给下一阶段 通信时使用。标签携带的信息可以反复被擦写，因此可以回收重复使用。读取 距离远。r f i d 标签使用的是无线通信模式，即使被纸张、木材和塑料等非透明 材质包覆也可以进行穿透性通讯，读取距离可达数百米。数据记忆容量大。未 来物品所需携带的数据量会愈来愈大，r f i d 标签只需更换相关数据存储介质的 容量即可以方便的实现扩容目标。 正是由于这些独特的优势，r f i d 技术正逐渐地应用于工业生产自动化、商 业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产 规模的不断扩大，应用r f i d 技术的产品成本将会不断降低，r f i d 技术的应用 领域也将越来越广泛，具有广阔的市场前景。r f i d 技术已经逐渐成为企业提高 物流供应链管理水平、降低生产成本、提高企业管理信息化水平、参与估计经济 大循环、增强企业核心竞争力不可缺少的技术工具和手段。 1 1 2 课题研究意义 r f i d 系统根据工作频率主要可分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 三种 类型，各有其不同的市场定位与应用范围【3 】。低频r f i d 系统工作频率有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校 9 1 5 m h z 读写器的射频模拟前端电路研究与设计 园卡、动物监管、货物跟踪等。高频r f i d 系统工作频率为1 3 。5 6 m h z ，主要应 用于瓦斯钢瓶管理、三表预收费系统、酒店门锁的管理、大型会议人员通道系统 等领域。超高频r f i d 系统工作频率主要有4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等几种，主要应用于高速公路不停车收费，火车运行监控，行李包裹识别管理、 码头集装箱管理等领域。 现阶段低频r f i d 系统使用量最大、应用最为成熟，约占整体市场的5 6 ， 其次为高频r f i d 系统，超高频r f i d 系统居末。然而由于超高频r f i d 系统具 有标签内保存的数据量较大、读写速度快、阅读距离较远( 可达几米至十几米) 、 适应物体高速运动性能好、阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性的特点在 消费市场的应用备受看好。其中9 1 5 m h zr f i d 产品正在得到全球范围内的众多 厂商的一致认可，将逐步成为r f i d 领域内的主流产品。 r f i d 读写器是r f i d 系统中的关键设备之一。目前，9 1 5 m h zr f i d 读写器 的射频模拟前端电路存在元器件的数目多、成本高、功耗大、体积大等问题。降 低读写器射频模拟前端电路的成本、功耗和体积，对超高频r f i d 系统的推广普 及有极其重要的意义。 1 2 射频识别技术的发展和现状 1 2 1 射频识别技术的发展历史 r f i d 技术是直接利用雷达技术发展起来的一种新的自动识别技术。在过去 的半个多世纪里，r f i d 的发展经历了以下几个阶段，如果按照1 0 年为一个时 期，可以划分如下1 4 】： 1 9 4 1 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年哈里斯托克 曼发表的利用反射功率的通信奠定了r f i d 的理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期r f l d 技术的探索阶段，主要处于实验室研究，军方的 巨大需求推动着r f i d 技术的发展，当时军用的r f i d 技术设备主要应用于敌我 识别的长距离应答器等。 1 9 6 1 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了发展，出现了一大批极具参考价值 的重要论文，如v i n d i n g 的i n t e r r o g a t o f 。f e s p o n d e ri d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，o t t o r i t e e n b a c k 的c o m m u n i c a t i o nb yr a d a rb e a m s 。当时s e n s o f m a t i c 和c h e c k p o i n t 公司开发的电子商品监督系统e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r 、，e i l l i a n c e ) 是r f i d 技术 的第一个商用应用系统，也是目前应用最广泛的r f i d 商用应用系统。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术的研究得到加速。瑞典的微波基础研究院和美国的国家实验室中子散射研究中 心、西北大学等研究机构成为r f i d 关键技术研究的技术先锋。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，射频肖特基二极管的集成化将r f i d 电子标签的板极电路芯 硕士学位论文 片化，从而推动了单集成芯片r f i d 电子标签的问世。从此r f i d 技术及产品进 入商业应用阶段，i b m ，s i n g l ec h i ps y s t e m 等公司成为了当时r f i d 技术的弄潮 儿。这个l o 年当中各种规模应用开始出现，例如世界上首个应用r f i d 技术的 不停车收费系统于1 9 8 9 年在美国达拉斯问世。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，麻省理工学院和剑桥 大学发起成立的a u t o l d 中心提出了产品电子码( e p c ) 的概念，并制订了_ 系 列的r f i d 国际标准。9 0 年代r f i d 产品得到广泛的采用，r f l d 产品逐渐成为 人们生活中的一部分。 2 0 0 0 年以后，r f i d 技术的理论得到进一步丰富和完善。国际主流半导体商 纷纷成立r f i d 研发部门，致力于r f i d 技术的商业应用和技术更新。r f i d 产品 种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电 子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。 1 2 2 国内外发展现状 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是美国、英国、德国、瑞典、瑞 士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，近距离r f i d 系 统集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 系统；远距离r f i d 系统在9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 系统。9 1 5 m h z 的远距离r f i d 系统在北美得到了很好的发展；欧洲的应 用则以有源2 4 5 g h z 系统得到了较多的应用。有源5 8 g h z 系统在日本和欧洲均 有较为成熟的应用。 目前，r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但 随着全球物流行业r f i d 大规模应用的开始，r f i d 标准的统一已经得到业界的 广泛认同。r f i d 系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。 目前已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关的，其中包括电子 标签与读写器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、r f i d 标 签与读写器的性能和一致性测试规范、以及r f i d 标签的数据内容编码标准等。 后台数据库网络应用系统目前并没有形成正式的国际标准，只有少数产业联盟制 定了一些规范，现阶段还在不断演变中【5 1 。r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标准这一领域。目前，形成了五大标准组织，分别代表了国 际上不同团体或者国家的利益。e p cg l o b a l 是由北美u c c 产品统一编码组织和 欧洲e a n 产品标准组织联合成立，在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃 尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支持。而a i m 、i s o 、u i d 则代表了 欧美国家和日本；i p x 的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言， e p cg l o b a l 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。2 0 0 4 年1 2 月1 6 日 e p c g l o b a l 批准发布了更新过的u h fg e n2 ，为e p c 的实施又迈出了坚实的一步。 2 0 0 6 年7 月，这个标准被i s o 接纳为i s o i e c1 8 0 0 0 6t y p ec ，成为全球通用的 9 1 5 m h z 读写器的射频模拟前端电路研究与设计 u h f 频段的r f i d 标准。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。在 r f i d 技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与超高频 r f i d 标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与国外r f i d 先进技术之间的 差距主要体现在r f i 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 f i d 系统标签芯片面市。 r f i d 作为一项涉及面可以渗透入居民最基础的生活当中的新兴技术，不仅 蕴藏着巨大的商业利益更攸关国家信息安全。基于此原因，r f i d 标准化以及自 主产业链的建设更是得到国家的重视。几经沉浮之后，2 0 0 6 年6 月份，中国 r f i d 技术政策白皮书正式发布。我国为配合中国r f i d 技术政策白皮书 的实施，设立了7 个r f i d 标准组，分别是总体组、标签和读写器组、频率与通 信组、数据格式组、信息安全组、应用组和知识产权组。总的来说，上述7 个标 准涵盖了r f i d 产业的方方面面。依据i s o i e c l 5 6 9 3 系列标准已经完成国家标 准的起早工作，参照i s o i e c l 8 0 0 0 系列标准制订国家标准的工作正在进行中。 此外，中国r f i d 标准体系框架的研究工作也已基本完成。2 0 0 6 年1 0 月1 日， 科技部8 6 3 计划先进制造技术领域办公室正式发布国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 先进制造技术领域“射频识别( r f i d ) 技术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南，将在5 年内对2 0 个重大r f i d 项目提供1 2 8 亿元的支持。 2 0 0 7 年4 月底，信息产业部发布了关于发布8 0 0 9 0 0m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用试行规定的通知，对8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别技术应用作出了规范。 射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大 的，前景非常诱人。在不久的将来r f i d 技术就将同其它识别技术一样深入我们 的生活，改善我们的生活。 1 3 项目来源 本课题来自于深圳市先施科技有限公司的s 1 8 6 1 读写器开发项目。该项目 的主要任务是开发设计一款工作频率范围为9 0 2 。9 2 8 m h z ，可伪随机跳频的低功 耗读写器。该读写器的设计要求是：整机功耗小于1 3 w ，最大输出功率达到 3 2 d b m ，输出功率平坦度优于0 5 d b m ，最大读取距离( 接1 2 d b i 增益天线) 大 于1 0 m ，能持续检测负载匹配状态，具有无负载保护功能。该读写器适用于车辆 管理，仓储物流，人员识别，海关通关等领域。 1 4 论文研究的主要内容 论文的结构和主要内容安排如下： 第1 章为绪论，论述了本课题的研究背景和意义，总结了射频识别技术的发 硕士学位论文 展历史和在国内外的发展现状及趋势，介绍了本课题的来源。 第2 章为射频识别及相关技术。阐述了射频识别系统的构成和工作原理，分 析了i s 0 1 8 0 0 0 6t y p eb 标准，研究了发射电路中射频放大器线性化技术和常用 接收机的架构。 第3 章为读写器总体方案设计及发射电路设计，在给出读写器主要技术性能 指标的基础上，提出了读写器总体设计框图，并详细分析了射频模拟前端电路的 结构和工作原理。针对超高频r f i d 读写器的工作特点，设计了基于数字频率合 成器l m x 2 3 1 5 的锁相环路，给出了锁相环伪随机跳频程序流程图。仿真结果表 明该锁相环电路具有良好的性能，适用于实际的r f i d 读写器电路设计。选用合 适的i c ，设计了符合i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 标准要求的射频调制，射频功率放 大电路和电源管理电路，实现了读写器输出功率可调，射频放大器电源可管理的 功能，有效地减少了读写器的功耗。计算了微带线宽度。 第4 章为读写器接收电路设计，设计了基于射频功率检测芯片a d 8 3 1 9 的反 射功率检测电路，能持续检测负载匹配状态，实现了无负载保护功能。并针对超 高频r f i d 读写器的工作特点，选用合适器件，设计了零中频接收电路，减少了 外接元件，降低了读写器成本和功耗。 第5 章为读写器射频前端电路的调试及分析，研制了本课题的实验样机，并 对样机的主要功能部件进行了一系列试验测试，给出了试验数据、波形，试验结 果表明了本课题的设计方案确实可行。 9 1 5 m h z 读写器的射频模拟前端电路研究与设计 第2 章射频识别原理及相关技术 2 1 射频识别系统的构成与工作原理 2 1 1 射频识别系统的构成 最基本的r f i d 系统由标签( t a g ) 、读写器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 三部分组 成【6 】。 1 标签 标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上 标识目标对象。当受射频信号照射时，标签能反射回携带有电子编码信息的射频 信号，供读写器处理识别。按照能量供给方式的不同，r f i d 标签可以分为被动 标签，半主动标签和主动标签，其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子 标签所附的电池提供，主动标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同， r f i d 标签可以分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 等不同种类。不同频段的 r f i d 工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采用电磁耦合原理，而 u h f 频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似， 一般都包含射频前端、模拟前端、数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前 端模块主要用于对射频信号进行整流和反射调制；模拟前端模块主要用于产生芯 片所需的基准电源和系统时钟，进行上电复位等：数字基带模块主要用于对数字 信号进行编码、解码以及进行防碰撞协议的处理等：存储器单元模块用于信息存 储【7 1 。 2 读写器 读写器有时也被称为查询器、通讯器或称为读出装置，用以产生、发射射频 信号并接收由标签反射回的射频信号，经处理后获取标签数据信息。读写器也可 以将数据信息写入标签。根据应用需要，读写器可设计为手持式或固定式。读写 器在r f i d 系统中起着举足轻重的作用，首先读写器的工作频段决定了r f i d 系 统的工作频段；其次，读写器的发射功率和接收灵敏度直接影响射频识别系统的 工作距离。r f i d 读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标 签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相 关信息传输到主机以供处理。读写器可以简化为数字控制系统和由接收器和发送 器组成的射频模块两个基本的功能块，数字控制系统通常采用a s i c 组件和微处 理器来实现其功能，主要功能为：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统 软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；信号的编码与解码；执行防碰撞 算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器和标签之间 硕士学位论文 的身份验证i 引。射频模块的主要功能为：产生高频发射能量，激活标签并为其提 供能量：对发射信号进行调制，将数据传输给标签；接收并解调来自标签的射频 信号。 3 天线 天线在标签和读写器间传递射频信号，是一种接收或辐射射频信号的装置。 天线按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等；按方向性可分为全 向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。在r f i d 系统中， 天线分为标签天线和读写器天线两种类型，当前的r f i d 系统主要集中在l f 、 h f 和u h f 频段。天线的原理和设计在l f 、h f 和u h f 频段有根本上的不同。 实质上，由于在l f 和h f 频段系统近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问 题主要集中在u h f 频段。标签天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响。 标签到贴标签物体的距离，贴标签物体的介电常数，金属表面的反射，局部结构 对辐射模式的影响等都将影响天线的性能i9 1 。 2 1 2 射频识别系统的工作原理 r f i d 系统的工作原理如图2 1 所示，可概括为如下几点【1 0 】： ( 1 ) 读写器上电工作后遵循协议规定在一个区域内发出射频信号，该区域的 大小取决于读写器的发射功率、工作频率和天线尺寸等因素。 ( 2 ) 标签进入该区域后，接收到读写器的射频信号，其芯片内部的数据解调 电路从该信号中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分，完成数据存储、处理或 其它操作。 ( 3 ) 如需要发送数据，则标签遵循协议规定将数据调制后从收发模块发送出 去。 ( 4 ) 读写器接收到返回的数据后，对其进行解码以及错误校验等操作来决定 数据的有效性，然后进行处理。 图2 1r f i d 系统的工作原理图 本项目设计的读写器遵循i s o l e c l 8 0 0 0 - 6t y p eb 协议标准。本章将详细分 析i s o i e c l 8 0 0 0 一6t y p eb 协议，并研究发射电路中射频放大器的线性化技术和 接收电路的架构等理论。 9 1 5 m h z 读写器的射频模拟前端电路研究与设计 2 2i s o i e c l 8 0 0 0 协议 i s o i e c l 8 0 0 0 协议是基于物品管理的射频识别国际标准，由物理接口。、协 议、命令以及防冲突判断机制四部分组成。按工作频率的不同分为7 部分，第1 部分：全球接受频率；第2 部分：低于1 3 5 k h z 的频率；第3 部分：频率为1 3 5 6 m h z ； 第4 部分：频率为2 4 5 g h z ；第5 部分：频率为5 8 g h z ；第6 部分：频率为 8 6 0 9 6 0 m h z ；第7 部分：频率为4 3 3 m h z 。其中，第6 部分规定的u h f 频段因 为适合远距离识别并且对环境影响较小而成为目前国际上r f i d 产品发展的热 点，是u h f 频段最常见的标准。 2 2 1i s o i e c l 8 0 0 0 6 协议简介 i s o i e c l 8 0 0 0 6 协议规定了超高频r f i d 系统空气接口通讯的参数，主要定 义了u h f 频率下用于物品管理的r f i d 系统的物理接口、防冲突判断机制和协 议参数等，其中定义了三种类型的协议：t y p e a 、t y p e b 和t y p e c ( 2 0 0 4 版本中 补充1 ，见表2 1 。 表2 1i s o l e c l 8 0 0 0 6 协议的三种类型 参数 t y p ea t y p ebt y p ec 前向链路编码 u n i q u e l yd e c o d e a b l e ( 读写器至标签) p i em a n c h e s t e r p i e 调制系数2 7 至1 0 0 3 0 5 或1 0 0 8 0 至1 0 0 数据速率 3 3 k b i t ，s 1 0 或4 0 k b i t ，s 2 6 7 至1 2 8 k b i t s 反向链路编码 f m of m 0 f m 0 ( 标签至读写器) m i l l e rs u b c a r r i e r r a n d o ms l o t t e d 冲突仲裁a l o h a f s t b i n a r yt r e e c o l l i s i o n a r b i t r a t i o n 目前国内外广泛应用的是t y p eb 和t y p ec ，而t y p ea 由于命令较为复杂， 防碰撞效率低等原因很少使用。本文的设计工作以i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 协议 标准为基础，同时也能应用于t y p ea 和t y p e c 。 2 2 2i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 协议分析 i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p e b 协议的通讯机制是基于“读写器先发言”的机制， 即读写器的命令与标签的回答交替发送。 1 射频载波调制 在实际的通信系统中，很多信道都不能直接传送基带信号，必须用基带信号 对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量随基带信号的变化而变化： 数字调制技术是用载波信号的某些离散状态来表示所传送的信息，在接收端也只 要对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制信号在二进制时有振幅键控 串 硕士学位论文 ( a s k ) 、移频键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 三种基本信号形式【1 。 在i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 协议中射频载波调制采用a s k 调制方式，基带传 输速率为1 0 k b i t s 或4 0 k b i t s ，允许3 0 5 和1 0 0 两种不同调制系数的调制。射 频载波的a s k 调制如图2 2 所示。 、 t ， m 1 ：，1， ，1 孓 1 jl 奠1fn bt 、。j ， l r i |nniiln n 1 l 一 lnll | + - - 涉 k 1u l i j p w1 i 。、 i ， l i ，q 、 l 。 l j i 凡 j l i l l i l i ili 图2 2 射频载波a s k 调制 如图2 2 所示，在二进制振幅键控调制方式下，当基带信号的值为“1 时， 载波幅度为a ：当基带信号的值为“0 时，载波幅度为口。定义调制系数 m = ( a 坷) ( a + b ) 。当丑为“o 时，调制系数m = 1 0 0 ，即为开关键控( o o k ) 调 制。 2 基带编码格式 一 i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p e b 协议的基带编码分为读写器到标签通信的基带编码 和标签到读写器通信的基带编码两种。 ( 1 ) 读写器到标签通信的基带编码。读写器到标签通信过程中基带编码采用 曼彻斯特码。曼彻斯特码用一个半占空对称方波表示“1 ”，而用其反相波表示“o ”， 如图2 3 所示。 o l o ilililioi1io ： o 信源：_ 厂 | lililll ： 曼彻斯特编码几m 门n ；m ：几厂 iiiilii! 图2 3 曼彻斯特编码图 该编码不存在直流分量，每个码元的中心部分都存在电平跳变，因而信号频 谱中含有很强的位定时分量，有利于位定时的提取，且不受信源统计特性的影响。 9 1 5 m h z 读写器的射频模拟前端电路研究与设计 但与原二进制码相比，曼彻斯特编码的频谱展宽了1 倍1 1 2 】。 ( 2 ) 标签到读写器通信的基带编码。标签到读写器通信过程中基带编码采用 f m 0 码。f m 0 编码又叫双相间隔码编码( b i p h a s es p a c e ) ，是在一个位窗内采用 电平变化来表示逻辑，如果电平从位窗的起始处翻转则表示逻辑“1 ”。如果电平 除了在位窗的起始处翻转，还在位窗的中间翻转则表示为逻辑“0 ”。具体编码方 式请参见图2 4 。 i o l oili1 l l l oil i o ： o 徽：_ 厂 ll 4 一 ilul 4 一 f m o 编 图2 4f m 0 编码图 如图2 4 所示，原数字序列为：0 0 1 1 1 0 1 0 0 。根据初始条件不同，经过f m o 编码可产生两种不同的序列，分别对应为：0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 ， 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 l o 。f m 0 编码的频谱中直流分量很小，有利于在读写器的接 收部分采用零中频解调，滤除载波信号的干扰【1 3 】。 3 指令帧格式 i s o i e c l 8 0 0 0 6t y p eb 协议指令可分为两种：读写器到标签端指令( 发射 指令) ，标签到读写器端指令( 应答指令) 。 ( 1 ) 发射指令。发射指令帧格式包含以下几个部分：帧头探测段、帧头、分 隔符、命令、参数段、数据域和c r c 。见表2 2 。 表2 2 发射指令帧格式 帧头探测段 i 帧头1 分隔符l命令l 参数段i数据域 ic r c ( 冗余校验) 在该命令格式中，帧头探测段是一段至少持续4 0 0 斗s 的稳定无调制载波( 相 当于数据传送速率为4 0 k b p s 时的1 6 比特码元的时间) 。帧头是9 位的曼彻斯特 码“o ”，提供标签解码的同步信号，对应的n r z 码格式是0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 。 分隔符是用于区分帧头和有效数据的，共定义了4 种i 用n r z 码格式表示如下： 1 1o o1 11 01 0 ；0 10 11 1o o1 l ；0 01 11 00 10 1 ；1 10 11 10 01 0 。通 常使用的是第四种分隔符。命令和参数段未作明确定义，c r c 采用1 6 位的c r c 编码。 ( 2 ) 应答指令。应答指令帧格式包含以下几个部分：静默、返回帧头、数据 和c r c 。见表2 3 。 硕士学位论文 表2 3 应答指令帧格式 静默 l 返回帧头 l 数据 i c r c 静默是指标签持续2 字节的无反向散射时间( 在4 0 k b p s 的速率下相当于 4 0 0 “s 的持续时间) 。返回帧头是一个1 6 位数据，相应的n r z 码是0 0o o0 l0 10 1 0 10 10 10 10 10 00 11 01 10 0o o 。c r c 采用1 6 位的数据编码。 2 3 射频放大器的性能指标及线性化技术 2 3 1 射频放大器的性能指标 在无线通信系统中，射频放大器是一个很重要的器件，其性能对整个系统的 影响巨大，评价一款射频放大器性能的好坏是通过一系列的指标参数来衡量。除 了首先关注射频放大器的工作频率及带宽、稳定性、直流输入功率等基本参数外， 由于其工作在极高的频率，并且需要输出较大的功率，还需从以下几个指标来评 价射频放大器的性能。 1 输出功率及功率增益 射频放大器输出功率指的是射频放大器输出的最大功率，而最大输出功率视 用途而定。射频功率放大器用于发射机的最后一级或最后几级用来增加天线的发 射功率【14 1 。手机功率放大器的典型输出功率在0 3 w 到0 6 w ，移动通信基站和 直放站的功率可达1 w 到1 0 0 w ，而r f i d 读写器的输出功率一般为0 1 w 到2 w 。 工程应用中射频功率值经常用d b m 来表示。d b m 是一个考征功率绝对值的值， 计算公式为： p i 1 0 1 9 ( 蒜) ( 2 1 ) 式中表示以d b m 为单位的功率值，只表示以w 为单位的功率值。如果发射 功率为1 m w ，则折算为d b m 后为0 d b m 。 功率增益是指放大器输出功率气与对应输入功率己的比值，单位用d b 来 表示。功率增益的定义为： p g 一1 0 l g 丑l 扭( r 2 2 l vn、， f 妇 功率增益并不是越大好，为了保证输出功率的稳定性，避免输出信号出现非线性 失真，通常在放大器设计过程中增加自动增益控制电路，以便获得一定的功率调 节范围。 2 增益平坦度 增益平坦度指在一定温度条件下，工作频率范围内放大器的增益变化范围， 9