基于ads2005的rfid讀寫器射頻前端設(shè)計(jì)

基于ads2005的rfid讀寫器射頻前端設(shè)計(jì)

rfid通信技術(shù)（rfid）是在雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要原理是，無線電波用于獲取非接觸兩側(cè)的數(shù)據(jù)，并檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以分為低頻(135kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾類。其中超高頻(UHF)頻段和微波頻段的RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠(yuǎn)、通訊速度快等優(yōu)點(diǎn),更適合未來物流、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域的應(yīng)用,因此UHF及更高頻率的RFID技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義。本文介紹了超高頻RFID系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并利用ADS軟件對(duì)發(fā)射和接收鏈路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和研究,最后給出了基于通用芯片的讀寫器射頻前端解決方案。1rfid系統(tǒng)的工作原則和物理接口1.1后向散射信號(hào)的調(diào)制一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。其基本工作流程如下:讀寫器將無線電載波信號(hào)經(jīng)過發(fā)射天線向外發(fā)射。電子標(biāo)簽從讀寫器發(fā)射的電磁波中提取其工作所需的能量,一部分電磁波被標(biāo)簽后向散射(反射)回閱讀器,同時(shí),標(biāo)簽也按照存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)序列來改變自己的輸入阻抗從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后向散射信號(hào)的調(diào)制。系統(tǒng)的接收天線接收電子標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào),經(jīng)天線的調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫器,讀寫器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼,送往后臺(tái)的電腦控制器。電腦控制器根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性,針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,并發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照電腦的指令進(jìn)行動(dòng)作,并通過計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)連接起來,構(gòu)成總控信息平臺(tái),根據(jù)不同的項(xiàng)目可以設(shè)計(jì)不同的軟件來完成要達(dá)到的功能。1.2發(fā)送設(shè)備及信號(hào)根據(jù)目前較為主流的超高頻RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6B的規(guī)定,系統(tǒng)傳輸基于“讀寫器先發(fā)言”機(jī)制,且在射頻信號(hào)收發(fā)方面有如下要求:(1)由讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼,調(diào)制方式為調(diào)制深度為99%或11%的ASK調(diào)制,其中99%的ASK調(diào)制可以用OOK調(diào)制實(shí)現(xiàn);位速率為10kbps或40kbps。(2)由電子標(biāo)簽到讀寫器的返回鏈路采用FM0編碼,調(diào)制方式為反向散射調(diào)制。其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似,所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。反向傳輸數(shù)據(jù)速率為40kbps。2泛的eda工具ADS(AdvancedDesignSystem)是Agilent公司開發(fā)研制的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)。它是射頻設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的一種EDA工具。該軟件的功能包括時(shí)域電路模擬(SPICE-likeSimulation)、頻域電路模擬(HarmonicBalanceLinearAnalysis)、電磁模擬(EMSimulation)、通信系統(tǒng)模擬(CommunicationSystemSimulation)、數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)(DSP)等。常用的ADS仿真分析控件有:S參數(shù)分析、瞬態(tài)分析、交流分析和諧波平衡分析等。2.1發(fā)射信號(hào)的模擬如圖1所示,以方波信號(hào)發(fā)生器Vf_square模擬產(chǎn)生基帶信號(hào),設(shè)基帶信號(hào)頻率為4MHz,基帶信號(hào)經(jīng)混頻器MIXER與915MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻,再通過一個(gè)SAW帶通濾波器,濾除鏡像干擾,產(chǎn)生ASK調(diào)制信號(hào),圖2上圖為發(fā)射信號(hào)的瞬態(tài)仿真波形圖。利用fs()函數(shù)將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換到頻域可得輸入輸出頻譜圖,由圖2右下可以看出,頻率為4MHz的基帶信號(hào),經(jīng)過調(diào)制濾波放大后產(chǎn)生頻率為911MHz和919MHz調(diào)制信號(hào)。2.2基于信號(hào)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)瞬態(tài)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)收發(fā)信機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可歸結(jié)為三種類型:外差式,零中頻式和低中頻式。綜合考慮靈敏度、功耗、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等問題,目前很多RFID讀寫器的接收鏈路部分都采用了零中頻式結(jié)構(gòu)。零中頻式結(jié)構(gòu)的第一級(jí)混頻器將輸入的射頻信號(hào)直接變換為IF=0的頻帶,然后采用低通濾波器來拾取有用信號(hào)。由于去除了中頻級(jí),所以它與外差式接收機(jī)相比具有以下優(yōu)勢(shì):第一,零中頻不存在鏡像問題,不需要鏡像抑制濾波器。而且由于零中頻接收機(jī)的本振頻率和接收到的射頻信號(hào)相同,接收到的信號(hào)為電子標(biāo)簽對(duì)閱讀器發(fā)射信號(hào)的反射,因而接收電路的本振和發(fā)射電路的本振可以采用同一本振,從而大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu);第二,由于IF=0,所以僅需要低通濾波器,與帶通濾波器相比,低通濾波器更容易集成于片內(nèi);第三,由于對(duì)信號(hào)的放大在基帶,這進(jìn)一步降低了能耗。零中頻接收機(jī)接收到的標(biāo)簽反射信號(hào)為ASK信號(hào),可表示為:Ac為接收到的載波信號(hào)的幅度,m(t)為有用信號(hào),φc為接收信號(hào)的相位。接收機(jī)的本振信號(hào)為:由上式可知,當(dāng)從而使處理后得到的信號(hào)為零,即本振與接收信號(hào)的相位差有可能使接收到的有用信號(hào)為零,這就是所謂的接收機(jī)的零點(diǎn)效應(yīng)。本文采用I/Q雙路接收機(jī)來消除零點(diǎn)效應(yīng)。將(3)式表示為復(fù)數(shù)形式:其中r1、r2分別為本振和接收信號(hào)傳播的距離,設(shè)r1=0,r2=2d,d為標(biāo)簽到讀寫器的距離,則由上式可得,出現(xiàn)零點(diǎn)的位置為:同理可計(jì)算出另一路的零點(diǎn)位置為:由(6)(7)兩式可看出,兩路的零點(diǎn)是交替的,不可能同時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn)。事實(shí)上,當(dāng)其中一路輸出為零時(shí),另一路的輸出達(dá)到最大,且兩路的輸出功率之和始終為常數(shù)。圖3是零中頻接收機(jī)I/Q雙路部分的瞬態(tài)仿真原理圖。由圖4可看出,接收機(jī)接收到的射頻信號(hào)通過下變頻和低通濾波后轉(zhuǎn)換為零中頻信號(hào)。經(jīng)過I/Q雙路處理后經(jīng)過一個(gè)高通濾波器去除直流分量,再利用一個(gè)中心頻率為4MHz的帶通濾波器拾取基帶信號(hào),最后通過比較器即可還原出基帶信號(hào)。圖4右下為輸入輸出信號(hào)瞬態(tài)分析波形,通過對(duì)比可見二者存在一定的相位差。3adf3360-7基帶信號(hào)模塊基于以上的理論分析和系統(tǒng)仿真,作者選用通用的通信電子元器件設(shè)計(jì)了整個(gè)射頻前端,包括頻率綜合模塊、發(fā)射模塊和接收模塊三大部分,三個(gè)模塊通過同軸線相連。其中頻率綜合模塊用于提供915MHz的載波信號(hào)(LO),采用ADI公司的ADF4360-7為核心芯片,該芯片集成了頻率綜合器和VCO,通過配置可提供350MHz到1800MHz的信號(hào)。發(fā)射模塊包括對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波、放大然后通過環(huán)行器送入天線等步驟。接收模塊首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大濾波等預(yù)處理,然后送入I/Q雙路并最終解調(diào)出基帶信號(hào)。整個(gè)設(shè)計(jì)主要由以下芯片組成:頻率綜合器ADF4360-7、混頻器T0785、射頻濾波器SF2049E、功率放大器RF2132、華揚(yáng)公司的環(huán)行器HYH504AZ、功分器SCN-2-11,90度移相功分器QCN-12A,低噪聲放大器MAX2642等。4射頻前端設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文研究了超高頻射頻識(shí)別讀寫器的體系結(jié)構(gòu),建立了射頻前端的ADS仿真模型,并針對(duì)零中頻接收機(jī)的零點(diǎn)效應(yīng)問題對(duì)零中頻I/Q雙路接收機(jī)進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì),最后在仿真和分析的基礎(chǔ)上給出了基于通用芯片的915MHz讀寫器射頻前端的解決方案,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該方案可以很好的滿足ISO/IEC18000-