作者：Van Yang, Eagle Zhang, and Aaron He

超高頻射頻識(shí)別（UHF RFID）系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理和服裝零售等應(yīng)用。最近，它們?cè)跓o(wú)人超市應(yīng)用和機(jī)動(dòng)車輛的電子識(shí)別方面受到關(guān)注。本文介紹ADI公司基于信號(hào)鏈的UHF RFID讀取器RF前端的兩種實(shí)現(xiàn)方案。一種基于ADF9010和AD9963，另一種基于AD9361。本文重點(diǎn)介紹我國(guó)機(jī)動(dòng)車電子識(shí)別的目標(biāo)應(yīng)用，該應(yīng)用必須符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768-2013《信息技術(shù)—射頻識(shí)別—800/900 MHz空中接口協(xié)議》1和GB/T 35786-2017《機(jī)動(dòng)車電子識(shí)別讀寫設(shè)備通用規(guī)范》。2 與分立式雙元件實(shí)現(xiàn)方案相比，這種基于AD9361的解決方案大大降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、元件數(shù)量和電路板空間，并犧牲了接收器靈敏度下降。雖然本文中描述的RF前端是特定于應(yīng)用的，但分析方法和前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)摘要

根據(jù)GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017有關(guān)機(jī)動(dòng)車輛電子識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)，表1至表3總結(jié)了這些應(yīng)用的關(guān)鍵空中接口參數(shù)和高性能2型閱讀器的性能要求。

系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析

無(wú)源RFID系統(tǒng)有兩個(gè)基本的鏈路限制：正向鏈路通常受最小RF至直流功率的限制，以供應(yīng)標(biāo)簽電子設(shè)備，反向鏈路受讀卡器接收器靈敏度的限制。正向和反向鏈路預(yù)算公式3, 4在公式1至公式3中描述：

Prip：標(biāo)簽接收各向同性功率

Ptx：讀取器發(fā)射功率 GTX：讀取器發(fā)射天線增益 Gtag：標(biāo)簽天線增益 FSPL：自由空間通路損耗

PRX：讀卡器接收信號(hào)功率

Grx：讀卡器接收天線增益

?國(guó)防部： 標(biāo)簽調(diào)制效率

d： 讀取器和標(biāo)簽

之間的距離 λ： 自由空間中的信號(hào)波長(zhǎng)

根據(jù)GB/T 35786-2017第6.2節(jié)和第6.5.2.2節(jié)的定義，Ptx為30 dBm，饋線電纜插入損耗小于1 dB，因此實(shí)際Ptx約為29 dBm。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中使用了10 dBi至12 dBi增益的天線，因此假設(shè)Gtx為12 dBi。至于Grx，在機(jī)動(dòng)車輛的電子識(shí)別應(yīng)用中，閱讀器通常使用單站配置，而讀取器處使用單個(gè)天線進(jìn)行發(fā)射和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。標(biāo)簽天線通常類似于偶極子，假設(shè)Gtag = 2 dBi是合理的。?國(guó)防部表示標(biāo)簽的調(diào)制效率，這取決于標(biāo)簽天線匹配和調(diào)制過(guò)程中發(fā)生的標(biāo)簽阻抗偏移，可以合理地假設(shè)?國(guó)防部= –8 分貝。中心頻率為 922.5 MHz，因此 λ = 0.33 m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預(yù)算基于前面描述的公式和參數(shù)。

圖1.正向和反向鏈路預(yù)算計(jì)算。

為了支持標(biāo)準(zhǔn)中定義的 25 米鏈路范圍，標(biāo)簽靈敏度應(yīng)優(yōu)于 –18.7 dBm，讀取器靈敏度應(yīng)優(yōu)于 –70.4 dBm。在標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)簽靈敏度要求定義為–18 dBm，這與分析結(jié)果非常吻合。但是，讀取器靈敏度要求定義為–65 dBm，與分析結(jié)果相比，存在相當(dāng)大的偏差。這種偏差可能來(lái)自標(biāo)簽天線增益值。在機(jī)動(dòng)車的電子識(shí)別應(yīng)用中，沒(méi)有必要將標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)成全向的。添加反射器將產(chǎn)生額外的3 dB安滕納增益。由于標(biāo)簽天線增益（Gtag）在公式2中是平方的，因此讀取器靈敏度分析結(jié)果將增加6 dB，達(dá)到–64.4 dBm。在這種情況下，分析結(jié)果將與標(biāo)準(zhǔn)要求相匹配。

UHF RFID 閱讀器中的自干擾器

在UHF RFID系統(tǒng)中，讀取器發(fā)送連續(xù)波（CW）信號(hào)為無(wú)源標(biāo)簽供電，同時(shí)以相同的頻率接收來(lái)自標(biāo)簽的反向散射信號(hào)。由于發(fā)射器與接收器之間的隔離性差，強(qiáng)CW信號(hào)以及相關(guān)的發(fā)射器噪聲會(huì)泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號(hào)稱為自干擾器（SJ）信號(hào)，這種自干擾信號(hào)會(huì)降低閱讀器的靈敏度。

在用于機(jī)動(dòng)車輛電子識(shí)別的RFID閱讀器中，定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號(hào)的發(fā)生主要是由于天線的反射，定向耦合器的有限隔離以及連接到耦合器端口的電路的反射。

為了克服這個(gè)SJ信號(hào)問(wèn)題，可以使用兩種方法。第一種是在接收器LNA之前設(shè)計(jì)一個(gè)自干擾器消除（SJC）電路。第二種方法是使用直接變頻接收器架構(gòu)，同時(shí)使用發(fā)射器和接收器使用的相同本振（LO）。在這種情況下，自干擾信號(hào)將在基帶處轉(zhuǎn)換為直流，然后直流隔電容將用于信號(hào)的交流耦合。在此直流阻塞點(diǎn)之后，SJ信號(hào)被移除，后續(xù)元件的動(dòng)態(tài)范圍要求被放寬。這意味著基帶上可以增加足夠的增益來(lái)降低接收器噪聲系數(shù)（NF）。這兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以組合使用。典型的SJC電路如圖2所示。5

圖2.典型的自干擾器消除電路。

讀取器關(guān)鍵射頻性能分析

包含UHF RFID讀取器的SJC電路RF前端框圖如圖3所示。ADI公司的AD9963集成了雙通道DAC和雙通道ADC。ADF9010集成了發(fā)射器調(diào)制器、PLL/VCO以及接收器基帶濾波器和PGA。解調(diào)器ADL5382包含在ADF9010評(píng)估板中。ADL5523用作LNA，因?yàn)樗哂械驮肼曄禂?shù)、高增益和高線性度。75 dB高動(dòng)態(tài)范圍RF檢波器LT5538適用于SJC射頻功率檢波器。

圖3.UHF RFID閱讀器射頻前端框圖。

對(duì)于發(fā)射機(jī)，在數(shù)字域中，信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)低通濾波，以滿足頻域ACLR要求和時(shí)域RF包絡(luò)要求。在模擬域中，PA線性度和LO相位噪聲都會(huì)影響ACLR性能。低通濾波、TPP編碼ASK信號(hào)的峰均比（PAR）約為2 dB。平均PA輸出功率約為32 dBm，裕量為1 dB，因此應(yīng)選擇P–1 dB以上的PA。至于LO相位噪聲，125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–60 dBc。至于帶外發(fā)射要求，需要一個(gè)RF濾波器來(lái)滿足發(fā)射機(jī)諧波頻率的要求。對(duì)于接近工作頻率的要求，例如在915 MHz和930 MHz時(shí)要求–52 dBm的100 kHz測(cè)量帶寬，RF濾波器通常還沒(méi)有衰減，因此調(diào)制器在0 dBm輸出功率時(shí)的本底噪聲要求約為–52 – 10 ×log10 （105） – 30 = –132 dBm/Hz。5 MHz偏移時(shí)的相位噪聲要求也應(yīng)小于–132 dBc。

對(duì)于接收器，GB/T 35786-2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的接收器靈敏度為–65 dBm。假設(shè)讀卡器在所有可能的數(shù)據(jù)速率下都應(yīng)滿足–65 dBm的靈敏度，而640 kHz的反向鏈路頻率（BLF）是最壞的情況。對(duì)于包含RFID讀取器的SJC，從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15 dB，因此SJC輸出點(diǎn)的靈敏度要求為–80 dBm，并假設(shè)標(biāo)簽反向散射信號(hào)功率（不包括直流）為–80 – 3 = –83 dBm。ASK調(diào)制信號(hào)解調(diào)閾值約為11 dB，BLF 640 kHz上行鏈路信號(hào)的信號(hào)帶寬為2.56 MHz。因此，總 NF 要求為 NF ≤ –83 – （–174 + 10 × log10 （2.56 × 106） + 11） = 15.9 dB。該總噪聲要求包括SJC后接收器電路噪聲、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲的影響。假設(shè)矢量調(diào)制器信號(hào)分支和自干擾器分支之間的延遲匹配，這意味著CW自干擾器信號(hào)和發(fā)射器泄漏噪聲都被抵消。發(fā)射機(jī)漏噪聲包括三部分：相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。通常，幅度噪聲和白噪聲將被抵消到–174 dBm/Hz的本底噪聲。對(duì)于殘余相位噪聲，由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO，由于距離相關(guān)效應(yīng)，它將在下變頻期間轉(zhuǎn)換為直流6。假設(shè)矢量調(diào)制器支路本底噪聲為 –162 dBm/Hz，因此在 SJC 電路輸出端，有效噪聲系數(shù)為 –174 – （–162） = 12 dB，則 SJC 后接收器電路的噪聲系數(shù)要求為 10 × log10 （101.59– 101.2） = 13.6 分貝。

基于ADF9010和AD9963的解決方案

ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調(diào)制器、本振（LO）和接收器模擬基帶前端，工作頻率范圍為840 MHz至960 MHz。AD9963是一款12位低功耗MxFE轉(zhuǎn)換器，提供兩個(gè)采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個(gè)采樣速率為170 MSPS的DAC通道。?

使用ADF9010和AD9963實(shí)現(xiàn)UHF RFID閱讀器RF前端的框圖如圖4所示。ADL5523與ADL5382級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)小于3 dB，ADL5382和ADF9010接收器增益設(shè)置為24 dB。

圖4.采用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀取器RF前端。

為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀取器RF前端，本文構(gòu)建了包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板以及ADF9010和AD9963板。ADF9010和AD9963電路板還集成了解調(diào)器ADL5382。兩塊板級(jí)聯(lián)以測(cè)試發(fā)射和接收系統(tǒng)級(jí)RF性能。

對(duì)于發(fā)射測(cè)試，在Python中內(nèi)置了TPP編碼，50%調(diào)制深度，Tari設(shè)置為12.5 μs RFID下行鏈路波形的DSB-ASK并下載到FPGA板中。頻譜域ACLR和時(shí)域RF包絡(luò)在天線端口進(jìn)行測(cè)試，PA輸出功率為32 dBm。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。對(duì)于ACLR測(cè)試結(jié)果，相鄰?fù)ǖ兰s為–42 dBc，具有2 dB裕量，備用通道約為–64 dBc，具有4 dB裕量。對(duì)于RF包絡(luò)，紋波小于1%，與5%限值相比，具有足夠的裕量，上升時(shí)間和下降時(shí)間在1 μs和8.25 μs的范圍內(nèi)。?

圖5.測(cè)試設(shè)置照片。

對(duì)于接收測(cè)試，使用ADI公司的SPDT RF開(kāi)關(guān)HMC545A構(gòu)建標(biāo)簽仿真器，并由微控制器單元控制。控制模式是RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表。ASK解碼程序由MATLAB構(gòu)建。通過(guò)使用該程序?qū)Q進(jìn)行解碼并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以計(jì)算出BER和接收器靈敏度。圖6顯示了接收到的IQ數(shù)據(jù)和FFT圖。該圖顯示，該程序成功解碼了具有320 kHz BLF的–74 dBm RFID上行鏈路信號(hào)。?

美國(guó)前交叉韌帶

射頻包絡(luò)

圖6.發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果。

圖7.接收接收機(jī)數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。

使用AD9361實(shí)現(xiàn)前端

AD9361是一款高度集成的射頻（RF）收發(fā)器，能夠針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行配置。該器件集成了在單個(gè)器件中提供所有收發(fā)器功能所需的所有射頻、混合信號(hào)和數(shù)字模塊。為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀取器，發(fā)射器和接收器應(yīng)使用相同的LO以利用距離相關(guān)效應(yīng)，因此將使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑，而不是正常接收器路徑。AD9361發(fā)送器監(jiān)控路徑繞過(guò)內(nèi)部LNA，因此增加了外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一款高性能砷化鎵pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。圖8中的框圖顯示了AD9361用于實(shí)現(xiàn)UHF RFID讀取器RF前端。與分立元件方案相比，這種基于AD9361的解決方案顯著簡(jiǎn)化。AD9361基帶為直流耦合，而非交流耦合。在這種情況下，要求SJC電路能夠?qū)⒆愿蓴_信號(hào)降低到足夠低的水平（例如，小于–35 dBm），而不會(huì)使模擬電路飽和。這允許在數(shù)字域中移除自干擾器轉(zhuǎn)換的直流信號(hào)。

圖8.采用AD9361框圖的UHF RFID讀取器RF前端。

AD9361發(fā)射器監(jiān)控器路徑增益分布由兩種增益組成：前端增益（發(fā)射器監(jiān)控器增益）和接收低通濾波器增益（GBBF).發(fā)射機(jī)監(jiān)視器增益可設(shè)置為 0 dB、6 dB 或 9.5 dB。GBBF可以設(shè)置為 0 dB 到 24 dB，步長(zhǎng)為 1 dB。通過(guò)這種靈活的增益配置，可以輕松實(shí)現(xiàn)接收器AGC功能。對(duì)于此 UHF RFID 讀取器應(yīng)用，發(fā)射器監(jiān)控器增益設(shè)置為 3 dB 和 GBBF選擇 6 dB 的設(shè)置。當(dāng)AD9361增益設(shè)置為3 dB時(shí)，ADL5523和AD9361發(fā)射器監(jiān)控端口的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)約為12.6 dB。與 13.6 dB 的分析要求相比，此設(shè)置的裕量為 1 dB，而如果殘余自干擾器為 –35 dBm，則數(shù)字域功率為 –7 dBfs。

基于AD9361的解決方案、測(cè)試設(shè)置和結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)UHF RFID閱讀器RF前端，構(gòu)建了一個(gè)包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板。它與AD9361級(jí)聯(lián)，以測(cè)試發(fā)射器和接收器系統(tǒng)級(jí)RF性能。測(cè)試設(shè)置框圖和照片如圖9和圖10所示。

圖9.測(cè)試設(shè)置框圖。

圖10.測(cè)試設(shè)置照片。

測(cè)試結(jié)果如圖 11 所示。對(duì)于ACLR測(cè)試結(jié)果，相鄰?fù)ǖ兰s為–42 dBc，裕量為2 dB，備用通道為–61 dBc，裕量為1 dB。對(duì)于RF包絡(luò)，紋波小于1%，滿足5%限制的裕量要求。上升時(shí)間和下降時(shí)間在1 μs和8.25 μs的范圍內(nèi)。

美國(guó)前交叉韌帶

射頻包絡(luò)

圖11.發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果。

對(duì)于接收機(jī)測(cè)試，構(gòu)建RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表并將其下載到信號(hào)發(fā)生器SMW200A，然后配置為SMW200A以使用此數(shù)據(jù)列表發(fā)送DSB ASK信號(hào)。AD9361接收到的IQ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA板中，并使用FTP工具傳輸?shù)絇C。ASK解碼程序由MATLAB構(gòu)建。使用此程序，將解碼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后計(jì)算BER和接收器靈敏度。圖 12 顯示了 MATLAB 程序的 FFT 圖和解碼數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，該程序成功解碼了具有640 kHz BLF的–65 dBm RFID上行鏈路信號(hào)。

圖12.接收接收機(jī)數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。

結(jié)論

本文首先總結(jié)了我國(guó)機(jī)動(dòng)車電子識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級(jí)鏈路預(yù)算、SJC等RFID關(guān)鍵技術(shù)以及關(guān)鍵射頻性能要求。最后，設(shè)置基于ADF9010和AD9963的解決方案，以及基于AD9361的UHF RFID閱讀器RF前端，以測(cè)試系統(tǒng)級(jí)性能。基于ADF9010和AD9963的解決方案具有高性能和很大的裕量，可滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求。基于AD9361的集成解決方案也滿足了這些要求，但代價(jià)是接收器靈敏度下降，與分立式雙元件方案相比，它大大簡(jiǎn)化。盡管本文中描述的RF前端是特定于應(yīng)用的，但分析方法和該前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。

審核編輯：郭婷