新型RFID閱讀器接收電路設計

　　引言

　　閱讀器主要由控制單元、高頻收發模塊、天線以及其他與后臺設備相連的接口組成。應答器，又叫作標簽，是RFID讀取數據的來源，主要由天線和微電子芯片組成。RFID系統的關鍵部分是閱讀器，實現閱讀器的核心技術是接收電路。本文主要分析和構造了UHF無源RFID閱讀器接收電路。

　　1 基本架構

　　組成RFID閱讀器的電路結構如圖1所示，其上半部分為發射鏈路，而其下半部分為接收鏈路。

　　采用UHF頻段的閱讀器首先針對基帶信號實施PIE編碼，同時實施80%～100%ASK調制過程。在接收電路部分需支持PSK或ASK形式的解調，同時可以實施對基帶信號的米勒或FM0副載波解碼。系統的發射信號如下：

　　式中：f(t)代表標簽接收的信號；m(t)代表基帶信號；載波頻率則用ωc表示。

　　而在標簽反向散射過程中，接收端接收到信號如下：

　　式中：g(t)表示接收端接收到的信號；m’(t)表示標簽端基帶信號。

　　最終在接收電路中進行下變頻，解調過程和結果如下：

　　式中：代表通過低通濾波器后的結果。

　　圖1中的環行器隔離器件，通常能夠實現20～30 dB的隔離效果。此外，利用兩個獨立的天線分別負責接收與發射的任務，也能夠實現較好的隔離效果。需要注意的是，在接收過程中，一定要同時發射同頻載波，所以能得出以下結論，系統中的噪聲分以下幾種：周圍環境因素干擾噪聲，發射端耦合接收端的同頻泄漏以及電子器件自身噪聲，此外還需關注器件接口間的損耗。

　　依據雷達方程：

　　式中：Pr，Pt分別表示接收與發射功率；Gt表示發射增益；Ar表示接收天線的面積；Σ表示雷達截面積；Rr，Rt分別表示接收與發射路徑長度。

　　根據雷達方程，能推導得出對數形式的通信方程，如下所示：

　　也就是說，接收功率等于發射天線增益、發射功率以及接收天線增益之和，再減去系統損耗、空間損耗，所以空間損耗Lc可以用如下算式得出：

　　如果無調制載波是f(t)=Acos(ωct)，標簽發射的信號是g(t)=B(1+m(t))cos(ωct+φ)，而且環行器發射端至接收端的泄漏(即TX—RX Lea-k)和f(t)有關聯，是l(t)=Ccos(ωct)；s(t)=cos(ωct)表示時鐘信號，那么l(t)，g(t)分別和s(t)混頻之后結果如下：

　　由功率的比較可以得知，系數C，即TX-RX Leak解調之后的幅度遠大于標簽返回信號的幅度，且可以看出是一個很大的直流分量，所以解調過程中產生的直流偏移是一個棘手的問題。因此可以得出結論，發射端耦合到接收端的周頻泄漏是最主要的干擾，如何抑制這種干擾則需進一步的研究。對抑制干擾的方法研究較多，各解決方案也不盡相同。通過式(3)及式(7)能夠看出，系統接收到的信號與時鐘信號具有特定的相位差φ，因為標簽的位置不同，cosφ也會隨之變化，所以在接收電路中，使用正交結構。

　　2 系統仿真與理論驗證

　　實施Simulink仿真，構造了系統收發鏈路的結構，如圖2所示。圖2中上半部分為標簽接收信號與發射鏈路，下半部分為環行器收發耦合信號和標簽返回信號相互疊加的結果，并在接收端實施下變頻過程。根據ISO18000-6C協議標準，標簽返回信息使用Miller副載波調制或FM0編碼調制，再實施ASK調制，在仿真環境里使用重復的“1101001101”序列的FM0編碼。因為Miller編碼或FM0編碼的頻譜具有較小的直流分量特性，因此在濾波時，把它和下變頻過程中生成的較大的DC直流漂移過濾掉。如果閱讀器至標簽距離為1 m，經計算空間損耗是18 dB，其中環行器隔離度可設置成20 dB。

　　經過接收機解調之后，獲取的標簽返回信息時域波形如圖3所示，上下兩個波形分別表示標簽端發射的基帶信息，以及接收機解調后信息。圖4表示的是在接收鏈路中，濾除DC前后的信號頻譜，上圖為濾除DC后的信號頻譜，而下圖為濾除前的頻譜，其含有較大的DC分量。

　　圖4中能夠看到，需要在接收機混頻器后端，插接一個可以過濾直流的濾波器，由于對FM0信號的完整性沒有影響，所以可以滿足系統需求。同時可以看出，因為環行器反向泄漏等影響，造成接收端的收發同頻干擾比較大，容易導致接收機阻塞。

　　3 結語

　　綜上所述，本文基于ISO18000-6C協議，研究設計了UHF RFID閱讀器接收電路，并對于零中頻接收結構實施了理論分析，對其優缺點也進行了分析。通過仿真，得出零中頻結構的信號波形和頻譜特性，能夠看出其可以實現RFID系統的要求。