射频识别系统读卡器该如何设计？

射频识别技术(RFID，即Radio Frequency Identification)是一种基于雷达技术发展而来的识别技术，其主要原理是通过无线电磁波进行非接触双向数据通信从而获取相关数据并实现目标识别，RFID技术是微波技术、密码学以及无线通信原理等众多学科知识交叉的新兴产物，其应用领域覆盖了高速公路收费管理、铁路物流运输控制管理及工业自动化监控等众多领域。RFID系统按照工作频段可以划分为低频(135kHz以下)、高频 (13.56MHz)、超高频 (860～930MHz)和微波 (2.4GHz以上)等几类。射频识别系统通常由电子标签(射频标签)、天线和阅读器组成。

读卡器一般由射频信号处理模块、基带信号处理模块、控制单元以及和外部设备连接的接口模块等组成，其结构如图1所示。射频信号处理模块主要实现三大功能：一是通过天线发射足够功率的射频电磁波，以激发电子标签并为其提供能量;二是对发射信号进行调制，然后将已调制的信号数据转化为电磁波传送给标签;三是接收并解调来自电子标签的射频信号。为了处理往来于应答器的两个方向上的数据流，射频信号处理模块有两个不同的信号通道，传送到电子标签中去的数据通过发射电路分支，而来自于电子标签的数据通过接收电路分支处理。

控制单元的主要功能：与上层应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令;控制与电子标签的通信过程;信号的编码与解码。对于某些特定系统还有以下的附加功能：执行防碰撞算法;对电子标签与读卡器之间要传送的数据进行加密和解密;进行电子标签和读卡器之间双向的身份验证。

恶劣的读卡器应用环境

RFID的应用环境可能非常恶劣。信道的工作频率是免许可的工业、科技与医药(ISM)频带。此频带中的RFID读卡器受到来自无绳电话、无线耳麦、无线数据网络以及其他临近读卡器的干扰。必须将每一读卡器的RF接收器前端设计为能够抵御强干扰信号，避免产生可导致询问错误的失真。接收器的噪声必须保持在较低的水平，以便具备足够的动态范围，从而以无错方式检测出低电平标签响应信号。

图1中所示的读卡器RF射频收发器，是一个成熟的设计，能够在存在大量干扰源的恶劣环境中稳定地工作。发射器和接收器都带有一个高动态范围直接转换调制器和解调器，因此最大限度地提高了稳定性并降低了成本。

实用和可靠的射频接收器设计

接收器的核心是Linear公司的LT5516，这是一种高度集成化的直接转换正交解调器，芯片上提供了一个精确正交移相器(0度至90度)。来自天线的信号在通过射频滤波器之后，通过一个不平衡变压器直接输入到解调器输入端口。由于LT5516的噪声系数很低，在不需要低噪放大器(LNA)的情况下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

在接收数据时，读卡器发射连续载波(未调制)，以便为标签提供电源。在收到请求后，电子标签通过对载波进行调幅，响应一个码流。所采用的调制方式为幅移键控(ASK)或者反相-幅移键控键控(PR-ASK)。解调器带有两个正交移相检出式输出端口，因此具备天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消导致某个通道无法接收信号，另一条通道(移相90度)就可接收较强的信号，反之亦然。这样，整体接收可靠性就得以提高。

一旦解调完成，即可将I(相内)和Q(正交相位)差分输出信号以AC方式耦合至一个运算放大器(被配置为一个差分放大器)，随后被转换为单端输出信号。这个时候应将高通角频率设置为5KHz，低于接收数据流的最小信号频率，高于最大多普勒频率(可能被运动标签采用)，同时保持高于电力线频率(60Hz)。这样，输出信号就能利用被配置为四阶低通的LT1568顺利穿过低通滤波器。低通角频率应被设置为5MHz，以便最大码流信号穿过滤波器，达到基带。

基带信号然后被一个双路低功耗模数转换器(LTC2291，分辨率为12位)进行数字化处理。由于标签码流的带宽为5KHz至5MHz，LTC2291能够以25MSps的速率进行充分的采样，从而精确地捕获解调信号。在需要的时候，还可在基带DSP中实现额外的数字滤波。这样，接收器就能具备最大的逻辑阈值设置灵活性，该设置可由基带处理器以数字化方式执行。

基带任务和数字化射频信道化处理，可提高用全FPGA解决方案实现的吸引力和集成度。

高动态范围射频发射器设计

发射器集成了一个镜像抑制直接转换式调制器。LT5568具备很高的线性度和较低的背景噪声，因此能够为所发射的信号提供出色的动态范围性能。调制器能够从数模转换器(DAC)接收正交式基带I和Q信号，然后直接调制至900MHz发射频率。

在内部，LO(本地振荡器)被精确正交移相器分割。经调制的射频信号被合并为一个单端、单边带射频输出信号(镜像被抑制了46dBc)。此外，调制器还带有匹配的I和Q混合器，从而最大限度地抑制了LO载波信号(至-43dBm)。

复合调制电路具备出色的邻道功率比(ACPR)，有助于满足发射频率屏蔽要求。例如，当调制器射频输出电平为-8dBm时，ACPR指标优于-60dBc。由于具备更出色的ACPR性能，信号可被放大至许可的1w功率(在美国为+30dBm)，或者放大至2w，以符合欧盟规范。在上述两种情况下，重要的是保持电平固定，因为该电平用于向电子标签提供电源，并最大化读卡距离。LTC5505型射频功率检测器的内部温度补偿功能，可准确地测定功率，提供稳定的反馈信号，以调节射频功率放大器的输出功率。