新型RFID阅读器接收电路设计

摘要：射频识别(RFID)系统，由于其智能、快速、耐久、记忆容量大等优点，拥有广阔的应用发展前景。主要研究了UHF频段RFID阅读器接收电路的设计，分析了共零中频接收电路结构，解决了由RFID系统自身特殊性所带来的零点问题和直流漂移，最终通过仿真验证了该电路结构的可行性。
关键词：超高频射频识别；阅读器；零中频；滤波

0 引言
    阅读器主要由控制单元、高频收发模块、天线以及其他与后台设备相连的接口组成。应答器，又叫作标签，是RFID读取数据的来源，主要由天线和微电子芯片组成。RFID系统的关键部分是阅读器，实现阅读器的核心技术是接收电路。本文主要分析和构造了UHF无源RFID阅读器接收电路。

1 基本架构
    组成RFID阅读器的电路结构如图1所示，其上半部分为发射链路，而其下半部分为接收链路。
    采用UHF频段的阅读器首先针对基带信号实施PIE编码，同时实施80％～100％ASK调制过程。在接收电路部分需支持PSK或ASK形式的解调，同时可以实施对基带信号的米勒或FM0副载波解码。系统的发射信号如下：
   
    式中：f(t)代表标签接收的信号；m(t)代表基带信号；载波频率则用ωc表示。
    而在标签反向散射过程中，接收端接收到信号如下：
   
    式中：g(t)表示接收端接收到的信号；m’(t)表示标签端基带信号。
    最终在接收电路中进行下变频，解调过程和结果如下：
   
    式中：代表通过低通滤波器后的结果。
    图1中的环行器隔离器件，通常能够实现20～30 dB的隔离效果。此外，利用两个独立的天线分别负责接收与发射的任务，也能够实现较好的隔离效果。需要注意的是，在接收过程中，一定要同时发射同频载波，所以能得出以下结论，系统中的噪声分以下几种：周围环境因素干扰噪声，发射端耦合接收端的同频泄漏以及电子器件自身噪声，此外还需关注器件接口间的损耗。

    依据雷达方程：
   
    式中：Pr，Pt分别表示接收与发射功率；Gt表示发射增益；Ar表示接收天线的面积；σ表示雷达截面积；Rr，Rt分别表示接收与发射路径长度。
    根据雷达方程，能推导得出对数形式的通信方程，如下所示：
   
    也就是说，接收功率等于发射天线增益、发射功率以及接收天线增益之和，再减去系统损耗、空间损耗，所以空间损耗Lc可以用如下算式得出：
   
    如果无调制载波是f(t)=Acos(ωct)，标签发射的信号是g(t)=B(1+m(t))cos(ωct+φ)，而且环行器发射端至接收端的泄漏(即TX—RX Lea-k)和f(t)有关联，是l(t)=Ccos(ωct)；s(t)=cos(ωct)表示时钟信号，那么l(t)，g(t)分别和s(t)混频之后结果如下：
   
   
    由功率的比较可以得知，系数C，即TX-RX Leak解调之后的幅度远大于标签返回信号的幅度，且可以看出是一个很大的直流分量，所以解调过程中产生的直流偏移是一个棘手的问题。因此可以得出结论，发射端耦合到接收端的周频泄漏是最主要的干扰，如何抑制这种干扰则需进一步的研究。对抑制干扰的方法研究较多，各解决方案也不尽相同。通过式(3)及式(7)能够看出，系统接收到的信号与时钟信号具有特定的相位差φ，因为标签的位置不同，cosφ也会随之变化，所以在接收电路中，使用正交结构。

2 系统仿真与理论验证
    实施Simulink仿真，构造了系统收发链路的结构，如图2所示。图2中上半部分为标签接收信号与发射链路，下半部分为环行器收发耦合信号和标签返回信号相互叠加的结果，并在接收端实施下变频过程。根据ISO18000-6C协议标准，标签返回信息使用Miller副载波调制或FM0编码调制，再实施ASK调制，在仿真环境里使用重复的“1101001101”序列的FM0编码。因为Miller编码或FM0编码的频谱具有较小的直流分量特性，因此在滤波时，把它和下变频过程中生成的较大的DC直流漂移过滤掉。如果阅读器至标签距离为1 m，经计算空间损耗是18 dB，其中环行器隔离度可设置成20 dB。

    经过接收机解调之后，获取的标签返回信息时域波形如图3所示，上下两个波形分别表示标签端发射的基带信息，以及接收机解调后信息。图4表示的是在接收链路中，滤除DC前后的信号频谱，上图为滤除DC后的信号频谱，而下图为滤除前的频谱，其含有较大的DC分量。

    图4中能够看到，需要在接收机混频器后端，插接一个可以过滤直流的滤波器，由于对FM0信号的完整性没有影响，所以可以满足系统需求。同时可以看出，因为环行器反向泄漏等影响，造成接收端的收发同频干扰比较大，容易导致接收机阻塞。

3 结语
    综上所述，本文基于ISO18000-6C协议，研究设计了UHF RFID阅读器接收电路，并对于零中频接收结构实施了理论分析，对其优缺点也进行了分析。通过仿真，得出零中频结构的信号波形和频谱特性，能够看出其可以实现RFID系统的要求。