射频技术在物联网中的应用

引言

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things"。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流"，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别＜RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。RFID（Radio Frequency Identification），射频识别俗称电子标签。RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术F,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。

1. 2RF1D分类

RFID按应用频率的不同分为低频(LRF)、高频(HRF)、超髙频(URF)及微波(MF),相对应的代表性频率分别为:低频135kHz以下、高频13.56MHz、超高频860〜960MHz及微波2.4GHz,5.8GHz。

RFID按照能源的供给方式分为无源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。无源RF1D读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些,适用于远距离读写的应用场合。

1. 3标签分类

标签一般分为主动式标签和被动式标签主动式标签：电源模块集成入标签中；被动式标签：电源由阅读器提供。通过耦合，阅读器能量给标签芯片提供电源。被动式标签相比主动式标签有外观灵巧多变及价格低廉的优点，从而获得大家青睐。

2 RFID系统的射频电路

RFID中的射频模块主要实现3大功能：

(1) 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；

(2) 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；

(3) 接收并解调来自电子标签的射频信号。

据RFID射频模块功能分析可知，一个简易的RFID包括了：射频振荡器、频率合成器、射频放大器、功率控制器、射频天线、射频接收等与射频电路有关的技术。

2. 1射频振荡器

在RFID中，射频振荡器可釆用CMOS环形振荡器、LC振荡器、RC振荡器及晶体振荡器。考虑到稳频效果，射频振荡器可用锁相环和压控振荡器(VCO)实现。VCO电路过去大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件，然而在用实际工艺实现电路时，会发现变容二极管的品质因数通常都很小，这将影响到电路的性能。MOS变容管便应运而生To釆用标准CMOS工艺实现VCO,是实现RFCMOS集成收发机的关键。

2. 2频率合成器

目前频率合成的技术可概括为四类：直接频率合成技术、锁相式频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术。直接模拟式即频率合成的最初方法，优点是简单、易于实现，频率装换时间短，频率增量也可任意小。但因该方法不宜单片集成，噪声、谐波等效果差，已被锁相式和直接数字式代替。

锁相环(PLL)频率合成的核心是锁相环。锁相式频率合成又可分为整数频率合成和分数频率合成。锁相环本质上是一个相位负反馈系统,在这个相位负反馈系统中振荡器输出信号、输入参考信号和反馈信号均是相位信号，而不是电流或电压信号。应该说,锁相技术是伴随着集成电路的发展、反馈控制理论的发展而发展成熟。且已经成为现代通信系统中不可替代的一环。其优良性能主要表现在：锁定时无频差、良好的窄带滤波特性、良好的调制跟踪性能等。

直接数字频率合成技术(DDS)诞生于20世纪80年代末，它用数字计算机和数/模变换器来产生信号。它是基于相位量化的概念进行频率合成，并可实现调制功能。其特点是:频率分辨率高、相位噪声低、控制灵活、易于调整，且频率稳定度高。其不足在于，合成输出频率较低，频谱纯度较差。

PLL技术和DDS技术各有优缺点。前者具有高频率、宽带，频谱质量好等优点，但频率转换速率低。后者具有高速频率转换能力，频率、相位分辨力高，但频率较低，纯度也不如PLL。二者有效结合，即可构成混合式频率合成技术。其思路就是利用DDS的高分辨率来解决PLL中低频率分辨率和转换事件之间的矛盾。方案常有DDS激励PLL和DDS附加PLL两种。

2.3射频天线

RFID天线常釆用电磁场耦合式天线、电磁波后向散射式天线及微带天线。

电感耦合式(Inductive Coupling)天线：类似于变压器模型，通过空间交变磁场实现电磁耦合，其依据的是电磁感应定律。标签电路中的谐振电路谐振频率与阅读器发射频率相符，以此进行能量耦合及信息传递。该方式适合应用于低、高频工作的近距离RFID系统。

电磁波后向散射耦合式(Backscattercoupling)天线:基本原理类似雷达原理。高频发射的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波空间传播规律。适用于高频和微波波段RFID设计。可选类型有双偶极子天线、折叠偶极子天线、印制偶极子天线、微带面天线及对数螺旋天线。

微带天线从20世纪70年代获得重视和研究，使用频段很宽。微带天线可与微波集成电路一起集成，且易于制成共形天线。微带天线主要有:微带贴片天线、微带阵子天线和微带阵列天线。

2.4射频信号放大

射频信号放大电路分为小信号放大和功率放大技术。以射频功率放大为例，图为扩大射频标签的激活距离，可釆用A类、B类、C类等射频功率放大电路。目前多采用的是具有温度补偿、线性度好且具有输出功率可控的集成CMOS功率放大电路。射频功放基本框图如图2所示。

图2 RFID射频功放

2.5调制解调电路

RFID通常用数字调制实现信息传递,RFID系统中用的最多的是ASK调制方式。

无源UHFRFID标签一般采用逆向散射的调制(负载调制)方法，如图3所示。

图3 RFID负载调制

逆向散射调制电路采用CMOS开关电路来实现，调制信号通过控制开关的开启，也即改变单沟道CMOS开关的输入阻抗，由于CMOS开关是并联在天线两端的，因而就改变了天线的输入阻抗，实现了逆向散射调制的功能。

在射频电路中，解调有相干解调和非相干解调两种方式。考虑到RFID系统的ASK调制，解调方式常用的是包络检波的方式。目前RFID系统使用金属氧化物半导体(MOS)管实现包络检波器中的二极管、电容和电阻。设计时要注意检波电路的输入阻抗对谐振荡路Q值的影响。

3结语

“物联网''概念描述的是一个对象和对象间的无线网络。物联网(InternetofThings)把新一代IT技术(射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术)充分运用在各行各业之中。物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送4个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。物联网研究的问题很多，论文讨论的主要是RFID中的射频技术。当然如果解决好了各个环节的技术问题，那么真正的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“智慧中国”就会实现。