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采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

简介

超高频射频识别(UHF RFID)系统已广泛应用于资产管理、服装零售等领域。近年来,它们在无人售货超市和汽车电子标识应用方面也获得了广泛的关注。本文介绍基于ADI公司的信号链的UHF RFID读卡器射频前端的两种实现方法。一种实现方法基于ADF9010 和AD9963,另一种则基于AD9361。本文主要关注中国市场的汽车电子标识这一目标应用领域,这种电子标识必须符合中国标准GB/T 29768-2013“信息技术—射频识别—空中接口协议(800/900 MHz)”1和GB/T 35786-2017“机动车电子标识读写设备通用规范”2。与分立式双组件实现方案相比,这个基于AD9361的解决方案大大降低了设计复杂度,减少了组件数量和板空间,但接收器的灵敏度也有所下降。虽然本文描述的射频前端针对特定应用,但是分析方法和前端本身都适用于一般的UHF RFID读卡器解决方案。

表1.标签读卡器物理MAC层关键参数汇总

参数

描述

频率范围

920 MHz至~925 MHz

占用带宽(OBW)

250 kHz

通道中心频率

920.125 + 0.25 n (0 ≤ n ≤ 19) MHz

邻道泄漏比(ACLR)

邻道:<–40 dB 隔道:<-60 dB

读卡器最大ERP

通道0和通道19:20   dBm

通道1至通道18:33   dBm

读卡器带外发射

见表2

调制类型

DSB-ASK、SSB-ASK

调制深度

30%至~100%

数据编码

截断脉冲位置(TPP)

Tari

6.25   μs或12.5 μs

表2.读卡器带外发射要求

频率范围

限值(dBm)

测量带宽

检波器模式

最大输出功率模式

30 MHz至~1 GHz

–36

100 kHz

rms

1 GHz至~12.75 GHz

-30

1 MHz

806 MHz至~821 MHz

825 MHz至~835 MHz

851 MHz至~866 MHz

870 MHz至~880 MHz

885 MHz至~915 MHz

930 MHz至~960 MHz

-52

100 kHz

1.7 GHz至~2.2 GHz

–47

100 kHz

待机模式

30 MHz至~1 GHz

-57

100 kHz

1 GHz至~12.75 GHz

-47

100 kHz

项目

限值

接收器灵敏度

≤–65   dBm

静态模式下的读取距离

≥25 m

静态模式下的写入距离

≥12 m

动态识别性能

车速≤ 150 km/h:成功读取芯片标识符数据库和车辆登记数据库中的信息

150 km/h <车速≤ 200 km/h:成功读取芯片标识符数据库中的信息

表3.2类读卡器关键性能

标准汇

根据GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017《机动车电子标识标准》,表1至表3总结了适合这些应用的高性能2类读卡器的关键空中接口参数和性能要求。

系统链路预算分析

无源RFID系统有两个基本的链路限制:对于正向链路,标签需要将接收到的读写器发射的射频功率转换成直流,让自身的电子设备工作起来。通常情况下,前向链路的限制在于此。反向链路则受读卡器接收器灵敏度限制。正向和反向链路预算公式3, 4如公式1至公式3所示:

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

(1)

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

(2)

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

(3)

Prip:标签接收各向同性功率

Ptx:读卡器发射功率

Gtx:读卡器发射天线增益

Gtag:标签天线增益

FSPL:自由空间路径损失

Prx:读卡器接收信号功率

Grx:读卡器接收天线增益

?mod:标签调制效率

d:读卡器和标签之间的距离

λ:自由空间中的信号波长

根据GB/T 35786-2017第6.2节和第6.5.2.2节的定义,Ptx为30 dBm,馈线插入损耗小于1 dB,所以实际的Ptx约为29 dBm。现场测试采用10 dBi到12 dBi增益的天线,所以假设Gtx为12 dBi。对于Grx,在汽车电子标识应用中,读卡器通常采用单天线配置,而读卡器使用单根天线进行传输和接收,因此Grx = Gtx = 12 dBi。标签天线通常类似于偶极子天线,可以合理地假设Gtag = 2 dBi。?mod代表标签的调制效率,由标签反向调制读写器的发射信号时,标签天线匹配和标签阻抗漂移决定,可以合理地假设?mod = –8 dB。中心频率为922.5 MHz,所以λ= 0.33 m。图1所示的系统链路预算基于前面描述的公式和参数计算得出。

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

图1.正向和反向链路预算计算

为了支持标准中定义的25米链路范围,标签灵敏度应该高于-18.7 dBm,读卡器灵敏度应该高于-70.4 dBm。在该标准中,标签灵敏度要求被定义为-18 dBm,与分析结果高度吻合。但是,读卡器的灵敏度要求被定义为 –65 dBm,与 分析结果相比存在较大偏差。这种偏差可能来自于标签天线的增益值。在汽车电子标识应用中,不需要将标签天线设计成全向的。增加一个反射器将导致天线增益增加3 dB。由于标签天线增益(Gtag)在公式2中为平方值,所以读取器的灵敏度分析结果将增加6 dB,达到–64.4 dBm。在这种情况下,分析结果符合标准要求。

UHF RFID读卡器中的自我干扰器

在UHF RFID系统中,读取器在发送连续波(CW)信号为无源标签供电时,会同时以相同频率接收来自标签的反向散射信号。由于发送器-接收器之间的隔离性能欠佳,强连续波信号和相关的发送器噪声会泄漏到接收器中。通常这种泄漏信号被称为自干扰(SJ)信号,它会降低读卡器的灵敏度。

在汽车电子标识应用的RFID读卡器中,定向耦合器通常用作发射器和接收器的双工器。SJ信号的产生主要是由于天线的反射、定向耦合器的隔离都有限以及连接到耦合器耦合端口的电路反射造成的。

可以使用两种方法来克服这个SJ信号问题。第一种方法是在接收器LNA之前设计一个自干扰消除(SJC)电路。第二种方法是使用零中频接收器架构,而且发射器和接收器使用的相同的本地振荡器(LO)。在这种情况下,自干扰信号将在基带转换为直流,然后使用隔直电容对信号进行交流耦合。在这个隔直点后,去除了SJ信号,后续元件的动态范围要求随之放宽。这意味着在基带上可增加足够的增益以降低接收器的噪声系数(NF)。这两种方法可以单独使用,也可以结合使用。一个典型的SJC电路如图2所示。5

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

图2.典型的自干扰消除电路

读卡器关键RF性能分析

包含UHF RFID读卡器RF前端的SJC电路框图如图3所示。ADI公司的AD9963集成了双通道DAC和双通道ADC。ADF9010集成了发射器调制器、PLL/VCO、接收器基带滤波器和PGA。解调器ADL5382 包含在ADF9010评估板中。 ADL5523 用作LNA,它可提供低噪声系数、高增益和高线性度。75 dB高动态范围射频检波器LT5538 适合SJC RF功率检波器使用。

对于发射器来说,在数字域内,应对信号进行低通滤波,以满足频域ACLR的要求,以及时域RF包络的要求。在模拟域,

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图3.UHF RFID读卡器RF前端框图。

采用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读卡器射频前端

图4.使用ADF9010和AD9963的UHF RFID读卡器RF前端

PA线性度和LO相位噪声都会影响ACLR的性能。经过低通滤波后,由TPP编码的ASK信号的峰均比 (PAR)约为2 dB。PA平均输出功率约为32 dBm,裕量为1 dB,因此应选择大于35 dBm P-1 dB的PA。对于LO相位噪声,125 kHz至375 kHz的相位噪声积分应小于-40 dBc,375 kHz至625 kHz的相位噪声积分应小于-60 dBc。对于带外发射要求,需要采用一个RF滤波器,以满足发射器在谐波频率处的杂散要求。对于接近工作频率的要求,例如在915 MHz和930 MHz,100 kHz测量带宽的噪声为–52 dBm的要求,RF滤波器一般尚未衰减,所以调制器在0 dBm输出功率时的本底噪声要求约为–52 – 10 × log10 (105) – 30 = –132 dBm/Hz。在5 MHz偏移量下的相位噪声要求也应小于 –132 dBc。

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