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超高频RFID读写器射频前端设计与仿真

宣布时间:2010年03月24日 15:03    宣布者:我芯照旧
要害词: RFID , 超高频 , 仿真 , 设计 , 射频
射频识别手艺(RFID,Radio Frequency Identification)是在雷达手艺的基础上生长起来的,它的主要原理是经由历程尤线电波阻拦非接触舣向数据通讯从而取得相关数据并完成目的识别。RFID系统凭证使命频段可以分为低频(135 kHz以下)、高频(13.56MHz)、超高频(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等几类。其中超高频(UHF)频段和微波频段的RFID系统具有读写距离远、通讯速率快等优点。更合适未来物流、供应链等领域的应用,是以UHF及更高频率的RFID手艺具有严严重年夜战略意义。

本文简介了超高频RFID系统的使命原理和相关尺度,并应用ADS软件对发射和吸收链路的拓扑结构阻拦了仿真和研究,最后给出了基于通用芯片的读写器射频前端处置赏罚赏罚妄图。

1 RFID系统使命原理及物理接口

1.1 使命原理

一个尺度的RFID系同浅易由RFID标签、读写器和盘算机系统等部门组成。其基本使命流程以下:读写器将无线电载波旌旗暗记经由发射天线向外发射。电子标签从读写器发射的电磁波中提取其丁作所需的能馈,一部门电磁波被标签后向散射(反射)回浏览器,同时,标签也凭证存储的数据序列来改,变自己的输入阻抗从而完成对后向散射旌旗暗记的调制。系统的吸收天线吸收电子标签收回的旌旗暗记,经天线的调治器传输给读写器,读写器对吸收到的旌旗暗记阻拦解调剂码,送往后台的电脑控制器。电脑控制器凭证逻辑运算断定该标签的正当性,针对不合的设定做出照顾的处置赏罚赏罚和控制,并收回指令旌旗暗记控制推行机构的行动。推行机构凭证电脑的指令阻拦行动,并经由历程盘算机通讯群集将各个监控点毗连起来。组成总控信息平台,凭证不合的项目可以设计不合的软件来完成要到达的功效。

1.2物理接口

凭证现在较为主流的超高频RFID国际尺度ISO/IECl8000-6B的划定,系统传输基于“读写器先语言”机制,且在射频旌旗暗记收发方面有以下请求:

(1)由读写器到电子标签的数据传输接纳曼彻斯特编码,调制要领为调制深度为99%或1l%的ASK调制,其中99%的ASK调制町以用OOK调制完成;位速率为10kbps或40kbps。

(2)由电子标签到读写器的返网链路接纳FM0编码,调制要领为反向散射调制。其调制要领与ASK调制类似,以是在解调端可以凭证ASK要领解调。反向传输数据速率为40 kbps。

2 射频前端设计

ADS(Advanced Design System)是Agilent公司开发研制的电子设计自动化软件系统。它是射频设计领域应用较为普遍的一种EDA工具。该软件的功效网罗时域电路模拟(SPICE-like Simulation)、频域电路模拟(Harmonic Balance Linear Analysis)、电磁模拟(EM Simulation)、通讯系统模拟(Communication System Simulation)、数字旌旗暗记处置赏罚赏罚设计(DSP)等。经常应用的ADS仿真剖析控件有:S参数剖析、瞬态剖析、交流剖析协调波平衡剖析等。

2.1发射链路设计与仿真

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图1发射链路ADS仿真原理图

如图1所示,以方波旌旗暗记发生器Vf_square模拟发生基带旌旗暗记,设基带旌旗暗记频率为4MHz.基带旌旗暗记经混频器MIXER与915MHz的本振旌旗暗记阻拦混频,再经由历程一个SAW带通滤波器,滤除镜像滋扰,发生ASK调制旌旗暗记,图2上图为发射旌旗暗记的瞬态仿真波形图。

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图2发射机发射旌旗暗记的瞬态仿真图及频谱图

应用fs()函数将时域波形转换到频域nr得输入输入频谱图,由图2右下可以看出,频率为4MHz的基带旌旗暗记,经由调制滤波镌汰年夜后发生频率为9llMHz和919MHz调制旌旗暗记。

2.2吸收链路设计与仿真

传统收发信机的拓扑结构可归结为三种类型:外差式,零中频式和低中频式。

综合推敲迅速度、功耗、结构严重年夜性等效果.现在许多RFID读写器的吸收链路部门都接纳r零中频式结构。零中频式结构的第一级混频器将输入的射频旌旗暗记直接变换为IF=0的频带,然后接纳低通滤波器来拾取有用旌旗暗记。由于去除中频级,以是它与外差式吸收机相比具有以F优势:第一,零中频不存在镜像效果,不须要镜像榨取滤波器。而且南于零巾频吸收机的本振频率和吸收到的射频旌旗暗记类似,吸收到的旌旗暗记为电子标签对浏览器发射旌旗暗记的反射,是以吸收电路的本振和发射电路的本振可以接纳『司一本振。从而年夜年夜简化了却构;第二,由于IF=0,以是仅须要低通滤波器,与带通滤波器相比,低通滤波器更容易集成于片内;第三,由于对旌旗暗记的镌汰年夜在基带,这进一步降低了能耗。

零中频吸收机吸收到的标签反射旌旗暗记为ASK旌旗暗记,可体现为:
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Ac为吸收到的载波旌旗暗记的幅度,m(t)为有用旌旗暗记,φ为吸收旌旗暗记的相位。吸收机的本振旌旗暗记为:
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则将吸收旌旗暗记与本振旌旗暗记混频后,再经由低通滤波可得:
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由上式可知,当φc-φlo=(2n+1)π/2(n=0、1、2、3)时,cos(φc-φlo)=0,从而使处置赏罚赏罚后取得的旌旗暗记为零,即本振与吸收旌旗暗记的相位差有能够使吸收到的有用旌旗暗记为零,这就是所谓的吸收机的零点效应。

转义接纳I/Q双路吸收机束来扫除零点效应。将(3)式体现为双数形式:
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其中r1、r2划分为本振和吸收旌旗暗记撒播的距离,设r1=0,r2=2d,d为标签到读写器的距离,则
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由上式可得,泛起零点的职位为:
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同理可盘算出此外一起的零点职位为:
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由(6)(7)两式可看出,两路的零点是交替的,弗成能同时泛起零点。现实上,当其中一起输入为零时,此外一起的输入到达最年夜,且两路的输入功率之和一直为常数。

图3是零中频吸收机I/Q双路部门的瞬态仿真原理图。

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图3零中频吸收机加双路部门仿真原理图

由图4可看出,吸收机吸收到的射频旌旗暗记经由历程下变频和低通滤波后转换为零中频旌旗暗记。经由I/Q双路处置赏罚赏罚后经由一个高通滤波器上除直流重量,再应用一其中央频率为4MHz的带通滤波器拾取基带旌旗暗记.最后经由历程较量器便可回复出基带旌旗暗记。

图4右下为输入输入旌旗暗记瞬态剖析波形,经由历程较量可见二者存在一定的相位差。

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图4瞬态剖析波形及频域波形图

3 硬件完成

基于以上的现实剖析和系统仿真,作者选用通用的通讯电子元器件设计了一切射频前端,网罗频率综合模块、发射模块和吸收模块三年夜部门,三个模块经由历程同轴线相连。其中频率综合模块用于供应915MHz的载波旌旗暗记(LO),接纳ADI公司的ADF4360-7为焦点芯片,该芯片集成了频率综合器和VCO,经由历程装备可供应350MHz到1800MHz的旌旗暗记。发射模块网罗对基带旌旗暗记阻拦混频、滤波、镌汰年夜然后经由历程环行器送入天线等法式模范。吸收模块首先对吸收旌旗暗记阻拦镌汰年夜滤波等预处置赏罚赏罚,然后送入I/Q双路并事实解调出基带旌旗暗记。一切设计主要由以下芯片组成:频率综合器ADF4360-7、混频器T0785、射频滤波器SF2049E、功率镌汰年夜器RF2132、华扬公司的环行器HYH504AZ、功分器SCN-2-l1,90度移相功分器QCN-12A,低噪声镌汰年夜器MAX2642等。

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图5射频前端系统原理图

4 结论

本文研究了超高频射频识别读写器的系统结构,培植了射频前真个ADS仿真模子,并针对零中频吸收机的零点效应效果对零中频I/Q双路吸收机阻拦了现实剖析和设计,最后在仿真和剖析的基础上给出了基于通用芯片的915MH:读写器射频前真个处置赏罚赏罚妄图,经实验验证,该妄图可以很好的知足ISO/IEC18000-6B协定的请求。

本文作者创新点:(1)应用ADS软件阻拦了射频前端拓扑剖析,处置赏罚赏罚了因相位差发生的零点效果,简化了吸收机的结构,也为设计硬件电路供应了凭证;(2)设计电路时经由历程将频综、发射、吸收i部门别开,有用降低了三者之间的滋扰,前进了电路的可靠性。

作者:王耀    泉源:《微盘算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第4-2期
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上彀去溜溜 揭晓于 2013-10-12 12:46:51
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liutaow 揭晓于 2016-11-7 15:42:20
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