摘 要：傳統(tǒng)的UF RFID接收機采用超外差結(jié)構(gòu)，電路復雜、成本較高，限制RFID系統(tǒng)的應用和推廣。對直接下變頻接收機技術進行分析，針對UF RFID系統(tǒng)的特點，提出一種4通道零中頻接收技術，大大簡化UF RFID接收機的設計，同時降低成本，跟同類產(chǎn)品相比具有更高的性價比。

關鍵詞：UF；RFID；零中頻；接收機設計

A New Zero[CD2]IF Receiver for UF RFID

CEN Lei，ANG Yu，ZANG Yanling，CEN ong

(Electronics Information Engineering College，Xi′an echnological University，Xi′an，710032，China)Abstract：raditional UF RFID receivers adopt superheterodyne structure which has complicated circuit and high costhe technology of Zero[CD2]IF receiver is presented in this paperA Zero[CD2]IF receiver with 4 channels for the UF RFID system is proposedIt predigests the design，reduces the cost and improves the performance of a UF RFID reader comparing with the other ones

Keywords：UF；RFID；zero[CD2]IF；receiver design

1 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification）技術是20世紀80年代走向成熟的一項自動識別技術，是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的產(chǎn)物。它利用無線射頻方式實現(xiàn)人們對各類物體或人員在不同的狀態(tài)(移動、靜止或惡劣環(huán)境)下的自動識別與管理。其最為主要的優(yōu)點是環(huán)境適應性強，與磁卡、IC卡等接觸性識別系統(tǒng)不同。因此，射頻識別被認為是自動識別技術中最優(yōu)秀和應用領域最廣泛的技術之一。識別的距離可從幾十厘米至幾米，這是由系統(tǒng)工作頻率和標簽類型（有源和無源）決定的。射頻識別技術適用的領域主要包括：物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，對于要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。

按照閱讀器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻（12 kz）、高頻（136 Mz）、超高頻UF(860~960 Mz)和微波（24 Gz，8 Gz）等幾大類。目前大多數(shù)應用中的RFID系統(tǒng)使用的是低頻和高頻系統(tǒng)。但研究發(fā)現(xiàn)，更適合未來、特別是商業(yè)供應鏈中應用的是UF頻段系統(tǒng)。

在選擇UF RFID接收機電路方案的時候，設計復雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的因素，常見的2種接收機設計原理包括超外差式和零差式。超外差接收機不僅電路復雜，成本也非常高。本文采用4通道零中頻接收技術，使得UF RFID閱讀器設計大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價比。

2 典型RFID系統(tǒng)組成

射頻識別系統(tǒng)的組成一般包括2個部分：電子標簽和閱讀器，如圖1所示。

其中，電子標簽也常稱為標簽、射頻卡、ag，而閱讀器也常稱為讀卡器、Reader。1個完整的RFID系統(tǒng)還必須包括PC、閱讀器天線、接口電纜、終端監(jiān)控軟件等，有時一個RFID系統(tǒng)還需要跟Internet相連以獲得遠端的數(shù)據(jù)信息或跟多個RFID系統(tǒng)相連。

在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體上，電子標簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入感應場時被激活并獲取工作所需的能量，然后發(fā)送出自身ID等信息，這些信息被閱讀器讀取并解碼后送至電腦主機進行相關處理。通常在閱讀器讀標簽的時候給主機系統(tǒng)傳遞3個信息：標簽ID、讀卡器自己的ID、讀標簽的時間。通過獲取這個讀卡器的位置，就知道了該產(chǎn)品的位置，以及它是什么產(chǎn)品，然后根據(jù)時間數(shù)據(jù)跟蹤標簽，就隨時隨地知道產(chǎn)品的位置。

3 UF RFID閱讀器設計原理

UF RFID閱讀器工作在UF頻段，國際通用的UF頻段就是IM（工業(yè)、科學、醫(yī)藥）公用頻段，如86~868 Mz，902~928 Mz等頻段，它們分別適用于不同的國家或地區(qū)，前者是歐洲使用頻段，而后者大多在美國、加拿大等國家使用。超高頻系統(tǒng)的基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠，適應物體高速運動，閱讀器天線及電子標簽天線均有較強的方向性。

無源UF RFID采用半雙工工作方式，從閱讀器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸和從電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進行的，但二者之間的能量交換始終存在，如圖2所示。與CW雷達系統(tǒng)相似，閱讀器和電子標簽之間的通信是通過標簽反向散射來實現(xiàn)的。

4 零中頻UF RFID接收機

在選擇UF RFID接收機電路方案時，設計復雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的因素，常見的2種接收機設計原理包括超外差式和零差式。超外差接收機不僅電路復雜，成本也非常高；相比之下，零中頻接收機只需要一級同頻混頻器就可以直接得到解調(diào)信號（即基帶信號），不僅極大地降低了成本，而且結(jié)構(gòu)非常簡單、調(diào)測試方便。本文研制的零中頻UF RFID閱讀器接收電路設計原理如圖 3所示，其中包括4條射頻通道、檢波電路、差分放大器、限幅電路、負壓產(chǎn)生器和ADC。天線用于接收標簽反射回的AK調(diào)制波，環(huán)行器用于將閱讀器收發(fā)信號分開。接收到的信號通過環(huán)行器直接進入0 Ω微帶線，微帶線的終端短路。

假設在A點的接收信號為：

其中B(t)是標簽內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進制數(shù)據(jù)；φ為收發(fā)信號之間的相位差，跟閱讀器天線和標簽之間的距離有關。 接收信號在微帶線經(jīng)過三級移相（4路射頻通道之間間隔1/8波長），在B，C，D點分別形成信號如下：[J1]

圖3 4通道零中頻UF RFID接收電路[]

四路AK信號分別經(jīng)過二極管檢波電路直接解調(diào)為一個基帶信號（80 kb/s）。本文采用的二極管為安捷倫公司的LM282，該二極管是零偏置倍壓檢波二級管，工作頻率可達1 Gz，不需要任何外置偏置電壓，檢波最小電平可以達到- dBm。無源UF RFID超外差接收機面臨的一個問題是收發(fā)之間的隔離，閱讀器的接收之路在接收到標簽返回的AK信號時，發(fā)射之路仍然要發(fā)射CW波，這樣收發(fā)之間就會存在干擾。閱讀器中收發(fā)隔離一般大部分都采用環(huán)形器，但環(huán)行器的隔離度一般僅有-2 dB，難以有效地抑制發(fā)射泄漏的強信號，從而降低射頻識別系統(tǒng)中接收機的接收靈敏度，主要表現(xiàn)是標簽的識別距離將大大降低。所以收發(fā)隔離度的大小直接影響系統(tǒng)識別的距離。本文采用的方案是零中頻結(jié)構(gòu)，避免了這個問題。

檢波后，4路基帶信號分別為：

將A路和C路、B路和D路分別經(jīng)過一個雙通道差分運算放大器，將一個差分信號轉(zhuǎn)變成單端信號并放大，用于驅(qū)動后端的ADC。本文選用的差分運算放大器是ADI公司的AD8039BR，該器件噪聲較低：8 nV/√z @100 kz，30 Mz的增益帶寬積。

在DP進行信號處理前，本文采用AD7827BR將經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。AD7827BR是8位的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有1 M/s的抽樣速率和420 ns的轉(zhuǎn)換時間，輸入信號范圍為0～2 V。為了保護ADC，在ADC變化之前增加了一級限幅電路。由福利斯自由空間公式（Friis free[CD2]space formula）可知，在一定條件下，經(jīng)標簽返射回到閱讀器的信號大小與二者之間的距離有關。實際使用當中電子標簽與閱讀器之間的距離是變化的，二者遠近的不同，返回AK信號的強度也不同。為了防止距離過近，返回信號太強毀壞ADC，可以利用二極管和可調(diào)電阻器搭建一個限幅電路以保護ADC。

ADC之后的數(shù)字信號處理器(DP)負責對來自多個標簽的接收信號進行分析，并提供附加的濾波處理。整個電路板結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖所示為采用LeCroy公司的Wave urfer 104Xs示波器測試的一條接收通道輸出的數(shù)據(jù)信息。其中黃色波形為接收數(shù)據(jù)，藍色波形為發(fā)射機產(chǎn)生的發(fā)射數(shù)據(jù)。

結(jié) 語

本文采用了4通道零中頻接收技術，僅使用幾個常用器件就可實現(xiàn)UF RFID信號的解調(diào)和放大，使得UF RFID接收機設計大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價比，具有很好的商業(yè)價值。

參 考 文 獻

［1］［德］Klaus Finkenzeller射頻識別（RFID）技術［M］2版陳大才，譯北京：電子工業(yè)出版社，2001

［2］周茜射頻識別技術及其發(fā)展［J］哈爾濱鐵道科技，2001(1):14[CD2]1

［3］王曉華，周曉光，孫百生超高頻射頻識別讀寫器設計［J］電子測量技術，2007，30(2)：18[CD2]161

［4］游戰(zhàn)清無線射頻識別技術RFID理論與應用［M］北京:電子工業(yè)出版社，2004

［］Philip Karantzalis用于RFID接收器的基帶電路［Z］陵特公司產(chǎn)品，2006(3)

［6］王天吉無線射頻識別技術（RFID）應用的關鍵問題[J]現(xiàn)代電子技術，2007，30（8）：170[CD2]172

作者簡介 陳 蕾 女，1980年出生，陜西人，西安工業(yè)大學電信學院助教。主要從事移動通信方面的研究。[J]