RFID专题：33 Indy阅读器芯片详解
5.2.4 ImpinjIndy阅读器芯片详解
Impinj的Indy系列阅读器芯片在全球市场占有统治地位。在采用专用集成芯片方案的全球中端阅读器市场中，几乎100%采用Indy系列芯片。ImpinjIndy阅读器芯片的前身是Intel公司开发的阅读器芯片Intel R1000，后Intel将该业务板块卖给了Impinj，改名为IndyR1000。R1000芯片是最早的超高频RFID阅读器集成芯片。Impinj后续在R1000的技术上又开发了带有载波消除功能的高性能阅读器芯片R2000，从此确定了Indy系列在阅读器芯片市场的领导地位。
01、Indy阅读器芯片系列
至今ImpinjIndy共发布3款阅读器芯片分别是R1000、R2000和R500，其中R1000的发布时间为2008年，R2000和R500发布时间为2010年。这三款阅读器芯片均采用0.18um SiGe BiCOMS工艺，如图5-31所示为R2000的硅芯片图。
图5-31R2000的硅芯片图
其中SiGe为硅锗材料，其特点为：高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，成本较低。
其中BiCOMS工艺的特点为：CMOS工艺和BiPolar工艺是两种主要的硅集成电路工艺，它们有各自的优点。CMOS器件有集成度高、功耗低、输入阻抗高等优点。BiPolar器件有截止频率高、驱动能力大、速度快、噪声低等优点。它们的优缺点正好互相补充，将它们集成到同一芯片上形成BiCMOS工艺，制得的器件性能定将超出单一工艺。由于Indy阅读器芯片中具有数字协议及处理部分，又需要射频高性能，因此采用SiGe材料和BiCOMS工艺的组合最合适，而0.18um工艺具有很好的性价比，因此Impinj采用此选择。
作为全球最早出现的阅读器芯片，Indy系列芯片具有如下优点：
集成度高
集成了大约90%的射频器件；
极大降低了成本；
可以作为RFIDModem；
适合于嵌入式应用。
灵活性强
支持多种的阅读器设计模型；
尺寸小（R500和R2000芯片9mmx 9mm；R1000芯片8mm x 8mm）；
相对于分立设计功耗较小。
支持行业主要标准
ISO 18000-6B，ISO18000-6C，ISO 18000-6D（IPICO）；
EPCglobal Class 1 Gen-2。
支持全球频段
840MHz – 960MHz；
符合SRRC、FCC，ETSI规范要求。
如表5-1所示为Indy系列三款芯片的差异参数表：
表5-1Indy系列芯片对比
通过表5-1可以看出，在不同的情况下，阅读器的灵敏度是不同的，其中R2000芯片具有最好的载波消除特性，可以在10dBm载波泄漏的环境下依然保持很高的灵敏度。而R1000的芯片随着载波泄漏信号的增加灵敏度下降的厉害。R500芯片定义为中低端芯片，因此其灵敏度被锁死在-68dBm，但这并非坏事，对于近距离的读写器，其稳定性优于R1000和R2000。R500和R2000芯片是在R1000芯片基础上开发出来的，因此锁相环的相位噪声有所提高，由于增加了载波抵消等功能，其管脚数量有所增加，因此采用略大的封装。
02、Indy芯片架构
（1）R1000
如图5-32所示为R1000芯片的框图，该芯片包含射频前端模块和数字模块，其中接收机采用零中频的一次变频方案。与传统的零中频接收机不同点在于锁相环PLL通过发射电路给接收电路的混频器提供本振信号，而非锁相环分别给发射机和接收机提供本振信号，这是由于超高频RFID阅读器RX信号的载波是由自身发出的。
图5-32Indy R1000芯片框图
标签反向散射的信号通过天线到达R1000接收机入口RX，然后通过低噪声放大器（LNA），将微弱的信号放大，再通过功分器，分为I/Q两路信号，并与本振信号相乘完成下变频。此时的信号具有很强的直流偏移，因此需要通过一个大电容的AC耦合，滤掉直流偏移影响。此时的标签有效信号已经变成了中频信号，再通过中频低噪放（IF LNA）和中频滤波器（IFFilter）。此时的信号具有较好的信噪比和解调性能，再通过一个可变增益放大器，其目的是调制信号幅度保证ADC采样精度。最终模拟基带处理好的信号通过sigma delta ADC变为数字信号进行数据处理。
当阅读器需要发送命令时，波形发生器会产生需要的波形数字文件，再通过sigma delta DAC转化为模拟信号，经过滤波后与本振相乘，完成上变频，成为超高频段的调制信号，再经过功率放大器输出芯片。
芯片的数字模块具有许多功能，包括数字信号处理，数字调制解调功能，以及数字接口管理和芯片电源管理等。
（2）R2000
如图5-33为IndyR2000的芯片框图，其设计框架与R1000芯片基本相同。对比R1000芯片，其增加了载波抵消模块，大大提高了载波泄漏时的灵敏度。同时，还改善了DRM滤波器，支持2阶和高阶片外滤波器，从而实现更好的滤波效果。另外很重要的一点是R2000芯片大幅提升了锁相环PLL的相位噪声，不仅对灵敏度有改善，还对符合全球无线电规范的产品开发有帮助。
图5-33Indy R2000芯片框图
R500芯片其实就是R2000芯片的简化版，其基本参数完全相同，晶圆也是同一颗，只是在封装测试时在固件中锁死载波抵消功能，并在芯片封装时去掉与载波消除相关的Pin脚的连接。
03、IndyR2000载波抵消
在5.2.2节中，已经介绍了载波泄露消除技术的实现方式，此处针对R2000芯片的载波抵消电路展开剖析。如图5-34所示，为R2000芯片内部载波抵消电路示意图。载波抵消电路是在芯片内的一个信号相加的电路，通过产生反向的载波，与接收端的泄漏载波相互抵消，从而抑制载波泄漏的大小。该电路实现方式为：
通过抽样耦合器从芯片的发射端引出一路参考信号。
将参考信号通过一个无源、低噪声的90°多相位滤波器，输出为四路信号：+I、-I、+Q、-Q。
通过调整这四路的I/Q信号的大小，可以实现一个与接收机泄漏载波大小相同、相位相差180°的信号。通过两个信号相加后（载波抵消后）的信号强度判断是否达到载波消除的预期。
理论上，这个抵消信号具有与接收到的泄漏载波相同的相位噪声，当两个信号抵消时，系统的噪声（发射机自带再生）也会相互抵消，因而有效信号的信噪比也会有所提升。
图5-34R2000芯片内部载波抵消电路
该电路存在一些缺陷：
由于抵消信号是从发射电路中耦合出来的，其信号强度不会特别大，因此对于很大的载波泄漏信号无法进行有效的载波消除。
调整四路I/Q信号大小产生抵消信号的过程需要经过多次尝试，尝试的次数越多抵消效果越好，但是消耗的时间越长，需要在载波消除效果和扫描时间中寻找折衷点。
四路I/Q信号的精度是有限的，精度越高可以产生相位与幅度更匹配的抵消信号，但其精度与成本及扫描时间相关，因此也需要寻找折衷点。
在上述讨论中，I/Q信号的精度、载波抵消的响应时间等问题都需要折衷考虑，经过对市场需求的理解，Impinj给出了一套快速寻找抵消信号的算法。R2000芯片将输出四路信号：+I、-I、+Q、-Q做4比特量化，每个信号的大小为0到15，因此整个复频域空间共有31×31=961个点。只要在这961个点中尝试，可以找到相对最合适的抵消信号，此参数的选择是经过折衷考虑的结果。
为了提高寻找效率，R2000给出了一套快速寻找匹配点的算法，如图5-35所示，首先在复平面内粗略扫描一遍，寄存器会记录下每个扫描点对应的加法器后的功率计度数。粗略扫描结束后从寄存器中找到度数最小的点，并记录下来。下一轮扫描为详细扫描，将围绕刚刚记录下的点周围3×3的格子进行扫描（矩阵扫描），同时记录在寄存器中，寻找新的度数最小点。如果新的度数最小点不是上一个度数最小点，则进行下一轮详细扫描，继续对周围3×3的格子中未扫描的点进行扫描，直到无法找到新的最小点，结束扫描。通过上述算法不必对整个星座图遍历一遍，可以大大提升效率。当然读者们也可以通过自己的算法减小扫描时间。
图5-35复频域快速匹配点的算法
当R2000采用3M/s的数据采样频率实现SJC校准，且针对每个点的采样次数为16和8个样本，采样时间为5.3us和2.6us。执行一次粗略全扫描共需要49次，因此需要392us。一个3×3矩阵扫描时间为72us。为了获得更好的载波抵消效果，最好重复多次寻找合适的匹配点。在实际应用中，每次阅读器发出命令之前，都会先启动SJC电路完成载波消除。
04、Indy芯片使用架构和开发
如图5-36所示为Indy芯片的使用架构图，图中阅读器模块由Indy阅读器芯片、ARM7处理器（MCU）、功率放大器和隔离器件组成。其中ARM7处理器中下载了Indy芯片的固件，包括Gen2协议，射频控制和接口等，通过调用Indy芯片的寄存器控制上述功能。主机通USB或串口与MCU相连，通过API控制阅读器模块工作。
图5-36Indy芯片的使用架构图
如图5-37所示为Indy芯片的固件架构图，该程序代码在ARM7芯片中，其中包括：
控制相关内容（Flash、GPIOs、定时器、串口、Debug）；
状态机管理；
Indy寄存器接口（SSP）其中包换Gen2协议和射频控制模块；
固件升级模块；
主机寄存器和命令逻辑。
图5-37Indy芯片的固件架构图
ARM7固件内部Flash分三块，分别是：
Bootloader，提供系统的恢复和升级机制。
MAC固件，管理Modem控制器和主机接口寄存器。
OEM配置，静态设置寄存器，包括区域设置、主机接口设置、校准数据和板级诊断选项。