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RFID专题:31 阅读器工作原理、结构方案

2022-05-05 16:13:58 明申科技 68

5.2.1 阅读器工作原理

无源超高频RFID系统中,当标签进入电磁场时,标签接收到阅读器提供的能量被激活。阅读器将后台数据服务器发来的命令进行处理、编码并调制,通过天线以电磁波的形式辐射出去,同时为标签提供所需能量。而标签一方面通过天线从电磁波中吸收部分能量以驱动标签电路工作,另一方面对包含有效信息的电磁波进行解调,解码,产生返回信号。标签通过对接收到的电磁波反射率的控制(负载调制)实现该信号的发射。阅读器将接收到的微小信号放大、解调,再送入数字基带提取有用信息发送给后台数据服务器,从而完成标签和阅读器的通信。

在此通信过程中,阅读器为标签提供能量向四周空间发射电磁波,到达标签后电磁波能量的一部分被标签吸收驱动标签电路工作,另一部分则以不同的强度散射到各个方向上,反射能量的一部分最终会返回阅读器的发射天线。标签正是利用这部分反射的能量,与阅读器实现数据传输。这种方式被称为反向散射技术(又叫后向散射),是以雷达原理为基础的。

因此在无源超高频RFID标签系统中为完成与阅读器的通信,必须实现对反射信号的调制。反向散射是利用标签天线和其输入电路之间接口处的反射系数的变化来实现的,因为此反射系数是复数值,故反射系数的变化实际是振幅和相位变化。而其中改变反射系数是通过改变标签天线的阻抗来实现的。通过基于一种“阻抗开关”的原理实现控制标签天线阻抗。实际中采用的几种阻抗开关有:变容二极管、逻辑门、高速开关等,其原理如图5-18所示。要发送的数据信号具有两种电平信号,通过控制一个简单的晶体管开关实现天线阻抗的改变,从而完成对载波信号的调制。因此,在整个数据通信链路中,仅仅存在一个发射机,却完成了双向的数据通信。


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图5-18反向散射调制原理

为降低成本及减小阅读器体积采用单天线系统(4天线系统可以增加一个1分4的模拟开关),由阅读器工作原理以及阅读器与标签之间的通信方式可以看出,无源单天线系统中,超高频RFID阅读器系统结构框图如5-19所示。超高频RFID阅读器系统可根据功能主要分为数字基带和模拟射频两大部分。电源模块为阅读器提供所必须的能量以实现阅读器的正常工作,通信接口模块使得阅读器与后台数据服务器相连,实现阅读器与后台数据库之间的通信。控制模块主要实现阅读器数字基带的编解码、时序控制等功能,频率合成器主要为各模块提供它们各自所需的时钟频率。因使用单天线系统,为使收发分置,利用隔离器件将接收信号与发送信号分离开实现半双工通信。天线主要负责接收标签后向散射回的信号及发送阅读命令和为标签提供能量的未调制载波。


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图5-19 超高频RFID阅读器系统结构框图

射频部分主要由射频接收模块和射频发送模块组成。射频发送部分主要由调制模块和功率放大模块组成,负责将数字基带送来的信号调制成符合标准的信号,再经过功率放大模块放大。射频接收模块主要由解调模块和模拟处理模块组成,负责将从天线接收到的信号变频到模拟基带,经过模拟处理模块滤波、整形、放大,送往数字基带部分。其射频部分主要工作流程:

天线将从标签返回的电磁波转化为电信号,射频接收部分将电信号通过解调模块解调、滤波,并将微小信号进行放大、整形后送入数字基带进行处理。

将数字基带送来的基带信号对本振信号进行调制形成ISO/IEC 18000-6C标准规定的调制信号,再经功率放大形成最终的信号,最后通过天线以电磁波的形式辐射到空间。

其数字基带部分主要工作流程:

将经过模拟预处理的信号进行滤波、整形、解码、校验,得到最终标签返回的有用信息,并通过通信接口送至后台数据服务器。

后台数据服务器通过通信接口发送命令给数字基带部分,数字基带将接收到的命令按照协议规定进行编码,形成基带信号送往射频处理部分。

5.2.2 超高频RFID阅读器结构方案

由5.2.1节所述,已从功能角度分析阅读器基本结构。本节将从阅读器的结构方案进行详解。由于超高频RFID系统遵循ISO/IEC18000-6C协议标准,符合协议所要求的调制方式、数据率以及编解码方式,如图5-20所示为超高频RFID阅读器主流的方案框图。框图主要分为两部分:射频前端和数字基带部分,本节重点介绍射频前端部分(多数开发者采用专用芯片开发阅读器,射频前端是系统的关键)。


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图5-20超高频RFID阅读器主流设计方案框图

本设计中,从天线经环形器馈入接收机的标签返回信号不像传统的射频接收机一样直接通过LNA和带通滤波器。这是因为在传统的射频接收机中,接收信号先通过带通滤波器,可以去除频段外的干扰,并对接收的微弱信号进行放大。但是在超高频RFID系统中,滤波器的用处并不大。因为其它频段的干扰信号幅度相对于无源标签反向散射的信号幅度较小(无源标签的信号强度一般-60dBm左右,而同频带的干扰信号一般-100dBm左右);而不通过LNA,则是因为超高频RFID的主要噪声来源于环形器泄露的未调制载波,很容易导致低噪声放大器饱和并带来进一步影响。数字基带部分由模数转换器(ADC)、数字信号处理模块、协议控制器组成。其信号数字化采样、通道计算选择、数据相干判决,以及数据编解码,都由一个单独的FPGA完成(如采用专用芯片,则芯片内部自带数字处理模块)。

01、超高频RFID阅读器射频接收机架

现有的射频前端接收机结构中,最简单有效的设计便是在射频频段将信号数字化后直接送入数字基带进行处理,但考虑现有AD转换技术限制及成本要求,接收机一般将从天线送来的射频信号先一级或多级下变频到能处理的频段再进行后续处理。根据混频器将天线送来的射频信号下变频到的频率不同,可将接收机分为超外差式接收机、零中频接收机和低中频接收机。

超外差接收机是利用本振将射频信号直接下变频到中频,选择性与灵敏度较好,较易实现有用信道的选择、A/D转换等,但其结构复杂,组合干扰频率点多,镜像干扰现象在三种结构中最为严重。零中频结构使本振频率与载频相同,将信号直接下变频到零频,不存在镜像干扰,使得结构相对简单、设计成本低,但存在本振泄露、直流偏移等问题。低中频结构虽克服了直流偏移和闪烁噪声等问题,但是它对本振相位噪声要求较高并存在镜像干扰。在超高频RFID阅读器设计中,绝大多数采用零中频结构,将从天线接收到的射频信号直接通过本振下变频到零中频,并分为I/Q两路信号,如图5-21所示。

超高频RFID阅读器中,接收机采用零中频设计结构主要原因为:阅读器天线接收到的信号为标签对阅读器发送信号的反射,因此接收端接收信号的频率与阅读器本振信号频率相同,并且信号接收端本振和发送端本振可为同一个本振,简化电路结构与硬件开销。但仍然存在零点效应及信号自混频引起的直流偏移问题。直流偏移将导致后级电路阻塞或输入直流点偏移。


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图5-21零中频接收机架构

现今,在应对产生的直流偏移时,常用的方法如下所示:

在混频输出和基带之间加入一个截止频率很低的高通滤波器,滤除直流偏移的影响,为了不干扰有用信号,这些高通滤波器的截止频率通常应不低于数据率的0.1%,在实际中应用也通常会用一个大电容代替高通滤波器。此方案最好对基带信号采用适当编码和合适的调制方式,以减少基带信号直流附近的能量。

对于时分复用(TimeDivision Duplexing,TDD)系统,由于收发时分复用,在发射阶段,接收机处于空闲状态,这时就可以利用这些空闲时隙对直流偏移进行采样并存储起来,在接收机转为工作状态时,将接收到的基带信号和存储的信号相减,就可以消除直流偏移的影响。

谐波混频。将本振信号频率设为接收射频信号频率的一半,本振信号的二次谐波与输入射频信号进行混频。因此,由本振信号泄露引起的自混频将产生一个与其同频率的交流信号,而不产生直流偏移。有些器件支持该功能,在混频器内部对本振信号进行倍频或分频。

利用成熟的数字信号处理技术来确定直流偏移的大小,并将结果反馈回模拟前端来消除直流偏移。

在这些方法中,方法③较为复杂,在超高频RFID阅读器中,一方面直流偏移因为本振相位噪声的影响,不一定为直流,而是在低频段。另外,因为直流偏移噪声基本来自于未调制载波通过隔离器件的泄露,因此其强度远大于有用信号幅度,必须在放大器放大之前将其消除,故无法使用方法②。考虑到接收信号带宽有限,因此,为尽可能消除直流偏移问题,通常情况下在模拟前端采用类似①的方法,用截止频率较低的带通滤波器对其进行滤波,以滤除小部分有用信息为代价换取消除直流偏移现象,带通滤波器的低通截止频率由接收信号带宽确定。也可采用方法④,在射频前端增加功率抵消环路,消除直流偏移影响。市场上的绝大多数阅读器都是采用了方法①大电容隔离的方式减小直流偏置,其中,中高端阅读器同时还采用方法④载波抵消的技术方案提高系统灵敏度。

02、发射机架构

已知在ISO/IEC18000-6C协议中,前向链路和后向链路的调制方式、编码方式等因素决定了阅读器发射机的架构。在前向链路中采用DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK调制方式,而后向链路采用ASK或BPSK对回波进行调制,因此发射机的架构要能够用于发送幅度和相位调制的信号,其结构图如图5-22所示,由混频器、本振、天线、功率放大器组成,利用本振和乘法器对基带送来的信号进行调制,经过功率放大器后由天线将射频信号辐射到空中。


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图5-22发射机架构

03、收发通道隔离

无源RFID系统为半双工工作方式。阅读器一边向外发射未调制功率载波为标签提供能量,另一方面还要接收标签后向散射回的有用信号,这种通信机制导致接收机前端的载波泄露。阅读器工作时,两信号将同时出现在天线上且两信号频率相同,阅读器的发射信号强度远远大于接收的标签反向散射的信号。

载波泄漏信号的产生有三个途径:收发之间有限的隔离度使得发射端载波泄露到接收前端;阅读器天线的失配造成载波信号反射到接收前端;环境对载波信号的反射再次进入接收天线。为了减小载波泄露,需要阅读器结构中将阅读器收发通道隔离,常用的隔离方式有三种,分别是采用收、发天线分离的双天线结构;采用环形器;采用耦合器。

(1)双天线结构

对于使用无源标签的超高频RFID系统,无论是双天线结构还是单天线结构的阅读器,其接收前端都存在载波泄漏问题。对于如图5-23所示的双天线结构的阅读器,接收机天线与发射机天线之间的隔离度约为25dB到30dB,其隔离度与两个天线位置和摆放相关,如果两个天线靠得较近或辐射面相对则隔离度会大幅下降。


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图5-23双天线结构隔离

假设阅读器功率放大器的输出功率为30dBm,接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm,收发天线之间的隔离度为25dB,天线的输入反射系数S11=-15dB(双天线结构天线输入反射系数和载波泄露无关)。此时产生的载波泄漏功率约5dBm(30 - 25dBm),通过带通滤波器后接收机收到的信号包括5dBm的泄漏载波和-60dBm的标签信号。隔离效果的好坏主要由如下几个参数判断,接收机收到的载波信号的强度、标签信号的强度以及两个信号的差值。

接收机收到的载波信号越强,则直流偏移影响越大,所以接收到的载波越小越好。一般带有载波消除功能的阅读器能够处理的载波泄漏强度为+15dBm左右,如果大于该值将很难实现有效的载波消除,阅读器的灵敏度会受限。

接收机收到的标签信号强度越大,则系统越容易解调该信号,阅读器的灵敏度越高。在没有载波泄露的情况下,阅读器的灵敏度可以达到-90dBm之下的灵敏度,在有载波泄露的环境中灵敏度会下降,中高端的阅读器可以实现在10dBm载波泄漏的环境下-80dBm的灵敏度。因此标签反向散射的信号强度一般需要在-80dBm之上。

两者信号强度的差值越小,信号处理越方便,可以获得更好的解调效果。接收机收到两个信号后,可以通过可变增益处理将两个信号同时变大或变小,从而满足载波消除和接收机小信号解调的问题。本系统中两者差值为65dB,隔离效果非常不错。

双天线结构是常用三种隔离方式中效果最好的,其缺点是系统需要两个天线,成本和实施难度都提高了,应用时还需要注意两个天线的隔离问题。早期阅读器多采用双天线结构,不过随着对小型化、低成本、实施简易的要求,市场上的主流阅读器已经不再采用收发双天线结构了,都采用收发同天线结构。

(2)环形器

环形器是一种多端口器件(常见三个端口),采用的材料是铁氧体,利用铁氧体在恒定电场中对电磁波各方向表现出不同磁导率选择导通端口实现发送和接收通道的隔离。环形器是将进入其任一端口的入射波,按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环形器是有数个端的非可逆器件。比如:从1端口输入信号,信号只能从2端口输出,同样,从2端口输入的信号只能从3端口输出,以此类推,故称作环形器。如图5-24为一个三端口的环形器,当从端口1进入时从端口2的插损为1dB,同时端口3的隔离为20dB。此处的插损1dB和隔离度20dB是常用器件的参数,实际中可以选择插损更小隔离度更高的器件,这与环形器的尺寸和特性相关。


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图5-24环形器原理

由于环形器具有直通和隔离的特性,因此非常适合超高频RFID阅读器的收发隔离系统,如图5-25所示为采用环形器作为隔离器件的单天线方案。同样阅读器功率放大器的输出功率为30dBm,接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm,天线的输入反射系数S11=-15dB。此时发射机的30dBm输出信号经过环形器衰减1dB后到达天线端辐射功率为29dBm,由于天线输入反射系数为-15dB,则天线反射信号强度为14dBm,该信号再次经过环形器衰减1dB后到达接收机,此时通过天线反射的载波泄漏为13dBm。于此同时发射机的信号还可以通过环形器的隔离端口达到接收机,隔离泄漏信号强度为10dBm,由于天线适配引起的载波泄漏占主要的,可以大致认为接收到的载波泄漏为13dBm(13dBm > 10dBm)。标签信号通过环形器衰减1dB后到达接收接,信号强度为-61dBm。


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图5-25采用环形器作为隔离器件的单天线方案

从隔离效果的角度看,使用环形器后,载波泄漏为13dBm,可以通过载波消除的手段抑制;有效信号的强度为-61dBm,是不错的信号强度;两个信号的差值为74dB,可以说有不错的效果。环形器在超高频RFID系统中广泛应用,尤其是高端阅读器,基本都采用环形器作为隔离器件。其缺点为尺寸较大,无法使用于小型阅读器或手持设备,再加上成本高,一般的阅读器都不采用该方案。

(3)耦合器

在微波系统中,往往需将一路微波功率按比例分成几路,这就是功率分配问题,实现这一功能的元件称为功率分配元器件,即耦合器。如图5-26所示为一个4端口的耦合器,其特点为:

1 →2 为直接通路(directpath),衰减很小,一般小于1dB。

1 →4 耦合通路(coupledpath),常见的耦合能量为5dB、7dB、10dB等,R2000系列的阅读器常选择参数为10dB的耦合器。

1 →3 隔离通路(isolatedpath),常见隔离度为30dB。


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图5-26耦合器原理

超高频RFID阅读器常使用定向耦合器作为隔离器件。定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合(分配)元件。它是一种四端口元件,通常由称为直通线(主线)和耦合线(副线)的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制(例如缝隙、孔、耦合线段等)把直通线功率的一部分(或全部)耦合到耦合线中,并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口,另一端口则无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反,则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变,也就是说,功率的耦合(分配)是有方向的,因此称为定向耦合器(方向性耦合器)。

如图5-27所示为使用定向耦合器作为隔离器件的阅读器射频前端的结构示意图,其中阅读器功率放大器的输出功率为30dBm,接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm,天线的输入反射系数S11=-15dB。定义该定向耦合器的输出端到输入端损耗为0dB;输出端到耦合端的隔离为-30dB;输入端到耦合端的耦合为-10dB。此时,天线端的载波信号强度为30dBm,天线失配反射的载波信号强度为15dBm(30dBm-15dB),耦合到接收机的载波信号强度为5dBm(15dBm-10dB),与此同时,发射机的载波也直接耦合到接收机的信号强度为0dBm(30dBm-30dB)。由于隔离泄漏的载波能量小于天线反射的耦合泄漏可以认为接收机的载波泄漏信号强度为5dBm(5dBm>0dBm)。标签信号通过耦合到达接收机的信号强度为-70dBm(-60-10)。


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图5-27采用定向耦合器作为隔离器件的单天线方案

从隔离效果的角度看,使用定向耦合器后,载波泄漏为5dBm自身泄漏并不大,还可以通过载波消除的手段进一步抑制,有效信号的强度为-70dBm,可以实现解调,两个信号的差值为75dB,与环形器的结果类似。定向耦合器借助其尺寸小、成本的优势成为超高频RFID阅读器系统中普遍使用的隔离器件。

定向耦合器的耦合系数太大或太小都不好,如果耦合系数太大,则接收机端的标签信号会衰减过大,导致低于阅读器芯片灵敏度无法解调;同理如果耦合系数太小,则会有更多的载波泄漏入接收机。

在使用环形器和隔离器的电路中,天线的阻抗匹配是非常关键的参数,尤其是在阅读器大功率输出时,如果天线适配严重,则会引起接收机载波泄漏过大导致接收灵敏度下降。因此阅读器大功率输出时一定要选择输入反射系数小的天线,若天线的S11>-10dB,则接收机很容易被泄漏的载波阻塞无法工作。

许多阅读器都带有载波泄漏强度指示功能,可以显示当前的载波泄漏情况,也从侧面说明天线的匹配是否良好。如果未连接天线或天线适配严重,系统就会发出提醒,建议使用者检查接头或更换天线。其目的为保护电路,当大功率的PA输出的信号都返回到阅读器时容易引起高温,从而损坏电路。


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