基于ads2005的rfid讀寫器射頻前端設(shè)計

rfid通信技術(shù)（rfid）是在雷達技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。主要原理是，無線電波用于獲取非接觸兩側(cè)的數(shù)據(jù)，并檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)目標識別。RFID系統(tǒng)按照工作頻段可以分為低頻(135kHz以下)、高頻(13.56MHz)、超高頻(860-930MHz)和微波(2.4GHz以上)等幾類。其中超高頻(UHF)頻段和微波頻段的RFID系統(tǒng)具有讀寫距離遠、通訊速度快等優(yōu)點,更適合未來物流、供應鏈等領(lǐng)域的應用,因此UHF及更高頻率的RFID技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義。本文介紹了超高頻RFID系統(tǒng)的工作原理和相關(guān)標準,并利用ADS軟件對發(fā)射和接收鏈路的拓撲結(jié)構(gòu)進行了仿真和研究,最后給出了基于通用芯片的讀寫器射頻前端解決方案。1rfid系統(tǒng)的工作原則和物理接口1.1后向散射信號的調(diào)制一個典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標簽、讀寫器以及計算機系統(tǒng)等部分組成。其基本工作流程如下:讀寫器將無線電載波信號經(jīng)過發(fā)射天線向外發(fā)射。電子標簽從讀寫器發(fā)射的電磁波中提取其工作所需的能量,一部分電磁波被標簽后向散射(反射)回閱讀器,同時,標簽也按照存儲的數(shù)據(jù)序列來改變自己的輸入阻抗從而實現(xiàn)對后向散射信號的調(diào)制。系統(tǒng)的接收天線接收電子標簽發(fā)出的信號,經(jīng)天線的調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫器,讀寫器對接收到的信號進行解調(diào)解碼,送往后臺的電腦控制器。電腦控制器根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設(shè)定做出相應的處理和控制,并發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)的動作。執(zhí)行機構(gòu)按照電腦的指令進行動作,并通過計算機通信網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控點連接起來,構(gòu)成總控信息平臺,根據(jù)不同的項目可以設(shè)計不同的軟件來完成要達到的功能。1.2發(fā)送設(shè)備及信號根據(jù)目前較為主流的超高頻RFID國際標準ISO/IEC18000-6B的規(guī)定,系統(tǒng)傳輸基于“讀寫器先發(fā)言”機制,且在射頻信號收發(fā)方面有如下要求:(1)由讀寫器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸采用曼徹斯特編碼,調(diào)制方式為調(diào)制深度為99%或11%的ASK調(diào)制,其中99%的ASK調(diào)制可以用OOK調(diào)制實現(xiàn);位速率為10kbps或40kbps。(2)由電子標簽到讀寫器的返回鏈路采用FM0編碼,調(diào)制方式為反向散射調(diào)制。其調(diào)制方式與ASK調(diào)制類似,所以在解調(diào)端可以按照ASK方式解調(diào)。反向傳輸數(shù)據(jù)速率為40kbps。2泛的eda工具ADS(AdvancedDesignSystem)是Agilent公司開發(fā)研制的電子設(shè)計自動化軟件系統(tǒng)。它是射頻設(shè)計領(lǐng)域應用較為廣泛的一種EDA工具。該軟件的功能包括時域電路模擬(SPICE-likeSimulation)、頻域電路模擬(HarmonicBalanceLinearAnalysis)、電磁模擬(EMSimulation)、通信系統(tǒng)模擬(CommunicationSystemSimulation)、數(shù)字信號處理設(shè)計(DSP)等。常用的ADS仿真分析控件有:S參數(shù)分析、瞬態(tài)分析、交流分析和諧波平衡分析等。2.1發(fā)射信號的模擬如圖1所示,以方波信號發(fā)生器Vf_square模擬產(chǎn)生基帶信號,設(shè)基帶信號頻率為4MHz,基帶信號經(jīng)混頻器MIXER與915MHz的本振信號進行混頻,再通過一個SAW帶通濾波器,濾除鏡像干擾,產(chǎn)生ASK調(diào)制信號,圖2上圖為發(fā)射信號的瞬態(tài)仿真波形圖。利用fs()函數(shù)將時域波形轉(zhuǎn)換到頻域可得輸入輸出頻譜圖,由圖2右下可以看出,頻率為4MHz的基帶信號,經(jīng)過調(diào)制濾波放大后產(chǎn)生頻率為911MHz和919MHz調(diào)制信號。2.2基于信號轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)瞬態(tài)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)收發(fā)信機的拓撲結(jié)構(gòu)可歸結(jié)為三種類型:外差式,零中頻式和低中頻式。綜合考慮靈敏度、功耗、結(jié)構(gòu)復雜性等問題,目前很多RFID讀寫器的接收鏈路部分都采用了零中頻式結(jié)構(gòu)。零中頻式結(jié)構(gòu)的第一級混頻器將輸入的射頻信號直接變換為IF=0的頻帶,然后采用低通濾波器來拾取有用信號。由于去除了中頻級,所以它與外差式接收機相比具有以下優(yōu)勢:第一,零中頻不存在鏡像問題,不需要鏡像抑制濾波器。而且由于零中頻接收機的本振頻率和接收到的射頻信號相同,接收到的信號為電子標簽對閱讀器發(fā)射信號的反射,因而接收電路的本振和發(fā)射電路的本振可以采用同一本振,從而大大簡化了結(jié)構(gòu);第二,由于IF=0,所以僅需要低通濾波器,與帶通濾波器相比,低通濾波器更容易集成于片內(nèi);第三,由于對信號的放大在基帶,這進一步降低了能耗。零中頻接收機接收到的標簽反射信號為ASK信號,可表示為:Ac為接收到的載波信號的幅度,m(t)為有用信號,φc為接收信號的相位。接收機的本振信號為:由上式可知,當從而使處理后得到的信號為零,即本振與接收信號的相位差有可能使接收到的有用信號為零,這就是所謂的接收機的零點效應。本文采用I/Q雙路接收機來消除零點效應。將(3)式表示為復數(shù)形式:其中r1、r2分別為本振和接收信號傳播的距離,設(shè)r1=0,r2=2d,d為標簽到讀寫器的距離,則由上式可得,出現(xiàn)零點的位置為:同理可計算出另一路的零點位置為:由(6)(7)兩式可看出,兩路的零點是交替的,不可能同時出現(xiàn)零點。事實上,當其中一路輸出為零時,另一路的輸出達到最大,且兩路的輸出功率之和始終為常數(shù)。圖3是零中頻接收機I/Q雙路部分的瞬態(tài)仿真原理圖。由圖4可看出,接收機接收到的射頻信號通過下變頻和低通濾波后轉(zhuǎn)換為零中頻信號。經(jīng)過I/Q雙路處理后經(jīng)過一個高通濾波器去除直流分量,再利用一個中心頻率為4MHz的帶通濾波器拾取基帶信號,最后通過比較器即可還原出基帶信號。圖4右下為輸入輸出信號瞬態(tài)分析波形,通過對比可見二者存在一定的相位差。3adf3360-7基帶信號模塊基于以上的理論分析和系統(tǒng)仿真,作者選用通用的通信電子元器件設(shè)計了整個射頻前端,包括頻率綜合模塊、發(fā)射模塊和接收模塊三大部分,三個模塊通過同軸線相連。其中頻率綜合模塊用于提供915MHz的載波信號(LO),采用ADI公司的ADF4360-7為核心芯片,該芯片集成了頻率綜合器和VCO,通過配置可提供350MHz到1800MHz的信號。發(fā)射模塊包括對基帶信號進行混頻、濾波、放大然后通過環(huán)行器送入天線等步驟。接收模塊首先對接收信號進行放大濾波等預處理,然后送入I/Q雙路并最終解調(diào)出基帶信號。整個設(shè)計主要由以下芯片組成:頻率綜合器ADF4360-7、混頻器T0785、射頻濾波器SF2049E、功率放大器RF2132、華揚公司的環(huán)行器HYH504AZ、功分器SCN-2-11,90度移相功分器QCN-12A,低噪聲放大器MAX2642等。4射頻前端設(shè)計方案的實驗驗證本文研究了超高頻射頻識別讀寫器的體系結(jié)構(gòu),建立了射頻前端的ADS仿真模型,并針對零中頻接收機的零點效應問題對零中頻I/Q雙路接收機進行了理論分析和設(shè)計,最后在仿真和分析的基礎(chǔ)上給出了基于通用芯片的915MHz讀寫器射頻前端的解決方案,經(jīng)實驗驗證,該方案可以很好的滿足ISO/IEC18000-