1引言

射頻識別（Radio Frequency Identification）技術(shù)是20世紀(jì)80年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識別技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它利用無線射頻方式實(shí)現(xiàn)人們對各類物體或人員在不同的狀態(tài)（移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識別與管理。其最為主要的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，與磁卡、IC卡等接觸性識別系統(tǒng)不同。因此，射頻識別被認(rèn)為是自動(dòng)識別技術(shù)中最優(yōu)秀和應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的技術(shù)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(biāo)簽類型（有源和無源）決定的。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域主要包括：物料跟蹤、運(yùn)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（125 kHz）、高頻（13.56 MHz）、超高頻UHF（860～960 MHz）和微波（2.45 GHz，5.8 GHz）等幾大類。目前大多數(shù)應(yīng)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(yīng)鏈中應(yīng)用的是UHF頻段系統(tǒng)。

在選擇UHF RFID接收機(jī)電路方案的時(shí)候，設(shè)計(jì)復(fù)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(jī)設(shè)計(jì)原理包括超外差式和零差式。超外差接收機(jī)不僅電路復(fù)雜，成本也非常高。本文采用4通道零中頻接收技術(shù)，使得UHF RFID閱讀器設(shè)計(jì)大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價(jià)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(gè)部分：電子標(biāo)簽和閱讀器，如圖1所示。

其中，電子標(biāo)簽也常稱為標(biāo)簽、射頻卡、Tag，而閱讀器也常稱為讀卡器、Reader。1個(gè)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(shí)一個(gè)RFID系統(tǒng)還需要跟Internet相連以獲得遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)信息或跟多個(gè)RFID系統(tǒng)相連。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識別物體上，電子標(biāo)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(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)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(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入感應(yīng)場時(shí)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(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。通常在閱讀器讀標(biāo)簽的時(shí)候給主機(jī)系統(tǒng)傳遞3個(gè)信息：標(biāo)簽ID、讀卡器自己的ID、讀標(biāo)簽的時(shí)間。通過獲取這個(gè)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(shí)間數(shù)據(jù)跟蹤標(biāo)簽，就隨時(shí)隨地知道產(chǎn)品的位置。

3 UHF RFID閱讀器設(shè)計(jì)原理

UHF RFID閱讀器工作在UHF頻段，國際通用的UHF頻段就是ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)藥）公用頻段，如865～868 MHz，902～928 MHz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(diǎn)是電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)，適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)，閱讀器天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性。

無源UHF RFID采用半雙工工作方式，從閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸和從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)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(dá)系統(tǒng)相似，閱讀器和電子標(biāo)簽之間的通信是通過標(biāo)簽反向散射來實(shí)現(xiàn)的。

4零中頻UHF RFID接收機(jī)

在選擇UHF RFID接收機(jī)電路方案時(shí)，設(shè)計(jì)復(fù)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(jī)設(shè)計(jì)原理包括超外差式和零差式。超外差接收機(jī)不僅電路復(fù)雜，成本也非常高；相比之下，零中頻接收機(jī)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UHF RFID閱讀器接收電路設(shè)計(jì)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(fù)壓產(chǎn)生器和ADC。天線用于接收標(biāo)簽反射回的ASK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(jìn)入50 Ω微帶線，微帶線的終端短路。

假設(shè)在A點(diǎn)的接收信號為：

其中B（t）是標(biāo)簽內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進(jìn)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(biāo)簽之間的距離有關(guān)。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(diǎn)分別形成信號如下：

四路ASK信號分別經(jīng)過二極管檢波電路直接解調(diào)為一個(gè)基帶信號（80 kb／s）。本文采用的二極管為安捷倫公司的LM2852，該二極管是零偏置倍壓檢波二級管，工作頻率可達(dá)1.5 GHz，不需要任何外置偏置電壓，檢波最小電平可以達(dá)到-55 dBm。無源UHF RFID超外差接收機(jī)面臨的一個(gè)問題是收發(fā)之間的隔離，閱讀器的接收之路在接收到標(biāo)簽返回的ASK信號時(shí)，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-25 dB，難以有效地抑制發(fā)射泄漏的強(qiáng)信號，從而降低射頻識別系統(tǒng)中接收機(jī)的接收靈敏度，主要表現(xiàn)是標(biāo)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(gè)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(gè)雙通道差分運(yùn)算放大器，將一個(gè)差分信號轉(zhuǎn)變成單端信號并放大，用于驅(qū)動(dòng)后端的ADC。本文選用的差分運(yùn)算放大器是ADI公司的AD8039BR，該器件噪聲較低：8 nV／√Hz@100 kHz，350 MHz的增益帶寬積。

在DSP進(jìn)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 MS／s的抽樣速率和420 ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間，輸入信號范圍為0～2 V。為了保護(hù)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-space formula）可知，在一定條件下，經(jīng)標(biāo)簽返射回到閱讀器的信號大小與二者之間的距離有關(guān)。實(shí)際使用當(dāng)中電子標(biāo)簽與閱讀器之間的距離是變化的，二者遠(yuǎn)近的不同，返回ASK信號的強(qiáng)度也不同。為了防止距離過近，返回信號太強(qiáng)毀壞ADC，可以利用二極管和可調(diào)電阻器搭建一個(gè)限幅電路以保護(hù)ADC。ADC之后的數(shù)字信號處理器（DSP）負(fù)責(zé)對來自多個(gè)標(biāo)簽的接收信號進(jìn)行分析，并提供附加的濾波處理。整個(gè)電路板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5所示為采用LeCroy公司的Wave Surfer104Xs示波器測試的一條接收通道輸出的數(shù)據(jù)信息。其中$波形為接收數(shù)據(jù)，藍(lán)色波形為發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的發(fā)射數(shù)據(jù)。

5結(jié)語

本文采用了4通道零中頻接收技術(shù)，僅使用幾個(gè)常用器件就可實(shí)現(xiàn)UHF RFID信號的解調(diào)和放大，使得UHF RFID接收機(jī)設(shè)計(jì)大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價(jià)比，具有很好的商業(yè)價(jià)值。