基于超高频UHF RFID国家标准GB/T 29768-2013的识读模块设计

　　摘要：该文设计了一款依据我国自主知识产权的超高频RFID国家标准（GB/T 29768-2013）的识读模块。对模块的工作流程以及发射链路及接收链路中核心控制单元进行了技术分析，并提供了设备选型的多种方案及比较。经过分析比较，提出了一种考虑收发隔离度、发射链路匹配、干扰噪声、解调后的直流分量抑制等关键因素的优化方案。
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　　关键词：RFID；GB/T 29768-2013；识读模块
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）34-0200-04
　　Abstract： this paper designed a according to the intellectual property of UHF RFID standard （GB/T 29768-2013） the reading module. Workflow， as well as the launch of the module link and receive link in the technical analysis of the central control unit， and provides equipment solutions and comparison. After comparing presented considering receiving isolation， emission link-matching， noise， DC component suppression after demodulation， and other key factors of optimization solutions.
　　Key words：RFID；GB/T 29768-2013； the reading module
　　1 引言
　　目前超高频RFID领域已基本被国际通用标准（ISO 18000-6C）占据，为了提升我国RFID的技术竞争力，国家质量监督总局联合国家标准化委员会于2013年发布了我国自主知识产权的超高频RFID国家标准：GB/T 29768-2013（以下简称“国标29768”），基于该标准的识读设备的研究还处于起步阶段。本论文提出了一种基于国标29768的RFID的识读模块详细设计方案。并对该模块中核心的控制单元进行了技术分析与设备选型。
　　2 国标29768识读模块设计方案
　　根据国标29768及查阅相关资料，整理出识读模块系统框图1所示。识读模块按信息流向可分为发射链路及接收链路两部分。按功能可分为5部分，分别是：射频前端单元、调制解调单元、数字基带单元、控制传输单元及电源管理单元。
　　2.1模块工作流程
　　2.1.1发射链路
　　数字基带单元生成包含RFID口令的TPP编码，数字滤波后经DAC转换成两路模拟信号分别送入I/Q正交调制调制器的I/Q之路，基带模拟前端由D/A产生I、Q两路信号，经过滤波器限制带宽后与相差900相位的2路本振信号进行ASK调制，然后将2路射频信号合并得到所要的调制信号，调制信号经过功率放大器后获得足够的发射功率，通过收发隔离单元、天线进行发射。
　　2.1.2接收链路
　　接收链路采用I/Q正交解调结构，天线接收到的射频信号经过收发隔离单元后经低噪声放大器放大后送入正交解调器与相差900相位的2路本振信号混频得到I、Q两路基带信号，该微弱信号然后经过模拟基带噪声放大器、低通滤波器放大滤波后，送至A/D采样得到数字信息。
　　标签返回的信号包含了ASK及PSK调制，PSK包络是恒定的。因此首先判断解调的方式，然后根据不同的调制方式采用相对应的解调算法来在数字端对信号进行处理。标签返回的信号采用FM0及米勒编码，数字基带部分需采用相应方式解码。
　　2.2功能模块技术分析
　　2.2.1射频前端单元
　　射频前端单元主要包含了功率放大器、发射功率检测、键控开关、收发隔离、通道滤波器、回波功率检测、低噪声放大器等功能电路。
　　功率放大器：可采用两级放大，前级放大作为驱动放大级、后级放大作为功率输出级，整体增益及功率分配可根据选型的调制器输出功率做灵活调整。
　　以图2为例，如果调制器输出功率为-10dBm，发射功率需33dBm，可以合理分配两级放大的增益及输出功率。在两级放大之间需增加一级∏网络以改善级联驻波，后级放大（PA2）需预留3dB的增益余量以备放大电路的适配损耗。
　　发射功率检测：通过耦合器耦合一部分发射信号功率，耦合端连接一检波器将幅度转为电压信号，该电压信号输送至MCU的A/D端口供采样，由此形成内部反馈回路控制发射功率。回波功率检测原理相同。
　　收发隔离：可选择环形器或耦合器，环形器与耦合器各有优劣，环形器不会带来接收端额外的插入损耗、而耦合器尺寸较小。因此通常固定式读写器选择使用环形器，而手持式读写器一般选择耦合器。
　　通道滤波器：包含发射端滤波器及接收端滤波器，本系统中发射信号相对干净，发射端滤波器主要滤除谐波，因此选择低通滤波器即可；接收端滤波器主要滤除带外干扰及噪声，选择带通滤波器比较合适。
　　低噪声放大器：低噪声放大器主要作用是提供接收端的灵敏度，但考虑到解调器的输入动态范围一般在5―13dBm数量级，因此其增益不能过大，需小于10dB，考虑到低噪声放大器的噪声直接影响接收灵敏度，因此其选择放大器的噪声系数应小于1.3。
　　2.2.2调制解调单元
　　调制解调单元包含了调制器、频率源、解调器、接收链路模拟中频处理等功能电路。
　　调制器：识读模块采用ASK调制调制器主要实现将模拟基带信号频谱搬移至超高频。可选集成的调制器芯片。 　　频率综合器：频率综合器主要为收发链路提供本振及信道选择。频率综合器决定了读写器芯片的工作频率，对频率综合器（本振）的要求是近端相位噪声尽量小，但同时跳频切换时间间隔（主要取决于频率锁定时间）需满足要求。频率综合其近端相位噪声解调后会形成低频噪声；频率切换时间则影响了读/盘点效率，读写器工作时只有在同一个信道完成读/盘点流程后才会切花至下一个信道，如果频率切换时间过长那么单位时间内执行的读/盘点流程的次数就会减少，这样会影响读写器的多标签读取能力。
　　本方案中频率综合器集成了压控振荡器、分频器、鉴相器，为后期整机产品调试方便，锁相环路外置。
　　解调器：解调器主要实现将标签反馈的信号下变频至零中频附近。可选集成的解调器芯片。
　　接收链路模拟中频处理：模拟中频处理部分主要将解调后的信号经滤波放大后送至ADC采样。本模块采用了零中频结构的解调方式，接收的本振和标签返回信号的载波同频，中频包含了较强的直流成分，中频处理部分需包含了放大、滤波及去直流几个环节。
　　2.2.3数字基带单元
　　数字基带单元是识读模块的核心单元，国标29768所规定的空口协议主要由数字基带单元实现。数字基带发射部分主要生成符合国标29768要求的对标签的各种口令，接收部分主要对标签返回的数据进行解码。可数字基带单元用DSP或FPGA实现。
　　2.2.4控制传输单元
　　控制传输单元实现对基带单元、模拟前端单元的状态控制及数据的传输，状态控制包括：功率检测、频率设定、I/O口设定、自动增益控制、自检功能等。控制传输单元可用MCU实现。
　　2.2.5电源管理单元
　　电源管理单元主要实现对模块整体的电源控制，是本模块低功耗设计的核心。
　　2.3 接收链路实施方案
　　接收链路设计过程中有2个要点要重点考虑，分别是：接收链路噪声系数及接收链路各级增益、电平分配。
　　2.3.1链路噪声系数分析
　　噪声系数是影响系统接收灵敏度的关键指标，从某种程度讲降低噪声系数跟能在很大程度上提高读写器的作用距离。
　　系统噪声系数计算公式为NF=Si+174-10logB-（S/N），其中NF为系统噪声系数、Si为系统最小接收灵敏度、B为噪声带宽、（S/N）为信噪比。通过查阅 图可知若确定误码率为10-5时，ASK调制系统信噪比为15dB左右、PSK调制系统信噪比为16dB左右， （S/N）取相对较小值15。查阅图 可知反向链路频率最大为640kHz，因此滤波器最大带宽为其2倍需为1.28MHz，即B取1.28×106，Si取-82dBm，将以上数值带入公式可得出识读模块接收链路的最大噪声系数NF=-82+174-10log（1.28×106）-15=16dB。
　　接收系统级联噪声系数计算公式如下：
　　F=F1+（F2-1）/G1+（F3-1）/G1G2+（F4-1）/G1G2G3+.....，其中Fn为第N级的噪声系数，Gn为第n级的增益。由该公式可看出系统的噪声系数主要决定于第一级器件的噪声系数及增益。
　　2.3.2链路增益及电平分配分析
　　识读模块的工作模式为相干调制、解调，收发同频，发射端的泄露电平无法通过滤波器滤除，会直接影响接收链路。因此为了保证接收链路各级电路工作在线性状态就必须合理分配接收链路的增益及电平。
　　发射信号泄露包含两种成分：一是发射端通过隔离器件直接泄露（Pt-r），另一种成分是发射端信号被天线反射回的信号（Pa-r）。如图 所示
　　一般通用的天线反射系数为-21dB，环形器的隔离度为25dB、固有损耗约0.5dB，耦合器的隔离度为45dB左右、耦合度为10dB。若选择发射功率为30dBm，因此可得出接收端泄露电平如下：
　　1） 采用环形器方式：Pa-r=30-21-0.5=8.5dBm，Pt-r=30-25=5 dBm，取8.5dBm。
　　2）采用耦合器方式：Pa-r=30-21-10=-1dBm，Pt-r=30-45=-15dBm，取-1dBm。
　　由上面两组计算可看出，决定接收端泄露电平的部件主要在于天线的端口驻波（反射系数）。
　　2.3.3接收链路设计方案
　　本系统接收链路的设计可有两种方案，第一种方案为标签返回信号经低噪声放大器后送入解调器，第二种方案为标签返回信号直接进入解调器。
　　两种方案各有优劣。第一种方案能降低接收链路噪声系数，但链路线性度容易受影响；第二种方案链路线性度可以保证，但噪声系数较高。
　　综合比较，第一种方案中隔离器件选择耦合器比较合适，第二种方案的隔离器件选择环形器比较合适。
　　2.4发射链路及频率源设计方案
　　发射链路与接收链路相比设计难度较小，设计过程中主要有两个关键点：1、本振信号的纯净度；2、合理分配各级增益及电平；3、保证各级电路的级间匹配。
　　2.4.1 本振信号的纯净度分析
　　本振信号的纯净度主要有两项关键指标：杂散及相位噪声（如图 所示）。
　　由图11可看出决定本振源相位噪声及杂散两项参数的主要取决于国标29768中信号对邻近信道的抑制要求。
　　由图12可看出国标29768所规定的信道带宽是250KHz，对邻近信道的功率抑制比为-40dBc，交替信道抑制比为-60dBc。根据公式“相位噪声=抑制比+10log信道带宽“可算出本振在偏离中心频率125kHz及375kHz处的最小相位噪声分别为：
　　PN（125kHz）=-40-10log（250kHz）=-94dBc
　　PN（375kHz）=-60-10log（250kHz）=-114dBc
　　参照以往设计经验及对频率源的基本要求，杂散的要求为近端（偏离中心频率5MHz内）必须无杂散，远端需小于-60 dBc。
　　2.4.2 识读模块要求
　　发射需功率大于33dBm（2W），具体链路增益及电平分析见2.2.1章节。
　　2.4.3各级电路的级间匹配分析
　　本模块中的发射链路中的元器件需选择内部匹配器件（输入输出端口均为50欧），根据以往设计经验在各级之间需预留改善驻波的T型网络。避免因端口反射产生自激。
　　2.4.4发射链路器件选型考虑
　　经综合对比，初步选择AD公司的调制芯片ADF9010作为模拟前端的核心芯片。该芯片工作于840―960MHz频段，集成了VCO、数字PLL、调制单元、接收模拟中频滤波放大等功能，可以在最大程度上降低开发难度。
　　在ADF9010基础上增加外部功率放大器及解调器即可组成RFID模拟前端。因此整体系统可简化为四部分电路：以ADF9010为核心的电路（集成调制、频率源、接收模拟中频处理）、功率放大电路、低噪声放大电路及解调电路，发射端两级功率放大器需选择内部匹配50欧的输入输出器件。
　　3 总结
　　基于超高频RFID国家标准GB/T 29768-2013 的识读模块其整体可视为零中频架构的收发信机，其关键指标“识读距离”主要取决于“发射功率”及“接收灵敏度”这两项关键参数，在设计过程中需充分考虑收发隔离度、发射链路匹配、干扰噪声、解调后的直流分量抑制等因素。
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