作者:Van Yang, Eagle Zhang, and Aaron He
超高頻射頻識別(UHF RFID)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理和服裝零售等應(yīng)用。最近,它們在無人超市應(yīng)用和機動車輛的電子識別方面受到關(guān)注。本文介紹ADI公司基于信號鏈的UHF RFID讀取器RF前端的兩種實現(xiàn)方案。一種基于ADF9010和AD9963,另一種基于AD9361。本文重點介紹我國機動車電子識別的目標應(yīng)用,該應(yīng)用必須符合中國標準GB/T 29768-2013《信息技術(shù)—射頻識別—800/900 MHz空中接口協(xié)議》1和GB/T 35786-2017《機動車電子識別讀寫設(shè)備通用規(guī)范》。2 與分立式雙元件實現(xiàn)方案相比,這種基于AD9361的解決方案大大降低了設(shè)計復(fù)雜性、元件數(shù)量和電路板空間,并犧牲了接收器靈敏度下降。雖然本文中描述的RF前端是特定于應(yīng)用的,但分析方法和前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。
標準摘要
根據(jù)GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017有關(guān)機動車輛電子識別的標準,表1至表3總結(jié)了這些應(yīng)用的關(guān)鍵空中接口參數(shù)和高性能2型閱讀器的性能要求。
參數(shù) | 描述 |
頻率范圍 | 920兆赫至~925兆赫 |
占用帶寬 (OBW) | 250千赫 |
信道中心頻率 | 920.125 + 0.25 n (0 ≤ n ≤ 19) MHz |
相鄰?fù)ǖ佬孤┍?(ACLR) |
相鄰?fù)ǖ溃?–40 dB 備用通道:<–60 dB |
讀取器最大 ERP |
通道 0 和通道 19 為 20 dBm 從通道 1 到通道 18 時為 33 dBm |
讀卡器帶外發(fā)射 | 見表2 |
調(diào)制類型 | DSB-ASK, SSB-ASK |
調(diào)制深度 | 30% 至 ~100% |
數(shù)據(jù)編碼 | 截斷脈沖位置 (TPP) |
塔里 | 6.25 微秒或 12.5 微秒 |
頻率范圍 | 限值(分貝) | 測量帶寬 | 檢測器模式 | |
最大輸出功率模式 |
30 兆赫至 ~1 千兆赫 | –36 | 100千赫 |
有效值 |
1 GHz 至 ~12.75 GHz | –30 | 1兆赫 | ||
806兆赫至~821兆赫 825兆赫至~835兆赫 851兆赫至~866兆赫 870兆赫至~880兆赫 885兆赫至~915兆赫 930兆赫至~960兆赫 |
–52 | 100千赫 | ||
1.7 GHz 至 ~2.2 GHz | –47 | 100千赫 | ||
待機模式 |
30 兆赫至 ~1 千兆赫 | –57 | 100千赫 | |
1 GHz 至 ~12.75 GHz | –47 | 100千赫 |
項目 | 限制 |
接收器靈敏度 | ≤–65 分貝 |
靜態(tài)模式下的讀取距離 | ≥25 米 |
靜態(tài)模式下的寫入距離 | ≥12 米 |
動態(tài)識別性能 |
車速≤ 150 km/h: 成功讀取芯片標識符數(shù)據(jù)庫和車輛登記數(shù)據(jù)庫中 的信息 150 km/h < 車速 ≤ 200 km/h: 成功讀取芯片標識符數(shù)據(jù)庫中的信息 |
系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析
無源RFID系統(tǒng)有兩個基本的鏈路限制:正向鏈路通常受最小RF至直流功率的限制,以供應(yīng)標簽電子設(shè)備,反向鏈路受讀卡器接收器靈敏度的限制。正向和反向鏈路預(yù)算公式3, 4在公式1至公式3中描述:
Prip:標簽接收各向同性功率
Ptx:讀取器發(fā)射功率 GTX:讀取器發(fā)射天線增益 Gtag:標簽天線增益 FSPL:自由空間通路損耗
PRX:讀卡器接收信號功率
Grx:讀卡器接收天線增益
?國防部: 標簽調(diào)制效率
d: 讀取器和標簽
之間的距離 λ: 自由空間中的信號波長
根據(jù)GB/T 35786-2017第6.2節(jié)和第6.5.2.2節(jié)的定義,Ptx為30 dBm,饋線電纜插入損耗小于1 dB,因此實際Ptx約為29 dBm?,F(xiàn)場測試中使用了10 dBi至12 dBi增益的天線,因此假設(shè)Gtx為12 dBi。至于Grx,在機動車輛的電子識別應(yīng)用中,閱讀器通常使用單站配置,而讀取器處使用單個天線進行發(fā)射和接收,因此Grx = Gtx = 12 dBi。標簽天線通常類似于偶極子,假設(shè)Gtag = 2 dBi是合理的。?國防部表示標簽的調(diào)制效率,這取決于標簽天線匹配和調(diào)制過程中發(fā)生的標簽阻抗偏移,可以合理地假設(shè)?國防部= –8 分貝。中心頻率為 922.5 MHz,因此 λ = 0.33 m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預(yù)算基于前面描述的公式和參數(shù)。
圖1.正向和反向鏈路預(yù)算計算。
為了支持標準中定義的 25 米鏈路范圍,標簽靈敏度應(yīng)優(yōu)于 –18.7 dBm,讀取器靈敏度應(yīng)優(yōu)于 –70.4 dBm。在標準中,標簽靈敏度要求定義為–18 dBm,這與分析結(jié)果非常吻合。但是,讀取器靈敏度要求定義為–65 dBm,與分析結(jié)果相比,存在相當大的偏差。這種偏差可能來自標簽天線增益值。在機動車的電子識別應(yīng)用中,沒有必要將標簽天線設(shè)計成全向的。添加反射器將產(chǎn)生額外的3 dB安滕納增益。由于標簽天線增益(Gtag)在公式2中是平方的,因此讀取器靈敏度分析結(jié)果將增加6 dB,達到–64.4 dBm。在這種情況下,分析結(jié)果將與標準要求相匹配。
UHF RFID 閱讀器中的自干擾器
在UHF RFID系統(tǒng)中,讀取器發(fā)送連續(xù)波(CW)信號為無源標簽供電,同時以相同的頻率接收來自標簽的反向散射信號。由于發(fā)射器與接收器之間的隔離性差,強CW信號以及相關(guān)的發(fā)射器噪聲會泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號稱為自干擾器(SJ)信號,這種自干擾信號會降低閱讀器的靈敏度。
在用于機動車輛電子識別的RFID閱讀器中,定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號的發(fā)生主要是由于天線的反射,定向耦合器的有限隔離以及連接到耦合器端口的電路的反射。
為了克服這個SJ信號問題,可以使用兩種方法。第一種是在接收器LNA之前設(shè)計一個自干擾器消除(SJC)電路。第二種方法是使用直接變頻接收器架構(gòu),同時使用發(fā)射器和接收器使用的相同本振(LO)。在這種情況下,自干擾信號將在基帶處轉(zhuǎn)換為直流,然后直流隔電容將用于信號的交流耦合。在此直流阻塞點之后,SJ信號被移除,后續(xù)元件的動態(tài)范圍要求被放寬。這意味著基帶上可以增加足夠的增益來降低接收器噪聲系數(shù)(NF)。這兩種方法可以單獨使用,也可以組合使用。典型的SJC電路如圖2所示。5
圖2.典型的自干擾器消除電路。
讀取器關(guān)鍵射頻性能分析
包含UHF RFID讀取器的SJC電路RF前端框圖如圖3所示。ADI公司的AD9963集成了雙通道DAC和雙通道ADC。ADF9010集成了發(fā)射器調(diào)制器、PLL/VCO以及接收器基帶濾波器和PGA。解調(diào)器ADL5382包含在ADF9010評估板中。ADL5523用作LNA,因為它具有低噪聲系數(shù)、高增益和高線性度。75 dB高動態(tài)范圍RF檢波器LT5538適用于SJC射頻功率檢波器。
圖3.UHF RFID閱讀器射頻前端框圖。
對于發(fā)射機,在數(shù)字域中,信號應(yīng)經(jīng)過低通濾波,以滿足頻域ACLR要求和時域RF包絡(luò)要求。在模擬域中,PA線性度和LO相位噪聲都會影響ACLR性能。低通濾波、TPP編碼ASK信號的峰均比(PAR)約為2 dB。平均PA輸出功率約為32 dBm,裕量為1 dB,因此應(yīng)選擇P–1 dB以上的PA。至于LO相位噪聲,125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–40 dBc,375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–60 dBc。至于帶外發(fā)射要求,需要一個RF濾波器來滿足發(fā)射機諧波頻率的要求。對于接近工作頻率的要求,例如在915 MHz和930 MHz時要求–52 dBm的100 kHz測量帶寬,RF濾波器通常還沒有衰減,因此調(diào)制器在0 dBm輸出功率時的本底噪聲要求約為–52 – 10 ×log10 (105) – 30 = –132 dBm/Hz。5 MHz偏移時的相位噪聲要求也應(yīng)小于–132 dBc。
對于接收器,GB/T 35786-2017標準中規(guī)定的接收器靈敏度為–65 dBm。假設(shè)讀卡器在所有可能的數(shù)據(jù)速率下都應(yīng)滿足–65 dBm的靈敏度,而640 kHz的反向鏈路頻率(BLF)是最壞的情況。對于包含RFID讀取器的SJC,從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15 dB,因此SJC輸出點的靈敏度要求為–80 dBm,并假設(shè)標簽反向散射信號功率(不包括直流)為–80 – 3 = –83 dBm。ASK調(diào)制信號解調(diào)閾值約為11 dB,BLF 640 kHz上行鏈路信號的信號帶寬為2.56 MHz。因此,總 NF 要求為 NF ≤ –83 – (–174 + 10 × log10 (2.56 × 106) + 11) = 15.9 dB。該總噪聲要求包括SJC后接收器電路噪聲、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲的影響。假設(shè)矢量調(diào)制器信號分支和自干擾器分支之間的延遲匹配,這意味著CW自干擾器信號和發(fā)射器泄漏噪聲都被抵消。發(fā)射機漏噪聲包括三部分:相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。通常,幅度噪聲和白噪聲將被抵消到–174 dBm/Hz的本底噪聲。對于殘余相位噪聲,由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO,由于距離相關(guān)效應(yīng),它將在下變頻期間轉(zhuǎn)換為直流6。假設(shè)矢量調(diào)制器支路本底噪聲為 –162 dBm/Hz,因此在 SJC 電路輸出端,有效噪聲系數(shù)為 –174 – (–162) = 12 dB,則 SJC 后接收器電路的噪聲系數(shù)要求為 10 × log10 (101.59– 101.2) = 13.6 分貝。
基于ADF9010和AD9963的解決方案
ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調(diào)制器、本振(LO)和接收器模擬基帶前端,工作頻率范圍為840 MHz至960 MHz。AD9963是一款12位低功耗MxFE轉(zhuǎn)換器,提供兩個采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個采樣速率為170 MSPS的DAC通道。?
使用ADF9010和AD9963實現(xiàn)UHF RFID閱讀器RF前端的框圖如圖4所示。ADL5523與ADL5382級聯(lián)的噪聲系數(shù)小于3 dB,ADL5382和ADF9010接收器增益設(shè)置為24 dB。
圖4.采用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀取器RF前端。
為了實現(xiàn)UHF RFID讀取器RF前端,本文構(gòu)建了包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板以及ADF9010和AD9963板。ADF9010和AD9963電路板還集成了解調(diào)器ADL5382。兩塊板級聯(lián)以測試發(fā)射和接收系統(tǒng)級RF性能。
對于發(fā)射測試,在Python中內(nèi)置了TPP編碼,50%調(diào)制深度,Tari設(shè)置為12.5 μs RFID下行鏈路波形的DSB-ASK并下載到FPGA板中。頻譜域ACLR和時域RF包絡(luò)在天線端口進行測試,PA輸出功率為32 dBm。測試結(jié)果如圖5所示。對于ACLR測試結(jié)果,相鄰?fù)ǖ兰s為–42 dBc,具有2 dB裕量,備用通道約為–64 dBc,具有4 dB裕量。對于RF包絡(luò),紋波小于1%,與5%限值相比,具有足夠的裕量,上升時間和下降時間在1 μs和8.25 μs的范圍內(nèi)。?
圖5.測試設(shè)置照片。
對于接收測試,使用ADI公司的SPDT RF開關(guān)HMC545A構(gòu)建標簽仿真器,并由微控制器單元控制??刂颇J绞荝FID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表。ASK解碼程序由MATLAB構(gòu)建。通過使用該程序?qū)Q進行解碼并將其與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進行比較,可以計算出BER和接收器靈敏度。圖6顯示了接收到的IQ數(shù)據(jù)和FFT圖。該圖顯示,該程序成功解碼了具有320 kHz BLF的–74 dBm RFID上行鏈路信號。?
美國前交叉韌帶
射頻包絡(luò)
圖6.發(fā)射機測試結(jié)果。
圖7.接收接收機數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。
使用AD9361實現(xiàn)前端
AD9361是一款高度集成的射頻(RF)收發(fā)器,能夠針對各種應(yīng)用進行配置。該器件集成了在單個器件中提供所有收發(fā)器功能所需的所有射頻、混合信號和數(shù)字模塊。為了實現(xiàn)UHF RFID讀取器,發(fā)射器和接收器應(yīng)使用相同的LO以利用距離相關(guān)效應(yīng),因此將使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑,而不是正常接收器路徑。AD9361發(fā)送器監(jiān)控路徑繞過內(nèi)部LNA,因此增加了外部LNA,例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一款高性能砷化鎵pHEMT LNA,具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。圖8中的框圖顯示了AD9361用于實現(xiàn)UHF RFID讀取器RF前端。與分立元件方案相比,這種基于AD9361的解決方案顯著簡化。AD9361基帶為直流耦合,而非交流耦合。在這種情況下,要求SJC電路能夠?qū)⒆愿蓴_信號降低到足夠低的水平(例如,小于–35 dBm),而不會使模擬電路飽和。這允許在數(shù)字域中移除自干擾器轉(zhuǎn)換的直流信號。
圖8.采用AD9361框圖的UHF RFID讀取器RF前端。
AD9361發(fā)射器監(jiān)控器路徑增益分布由兩種增益組成:前端增益(發(fā)射器監(jiān)控器增益)和接收低通濾波器增益(GBBF).發(fā)射機監(jiān)視器增益可設(shè)置為 0 dB、6 dB 或 9.5 dB。GBBF可以設(shè)置為 0 dB 到 24 dB,步長為 1 dB。通過這種靈活的增益配置,可以輕松實現(xiàn)接收器AGC功能。對于此 UHF RFID 讀取器應(yīng)用,發(fā)射器監(jiān)控器增益設(shè)置為 3 dB 和 GBBF選擇 6 dB 的設(shè)置。當AD9361增益設(shè)置為3 dB時,ADL5523和AD9361發(fā)射器監(jiān)控端口的級聯(lián)噪聲系數(shù)約為12.6 dB。與 13.6 dB 的分析要求相比,此設(shè)置的裕量為 1 dB,而如果殘余自干擾器為 –35 dBm,則數(shù)字域功率為 –7 dBfs。
基于AD9361的解決方案、測試設(shè)置和結(jié)果
為了實現(xiàn)UHF RFID閱讀器RF前端,構(gòu)建了一個包含自適應(yīng)SJC算法的SJC板。它與AD9361級聯(lián),以測試發(fā)射器和接收器系統(tǒng)級RF性能。測試設(shè)置框圖和照片如圖9和圖10所示。
圖9.測試設(shè)置框圖。
圖10.測試設(shè)置照片。
測試結(jié)果如圖 11 所示。對于ACLR測試結(jié)果,相鄰?fù)ǖ兰s為–42 dBc,裕量為2 dB,備用通道為–61 dBc,裕量為1 dB。對于RF包絡(luò),紋波小于1%,滿足5%限制的裕量要求。上升時間和下降時間在1 μs和8.25 μs的范圍內(nèi)。
美國前交叉韌帶
射頻包絡(luò)
圖11.發(fā)射機測試結(jié)果。
對于接收機測試,構(gòu)建RFID上行鏈路FM0編碼數(shù)據(jù)列表并將其下載到信號發(fā)生器SMW200A,然后配置為SMW200A以使用此數(shù)據(jù)列表發(fā)送DSB ASK信號。AD9361接收到的IQ數(shù)據(jù)存儲在FPGA板中,并使用FTP工具傳輸?shù)絇C。ASK解碼程序由MATLAB構(gòu)建。使用此程序,將解碼數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)列表中的原始數(shù)據(jù)進行比較,然后計算BER和接收器靈敏度。圖 12 顯示了 MATLAB 程序的 FFT 圖和解碼數(shù)據(jù)。經(jīng)測試,該程序成功解碼了具有640 kHz BLF的–65 dBm RFID上行鏈路信號。
圖12.接收接收機數(shù)據(jù)FFT圖和解碼數(shù)據(jù)。
結(jié)論
本文首先總結(jié)了我國機動車電子識別標準。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級鏈路預(yù)算、SJC等RFID關(guān)鍵技術(shù)以及關(guān)鍵射頻性能要求。最后,設(shè)置基于ADF9010和AD9963的解決方案,以及基于AD9361的UHF RFID閱讀器RF前端,以測試系統(tǒng)級性能?;贏DF9010和AD9963的解決方案具有高性能和很大的裕量,可滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求?;贏D9361的集成解決方案也滿足了這些要求,但代價是接收器靈敏度下降,與分立式雙元件方案相比,它大大簡化。盡管本文中描述的RF前端是特定于應(yīng)用的,但分析方法和該前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。
審核編輯:郭婷
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