利用ADI公司的解决方案开发UHF RFID读取器RF前端
作者：Van Yang, Eagle Zhang, and Aaron He
超高频射频识别（UHF RFID）系统已广泛应用于资产管理和服装零售等应用。最近，它们在无人超市应用和机动车辆的电子识别方面受到关注。本文介绍ADI公司基于信号链的UHF RFID读取器RF前端的两种实现方案。一种基于ADF9010和AD9963，另一种基于AD9361。本文重点介绍我国机动车电子识别的目标应用，该应用必须符合中国标准GB/T 29768-2013《信息技术—射频识别—800/900 MHz空中接口协议》1和GB/T 35786-2017《机动车电子识别读写设备通用规范》。2 与分立式双元件实现方案相比，这种基于AD9361的解决方案大大降低了设计复杂性、元件数量和电路板空间，并牺牲了接收器灵敏度下降。虽然本文中描述的RF前端是特定于应用的，但分析方法和前端本身都适用于通用UHF RFID读取器解决方案。
标准摘要
根据GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017有关机动车辆电子识别的标准，表1至表3总结了这些应用的关键空中接口参数和高性能2型阅读器的性能要求。
| 参数 | 描述 |
| 频率范围 | 920兆赫至~925兆赫 |
| 占用带宽 （OBW） | 250千赫 |
| 信道中心频率 | 920.125 + 0.25 n （0 ≤ n ≤ 19） MHz |
| 相邻通道泄漏比 （ACLR） |
相邻通道：<–40 dB 备用通道：<–60 dB |
| 读取器最大 ERP |
通道 0 和通道 19 为 20 dBm 从通道 1 到通道 18 时为 33 dBm |
| 读卡器带外发射 | 见表2 |
| 调制类型 | DSB-ASK， SSB-ASK |
| 调制深度 | 30% 至 ~100% |
| 数据编码 | 截断脉冲位置 （TPP） |
| 塔里 | 6.25 微秒或 12.5 微秒 |
| 频率范围 | 限值（分贝） | 测量带宽 | 检测器模式 | |
|
最大输出功率模式 |
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 | ||
|
待机模式 |
30 兆赫至 ~1 千兆赫 | –57 | 100千赫 | |
| 1 GHz 至 ~12.75 GHz | –47 | 100千赫 |
| 项目 | 限制 |
| 接收器灵敏度 | ≤–65 分贝 |
| 静态模式下的读取距离 | ≥25 米 |
| 静态模式下的写入距离 | ≥12 米 |
| 动态识别性能 |
车速≤ 150 km/h： 成功读取芯片标识符数据库和车辆登记数据库中 的信息 150 km/h < 车速 ≤ 200 km/h： 成功读取芯片标识符数据库中的信息 |
系统链路预算分析
无源RFID系统有两个基本的链路限制：正向链路通常受最小RF至直流功率的限制，以供应标签电子设备，反向链路受读卡器接收器灵敏度的限制。正向和反向链路预算公式3, 4在公式1至公式3中描述：
Prip：标签接收各向同性功率
Ptx：读取器发射功率 GTX：读取器发射天线增益 Gtag：标签天线增益 FSPL：自由空间通路损耗
PRX：读卡器接收信号功率
Grx：读卡器接收天线增益
ƞ国防部： 标签调制效率
d： 读取器和标签
之间的距离 λ： 自由空间中的信号波长
根据GB/T 35786-2017第6.2节和第6.5.2.2节的定义，Ptx为30 dBm，馈线电缆插入损耗小于1 dB，因此实际Ptx约为29 dBm。现场测试中使用了10 dBi至12 dBi增益的天线，因此假设Gtx为12 dBi。至于Grx，在机动车辆的电子识别应用中，阅读器通常使用单站配置，而读取器处使用单个天线进行发射和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。标签天线通常类似于偶极子，假设Gtag = 2 dBi是合理的。ƞ国防部表示标签的调制效率，这取决于标签天线匹配和调制过程中发生的标签阻抗偏移，可以合理地假设ƞ国防部= –8 分贝。中心频率为 922.5 MHz，因此 λ = 0.33 m。图1所示的系统链路预算基于前面描述的公式和参数。
图1.正向和反向链路预算计算。
为了支持标准中定义的 25 米链路范围，标签灵敏度应优于 –18.7 dBm，读取器灵敏度应优于 –70.4 dBm。在标准中，标签灵敏度要求定义为–18 dBm，这与分析结果非常吻合。但是，读取器灵敏度要求定义为–65 dBm，与分析结果相比，存在相当大的偏差。这种偏差可能来自标签天线增益值。在机动车的电子识别应用中，没有必要将标签天线设计成全向的。添加反射器将产生额外的3 dB安滕纳增益。由于标签天线增益（Gtag）在公式2中是平方的，因此读取器灵敏度分析结果将增加6 dB，达到–64.4 dBm。在这种情况下，分析结果将与标准要求相匹配。
UHF RFID 阅读器中的自干扰器
在UHF RFID系统中，读取器发送连续波（CW）信号为无源标签供电，同时以相同的频率接收来自标签的反向散射信号。由于发射器与接收器之间的隔离性差，强CW信号以及相关的发射器噪声会泄漏到接收器中。通常这种泄漏信号称为自干扰器（SJ）信号，这种自干扰信号会降低阅读器的灵敏度。
在用于机动车辆电子识别的RFID阅读器中，定向耦合器通常用作发射器和接收器的双工器。SJ信号的发生主要是由于天线的反射，定向耦合器的有限隔离以及连接到耦合器端口的电路的反射。
为了克服这个SJ信号问题，可以使用两种方法。第一种是在接收器LNA之前设计一个自干扰器消除（SJC）电路。第二种方法是使用直接变频接收器架构，同时使用发射器和接收器使用的相同本振（LO）。在这种情况下，自干扰信号将在基带处转换为直流，然后直流隔电容将用于信号的交流耦合。在此直流阻塞点之后，SJ信号被移除，后续元件的动态范围要求被放宽。这意味着基带上可以增加足够的增益来降低接收器噪声系数（NF）。这两种方法可以单独使用，也可以组合使用。典型的SJC电路如图2所示。5
图2.典型的自干扰器消除电路。
读取器关键射频性能分析
包含UHF RFID读取器的SJC电路RF前端框图如图3所示。ADI公司的AD9963集成了双通道DAC和双通道ADC。ADF9010集成了发射器调制器、PLL/VCO以及接收器基带滤波器和PGA。解调器ADL5382包含在ADF9010评估板中。ADL5523用作LNA，因为它具有低噪声系数、高增益和高线性度。75 dB高动态范围RF检波器LT5538适用于SJC射频功率检波器。
图3.UHF RFID阅读器射频前端框图。
对于发射机，在数字域中，信号应经过低通滤波，以满足频域ACLR要求和时域RF包络要求。在vwin 域中，PA线性度和LO相位噪声都会影响ACLR性能。低通滤波、TPP编码ASK信号的峰均比（PAR）约为2 dB。平均PA输出功率约为32 dBm，裕量为1 dB，因此应选择P–1 dB以上的PA。至于LO相位噪声，125 kHz至375 kHz的相位噪声积分应小于–40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪声积分应小于–60 dBc。至于带外发射要求，需要一个RF滤波器来满足发射机谐波频率的要求。对于接近工作频率的要求，例如在915 MHz和930 MHz时要求–52 dBm的100 kHz测量带宽，RF滤波器通常还没有衰减，因此调制器在0 dBm输出功率时的本底噪声要求约为–52 – 10 ×log10 （105） – 30 = –132 dBm/Hz。5 MHz偏移时的相位噪声要求也应小于–132 dBc。
对于接收器，GB/T 35786-2017标准中规定的接收器灵敏度为–65 dBm。假设读卡器在所有可能的数据速率下都应满足–65 dBm的灵敏度，而640 kHz的反向链路频率（BLF）是最坏的情况。对于包含RFID读取器的SJC，从天线端口到SJC输出的插入损耗约为15 dB，因此SJC输出点的灵敏度要求为–80 dBm，并假设标签反向散射信号功率（不包括直流）为–80 – 3 = –83 dBm。ASK调制信号解调阈值约为11 dB，BLF 640 kHz上行链路信号的信号带宽为2.56 MHz。因此，总 NF 要求为 NF ≤ –83 – （–174 + 10 × log10 （2.56 × 106） + 11） = 15.9 dB。该总噪声要求包括SJC后接收器电路噪声、SJC电路引起的噪声和发射器泄漏噪声的影响。假设矢量调制器信号分支和自干扰器分支之间的延迟匹配，这意味着CW自干扰器信号和发射器泄漏噪声都被抵消。发射机漏噪声包括三部分：相位噪声、幅度噪声和白噪声。通常，幅度噪声和白噪声将被抵消到–174 dBm/Hz的本底噪声。对于残余相位噪声，由于发射器和接收器使用相同的LO，由于距离相关效应，它将在下变频期间转换为直流6。假设矢量调制器支路本底噪声为 –162 dBm/Hz，因此在 SJC 电路输出端，有效噪声系数为 –174 – （–162） = 12 dB，则 SJC 后接收器电路的噪声系数要求为 10 × log10 （101.59– 101.2） = 13.6 分贝。
基于ADF9010和AD9963的解决方案
ADF9010是一款完全集成的RF发射器调制器、本振（LO）和接收器模拟基带前端，工作频率范围为840 MHz至960 MHz。AD9963是一款12位低功耗MxFE转换器，提供两个采样速率为100 MSPS的ADC通道和两个采样速率为170 MSPS的DAC通道。®
使用ADF9010和AD9963实现UHF RFID阅读器RF前端的框图如图4所示。ADL5523与ADL5382级联的噪声系数小于3 dB，ADL5382和ADF9010接收器增益设置为24 dB。
图4.采用ADF9010和AD9963的UHF RFID读取器RF前端。
为了实现UHF RFID读取器RF前端，本文构建了包含自适应SJC算法的SJC板以及ADF9010和AD9963板。ADF9010和AD9963电路板还集成了解调器ADL5382。两块板级联以测试发射和接收系统级RF性能。
对于发射测试，在Python中内置了TPP编码，50%调制深度，Tari设置为12.5 μs RFID下行链路波形的DSB-ASK并下载到FPGA板中。频谱域ACLR和时域RF包络在天线端口进行测试，PA输出功率为32 dBm。测试结果如图5所示。对于ACLR测试结果，相邻通道约为–42 dBc，具有2 dB裕量，备用通道约为–64 dBc，具有4 dB裕量。对于RF包络，纹波小于1%，与5%限值相比，具有足够的裕量，上升时间和下降时间在1 μs和8.25 μs的范围内。®
图5.测试设置照片。
对于接收测试，使用ADI公司的SPDT RF开关HMC545A构建标签仿真器，并由微控制器单元控制。控制模式是RFID上行链路FM0编码数据列表。ASK解码程序由MATLAB构建。通过使用该程序对IQ进行解码并将其与数据列表中的原始数据进行比较，可以计算出BER和接收器灵敏度。图6显示了接收到的IQ数据和FFT图。该图显示，该程序成功解码了具有320 kHz BLF的–74 dBm RFID上行链路信号。®
美国前交叉韧带
射频包络
图6.发射机测试结果。
图7.接收接收机数据FFT图和解码数据。
使用AD9361实现前端
AD9361是一款高度集成的射频（RF）收发器，能够针对各种应用进行配置。该器件集成了在单个器件中提供所有收发器功能所需的所有射频、混合信号和数字模块。为了实现UHF RFID读取器，发射器和接收器应使用相同的LO以利用距离相关效应，因此将使用AD9361发射器监控路径，而不是正常接收器路径。AD9361发送器监控路径绕过内部LNA，因此增加了外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一款高性能砷化镓pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。图8中的框图显示了AD9361用于实现UHF RFID读取器RF前端。与分立元件方案相比，这种基于AD9361的解决方案显著简化。AD9361基带为直流耦合，而非交流耦合。在这种情况下，要求SJC电路能够将自干扰信号降低到足够低的水平（例如，小于–35 dBm），而不会使模拟电路饱和。这允许在数字域中移除自干扰器转换的直流信号。
图8.采用AD9361框图的UHF RFID读取器RF前端。
AD9361发射器监控器路径增益分布由两种增益组成：前端增益（发射器监控器增益）和接收低通滤波器增益（GBBF).发射机监视器增益可设置为 0 dB、6 dB 或 9.5 dB。GBBF可以设置为 0 dB 到 24 dB，步长为 1 dB。通过这种灵活的增益配置，可以轻松实现接收器AGC功能。对于此 UHF RFID 读取器应用，发射器监控器增益设置为 3 dB 和 GBBF选择 6 dB 的设置。当AD9361增益设置为3 dB时，ADL5523和AD9361发射器监控端口的级联噪声系数约为12.6 dB。与 13.6 dB 的分析要求相比，此设置的裕量为 1 dB，而如果残余自干扰器为 –35 dBm，则数字域功率为 –7 dBfs。
基于AD9361的解决方案、测试设置和结果
为了实现UHF RFID阅读器RF前端，构建了一个包含自适应SJC算法的SJC板。它与AD9361级联，以测试发射器和接收器系统级RF性能。测试设置框图和照片如图9和图10所示。
图9.测试设置框图。
图10.测试设置照片。
测试结果如图 11 所示。对于ACLR测试结果，相邻通道约为–42 dBc，裕量为2 dB，备用通道为–61 dBc，裕量为1 dB。对于RF包络，纹波小于1%，满足5%限制的裕量要求。上升时间和下降时间在1 μs和8.25 μs的范围内。
美国前交叉韧带
射频包络
图11.发射机测试结果。
对于接收机测试，构建RFID上行链路FM0编码数据列表并将其下载到信号发生器SMW200A，然后配置为SMW200A以使用此数据列表发送DSB ASK信号。AD9361接收到的IQ数据存储在FPGA板中，并使用FTP工具传输到PC。ASK解码程序由MATLAB构建。使用此程序，将解码数据与数据列表中的原始数据进行比较，然后计算BER和接收器灵敏度。图 12 显示了 MATLAB 程序的 FFT 图和解码数据。经测试，该程序成功解码了具有640 kHz BLF的–65 dBm RFID上行链路信号。
图12.接收接收机数据FFT图和解码数据。
结论
本文首先总结了我国机动车电子识别标准。然后分析了UHF RFID系统级链路预算、SJC等RFID关键技术以及关键射频性能要求。最后，设置基于ADF9010和AD9963的解决方案，以及基于AD9361的UHF RFID阅读器RF前端，以测试系统级性能。基于ADF9010和AD9963的解决方案具有高性能和很大的裕量，可满足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求。基于AD9361的集成解决方案也满足了这些要求，但代价是接收器灵敏度下降，与分立式双元件方案相比，它大大简化。尽管本文中描述的RF前端是特定于应用的，但分析方法和该前端本身都适用于通用UHF RFID读取器解决方案。
审核编辑：郭婷
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