射频识别技术(RFID,即Radio Frequency Identification)它是一种基于雷达技术的识别技术。本文讨论了如何开发RFID读卡器射频电路的相关信息包括零中频解调技术、载波电路、信号调制电路和射频功率放大电路,并提供射频电路模块结构方案,简化传统射频电路,促进射频识别(RFID)技术在工业自动化有重要意义,如工业自动化和交通控制。
射频识别技术(RFID,即Radio Frequency Identification)它是一种基于雷达技术的识别技术,其主要原理是通过无线电磁波进行非接触双向数据通信,获取相关数据,实现目标识别,RFID技术是微波技术、密码学、无线通信原理等多学科知识交叉的新兴产品,涵盖公路收费管理、铁路物流运输控制管理、工业自动化监控等多个领域。RFID根据工作频段,系统可分为低频(135kHz(13).56MHz)、超高频8197MHz)和微波8197;(2.4GHz等等。射频识别系统通常由电子标签(射频标签)、天线和阅读器组成。
一、读卡器
读卡器一般由射频信号处理模块、基带信号处理模块、控制单元和与外部设备连接的接口模块组成。射频信号处理模块主要实现三个功能:一是通过天线发射足够功率的射频电磁波,激发电子标签,提供能量;二是调制发射信号,然后将调制的信号数据转换为电磁波,传输到标签;三是接收和解决电子标签的射频信号。为了处理来自应答器两个方向的数据流,射频信号处理模块有两个不同的信号通道,通过接收电路分支传输到电子标签的数据,而来自电子标签的数据。
控制单元的主要功能:与上层应用软件通信,执行应用软件发送的命令;控制与电子标签的通信过程;信号的编码和解码。对于某些特定的系统,还有以下附加功能:执行防碰撞算法;对电子标签加密和解密读卡器之间要传输的数据;验证电子标签和读卡器之间的双向身份。
二、射频信号处理单元电路
读卡器的发射信号功率远大于电子标签反向散射的信号,且与接收信号频率相同。这样,如果大功率反射信号泄漏到接收电路,接收电路各部分的设备将饱和,读卡器无法调整接收信号。因此,射频信号处理模块的技术指标将直接影响RFID系统的质量水平。射频信号处理模块一般包括两个单元:一个是基带信号调制发射模块电路,由锁相环电路、混频调制电路、滤波电路、功率放大电路等组成;另一个是射频信号调节接收处理电路,由差分放大电路、零中频调节电路和相应的滤波电路组成。
(1)零中频信号接收处理电路
射频信号接收处理电路可以是超差电路、零中频接收电路等。由于零中频检测接收器具有实现简单、成本低的优点,其技术优点是:频率变换关系简单,非线性变换重量少;可避免使用中频SAW滤波器;不需要中频放大器,电路结构更简单,性价比更高。
如前所述,电子标签发出的信号调制为振幅键控制8197(ASK)与读者发射信号的载波同频,RFID系统采用四通道零中频解调电路。移相电路中四个检测点的信号包括读者的发射信号和收到的标签散射回来的信号。二极管混频处理后,用低通滤波器过滤掉高频成分,分别获携带标签数据信息和读者天线与标签距离的信号(反映在接收信号的相位差上)。其中A、C两点获得的信号将相位相差π, B、D情况也是如此;将它们分别馈入差分放大器D1和D2放大后,获得两个输出信号,其振幅反映标签数据信息,相位差为90°,也就是说,它们是正交的。信号分别通过差分放大器D3和D4放大,然后通过比较电路,最TTL电平的IQ将信号发送到基带电路进行处理。由于I和Q这两个信号是正交的,只与阅读器天线和标签之间的距离有关(根据电磁波的基本知识,其表现为收发信号之间的相位差)。也就是说,当标签位于阅读器天线发射的电磁波覆盖区域时,这两个信号不仅是每个确定时间唯一确定的,更重要的是,它们相位的正交确保这两个信号不能同时为零。这确保了电路对电子标签散射信号的有效捕获。
调制发射模块电路
(二)调制发射模块电路
调制发射电路由载波信号发生电路、信号调制电路、射频功率放大电路三部分组成。
1.载波发生电路。为载波发生电路。其中PLL400-915A它是一种具有良好窄带滤波特性和良好相位噪声指标的锁相环频率合成器。同时,它还具有输出频率纯度高、频率输出可控的特点。该芯片可以通过MCU通过程序控制,输出信号的频率可以是902MHz~928MHz步进频率为200kHz,该功能方便用户实现广谱跳频,提高系统抗干扰能力。电路中TCX0是温度补偿晶振,提供稳定低相位噪声12.8MHz作为频率合成器的参考频率。电路中TCX0是温度补偿晶振,提供稳定低相位噪声12.8MHz作为频率合成器的参考频率。本振信号输出端连接SF2049E过滤输出载波信号的高次谐波,降低系统噪声。
2.信号调制电路。RFID 协议标准采用发射信号ASK调制。低噪声射频放大器芯片RF2361作为射频功放的前驱动。RF2361噪音低,截获点高, 放大使能可控。调整控制端电压VPD,其增益可从20dB迅速降到0dB,即通过电压控制快速切换关闭状态和工作状态,实现ASK并且可以达到很深的调制深度。这样,编码信号通过驱动电路和非门芯片TC7S00达到对VPD通过对载波的放大控制,实现了编码信号对载波的控制ASK调制。
3.射频功率放大电路。射频功率放大器是无线发射机的主要组成部分。为了有效地通过天线以电磁波的形式辐射调制信号,射频信号必须获得足够大的射频输出功率,因此射频功率放大器必须在信号发送到天线之前进行放大。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率。
射频功率放大器的重要指标是:
(1)集电极效率ηc为输出功率pout供电功率pdc之比,即ηc=pout / pdc;
(2)8197功率增加效率;(PAE, Power Added Efficiency)为输出功率pout与输入功率pin供电功率差pdc之比。
(3)射频功率放大器线性度指标三阶互调截点(IP3)、1dB压缩点、谐波、邻道功率比等。邻道功率比衡量放大器非线性频谱再生对邻道的干扰。
(4)杂散输出和噪声。
在发射系统中,射频末级功率放大器的输出功率范围可小于毫瓦级(便携式移动通信设备)和数千瓦级(发射广播电台)。为了实现大功率输出,末级功率放大器的前放大电路必须有足够高的激励功率电平。可根据工作频率和输出功率的要求使用FET、射频功率集成电路作为射频功率放大器。该系统使用日立的功率放大芯片PF01411A完成任务,PF01411A线性失真小,输入功率要求低(0dBm可以),增益控制范围可以达到90dB,效率可达 最大输出功率为45%W。MCU可通过电压控制端Vapc控制输出增益,控制射频输出功率。
三、结语
本文开发并改进了零中频解调技术、载波电路、信号调制电路和射频功率放大电路,特别是对读卡器的重要组成部分射频信号处理单元进行了深入研究。实验表明,开发电路简单、实用、可靠。