UHF RFID系統(tǒng)讀寫器射頻收發(fā)模塊硬件設計綜述

李鴻+龍小波+黃冬來

摘 要：UHF RFID讀寫器射頻收發(fā)模塊的設計關系到讀寫器控制處理模塊的設計以及整個讀寫器的性能。文中通過對當前UHF RFID讀寫器射頻收發(fā)模塊硬件設計的三種方案進行分析和比較，論述了各自的優(yōu)勢和存在的問題，指出了選用集成度更高、功耗更低、功能更全面、成本更低、功率調節(jié)范圍更大、接收靈敏度更高的專用讀寫器芯片是未來射頻收發(fā)模塊硬件設計開發(fā)的方向。

關鍵詞：射頻收發(fā)模塊；專用讀寫器芯片；集成無線收發(fā)芯片；分立組件

中圖分類號：TM932 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

射頻收發(fā)模塊是UHF RFID讀寫器中一個至關重要的模塊，主要由調制解調電路及天線組成，完成高頻信號的調制解調、發(fā)射接收，是標簽和讀寫器之間的高頻接口，它的實現(xiàn)方式直接關系到讀寫器控制處理模塊的設計以及整個超高頻讀寫器的性能[1]。因此，在進行UHF RFID讀寫器硬件設計時，首要解決的問題就是射頻收發(fā)電路采用何種實現(xiàn)方案。

1 射頻收發(fā)模塊的設計

UHF RFID讀寫器射頻收發(fā)模塊的實現(xiàn)方式通常有三種：采用專用UHF RFID讀寫器芯片；采用集成無線收發(fā)芯片；采用分立組件搭建[2]。

1.1 采用專用讀寫器芯片的射頻收發(fā)模塊設計

目前較成熟的應用有UHF RFID系統(tǒng)讀寫器的專用讀寫器芯片，主要有Impinj公司的R1000和R2000，WJ公司的WJC200，PHYCHIPS 公司的PR9000和AMS公司的AS3990、AS3991和 AS3992等。香港科技大學、北京交通大學、杭州電子科技大學、北京大學等一些科研機構與高校也在開展UHF RFID系統(tǒng)讀寫器射頻收發(fā)芯片的研發(fā)工作[3，4]。這些芯片集成了讀寫器中大部分的射頻前端電路和部分數(shù)字電路，內置標準通信協(xié)議，數(shù)字基帶的編解碼及標準協(xié)議的處理可以在芯片內完成。如R2000符合EPC global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C國際標準，內部集成ASK調制解調器、濾波器、功放、FPGA等模塊[5]； AS3992集成了混頻器、增益濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、模數(shù)/數(shù)模轉換器等模擬前端，并且內置了ISO18000-6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)，寄存器數(shù)量少，方便小型設備開發(fā)，與R1000、R2000相比抗干擾能力更強[6]。WJ公司的產(chǎn)品一般是將WJC200和ARM7控制器結合，以小封裝模塊的形式推出的，如WJM3000和WRJ7000[7]；PR9000在接收靈敏度、穩(wěn)定性、密集標簽閱讀等方面與R1000、R2000及AS3992相比較差，適合近距離、低端產(chǎn)品開發(fā)。系統(tǒng)控制以及與上位機通信只需要一個非常簡單的MCU和一些接口電路就可以實現(xiàn)，芯片外圍的射頻前端只需要一個環(huán)行器或定向耦合器或電橋作為隔離器件隔離發(fā)射和接收通道；若需要拓展讀寫距離，可以在芯片的射頻輸出端增加一個射頻功率放大器。

采用專用讀寫器芯片實現(xiàn)射頻收發(fā)模塊的優(yōu)點是設計方法簡單，只需要添加讀寫器芯片的外圍器件和匹配電路就可以工作，外圍電路簡單，易于調試，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，性能可靠有保障，非常適合讀寫器的小型化應用。如遠望谷公司以及文獻[8]、文獻[9]、文獻[10]使用 R1000 和 R2000 開發(fā)了多款產(chǎn)品；文獻[6]、文獻[11]、文獻[12]的射頻處理采用奧地利微電子公司的AS3992 芯片為核心。缺點是芯片的核心技術完全由國外把持，核心技術受制于人，無法做到擁有自主知識產(chǎn)權和技術保密，不利于我國 RFID 事業(yè)的發(fā)展和進步。同時，單片專用讀寫器芯片及隔離器件價格昂貴，讀寫器的硬件制作成本高昂，不利于 UHF RFID 應用的大面積推廣，若芯片停產(chǎn)或者購買不到芯片，相關的開發(fā)將付諸東流，開發(fā)的產(chǎn)品將會受到停產(chǎn)的威脅。

1.2 采用集成無線收發(fā)芯片的射頻收發(fā)模塊設計

采用專用讀寫器芯片的成本較高，核心技術又完全由國外把持，因此，UHF RFID讀寫器射頻收發(fā)模塊的設計通常采用通用集成收發(fā)芯片代替專用讀寫器芯片。目前應用廣泛的通用集成收發(fā)芯片有ADI公司推出的 ADF7020、ADF9010，TI公司的CC1100、CC1110，Nordic公司的nRF905、nRF9E5等，發(fā)射通道和接收通道都使用通用集成無線收發(fā)芯片。為提高讀寫距離，在發(fā)射鏈路前端增加一個射頻功率放大器，為防止射頻載波功率大量泄漏到接收通路的接收器芯片，采用了環(huán)行器或定向耦合器隔離發(fā)射通道和接收通道。文獻[13]、文獻[14]、文獻[15]射頻收發(fā)模塊就是選用ADF7020及射頻收發(fā)隔離、諧波濾波、電路匹配和功率放大等外圍電路構成。文獻[16]的射頻收發(fā)模塊由CC1100射頻收發(fā)芯片、功率放大電路、接口電路等部分組成。

上述芯片技術較為成熟，集成度高、射頻性能優(yōu)越、成本低、能夠簡化設計方案，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。但這些芯片功率一般，不能直接滿足RFID的設計要求，而且協(xié)議完全由軟件實現(xiàn)，軟件設計開發(fā)難度較大。

1.3 采用分立組件的射頻收發(fā)模塊設計

分立組件搭建的射頻收發(fā)模塊主要包括調制模塊、射頻功放、天線、解調模塊、低噪聲放大器等。設計的思路是把射頻收發(fā)模塊分成射頻發(fā)送單元和射頻接收單元分別進行設計，再集成到一塊射頻板上。模塊的結構通常有兩種，一種是在發(fā)射端采用高性能的鎖相環(huán)和混頻器，在接收端使用低噪聲放大器和混頻器。另一種主要是面向低成本的設計，如文獻[2]采用了通用收發(fā)芯片和分立元件搭建射頻前端電路的方案，在射頻發(fā)射通路，使用通用射頻收發(fā)芯片產(chǎn)生載波信號并調制基帶信號，射頻功率放大器用于放大射頻信號，增加讀寫器的輸出功率。在接收通路使用四通道、零中頻接收機方案，利用四路雙差分結構解決讀寫盲區(qū)或靈敏度不夠等問題；利用便宜的二極管作為簡單的單端混頻器用于每個通道上，對接收到的標簽信號進行下變頻處理。

分立組件設計方案可以大大縮減硬件成本，并且擁有自主知識產(chǎn)權，可以根據(jù)不同模塊的集成度和性能參數(shù)的不同，設計出符合不同需求的讀寫器，靈活性和可移植性都非常強，最終開發(fā)的產(chǎn)品成本比較低。存在的缺點是器件數(shù)目多，調試難度大，需要考慮系統(tǒng)工作流程，對設計人員要求高，后端的微處理器以及數(shù)字信號處理模塊的選擇需要仔細斟酌；其射頻性能不如采用集成讀寫器芯片，尤其在多讀卡器環(huán)境下，讀寫器的穩(wěn)定性不能得到保障；由于射頻收發(fā)模塊使用的是雙通道檢波結構，讀寫器工作時存在明顯的讀寫盲區(qū)。

2 結 語

采用分立組件實現(xiàn)UHF RFID讀寫器射頻收發(fā)模塊是早期比較常用的設計方法，設計開發(fā)出來的模塊電路復雜，功耗大，集成之后的射頻板尺寸較大，不利于讀寫器的手持化。集成無線收發(fā)芯片目前在無線監(jiān)測、無線報警、無線數(shù)據(jù)傳輸、遙控等領域有著相當多的應用，在UHF RFID系統(tǒng)讀寫器上也已經(jīng)有了許多成功的應用案例。專用讀寫器芯片由于其集成度高，極大地簡化了系統(tǒng)設計流程，縮短了設計時間，現(xiàn)已成為目前國內主流UHF RFID 讀寫器開發(fā)的首選。近年來，讀寫器不斷向小型化、便攜化、低功耗的方向發(fā)展，要求讀寫器具有更快的識別速度、更低的漏讀率、超多目標識別、多標準兼容[10]。因此，選用集成度更高、功耗更低、功能更全面、成本更低、功率調節(jié)范圍更大、接收靈敏度更高的專用讀寫器芯片是未來射頻收發(fā)模塊硬件設計開發(fā)的方向。

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