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基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计

摘  要: 结合声表面波(SAW)标签的物理特性以及零中频的灵活性,设计了一种双通道的声表面波射频识别系统。详细介绍了系统硬件结构,同时给出了零中频结构中直流偏置、本振泄漏、偶次失真和闪烁噪声等问题的解决方案。测试结果表明,该系统不仅成本较低,而且与同类产品相比具有更高的性价比。

关键词: 射频识别;声表面波;零中频;直流偏置;收发机

射频接收和发送模块位于无线通信系统的最前端,其性能和结构直接影响整个通信系统。其器件尺寸的不断缩减及电源电压的不断下降,也对模拟集成电路设计提出了更高的要求,高度集成化、低功耗、高速度都成为射频工程师追求的目标。因此,具有高集成度、低功耗等特点的零中频接收机将成为未来无线通信领域的趋势[1]。本文在介绍零中频结构性能和特点的基础上,结合声表面波(SAW)的物理特性,给出了SAW RFID系统的设计方案。

1 SAW RFID系统组成

SAW RFID具有无线无源、识别距离远、识别速度快、批量生产成本低、对液体和金属不敏感的优点,可以用来测量压力、应力、扭曲、加速度以及温度等参数的变化,应用广泛。

一个完整的声表面射频识别系统[2]至少包括收发机、SAW标签以及天线三部分,如图1所示。其中,SAW标签由叉指换能器(IDT)和刻在标签上的反射栅组成。识别时,读卡器的天线周期性地发送高频询问脉冲在电子标签天线的接收范围内,并在晶体表面传播。根据声表面波的物理特性,接收到的信号经过压电效应和逆压电效应进行声电以及电声的转化,实现标签信号的发送和接收,收发机通过天线传输电信号。

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计0

2 零中频SAW RFID收发机设计

零中频(Zero-IF)[3]又称为直接下变频(Direct-Conversion)解,其方法是将信号从载波直接变频到基带。这时中频为零,镜频和自身信号重叠在一起,要采用I/Q正交的结构抑制镜像频率干扰。由于零中频接收机不需要片外高Q值带通滤波器,所以可以实现单片集成而受到广泛的重视。

零中频接收机最大的优势是:下变频过程中不需经过中频,且镜像频率(即射频信号本身)不存在镜像频率干扰,原超外差结构中的镜像抑制滤波器及中频滤波器均可省略。这样一方面取消了外部元件,有利于系统的单片集成,降低了成本;另一方面系统所需的电路模块及外部节点数减少,降低了接收机所需的功耗,并减少了射频信号受外部干扰的机会。

零中频结构的优点是:(1)零中频方案利用直接解调方案,不存在中频频率,因此没有镜像干扰。(2)接收机的射频部分只包含了射频放大器以及混频器,易于满足线性动态范围的要求。(3)电路设计简单,容易集成,成本较低,PCB布板覆盖面积小。

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计1

2.2 接收机电路设计

本系统的接收机采用零中频的结构进行设计。零中频接收机由于没有中频带通滤波器的影响,在应用中也比超外差收发信机更灵活。不过零中频结构存在直流偏置、本振泄漏、偶次失真和闪烁噪声[3]等问题。针对这些问题,本文的解决方案如下。

(1)直流偏置是零中频方案特有的一种干扰,本文采用交流耦合以及谐波混频来解决,具体设计如图3所示。

(2)本振泄露是指混频器中泄露到输出口或输入口的本振信号。本文按照GB7236选择高隔离度的混频器以及采用本振泄漏消除电路对本振泄漏预校正参数进行修正。

(3)在电路设计中,可以采用提高混频器和锁相环的隔离度或在低噪声放大器和混频器中间使用全差分结构来抑制偶次谐波,进而消除偶次失真。

(4)将零中频结构中的混频器设计成有一定增益,并且尽量减小混频器的噪声来降低闪烁噪声。

此外,由于器件的性能和品质都直接影响接收机接收信号的质量,所以在电路设计过程中,选取高性能、低损耗的器件,以减少干扰噪声。

根据以上解决方法,本文给出如图3所示的零中频接收机的设计方案。图3中前端包括带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA),其中带通滤波器在常温下射频输出功率最大可达到12.6 W,插入损耗比较低(为1.2 dB),并且损耗变化幅度为±0.25 dB,性能良好。低噪声放大器具有低噪声、高增益、广泛的动态范围等优点,在900 MHz频段其增益可达到17 dB、低噪声系数不超过1.0 dB。

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计2

此外,该接收机采用I、Q零中频正交解调结构[5],来自于天线的标签反射信号经功分器分成两路,分别送入相应的混频器与相差90°相位的两路本振信号混频得到I、Q两路基带信号。该微弱信号随后经过低噪声放大器和低通滤波器放大滤波后,经A/D采样送入基带处理器进行解码处理。设计中同时利用了自动增益控制(AGC)平衡和匹配的作用来防止直流漂移受增益变化的影响而产生干扰,以增加系统的可靠性。

2.3 控制单元设计

控制单元的硬件系统由前端模块、DSP处理模块、显示模块、系统功能模块和电源模块组成,如图4所示。

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计3

DSP是整个系统的核心模块,其采用的是TI公司的TMS320DM6437芯片[6],主要作用是实现数据的实时处理。其数据的传输通过前端模块实现,主要是通过收发机进行实时采集。功能模块是实现用户需求的模块,其主要功能包括语音输入/输出、SD卡的读写、USB的传输以及温度的测量等。电源模块主要用于保障整个系统电源的稳定。

3 测试结果与性能分析

为了验证所设计的接收机传输性能的质量,本文通过频谱分析仪分别对发送信号和接收信号进行了测量,并给出测试结果分析。

如图5所示,以915 MHz脉冲信号为例,利用Agilent E4407B频谱分析仪[7]对发送信号进行频谱分析,可以得到高质量的915 MHz的脉冲信号,信号强度高达13.36 dBm,而干扰噪声近似为0。

利用信号源产生915 MHz信号,该信号经过零中频接收机,经射频前端处理、正交解调、放大滤波之后送给A/D芯片进行采样。如图6所示,采样频率为40 MHz,采样输入信号为20 kHz,此时信噪比可以达到70 dB以上,满足接收机要求。

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计4

基于零中频的声表面波射频识别收发机的设计5

本文采用了I、Q零中频正交解调技术,结合SAW的物理特性,针对零中频结构中的直流偏置、偶次失真等问题,设计了一种SAW RFID收发机,并以SAW RFID系统结构为基础,分别给出了发射机和接收机的设计框图,同时描述了各射频模块的输出功率、损耗、增益等参数性能,减少收发机的误码率和噪声干扰。研究表明,该系统体积小、成本低、电路简单,发射915 MHz信号时功率高达13.36 dBm,同时接收机信噪比可以达到70 dB,干扰小,达到了系统设计要求。

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责任编辑:樊晓旭