長(zhǎng)距離HF射頻識(shí)別信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

　EPC Global是在全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,利用射頻識(shí)別技術(shù)(RFID) 、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù),給每一個(gè)實(shí)體一個(gè)唯一的代碼,構(gòu)造的一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng),通常簡(jiǎn)稱“物聯(lián)網(wǎng)”,可提高供應(yīng)鏈管理水平、降低成本,被譽(yù)為具有革命性意義的新技術(shù) 。 

    EPC Global推薦采用的是UHF頻段的RFID技術(shù)。由于UHF頻段的電磁波波長(zhǎng)較短,容易被水分子吸引而導(dǎo)致信號(hào)的急劇惡化,所以UHF頻段的標(biāo)簽不適宜貼在水份含量大的貨品上,如酒、飲料等,同時(shí)也不適合濕度比較大的應(yīng)用環(huán)境。HF頻段(13. 56MHz)的RFID技術(shù)則可有效地補(bǔ)充UHF頻段的這一不足處,因?yàn)镠F頻段的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng),對(duì)水份不敏感。目前,短距離HF頻段的RFID技術(shù)比較成熟,而長(zhǎng)距離HF頻段的RFID技術(shù)還有待發(fā)展。下面首先分析HF射頻識(shí)別信號(hào)的反射負(fù)載調(diào)制原理 ,如圖1所示。 

圖1　負(fù)載調(diào)制原理 

    閱讀器天線與標(biāo)簽天線之間等效于一個(gè)空氣松耦合變壓器,利用感應(yīng)磁場(chǎng)與電抗影響實(shí)現(xiàn)通信。一方面,當(dāng)閱讀器的調(diào)制信號(hào)加載到天線線圈上,電流I1使天線產(chǎn)生時(shí)諧交變磁場(chǎng),磁通在標(biāo)簽線圈中感生電壓,為標(biāo)簽芯片提供工作能量和指令數(shù)據(jù)。另一方面,標(biāo)簽端的輸入阻抗可以反映到閱讀器端,并影響閱讀器天線的等效阻抗。標(biāo)簽芯片中的場(chǎng)效管截止或?qū)?使標(biāo)簽端的天線諧振或短路,反映兩種不同的負(fù)載阻抗,導(dǎo)致閱讀器端A點(diǎn)電壓起伏變化。閱讀器接收電路實(shí)時(shí)檢測(cè)A點(diǎn)電壓峰值的變化,把標(biāo)簽反射的負(fù)載調(diào)制信號(hào)提出來(lái)。經(jīng)信號(hào)處理后,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并送入MCU。 

    實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離HF射頻識(shí)別要兩個(gè)基本條件:閱讀器能夠“喚醒”標(biāo)簽芯片;閱讀器能夠檢測(cè)到反射負(fù)載調(diào)制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離HF射頻識(shí)別是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題,需要考慮多方面的因素,包括增強(qiáng)閱讀器的發(fā)射功率、改進(jìn)閱讀器的天線、提高標(biāo)簽天線的品質(zhì)因素、提高接收靈敏度等。本文主要從信號(hào)檢測(cè)方面著手研究,提出一種分立式反射調(diào)制信號(hào)檢測(cè)方案。關(guān)鍵是改善接收通路環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和提高信噪比,從而解決現(xiàn)有短距離閱讀器的缺陷。 

1　反射信號(hào)的調(diào)制與編碼 

    標(biāo)簽在閱讀器的感應(yīng)磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi),利用標(biāo)簽芯片切換負(fù)載,調(diào)制載波( fc = 13.56MHz)以產(chǎn)生副載波fs。副載波的產(chǎn)生實(shí)質(zhì)是對(duì)閱讀器發(fā)射的載波進(jìn)行分頻。根據(jù)ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)值,調(diào)制幅度至少為10 mV。 

    負(fù)載調(diào)制有兩種模式:單副載波模式與雙副載波模式。使用一種副載波時(shí),負(fù)載調(diào)制的副載波頻率fs1 是fc /32 (423. 75 kHz) ;使用兩種副載波時(shí),負(fù)載調(diào)制的副載波頻率fs1 是fc /32, 頻率fs2 是fc /28(484. 28 kHz) ,它們之間應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的相位關(guān)系。 

    使用單副載波的位編碼。邏輯0開(kāi)始于8個(gè)fs1的脈沖, 隨后是未調(diào)制的18. 88 μs時(shí)間, 見(jiàn)圖2(A) 。邏輯1開(kāi)始于未調(diào)制的18. 88μs時(shí)間,隨后是8個(gè)fs1 的脈沖,見(jiàn)圖2 (B) 。  

圖2　單副載波的邏輯0與邏輯1 

    使用雙副載波的位編碼。邏輯0開(kāi)始于8個(gè)fs1 的脈沖,隨后是9個(gè)fs2 的脈沖,見(jiàn)圖3 (A)。邏輯1開(kāi)始于9個(gè)fs1 的脈沖,隨后是8個(gè)fs2 的脈沖,見(jiàn)圖3 (B)。 

圖3　雙副載波的邏輯0與邏輯1

    上述兩種副載波模式可以適應(yīng)不同的應(yīng)用要求。以下本文提出的一種新型副載波檢測(cè)方案能同時(shí)識(shí)別這兩種模式的副載波。 

2　檢測(cè)方案設(shè)計(jì) 

    上述的反射信號(hào)是利用副載波將標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息調(diào)制到載波中。因此,要從反射信號(hào)中提取標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息, 先要對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波, 從 13. 56MHz的調(diào)制載波中提取副載波信號(hào); 然后再對(duì)副載波進(jìn)行解調(diào)才能提取出數(shù)據(jù)信息。對(duì)副載波進(jìn)行解調(diào),主要是檢測(cè)副載波的頻率與過(guò)零次數(shù)。本文提出一種新型副載波檢測(cè)方案,如圖4所示。閱讀器天線端的A點(diǎn)電壓變化信號(hào),先經(jīng)并聯(lián)諧振回路選頻,中心頻率為13. 56MHz,基本帶寬為500 kB,滿足副載波信號(hào)的通帶要求。再經(jīng)包絡(luò)檢波器,將副載波從載波信號(hào)中分離出來(lái)。包絡(luò)檢波的輸出信號(hào)較微弱,為避免噪聲與幅度波動(dòng)對(duì)副載波解調(diào)的不良影響,需要利用帶通濾波器和中頻放大器來(lái)改善信噪比。經(jīng)放大的信號(hào),經(jīng)帶通濾波器進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)電路包括限幅器、移相器、乘法解調(diào)器、低通濾波器。解調(diào)電路將副載波信號(hào)的頻率變化轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)的幅度變化。最后由電平判決電路(滯回比較電路)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),送入微控制器中,見(jiàn)圖4。 

3　關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 

3.1　包絡(luò)檢波 
    采用二極管包絡(luò)檢波方法,利用了二極管單向?qū)щ娞匦院蜋z波負(fù)載RC充放電過(guò)程,如圖5所示。  

圖5　包絡(luò)檢波器

圖6　檢波增益比較

    這種包絡(luò)檢波的優(yōu)點(diǎn)在于電路簡(jiǎn)單、線性度好, 缺點(diǎn)是檢波門(mén)限要求高、檢波增益低。從圖6可見(jiàn),二極管檢波的增益比相干檢波的低, 因?yàn)槎O管輸入電阻使輸入諧振回路的Q 值降低,消耗一些高頻功率,所以需要將檢測(cè)到的微弱反射信號(hào)通過(guò)中頻放大器加以放大。 

3.2　中頻帶通濾波 
    一般RC 無(wú)源濾波電路傳遞函數(shù)幅度小, 帶負(fù)載能力差。而由集成運(yùn)放和R、C 元件組成的RC有源濾波電路具有傳遞增益, 帶負(fù)載能力強(qiáng),有利于改善電路濾波特性。本文采用一種有源濾波器:二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波。其模型如圖7所示, 二階RC 網(wǎng)絡(luò)接于運(yùn)放的反相輸入端。這種負(fù)反饋聯(lián)接,使集成運(yùn)放工作于線性狀態(tài),有利于避免電路自激。其傳遞函數(shù)如式( 1 )所示。該帶通濾波的中心頻率設(shè)置為455kHz, 3 dB帶寬為80 kHz。 

圖7　二階帶通濾波電路 

    3.3　限幅、移相解調(diào) 
    反射信號(hào)經(jīng)中頻放大及帶通濾波后,需通過(guò)限幅器整形成為矩形波,再進(jìn)行副載波解調(diào),檢測(cè)目標(biāo)在于副載波的頻率變化。限幅處理非但沒(méi)有影響波形所攜帶的信息,而且還有利于解調(diào)信號(hào)的電平門(mén)限判決。 

    限幅器的矩形波分兩路輸出:一路直接送至乘法電路的信號(hào)為Vt ,另一路經(jīng)移相器送入乘法電路的信號(hào)為Vt’。移相器的基本模型如圖8所示,由串聯(lián)電容和并聯(lián)諧振回路組成。串聯(lián)電容Ct起移相作用, Cp和L 組成的并聯(lián)諧振回路起選頻作用, Ct與Cp起阻抗變換作用。Vt與Vt’之間的關(guān)系如式(2)所示,相移大小為φ。 

圖8　移相解調(diào)模型

　移相器的相頻特性如圖9所示,橫坐標(biāo)為歸一化的頻率[1 + Δf/f1], 當(dāng)信號(hào)沒(méi)有發(fā)生偏移時(shí)的相移為π/2。從圖9 中可見(jiàn), 該相頻特性曲線在坐標(biāo)點(diǎn)(1,π/2)附近存在一段線性關(guān)系,可以推導(dǎo)得出相移大小與頻偏之間的近似線性關(guān)系Φ =π/2- kΔf。移相器的Q值對(duì)線性斜率有顯著影響。當(dāng)Q 值較大時(shí),線性斜率比較大,相移對(duì)頻偏的反應(yīng)比較靈敏。 

圖9　移相器的相頻特性 

    上述線性相移特性關(guān)系使得Vt與乘法器經(jīng)低通濾波器的輸出Vout之間成比例關(guān)系, 比例系數(shù)與頻偏Δf有關(guān),如式4所示。 

　當(dāng)頻偏Δf > 0時(shí), 輸出電壓Vout的平均值比較高;當(dāng)頻偏Δf < 0時(shí),輸出電壓Vout的平均值比較低。利用電平門(mén)限比較電路對(duì)輸出電壓的平均值進(jìn)行判決,則可識(shí)別出副載波的頻率變化情況, 亦即標(biāo)簽反射負(fù)載調(diào)制的信息。 

3.4　判決電路 

　本文采用滯回電壓比較電路進(jìn)行電平門(mén)限判決, 見(jiàn)圖10。把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這種電路由于存在回差電壓ΔVREF , 當(dāng)輸入信號(hào)電壓受到干擾時(shí), 只要在基準(zhǔn)電壓電平附近的干擾電壓不超過(guò)回差電壓時(shí), 則不會(huì)導(dǎo)致電路輸出狀態(tài)的跳變, 仍可獲得比較穩(wěn)定的輸出電壓波形?？梢?jiàn), 滯回比較電路的抗干擾能力強(qiáng), 但靈敏度有所下降。 

圖10　電平門(mén)限判決電路

4　結(jié)束語(yǔ) 

    本文提出一種新型的副載波檢測(cè)方案, 獲得較高的靈敏度,有效地從微弱的長(zhǎng)距離反射信號(hào)檢測(cè)出標(biāo)簽應(yīng)答數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試, 有效的標(biāo)簽感應(yīng)距離可達(dá)50 cm。采用這種檢測(cè)方法的射頻識(shí)別閱讀器,工作距離長(zhǎng)、可靠性高、制造成本低, 可作為UHF頻段射頻識(shí)別閱讀器某些應(yīng)用領(lǐng)域的補(bǔ)充,其市場(chǎng)前景很有吸引力。 

參考文獻(xiàn) 
1　強(qiáng)強(qiáng), 竇延平. 基于RFID技術(shù)的AUTO-ID全球網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建. 計(jì)算機(jī)工程, 2004; 30 (12) : 191—193 
2Chen Peng, Lai Shengli. The analysis and design of a novel passive reflection modulation tag. 4 th International Conference on Microwave and Milli2meterWave Technology, Proceedings, 18—21Aug 2004: 402—405. IEEE, 345E 47 th ST, New York, NY 10017 USA 
3　張峰, 李杰, 李世義. 基于副載波的負(fù)載調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)引信感應(yīng)裝定信息反饋的方法. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2003; 25 (2) : 16—19 
4　陳鵬, 賴聲禮. 基于FPSL IC的射頻識(shí)別發(fā)送通道設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),電測(cè)與儀表, 2006 (已錄用) . 
5　黃智偉. 無(wú)線發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì). 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004