本振相位噪聲對RFID詢問范圍的影響分析(一)

　　無源UHF RFID系統(tǒng)中使用的本地振蕩器的相位噪聲被證實是影響該系統(tǒng)最終詢問范圍的關(guān)鍵限制因素。RFID閱讀機的發(fā)射功率是決定FIR的主要因素，而閱讀機天線增益、本振相位噪聲和Tx/Rx隔離度是決定RIR的主要因素。本文將探討本振相位噪聲對RFID詢問范圍的影響。

　　射頻識別(RFID)系統(tǒng)已經(jīng)迅速成為通過使用緊湊型RFID標(biāo)簽存儲和遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)的可靠方式。特別是超高頻(UHF)無源RFID的使用對許多應(yīng)用來說極具吸引力，因為它能從合理的距離實現(xiàn)信號識別。對供應(yīng)鏈管理以及正在計劃在他們的供應(yīng)鏈中強制使用UHF RFID的許多大型公司(如沃爾瑪和Tesco)來說，這種技術(shù)是非常理想的。

　　UHF RFID系統(tǒng)的性能通常由系統(tǒng)的詢問范圍來表征，該范圍被定義為RFID閱讀機能夠識別標(biāo)簽的最大距離。詢問范圍可分為兩大類：前向鏈路詢問范圍(FIR)和反向鏈路詢問范圍(RIR)。在UHF RFID系統(tǒng)中，前向鏈路指的是從閱讀機到標(biāo)簽的通信鏈路，而反向鏈路是指從標(biāo)簽到閱讀機的通信鏈路。FIR被定義為標(biāo)簽接收到可實現(xiàn)啟動和后向散射的功率的最大距離，而RIR是閱讀機能夠解碼滿足SNR要求的標(biāo)簽數(shù)據(jù)的最遠(yuǎn)距離。由于實際的詢問距離取決于FIR和RIR中的最小值，因此在部署UHF RFID系統(tǒng)時應(yīng)同時考慮這兩個值。

　　圖1將UHF RFID鏈路概念與典型的無線通信系統(tǒng)，如碼分多址(CDMA)或全球移動通信系統(tǒng)(GSM)蜂窩系統(tǒng)，進行了比較。在典型的無線通信系統(tǒng)中，前向鏈路指的是從基站(BS)到移動臺(MS)的通信鏈路，而反向鏈路則是從移動臺到基站的通信鏈路。這兩條鏈路上的噪聲電平取決于熱噪聲功率P_N：

P_N,thermal = 4kTB (1)

其中

k = Boltzman常數(shù),

T = 絕對溫度(K)

B = 帶寬

　　一般來說，無線通信系統(tǒng)的前向和反向鏈路是平衡的，兩條鏈路的動態(tài)范圍幾乎是相同的。因此前向鏈路覆蓋距離相當(dāng)接近反向鏈路覆蓋距離，雖然前向鏈路和反向鏈路的發(fā)射功率可能不同。

　　相反，無源UHF RFID系統(tǒng)的前向和反向通信鏈路是不平衡的(圖1)，這是因為RFID標(biāo)簽沒有內(nèi)部電源，必須從RFID閱讀機發(fā)射的連續(xù)波(CW)信號中獲取能量。因此FIR主要依賴于啟動標(biāo)簽所必要的門限功率。另外一個主要區(qū)別是在閱讀機環(huán)形器端的發(fā)射器(Tx)泄漏相位噪聲對系統(tǒng)噪聲的影響比閱讀機接收器(Rx)的熱噪聲所造成的影響要大。因此RIR值很可能比FIR小，特別是對于設(shè)計較差的固定閱讀機或手持式閱讀機。

在對UHF RFID系統(tǒng)的這次研究中，假設(shè)RFID閱讀機天線采用的極化方式與標(biāo)簽天線相匹配。如果r表示RFID標(biāo)簽和在自由空間操作的閱讀機之間的工作距離，那么RFID標(biāo)簽接收到的功率PRx符合Friis電磁(EM)波傳播公式：

其中

λ = 自由空間中的波長,

P_T,x = 被發(fā)射器饋送進閱讀機天線的信號功率,

G_R = 閱讀機天線的增益,

G_T = 標(biāo)簽天線的增益,

功率P_Rx的一部分被標(biāo)簽吸收用于產(chǎn)生直流電源，其它部分通過后向散射實現(xiàn)反向鏈路。為了確保標(biāo)簽?zāi)苷_工作，吸收功率必須大于標(biāo)簽工作所需的最小功率P_TH}。在標(biāo)簽采用幅移鍵控(ASK)調(diào)制的情況下，標(biāo)簽的時間平均吸收功率等于7：

其中

m = 調(diào)制深度

一般來說，P_TH根據(jù)標(biāo)簽芯片設(shè)計和天線匹配條件來確定，然后FIR的T_forward就可以由等式4得到：

根據(jù)等式4計算得到的FIR值為8米，如圖2所示。在等式4中，F(xiàn)IR正比于發(fā)射的有效同向幅射功率(EIRP) P_TxG{T的平方根和天線增益GR，并且反比于標(biāo)簽功率門限電平P_TH的平方根。根據(jù)經(jīng)驗，啟動標(biāo)簽所需的射頻門限功率電平范圍從10?}W(-20dBm)到50?W(-13dBm)。調(diào)制深度m被選為0.1和0.9之間的平均值。

在反向鏈路中，來自標(biāo)簽的后向散射信號應(yīng)足夠強大，才能使閱讀機的解調(diào)輸出信號滿足系統(tǒng)的信噪比(SNR)要求。為了計算閱讀機解調(diào)輸出信號的SNR，可以考慮使用圖3所示的傳統(tǒng)閱讀機架構(gòu)。該RFID閱讀機由本地振蕩器、發(fā)射器、接收器和帶環(huán)形器的天線組成。環(huán)形器是一種單向三端口器件，信號從發(fā)射器端口傳送到天線端口，或從天線端口傳送到接收端口。在實際使用中，由于端口之間存在固有的泄漏現(xiàn)象，環(huán)形器不能完全隔離發(fā)射器和接收器。通常Tx/Rx隔離范圍從20到50dB10。因此，Tx泄漏功率的相位噪聲比熱噪聲強大得多，以至于RIR主要取決于Tx/Rx隔離度。而在典型的無線通信系統(tǒng)中，Tx泄漏通常不是大問題，因為它們采用了頻分復(fù)用(FDD)和時分復(fù)用(TDD)等復(fù)用技術(shù)。

如圖3所示，本地振蕩器(以下簡稱本振)提供兩個相同頻率的信號：一個用于發(fā)射器，另一個用于接收器。在忽略幅度噪聲的條件下本振可以被表示為：

其中

A_LO = 本振信號的幅度,

ω = 角頻率

θ_LO (t) = 本振信號的相位噪聲.

RFID系統(tǒng)的功放(PA)用于提升本振信號的電平。放大后的信號通過環(huán)形器饋送給閱讀機天線，然后輻射進自由空間。同時閱讀機天線接收來自標(biāo)簽的后向散射信號。

從圖3可以看出，環(huán)形器不能完全隔離發(fā)射器和接收器，因為它的端口之間存在固有的泄漏現(xiàn)象。TX泄漏信號延時等式是：

其中

A_U = (2ηR_OP_Tx)^0.5 = 信號幅度，

η = Tx/Rx隔離度，

R_O = RFID閱讀機接收器的輸入阻抗，

Δt = Tx泄漏信號和本振信號之間的來回延時。

重要的是要認(rèn)識到，等式5和6中的θ_LO (t)與相同本振源產(chǎn)生的相位噪聲有關(guān)，但與時延無關(guān)。同時假設(shè)RFID閱讀機接收器中使用的基帶帶通濾波器(BPF)具有陡峭的頻率選擇性。為了簡化進一步的分析，BPF的脈沖響應(yīng)可以近似用理想的矩形傳輸函數(shù)表征，其低端頻率和高端截止頻率分別用f_L和f_H表示。在使用正交接收器時，Tx泄漏信號和本振信號被混頻，輸出再經(jīng)過低通濾波。T_x泄漏信號的最終相位噪聲可以表示為：

其中

G_YX = 考慮了射頻電路總增益的接收器傳輸系數(shù)

φ{(diào)·} = 用于計算隨機過程功率譜密度(PSD)的操作符，例如隨機過程自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。

本文下一部分將介紹RFID系統(tǒng)只是發(fā)射UHF連續(xù)波信號的情況。

作者：Dr. Byung-Jun Jang

Dr. Hyun-Goo Yoon