基于零中頻的聲表面波射頻識(shí)別收發(fā)機(jī)的設(shè)計(jì)

　　射頻接收和發(fā)送模塊位于無線通信系統(tǒng)的最前端，其性能和結(jié)構(gòu)直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)。其器件尺寸的不斷縮減及電源電壓的不斷下降，也對(duì)模擬集成電路設(shè)計(jì)提出了更高的要求，高度集成化、低功耗、高速度都成為射頻工程師追求的目標(biāo)。因此，具有高集成度、低功耗等特點(diǎn)的零中頻接收機(jī)將成為未來無線通信領(lǐng)域的趨勢(shì)[1]。本文在介紹零中頻結(jié)構(gòu)性能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲表面波(SAW)的物理特性，給出了SAW RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

　　1 SAW RFID系統(tǒng)組成

　　SAW RFID具有無線無源、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、批量生產(chǎn)成本低、對(duì)液體和金屬不敏感的優(yōu)點(diǎn)，可以用來測(cè)量壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度以及溫度等參數(shù)的變化，應(yīng)用廣泛。

　　一個(gè)完整的聲表面射頻識(shí)別系統(tǒng)[2]至少包括收發(fā)機(jī)、SAW標(biāo)簽以及天線三部分，如圖1所示。其中，SAW標(biāo)簽由叉指換能器(IDT)和刻在標(biāo)簽上的反射柵組成。識(shí)別時(shí)，讀卡器的天線周期性地發(fā)送高頻詢問脈沖在電子標(biāo)簽天線的接收范圍內(nèi)，并在晶體表面?zhèn)鞑?。根?jù)聲表面波的物理特性，接收到的信號(hào)經(jīng)過壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)進(jìn)行聲電以及電聲的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信號(hào)的發(fā)送和接收，收發(fā)機(jī)通過天線傳輸電信號(hào)。

　　2 零中頻SAW RFID收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)

　　零中頻(Zero-IF)[3]又稱為直接下變頻(Direct-Conversion)解，其方法是將信號(hào)從載波直接變頻到基帶。這時(shí)中頻為零，鏡頻和自身信號(hào)重疊在一起，要采用I/Q正交的結(jié)構(gòu)抑制鏡像頻率干擾。由于零中頻接收機(jī)不需要片外高Q值帶通濾波器，所以可以實(shí)現(xiàn)單片集成而受到廣泛的重視。

　　零中頻接收機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是：下變頻過程中不需經(jīng)過中頻，且鏡像頻率(即射頻信號(hào)本身)不存在鏡像頻率干擾，原超外差結(jié)構(gòu)中的鏡像抑制濾波器及中頻濾波器均可省略。這樣一方面取消了外部元件，有利于系統(tǒng)的單片集成，降低了成本;另一方面系統(tǒng)所需的電路模塊及外部節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，降低了接收機(jī)所需的功耗，并減少了射頻信號(hào)受外部干擾的機(jī)會(huì)。

　　零中頻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)零中頻方案利用直接解調(diào)方案，不存在中頻頻率，因此沒有鏡像干擾。(2)接收機(jī)的射頻部分只包含了射頻放大器以及混頻器，易于滿足線性動(dòng)態(tài)范圍的要求。(3)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易集成，成本較低，PCB布板覆蓋面積小。

　　2.1 收發(fā)機(jī)電路設(shè)計(jì)

　　2.2 接收機(jī)電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的接收機(jī)采用零中頻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。零中頻接收機(jī)由于沒有中頻帶通濾波器的影響，在應(yīng)用中也比超外差收發(fā)信機(jī)更靈活。不過零中頻結(jié)構(gòu)存在直流偏置、本振泄漏、偶次失真和閃爍噪聲[3]等問題。針對(duì)這些問題，本文的解決方案如下。

　　(1)直流偏置是零中頻方案特有的一種干擾，本文采用交流耦合以及諧波混頻來解決，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　(2)本振泄露是指混頻器中泄露到輸出口或輸入口的本振信號(hào)。本文按照GB7236選擇高隔離度的混頻器以及采用本振泄漏消除電路對(duì)本振泄漏預(yù)校正參數(shù)進(jìn)行修正。

　　(3)在電路設(shè)計(jì)中，可以采用提高混頻器和鎖相環(huán)的隔離度或在低噪聲放大器和混頻器中間使用全差分結(jié)構(gòu)來抑制偶次諧波，進(jìn)而消除偶次失真。

　　(4)將零中頻結(jié)構(gòu)中的混頻器設(shè)計(jì)成有一定增益，并且盡量減小混頻器的噪聲來降低閃爍噪聲。

　　此外，由于器件的性能和品質(zhì)都直接影響接收機(jī)接收信號(hào)的質(zhì)量，所以在電路設(shè)計(jì)過程中，選取高性能、低損耗的器件，以減少干擾噪聲。

　　根據(jù)以上解決方法，本文給出如圖3所示的零中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。圖3中前端包括帶通濾波器(BPF)和低噪聲放大器(LNA)，其中帶通濾波器在常溫下射頻輸出功率最大可達(dá)到12.6 W，插入損耗比較低(為1.2 dB)，并且損耗變化幅度為±0.25 dB，性能良好。低噪聲放大器具有低噪聲、高增益、廣泛的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，在900 MHz頻段其增益可達(dá)到17 dB、低噪聲系數(shù)不超過1.0 dB。

　　此外，該接收機(jī)采用I、Q零中頻正交解調(diào)結(jié)構(gòu)[5]，來自于天線的標(biāo)簽反射信號(hào)經(jīng)功分器分成兩路，分別送入相應(yīng)的混頻器與相差90°相位的兩路本振信號(hào)混頻得到I、Q兩路基帶信號(hào)。該微弱信號(hào)隨后經(jīng)過低噪聲放大器和低通濾波器放大濾波后，經(jīng)A/D采樣送入基帶處理器進(jìn)行解碼處理。設(shè)計(jì)中同時(shí)利用了自動(dòng)增益控制(AGC)平衡和匹配的作用來防止直流漂移受增益變化的影響而產(chǎn)生干擾，以增加系統(tǒng)的可靠性。

　　2.3 控制單元設(shè)計(jì)

　　控制單元的硬件系統(tǒng)由前端模塊、DSP處理模塊、顯示模塊、系統(tǒng)功能模塊和電源模塊組成，如圖4所示。

　　DSP是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，其采用的是TI公司的TMS320DM6437芯片[6]，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。其數(shù)據(jù)的傳輸通過前端模塊實(shí)現(xiàn)，主要是通過收發(fā)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。功能模塊是實(shí)現(xiàn)用戶需求的模塊，其主要功能包括語音輸入/輸出、SD卡的讀寫、USB的傳輸以及溫度的測(cè)量等。電源模塊主要用于保障整個(gè)系統(tǒng)電源的穩(wěn)定。

　　3 測(cè)試結(jié)果與性能分析

　　為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的接收機(jī)傳輸性能的質(zhì)量，本文通過頻譜分析儀分別對(duì)發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，并給出測(cè)試結(jié)果分析。

　　如圖5所示，以915 MHz脈沖信號(hào)為例，利用Agilent E4407B頻譜分析儀[7]對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以得到高質(zhì)量的915 MHz的脈沖信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度高達(dá)13.36 dBm，而干擾噪聲近似為0。

　　利用信號(hào)源產(chǎn)生915 MHz信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過零中頻接收機(jī)，經(jīng)射頻前端處理、正交解調(diào)、放大濾波之后送給A/D芯片進(jìn)行采樣。如圖6所示，采樣頻率為40 MHz，采樣輸入信號(hào)為20 kHz，此時(shí)信噪比可以達(dá)到70 dB以上，滿足接收機(jī)要求。

　　本文采用了I、Q零中頻正交解調(diào)技術(shù)，結(jié)合SAW的物理特性，針對(duì)零中頻結(jié)構(gòu)中的直流偏置、偶次失真等問題，設(shè)計(jì)了一種SAW RFID收發(fā)機(jī)，并以SAW RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別給出了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)框圖，同時(shí)描述了各射頻模塊的輸出功率、損耗、增益等參數(shù)性能，減少收發(fā)機(jī)的誤碼率和噪聲干擾。研究表明，該系統(tǒng)體積小、成本低、電路簡(jiǎn)單，發(fā)射915 MHz信號(hào)時(shí)功率高達(dá)13.36 dBm，同時(shí)接收機(jī)信噪比可以達(dá)到70 dB，干擾小，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　參考文獻(xiàn)

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