閱讀器主要由控制單元、高頻收發(fā)模塊、天線以及其他與后臺(tái)設(shè)備相連的接口組成。應(yīng)答器，又叫作標(biāo)簽，是RFID讀取數(shù)據(jù)的來(lái)源，主要由天線和微電子芯片組成。RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是閱讀器，實(shí)現(xiàn)閱讀器的核心技術(shù)是接收電路。本文主要分析和構(gòu)造了UHF無(wú)源RFID閱讀器接收電路。
1 基本架構(gòu)
組成RFID閱讀器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上半部分為發(fā)射鏈路，而其下半部分為接收鏈路。
采用UHF頻段的閱讀器首先針對(duì)基帶信號(hào)實(shí)施PIE編碼，同時(shí)實(shí)施80%～100%ASK調(diào)制過(guò)程。在接收電路部分需支持PSK或ASK形式的解調(diào)，同時(shí)可以實(shí)施對(duì)基帶信號(hào)的米勒或FM0副載波解碼。系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)如下：
式中：f(t)代表標(biāo)簽接收的信號(hào);m(t)代表基帶信號(hào);載波頻率則用ωc表示。
而在標(biāo)簽反向散射過(guò)程中，接收端接收到信號(hào)如下：
式中：g(t)表示接收端接收到的信號(hào);m’(t)表示標(biāo)簽端基帶信號(hào)。
最終在接收電路中進(jìn)行下變頻，解調(diào)過(guò)程和結(jié)果如下：
式中：
代表通過(guò)低通濾波器后的結(jié)果。
圖1中的環(huán)行器隔離器件，通常能夠?qū)崿F(xiàn)20～30 dB的隔離效果。此外，利用兩個(gè)獨(dú)立的天線分別負(fù)責(zé)接收與發(fā)射的任務(wù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離效果。需要注意的是，在接收過(guò)程中，一定要同時(shí)發(fā)射同頻載波，所以能得出以下結(jié)論，系統(tǒng)中的噪聲分以下幾種：周圍環(huán)境因素干擾噪聲，發(fā)射端耦合接收端的同頻泄漏以及電子器件自身噪聲，此外還需關(guān)注器件接口間的損耗。
依據(jù)雷達(dá)方程：
式中：Pr，Pt分別表示接收與發(fā)射功率;Gt表示發(fā)射增益;Ar表示接收天線的面積;σ表示雷達(dá)截面積;Rr，Rt分別表示接收與發(fā)射路徑長(zhǎng)度。
根據(jù)雷達(dá)方程，能推導(dǎo)得出對(duì)數(shù)形式的通信方程，如下所示：
也就是說(shuō)，接收功率等于發(fā)射天線增益、發(fā)射功率以及接收天線增益之和，再減去系統(tǒng)損耗、空間損耗，所以空間損耗Lc可以用如下算式得出：
如果無(wú)調(diào)制載波是f(t)=Acos(ωct)，標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)是g(t)=B(1+m(t))cos(ωct+φ)，而且環(huán)行器發(fā)射端至接收端的泄漏(即TX—RX Lea-k)和f(t)有關(guān)聯(lián)，是l(t)=Ccos(ωct);s(t)=cos(ωct)表示時(shí)鐘信號(hào)，那么l(t)，g(t)分別和s(t)混頻之后結(jié)果如下：
由功率的比較可以得知，系數(shù)C，即TX-RX Leak解調(diào)之后的幅度遠(yuǎn)大于標(biāo)簽返回信號(hào)的幅度，且可以看出是一個(gè)很大的直流分量，所以解調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生的直流偏移是一個(gè)棘手的問(wèn)題。因此可以得出結(jié)論，發(fā)射端耦合到接收端的周頻泄漏是最主要的干擾，如何抑制這種干擾則需進(jìn)一步的研究。對(duì)抑制干擾的方法研究較多，各解決方案也不盡相同。通過(guò)式(3)及式(7)能夠看出，系統(tǒng)接收到的信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)具有特定的相位差φ，因?yàn)闃?biāo)簽的位置不同，cosφ也會(huì)隨之變化，所以在接收電路中，使用正交結(jié)構(gòu)。
2 系統(tǒng)仿真與理論驗(yàn)證
實(shí)施Simulink仿真，構(gòu)造了系統(tǒng)收發(fā)鏈路的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中上半部分為標(biāo)簽接收信號(hào)與發(fā)射鏈路，下半部分為環(huán)行器收發(fā)耦合信號(hào)和標(biāo)簽返回信號(hào)相互疊加的結(jié)果，并在接收端實(shí)施下變頻過(guò)程。根據(jù)ISO18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)簽返回信息使用Miller副載波調(diào)制或FM0編碼調(diào)制，再實(shí)施ASK調(diào)制，在仿真環(huán)境里使用重復(fù)的“1101001101”序列的FM0編碼。因?yàn)镸iller編碼或FM0編碼的頻譜具有較小的直流分量特性，因此在濾波時(shí)，把它和下變頻過(guò)程中生成的較大的DC直流漂移過(guò)濾掉。如果閱讀器至標(biāo)簽距離為1 m，經(jīng)計(jì)算空間損耗是18 dB，其中環(huán)行器隔離度可設(shè)置成20 dB。
經(jīng)過(guò)接收機(jī)解調(diào)之后，獲取的標(biāo)簽返回信息時(shí)域波形如圖3所示，上下兩個(gè)波形分別表示標(biāo)簽端發(fā)射的基帶信息，以及接收機(jī)解調(diào)后信息。圖4表示的是在接收鏈路中，濾除DC前后的信號(hào)頻譜，上圖為濾除DC后的信號(hào)頻譜，而下圖為濾除前的頻譜，其含有較大的DC分量。
圖4中能夠看到，需要在接收機(jī)混頻器后端，插接一個(gè)可以過(guò)濾直流的濾波器，由于對(duì)FM0信號(hào)的完整性沒(méi)有影響，所以可以滿足系統(tǒng)需求。同時(shí)可以看出，因?yàn)榄h(huán)行器反向泄漏等影響，造成接收端的收發(fā)同頻干擾比較大，容易導(dǎo)致接收機(jī)阻塞。
3 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，本文基于ISO18000-6C協(xié)議，研究設(shè)計(jì)了UHF RFID閱讀器接收電路，并對(duì)于零中頻接收結(jié)構(gòu)實(shí)施了理論分析，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)也進(jìn)行了分析。通過(guò)仿真，得出零中頻結(jié)構(gòu)的信號(hào)波形和頻譜特性，能夠看出其可以實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)的要求。
