1引言

射頻識別（Radio Frequency Identification）技術(shù)是20世紀80年代走向成熟的一項自動識別技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。它利用無線射頻方式實現(xiàn)人們對各類物體或人員在不同的狀態(tài)（移動、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動識別與管理。其最為主要的優(yōu)點是環(huán)境適應性強，與磁卡、IC卡等接觸性識別系統(tǒng)不同。因此，射頻識別被認為是自動識別技術(shù)中最優(yōu)秀和應用領(lǐng)域最廣泛的技術(shù)之一。識別的距離可從幾十厘米至幾米，這是由系統(tǒng)工作頻率和標簽類型（有源和無源）決定的。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域主要包括：物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，對于要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。

按照閱讀器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻（125 kHz）、高頻（13.56 MHz）、超高頻UHF（860～960 MHz）和微波（2.45 GHz，5.8 GHz）等幾大類。目前大多數(shù)應用中的RFID系統(tǒng)使用的是低頻和高頻系統(tǒng)。但研究發(fā)現(xiàn)，更適合未來、特別是商業(yè)供應鏈中應用的是UHF頻段系統(tǒng)。

在選擇UHF RFID接收機電路方案的時候，設(shè)計復雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的因素，常見的2種接收機設(shè)計原理包括超外差式和零差式。超外差接收機不僅電路復雜，成本也非常高。本文采用4通道零中頻接收技術(shù)，使得UHF RFID閱讀器設(shè)計大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價比。

2典型RFID系統(tǒng)組成

射頻識別系統(tǒng)的組成一般包括2個部分：電子標簽和閱讀器，如圖1所示。

其中，電子標簽也常稱為標簽、射頻卡、Tag，而閱讀器也常稱為讀卡器、Reader。1個完整的RFID系統(tǒng)還必須包括PC、閱讀器天線、接口電纜、終端監(jiān)控軟件等，有時一個RFID系統(tǒng)還需要跟Internet相連以獲得遠端的數(shù)據(jù)信息或跟多個RFID系統(tǒng)相連。

在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體上，電子標簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入感應場時被激活并獲取工作所需的能量，然后發(fā)送出自身ID等信息，這些信息被閱讀器讀取并解碼后送至電腦主機進行相關(guān)處理。通常在閱讀器讀標簽的時候給主機系統(tǒng)傳遞3個信息：標簽ID、讀卡器自己的ID、讀標簽的時間。通過獲取這個讀卡器的位置，就知道了該產(chǎn)品的位置，以及它是什么產(chǎn)品，然后根據(jù)時間數(shù)據(jù)跟蹤標簽，就隨時隨地知道產(chǎn)品的位置。

3 UHF RFID閱讀器設(shè)計原理

UHF RFID閱讀器工作在UHF頻段，國際通用的UHF頻段就是ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)藥）公用頻段，如865～868 MHz，902～928 MHz等頻段，它們分別適用于不同的國家或地區(qū)，前者是歐洲使用頻段，而后者大多在美國、加拿大等國家使用。超高頻系統(tǒng)的基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠，適應物體高速運動，閱讀器天線及電子標簽天線均有較強的方向性。

無源UHF RFID采用半雙工工作方式，從閱讀器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸和從電子標簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是交替進行的，但二者之間的能量交換始終存在，如圖2所示。與CW雷達系統(tǒng)相似，閱讀器和電子標簽之間的通信是通過標簽反向散射來實現(xiàn)的。

4零中頻UHF RFID接收機

在選擇UHF RFID接收機電路方案時，設(shè)計復雜度、成本、功耗等是首先需要考慮的因素，常見的2種接收機設(shè)計原理包括超外差式和零差式。超外差接收機不僅電路復雜，成本也非常高；相比之下，零中頻接收機只需要一級同頻混頻器就可以直接得到解調(diào)信號（即基帶信號），不僅極大地降低了成本，而且結(jié)構(gòu)非常簡單、調(diào)測試方便。

本文研制的零中頻UHF RFID閱讀器接收電路設(shè)計原理如圖3所示，其中包括4條射頻通道、檢波電路、差分放大器、限幅電路、負壓產(chǎn)生器和ADC。天線用于接收標簽反射回的ASK調(diào)制波，環(huán)行器用于將閱讀器收發(fā)信號分開。接收到的信號通過環(huán)行器直接進入50 Ω微帶線，微帶線的終端短路。

假設(shè)在A點的接收信號為：

其中B（t）是標簽內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)信息，一般為單極性的二進制數(shù)據(jù)；φ為收發(fā)信號之間的相位差，跟閱讀器天線和標簽之間的距離有關(guān)。接收信號在微帶線經(jīng)過三級移相（4路射頻通道之間間隔1／8波長），在B，C，D點分別形成信號如下：

四路ASK信號分別經(jīng)過二極管檢波電路直接解調(diào)為一個基帶信號（80 kb／s）。本文采用的二極管為安捷倫公司的LM2852，該二極管是零偏置倍壓檢波二級管，工作頻率可達1.5 GHz，不需要任何外置偏置電壓，檢波最小電平可以達到-55 dBm。無源UHF RFID超外差接收機面臨的一個問題是收發(fā)之間的隔離，閱讀器的接收之路在接收到標簽返回的ASK信號時，發(fā)射之路仍然要發(fā)射CW波，這樣收發(fā)之間就會存在干擾。閱讀器中收發(fā)隔離一般大部分都采用環(huán)形器，但環(huán)行器的隔離度一般僅有-25 dB，難以有效地抑制發(fā)射泄漏的強信號，從而降低射頻識別系統(tǒng)中接收機的接收靈敏度，主要表現(xiàn)是標簽的識別距離將大大降低。所以收發(fā)隔離度的大小直接影響系統(tǒng)識別的距離。本文采用的方案是零中頻結(jié)構(gòu)，避免了這個問題。

檢波后，4路基帶信號分別為：

將A路和C路、B路和D路分別經(jīng)過一個雙通道差分運算放大器，將一個差分信號轉(zhuǎn)變成單端信號并放大，用于驅(qū)動后端的ADC。本文選用的差分運算放大器是ADI公司的AD8039BR，該器件噪聲較低：8 nV／√Hz@100 kHz，350 MHz的增益帶寬積。

在DSP進行信號處理前，本文采用AD7827BR將經(jīng)過放大的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。AD7827BR是8位的串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有1 MS／s的抽樣速率和420 ns的轉(zhuǎn)換時間，輸入信號范圍為0～2 V。為了保護ADC，在ADC變化之前增加了一級限幅電路。由福利斯自由空間公式（Friis free-space formula）可知，在一定條件下，經(jīng)標簽返射回到閱讀器的信號大小與二者之間的距離有關(guān)。實際使用當中電子標簽與閱讀器之間的距離是變化的，二者遠近的不同，返回ASK信號的強度也不同。為了防止距離過近，返回信號太強毀壞ADC，可以利用二極管和可調(diào)電阻器搭建一個限幅電路以保護ADC。ADC之后的數(shù)字信號處理器（DSP）負責對來自多個標簽的接收信號進行分析，并提供附加的濾波處理。整個電路板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖5所示為采用LeCroy公司的Wave Surfer104Xs示波器測試的一條接收通道輸出的數(shù)據(jù)信息。其中$波形為接收數(shù)據(jù)，藍色波形為發(fā)射機產(chǎn)生的發(fā)射數(shù)據(jù)。

5結(jié)語

本文采用了4通道零中頻接收技術(shù)，僅使用幾個常用器件就可實現(xiàn)UHF RFID信號的解調(diào)和放大，使得UHF RFID接收機設(shè)計大為簡化，成本低廉，跟同類產(chǎn)品相比具有很高的性價比，具有很好的商業(yè)價值。