作者：Van Yang, Eagle Zhang, and Aaron He

超高頻射頻識別（UHF RFID）系統(tǒng)已廣泛應用于資產管理和服裝零售等應用。最近，它們在無人超市應用和機動車輛的電子識別方面受到關注。本文介紹ADI公司基于信號鏈的UHF RFID讀取器RF前端的兩種實現方案。一種基于ADF9010和AD9963，另一種基于AD9361。本文重點介紹我國機動車電子識別的目標應用，該應用必須符合中國標準GB/T 29768-2013《信息技術—射頻識別—800/900 MHz空中接口協議》1和GB/T 35786-2017《機動車電子識別讀寫設備通用規(guī)范》。2 與分立式雙元件實現方案相比，這種基于AD9361的解決方案大大降低了設計復雜性、元件數量和電路板空間，并犧牲了接收器靈敏度下降。雖然本文中描述的RF前端是特定于應用的，但分析方法和前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。

標準摘要

根據GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017有關機動車輛電子識別的標準，表1至表3總結了這些應用的關鍵空中接口參數和高性能2型閱讀器的性能要求。

系統(tǒng)鏈路預算分析

無源RFID系統(tǒng)有兩個基本的鏈路限制：正向鏈路通常受最小RF至直流功率的限制，以供應標簽電子設備，反向鏈路受讀卡器接收器靈敏度的限制。正向和反向鏈路預算公式3, 4在公式1至公式3中描述：

Prip：標簽接收各向同性功率

Ptx：讀取器發(fā)射功率 GTX：讀取器發(fā)射天線增益 Gtag：標簽天線增益 FSPL：自由空間通路損耗

PRX：讀卡器接收信號功率

Grx：讀卡器接收天線增益

?國防部： 標簽調制效率

d： 讀取器和標簽

之間的距離 λ： 自由空間中的信號波長

根據GB/T 35786-2017第6.2節(jié)和第6.5.2.2節(jié)的定義，Ptx為30 dBm，饋線電纜插入損耗小于1 dB，因此實際Ptx約為29 dBm?，F場測試中使用了10 dBi至12 dBi增益的天線，因此假設Gtx為12 dBi。至于Grx，在機動車輛的電子識別應用中，閱讀器通常使用單站配置，而讀取器處使用單個天線進行發(fā)射和接收，因此Grx = Gtx = 12 dBi。標簽天線通常類似于偶極子，假設Gtag = 2 dBi是合理的。?國防部表示標簽的調制效率，這取決于標簽天線匹配和調制過程中發(fā)生的標簽阻抗偏移，可以合理地假設?國防部= –8 分貝。中心頻率為 922.5 MHz，因此 λ = 0.33 m。圖1所示的系統(tǒng)鏈路預算基于前面描述的公式和參數。

圖1.正向和反向鏈路預算計算。

為了支持標準中定義的 25 米鏈路范圍，標簽靈敏度應優(yōu)于 –18.7 dBm，讀取器靈敏度應優(yōu)于 –70.4 dBm。在標準中，標簽靈敏度要求定義為–18 dBm，這與分析結果非常吻合。但是，讀取器靈敏度要求定義為–65 dBm，與分析結果相比，存在相當大的偏差。這種偏差可能來自標簽天線增益值。在機動車的電子識別應用中，沒有必要將標簽天線設計成全向的。添加反射器將產生額外的3 dB安滕納增益。由于標簽天線增益（Gtag）在公式2中是平方的，因此讀取器靈敏度分析結果將增加6 dB，達到–64.4 dBm。在這種情況下，分析結果將與標準要求相匹配。

UHF RFID 閱讀器中的自干擾器

在UHF RFID系統(tǒng)中，讀取器發(fā)送連續(xù)波（CW）信號為無源標簽供電，同時以相同的頻率接收來自標簽的反向散射信號。由于發(fā)射器與接收器之間的隔離性差，強CW信號以及相關的發(fā)射器噪聲會泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號稱為自干擾器（SJ）信號，這種自干擾信號會降低閱讀器的靈敏度。

在用于機動車輛電子識別的RFID閱讀器中，定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號的發(fā)生主要是由于天線的反射，定向耦合器的有限隔離以及連接到耦合器端口的電路的反射。

為了克服這個SJ信號問題，可以使用兩種方法。第一種是在接收器LNA之前設計一個自干擾器消除（SJC）電路。第二種方法是使用直接變頻接收器架構，同時使用發(fā)射器和接收器使用的相同本振（LO）。在這種情況下，自干擾信號將在基帶處轉換為直流，然后直流隔電容將用于信號的交流耦合。在此直流阻塞點之后，SJ信號被移除，后續(xù)元件的動態(tài)范圍要求被放寬。這意味著基帶上可以增加足夠的增益來降低接收器噪聲系數（NF）。這兩種方法可以單獨使用，也可以組合使用。典型的SJC電路如圖2所示。5

圖2.典型的自干擾器消除電路。

讀取器關鍵射頻性能分析

包含UHF RFID讀取器的SJC電路RF前端框圖如圖3所示。ADI公司的AD9963集成了雙通道DAC和雙通道ADC。ADF9010集成了發(fā)射器調制器、PLL/VCO以及接收器基帶濾波器和PGA。解調器ADL5382包含在ADF9010評估板中。ADL5523用作LNA，因為它具有低噪聲系數、高增益和高線性度。75 dB高動態(tài)范圍RF檢波器LT5538適用于SJC射頻功率檢波器。

圖3.UHF RFID閱讀器射頻前端框圖。

對于發(fā)射機，在數字域中，信號應經過低通濾波，以滿足頻域ACLR要求和時域RF包絡要求。在模擬域中，PA線性度和LO相位噪聲都會影響ACLR性能。低通濾波、TPP編碼ASK信號的峰均比（PAR）約為2 dB。平均PA輸出功率約為32 dBm，裕量為1 dB，因此應選擇P–1 dB以上的PA。至于LO相位噪聲，125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應小于–40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應小于–60 dBc。至于帶外發(fā)射要求，需要一個RF濾波器來滿足發(fā)射機諧波頻率的要求。對于接近工作頻率的要求，例如在915 MHz和930 MHz時要求–52 dBm的100 kHz測量帶寬，RF濾波器通常還沒有衰減，因此調制器在0 dBm輸出功率時的本底噪聲要求約為–52 – 10 ×log10 （105） – 30 = –132 dBm/Hz。5 MHz偏移時的相位噪聲要求也應小于–132 dBc。

對于接收器，GB/T 35786-2017標準中規(guī)定的接收器靈敏度為–65 dBm。假設讀卡器在所有可能的數據速率下都應滿足–65 dBm的靈敏度，而640 kHz的反向鏈路頻率（BLF）是最壞的情況。對于包含RFID讀取器的SJC，從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15 dB，因此SJC輸出點的靈敏度要求為–80 dBm，并假設標簽反向散射信號功率（不包括直流）為–80 – 3 = –83 dBm。ASK調制信號解調閾值約為11 dB，BLF 640 kHz上行鏈路信號的信號帶寬為2.56 MHz。因此，總 NF 要求為 NF ≤ –83 – （–174 + 10 × log10 （2.56 × 106） + 11） = 15.9 dB。該總噪聲要求包括SJC后接收器電路噪聲、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲的影響。假設矢量調制器信號分支和自干擾器分支之間的延遲匹配，這意味著CW自干擾器信號和發(fā)射器泄漏噪聲都被抵消。發(fā)射機漏噪聲包括三部分：相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。通常，幅度噪聲和白噪聲將被抵消到–174 dBm/Hz的本底噪聲。對于殘余相位噪聲，由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO，由于距離相關效應，它將在下變頻期間轉換為直流6。假設矢量調制器支路本底噪聲為 –162 dBm/Hz，因此在 SJC 電路輸出端，有效噪聲系數為 –174 – （–162） = 12 dB，則 SJC 后接收器電路的噪聲系數要求為 10 × log10 （101.59– 101.2） = 13.6 分貝。

基于ADF9010和AD9963的解決方案

ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調制器、本振（LO）和接收器模擬基帶前端，工作頻率范圍為840 MHz至960 MHz。AD9963是一款12位低功耗MxFE轉換器，提供兩個采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個采樣速率為170 MSPS的DAC通道。?

使用ADF9010和AD9963實現UHF RFID閱讀器RF前端的框圖如圖4所示。ADL5523與ADL5382級聯的噪聲系數小于3 dB，ADL5382和ADF9010接收器增益設置為24 dB。

圖4.采用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀取器RF前端。

為了實現UHF RFID讀取器RF前端，本文構建了包含自適應SJC算法的SJC板以及ADF9010和AD9963板。ADF9010和AD9963電路板還集成了解調器ADL5382。兩塊板級聯以測試發(fā)射和接收系統(tǒng)級RF性能。

對于發(fā)射測試，在Python中內置了TPP編碼，50%調制深度，Tari設置為12.5 μs RFID下行鏈路波形的DSB-ASK并下載到FPGA板中。頻譜域ACLR和時域RF包絡在天線端口進行測試，PA輸出功率為32 dBm。測試結果如圖5所示。對于ACLR測試結果，相鄰通道約為–42 dBc，具有2 dB裕量，備用通道約為–64 dBc，具有4 dB裕量。對于RF包絡，紋波小于1%，與5%限值相比，具有足夠的裕量，上升時間和下降時間在1 μs和8.25 μs的范圍內。?

圖5.測試設置照片。

對于接收測試，使用ADI公司的SPDT RF開關HMC545A構建標簽仿真器，并由微控制器單元控制?？刂颇Ｊ绞荝FID上行鏈路FM0編碼數據列表。ASK解碼程序由MATLAB構建。通過使用該程序對IQ進行解碼并將其與數據列表中的原始數據進行比較，可以計算出BER和接收器靈敏度。圖6顯示了接收到的IQ數據和FFT圖。該圖顯示，該程序成功解碼了具有320 kHz BLF的–74 dBm RFID上行鏈路信號。?

美國前交叉韌帶

射頻包絡

圖6.發(fā)射機測試結果。

圖7.接收接收機數據FFT圖和解碼數據。

使用AD9361實現前端

AD9361是一款高度集成的射頻（RF）收發(fā)器，能夠針對各種應用進行配置。該器件集成了在單個器件中提供所有收發(fā)器功能所需的所有射頻、混合信號和數字模塊。為了實現UHF RFID讀取器，發(fā)射器和接收器應使用相同的LO以利用距離相關效應，因此將使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑，而不是正常接收器路徑。AD9361發(fā)送器監(jiān)控路徑繞過內部LNA，因此增加了外部LNA，例如ADI公司的ADL5523。ADL5523是一款高性能砷化鎵pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益。圖8中的框圖顯示了AD9361用于實現UHF RFID讀取器RF前端。與分立元件方案相比，這種基于AD9361的解決方案顯著簡化。AD9361基帶為直流耦合，而非交流耦合。在這種情況下，要求SJC電路能夠將自干擾信號降低到足夠低的水平（例如，小于–35 dBm），而不會使模擬電路飽和。這允許在數字域中移除自干擾器轉換的直流信號。

圖8.采用AD9361框圖的UHF RFID讀取器RF前端。

AD9361發(fā)射器監(jiān)控器路徑增益分布由兩種增益組成：前端增益（發(fā)射器監(jiān)控器增益）和接收低通濾波器增益（GBBF).發(fā)射機監(jiān)視器增益可設置為 0 dB、6 dB 或 9.5 dB。GBBF可以設置為 0 dB 到 24 dB，步長為 1 dB。通過這種靈活的增益配置，可以輕松實現接收器AGC功能。對于此 UHF RFID 讀取器應用，發(fā)射器監(jiān)控器增益設置為 3 dB 和 GBBF選擇 6 dB 的設置。當AD9361增益設置為3 dB時，ADL5523和AD9361發(fā)射器監(jiān)控端口的級聯噪聲系數約為12.6 dB。與 13.6 dB 的分析要求相比，此設置的裕量為 1 dB，而如果殘余自干擾器為 –35 dBm，則數字域功率為 –7 dBfs。

基于AD9361的解決方案、測試設置和結果

為了實現UHF RFID閱讀器RF前端，構建了一個包含自適應SJC算法的SJC板。它與AD9361級聯，以測試發(fā)射器和接收器系統(tǒng)級RF性能。測試設置框圖和照片如圖9和圖10所示。

圖9.測試設置框圖。

圖10.測試設置照片。

測試結果如圖 11 所示。對于ACLR測試結果，相鄰通道約為–42 dBc，裕量為2 dB，備用通道為–61 dBc，裕量為1 dB。對于RF包絡，紋波小于1%，滿足5%限制的裕量要求。上升時間和下降時間在1 μs和8.25 μs的范圍內。

美國前交叉韌帶

射頻包絡

圖11.發(fā)射機測試結果。

對于接收機測試，構建RFID上行鏈路FM0編碼數據列表并將其下載到信號發(fā)生器SMW200A，然后配置為SMW200A以使用此數據列表發(fā)送DSB ASK信號。AD9361接收到的IQ數據存儲在FPGA板中，并使用FTP工具傳輸到PC。ASK解碼程序由MATLAB構建。使用此程序，將解碼數據與數據列表中的原始數據進行比較，然后計算BER和接收器靈敏度。圖 12 顯示了 MATLAB 程序的 FFT 圖和解碼數據。經測試，該程序成功解碼了具有640 kHz BLF的–65 dBm RFID上行鏈路信號。

圖12.接收接收機數據FFT圖和解碼數據。

結論

本文首先總結了我國機動車電子識別標準。然后分析了UHF RFID系統(tǒng)級鏈路預算、SJC等RFID關鍵技術以及關鍵射頻性能要求。最后，設置基于ADF9010和AD9963的解決方案，以及基于AD9361的UHF RFID閱讀器RF前端，以測試系統(tǒng)級性能?；贏DF9010和AD9963的解決方案具有高性能和很大的裕量，可滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求?；贏D9361的集成解決方案也滿足了這些要求，但代價是接收器靈敏度下降，與分立式雙元件方案相比，它大大簡化。盡管本文中描述的RF前端是特定于應用的，但分析方法和該前端本身都適用于通用UHF RFID讀取器解決方案。

審核編輯：郭婷