RFID超高频阅读器（读卡器）结构方案

我们先将对阅读器的结构方案进行译解，由于超高频RFID系统遵循ISO/IEC 18000-6C 协议标准,符合协议所要求的调制方式、数据率以及编解码方式，如图下所示为超高频RFID阅读器主流的方案框图。框图主要分为两部分：射赖前端和数字基带部分，本节重点介绍射频前端部分(多数开发者采用专用芯片开发阅读器，射频前端是系统的关键)。

本设计中,从天线经环形器馈入接收机的标签返回信号不像传统的射颜接收机一样直接通过LNA和带通滤波器、这是因为在传统的射颜接收机中,接收信号先通过带通滤波器，可以去除频段外的干扰，并对接收的微弱信号进行放大,但是在超高频RFID 系统中,滤波器的用处并不大,因为其他频段的干扰信号幅度相对于无源标签反向散射的信号幅度较小(无源标签的信号强度一般为-60dBm左右,而同额带的干扰信号一般为-100dBm左右);而不通过LNA.则是因为超高频RFID的主要噪声来源于环形器泄漏的未调制载波很容易导致低噪声放大器饱和并带来进一步影响,数字基带部分由模数转换器(ADC)、数字信号处理模块、协议控制器组成。其信号数字化采样、通道计算选择、数据相干判决以及数据编解码，都由一个单独的FPGA完成(如采用专用芯片,则芯片内部自带数字处理模块)。

1.超高频RFID阅读器射频接收机架构

在现有的射频前端接收机结构中,最简单有效的设计便是在射频频段将信号数字化后直接送人数字基带进行处理，但考虑现有A/D转换技术限制及成本要求，接收机一般将从天线送来的射频信号先一级或多级下变颜到能处理的频段再进行后续处理。根据混频器将天线送来的射频信号下变频到的频率不同,可将接收机分为超外差式接收机、零中频接收机和低中频接收机。

超外差接收机是利用本振将射颜信号直接下变频到中频,选择性与灵敏度较好,较易实现有用信道的选择、AD)转换等，们其结构复杂，组合干扰额率点多，镜像干忧现象在3种结构中最为严重。零中频结构使本振翻率与载频相同，将信号直接下变顿到零题，不存在競像干忧，使得结构相对简单，设计成本低，但存在本报泄漏、直流偏移等问题。低中频结构展克里了直流偏移和闪怀噪声等问题，但是它对本振相位噪声要求较高并存在镜像干扰，在租高额RFID阅读器设计中，绝大多数采用零中频结构，将从天线接收到的射频信号直接通

过本振下变赖到零中骑，并分为1/Q两路信号，如下图所示。

在RFID超高频阅读器中,接收机采用零中频设计结构的主要原因为:阅读器天线接收到的信号为标签对阅读器发送信号的反射，因此接收端接收信号的频率与阅读器本振信号频率相同，并且信号接收端本振和发送端本振可为同一个本振，从而简化电路结构并降低硬件开销，但仍然存在零点效应及信号自混频引起的直流偏移问题，直流偏移将导致后级电路阻塞或输人直流点偏移。

现今，在应对产生的直流偏移时,常用的方法如下:

(1)在混频输出和基带之间加人一个截止频率很低的高通滤波器,滤除直流偏移的影响，为了不干扰有用信号，这些高通滤波器的截止频率通常应不低于数据率的0.1%，在实际应用中通常会用一个大电容代替高通滤波器、此方案最好对基带信号采用适当编码和合适的调制方式,以减少基带信号直流附近的能量。

(2)对于时分复用(Time Division Duplexing.TDD)系统，由于收发时分复用,在发射阶段，接收机处于空闲状态,这时就可以利用这些空闲时隙对直流偏移进行采样并存储起来，在接收机转为工作状态时，将接收到的基带信号和存储的信号相减，就可以消除直流偏移的影响。

(3)谐波混频。将本振信号频率设为接收射频信号频率的一半，本振信号的二次谐波与输人射频信号进行混频。因此，由本振信号泄漏引起的自混频将产生一个与其同频率的交流信号,而不产生直流偏移。有些器件支持该功能,在混题器内部对本振信号进行信類或分频。

(4)利用成熟的数字信号处理技术来确定直流偏移的大小,并将结果反馈回模拟前端来消除直流偏移。

在这些方法中,方法(3)较为复杂,在超高频RFID阅读器中,一方面直流偏移因为本振相位噪声的影响,不一定为直流,而是在低频段;另一方面,因为直流偏移噪声基本来自未调制载波通过隔离器件的泄漏,其强度远大于有用信号幅度,因此必须在放大器放大之前将其消除,故无法使用方法(2)。考虑到接收信号带宽有限,因此,为尽可能消除直流偏移问题,通常情况下在模拟前端采用类似(1)的方法,用截止频率较低的带通滤波器对其进行滤波,以滤除小部分有用信息为代价换取消除直流偏移现象,带通滤波器的低通截止频率由接收信号带宽确定。也可采用方法(4),在射频前端增加功率抵消环路,消除直流偏移影响。

市场上的绝大多数阅读器都是采用了方法(1)大电容隔离的方式减小直流偏置,其中,中高端阅读器同时还采用方法(4)载波抵消的技术方案提高系统灵敏度。