EPC Global是在全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)和計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上,利用射頻識別技術(RFID) 、無線數(shù)據(jù)通信等技術,給每一個實體一個唯一的代碼,構(gòu)造的一個覆蓋世界上萬事萬物的實物互聯(lián)網(wǎng),通常簡稱“物聯(lián)網(wǎng)”,可提高供應鏈管理水平、降低成本,被譽為具有革命性意義的新技術 。 

    EPC Global推薦采用的是UHF頻段的RFID技術。由于UHF頻段的電磁波波長較短,容易被水分子吸引而導致信號的急劇惡化,所以UHF頻段的標簽不適宜貼在水份含量大的貨品上,如酒、飲料等,同時也不適合濕度比較大的應用環(huán)境。HF頻段(13. 56MHz)的RFID技術則可有效地補充UHF頻段的這一不足處,因為HF頻段的電磁波波長較長,對水份不敏感。目前,短距離HF頻段的RFID技術比較成熟,而長距離HF頻段的RFID技術還有待發(fā)展。下面首先分析HF射頻識別信號的反射負載調(diào)制原理 ,如圖1所示。 

圖1　負載調(diào)制原理 

    閱讀器天線與標簽天線之間等效于一個空氣松耦合變壓器,利用感應磁場與電抗影響實現(xiàn)通信。一方面,當閱讀器的調(diào)制信號加載到天線線圈上,電流I1使天線產(chǎn)生時諧交變磁場,磁通在標簽線圈中感生電壓,為標簽芯片提供工作能量和指令數(shù)據(jù)。另一方面,標簽端的輸入阻抗可以反映到閱讀器端,并影響閱讀器天線的等效阻抗。標簽芯片中的場效管截止或?qū)?使標簽端的天線諧振或短路,反映兩種不同的負載阻抗,導致閱讀器端A點電壓起伏變化。閱讀器接收電路實時檢測A點電壓峰值的變化,把標簽反射的負載調(diào)制信號提出來。經(jīng)信號處理后,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并送入MCU。 

    實現(xiàn)長距離HF射頻識別要兩個基本條件:閱讀器能夠“喚醒”標簽芯片;閱讀器能夠檢測到反射負載調(diào)制信號。實現(xiàn)長距離HF射頻識別是一個系統(tǒng)性問題,需要考慮多方面的因素,包括增強閱讀器的發(fā)射功率、改進閱讀器的天線、提高標簽天線的品質(zhì)因素、提高接收靈敏度等。本文主要從信號檢測方面著手研究,提出一種分立式反射調(diào)制信號檢測方案。關鍵是改善接收通路環(huán)節(jié)設計和提高信噪比,從而解決現(xiàn)有短距離閱讀器的缺陷。 

1　反射信號的調(diào)制與編碼 

    標簽在閱讀器的感應磁場區(qū)域內(nèi),利用標簽芯片切換負載,調(diào)制載波( fc = 13.56MHz)以產(chǎn)生副載波fs。副載波的產(chǎn)生實質(zhì)是對閱讀器發(fā)射的載波進行分頻。根據(jù)ISO國際標準定義的數(shù)值,調(diào)制幅度至少為10 mV。 

    負載調(diào)制有兩種模式:單副載波模式與雙副載波模式。使用一種副載波時,負載調(diào)制的副載波頻率fs1 是fc /32 (423. 75 kHz) ;使用兩種副載波時,負載調(diào)制的副載波頻率fs1 是fc /32, 頻率fs2 是fc /28(484. 28 kHz) ,它們之間應當是連續(xù)的相位關系。 

    使用單副載波的位編碼。邏輯0開始于8個fs1的脈沖, 隨后是未調(diào)制的18. 88 μs時間, 見圖2(A) 。邏輯1開始于未調(diào)制的18. 88μs時間,隨后是8個fs1 的脈沖,見圖2 (B) 。  

圖2　單副載波的邏輯0與邏輯1 

    使用雙副載波的位編碼。邏輯0開始于8個fs1 的脈沖,隨后是9個fs2 的脈沖,見圖3 (A)。邏輯1開始于9個fs1 的脈沖,隨后是8個fs2 的脈沖,見圖3 (B)。 

圖3　雙副載波的邏輯0與邏輯1

    上述兩種副載波模式可以適應不同的應用要求。以下本文提出的一種新型副載波檢測方案能同時識別這兩種模式的副載波。 

2　檢測方案設計 

    上述的反射信號是利用副載波將標簽數(shù)據(jù)信息調(diào)制到載波中。因此,要從反射信號中提取標簽的數(shù)據(jù)信息, 先要對反射信號進行包絡檢波, 從 13. 56MHz的調(diào)制載波中提取副載波信號; 然后再對副載波進行解調(diào)才能提取出數(shù)據(jù)信息。對副載波進行解調(diào),主要是檢測副載波的頻率與過零次數(shù)。本文提出一種新型副載波檢測方案,如圖4所示。閱讀器天線端的A點電壓變化信號,先經(jīng)并聯(lián)諧振回路選頻,中心頻率為13. 56MHz,基本帶寬為500 kB,滿足副載波信號的通帶要求。再經(jīng)包絡檢波器,將副載波從載波信號中分離出來。包絡檢波的輸出信號較微弱,為避免噪聲與幅度波動對副載波解調(diào)的不良影響,需要利用帶通濾波器和中頻放大器來改善信噪比。經(jīng)放大的信號,經(jīng)帶通濾波器進入解調(diào)器。解調(diào)電路包括限幅器、移相器、乘法解調(diào)器、低通濾波器。解調(diào)電路將副載波信號的頻率變化轉(zhuǎn)換成電平信號的幅度變化。最后由電平判決電路(滯回比較電路)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,送入微控制器中,見圖4。 

3　關鍵環(huán)節(jié)設計 

3.1　包絡檢波 
    采用二極管包絡檢波方法,利用了二極管單向?qū)щ娞匦院蜋z波負載RC充放電過程,如圖5所示。  

圖5　包絡檢波器

圖6　檢波增益比較

    這種包絡檢波的優(yōu)點在于電路簡單、線性度好, 缺點是檢波門限要求高、檢波增益低。從圖6可見,二極管檢波的增益比相干檢波的低, 因為二極管輸入電阻使輸入諧振回路的Q 值降低,消耗一些高頻功率,所以需要將檢測到的微弱反射信號通過中頻放大器加以放大。 

3.2　中頻帶通濾波 
    一般RC 無源濾波電路傳遞函數(shù)幅度小, 帶負載能力差。而由集成運放和R、C 元件組成的RC有源濾波電路具有傳遞增益, 帶負載能力強,有利于改善電路濾波特性。本文采用一種有源濾波器:二階無限增益多路反饋帶通濾波。其模型如圖7所示, 二階RC 網(wǎng)絡接于運放的反相輸入端。這種負反饋聯(lián)接,使集成運放工作于線性狀態(tài),有利于避免電路自激。其傳遞函數(shù)如式( 1 )所示。該帶通濾波的中心頻率設置為455kHz, 3 dB帶寬為80 kHz。 

圖7　二階帶通濾波電路 

    3.3　限幅、移相解調(diào) 
    反射信號經(jīng)中頻放大及帶通濾波后,需通過限幅器整形成為矩形波,再進行副載波解調(diào),檢測目標在于副載波的頻率變化。限幅處理非但沒有影響波形所攜帶的信息,而且還有利于解調(diào)信號的電平門限判決。 

    限幅器的矩形波分兩路輸出:一路直接送至乘法電路的信號為Vt ,另一路經(jīng)移相器送入乘法電路的信號為Vt’。移相器的基本模型如圖8所示,由串聯(lián)電容和并聯(lián)諧振回路組成。串聯(lián)電容Ct起移相作用, Cp和L 組成的并聯(lián)諧振回路起選頻作用, Ct與Cp起阻抗變換作用。Vt與Vt’之間的關系如式(2)所示,相移大小為φ。 

圖8　移相解調(diào)模型

　移相器的相頻特性如圖9所示,橫坐標為歸一化的頻率[1 + Δf/f1], 當信號沒有發(fā)生偏移時的相移為π/2。從圖9 中可見, 該相頻特性曲線在坐標點(1,π/2)附近存在一段線性關系,可以推導得出相移大小與頻偏之間的近似線性關系Φ =π/2- kΔf。移相器的Q值對線性斜率有顯著影響。當Q 值較大時,線性斜率比較大,相移對頻偏的反應比較靈敏。 

圖9　移相器的相頻特性 

    上述線性相移特性關系使得Vt與乘法器經(jīng)低通濾波器的輸出Vout之間成比例關系, 比例系數(shù)與頻偏Δf有關,如式4所示。 

　當頻偏Δf > 0時, 輸出電壓Vout的平均值比較高;當頻偏Δf < 0時,輸出電壓Vout的平均值比較低。利用電平門限比較電路對輸出電壓的平均值進行判決,則可識別出副載波的頻率變化情況, 亦即標簽反射負載調(diào)制的信息。 

3.4　判決電路 

　本文采用滯回電壓比較電路進行電平門限判決, 見圖10。把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這種電路由于存在回差電壓ΔVREF , 當輸入信號電壓受到干擾時, 只要在基準電壓電平附近的干擾電壓不超過回差電壓時, 則不會導致電路輸出狀態(tài)的跳變, 仍可獲得比較穩(wěn)定的輸出電壓波形?？梢? 滯回比較電路的抗干擾能力強, 但靈敏度有所下降。 

圖10　電平門限判決電路

4　結(jié)束語 

    本文提出一種新型的副載波檢測方案, 獲得較高的靈敏度,有效地從微弱的長距離反射信號檢測出標簽應答數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗測試, 有效的標簽感應距離可達50 cm。采用這種檢測方法的射頻識別閱讀器,工作距離長、可靠性高、制造成本低, 可作為UHF頻段射頻識別閱讀器某些應用領域的補充,其市場前景很有吸引力。 

參考文獻 
1　強強, 竇延平. 基于RFID技術的AUTO-ID全球網(wǎng)絡的構(gòu)建. 計算機工程, 2004; 30 (12) : 191—193 
2Chen Peng, Lai Shengli. The analysis and design of a novel passive reflection modulation tag. 4 th International Conference on Microwave and Milli2meterWave Technology, Proceedings, 18—21Aug 2004: 402—405. IEEE, 345E 47 th ST, New York, NY 10017 USA 
3　張峰, 李杰, 李世義. 基于副載波的負載調(diào)制技術實現(xiàn)引信感應裝定信息反饋的方法. 探測與控制學報, 2003; 25 (2) : 16—19 
4　陳鵬, 賴聲禮. 基于FPSL IC的射頻識別發(fā)送通道設計與實現(xiàn),電測與儀表, 2006 (已錄用) . 
5　黃智偉. 無線發(fā)射與接收電路設計. 北京:北京航空航天大學出版社, 2004