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本方案接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)基于軟件無(wú)線電理論來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到建立一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)仿真平臺(tái)的目標(biāo)。

射頻前端(RFFE, Radio Frequency Front-End)芯片是實(shí)現(xiàn)手機(jī)及各類移動(dòng)終端通信功能的核心元器件，全球市場(chǎng)超過(guò)百億美金級(jí)別。

5G時(shí)代，終端成為各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。終端是最接近用戶的部分，直接影響用戶的5G體驗(yàn)

根據(jù) Yole 數(shù)據(jù)顯示，2017 年手機(jī)射頻前端中射頻 PA 市場(chǎng)規(guī)模約 50 億美元，在整個(gè)射頻前端中價(jià)值量占比 35%，僅次于濾波器，也是射頻前端價(jià)值量最高的單類型芯片。

本文介紹的射頻前端 MMIC 將在未來(lái)的 28GHz 頻段 5G 系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

手機(jī)通信模塊主要由天線、射頻前端、射頻收發(fā)、基帶構(gòu)成，其中射頻前端是指介于天線與射頻收發(fā)之間的通信元件，是終端通信的核心組成器件。

在過(guò)往的很多報(bào)道中提過(guò)，5G 的到來(lái)會(huì)給射頻前端帶來(lái)巨大的影響。

超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于資產(chǎn)管理、服裝零售等領(lǐng)域。

5G智能手機(jī)的市場(chǎng)反應(yīng)能力在這一個(gè)新的無(wú)線技術(shù)的轉(zhuǎn)型初期是前所未有的，與之前的4G LTE演進(jìn)不同，更多的手機(jī)廠商會(huì)第一時(shí)間將新設(shè)備提供給客戶;不僅是關(guān)鍵的調(diào)制解調(diào)器套片與射頻前端(RFEE)元器件在設(shè)計(jì)周期的早期階段就可以提供給廠商，還因?yàn)檫@些解決方案都是完整的“調(diào)制解調(diào)器到天線”設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步加快初代5G智能手機(jī)投放市場(chǎng)的速度。

終端設(shè)備的無(wú)線通信模塊主要分為天線、射頻前端模塊(RF FEM)、射頻收發(fā)模塊、以及基帶信號(hào)處理器四部分。其中射頻前端是無(wú)線連接的核心，是在天線和射頻收發(fā)模塊間實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送和接收的基礎(chǔ)零件。

射頻前端即RadioFrequencyFront-End，簡(jiǎn)稱RFFE，是天線和射頻收發(fā)機(jī)之間的射頻電路部分。通俗的理解方式就是靠近天線部分的設(shè)備就是射頻前端。

現(xiàn)代民用及軍用設(shè)施使用電子設(shè)備繁多，電磁環(huán)境復(fù)雜，相互干擾嚴(yán)重。一般地，車、船和飛機(jī)上的通信設(shè)備收發(fā)機(jī)都集成在一起。以短波通信設(shè)備為例，發(fā)射機(jī)的殘余信號(hào)在接收機(jī)輸入端產(chǎn)生的電平達(dá)120dBμV(即13dBm)或更高。而接收機(jī)所需接收的微弱信號(hào)電平可能僅-6～0dBμV(即-117～-113dBm)。

由于超高頻RFID的接收和發(fā)射頻率相同，讀卡器結(jié)構(gòu)基本為零中頻結(jié)構(gòu)。零中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)射頻前端沒(méi)有選擇濾波器，對(duì)鄰近頻率的信號(hào)抗干擾能力很弱。我國(guó)在《800/900 MHz頻段射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定(試行)》中規(guī)定的跳頻間隔為250 kHz，這對(duì)零中頻結(jié)構(gòu)的RFID讀卡器在多詢問(wèn)機(jī)環(huán)境下工作是一個(gè)很大的技術(shù)難點(diǎn)。所以，在現(xiàn)階段的多詢問(wèn)機(jī)環(huán)境下工作的UHF RFID讀卡器，基本是工作于時(shí)分復(fù)用方式。在讀卡器中加入單刀多擲開(kāi)關(guān)(Single Pole 4Throw，SP4T)，本機(jī)輪詢4個(gè)天線，可以取代另外的3個(gè)讀卡器，降低整個(gè)系統(tǒng)成本。

巴倫(Balun)也稱平衡轉(zhuǎn)換器，是微波平衡混頻器、倍頻器、推挽放大器和天線饋電網(wǎng)絡(luò)等平衡電路布局的關(guān)鍵部件，可以說(shuō)是無(wú)線局域網(wǎng)射頻前端電路設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，直接影響著無(wú)線通信的性能和質(zhì)量。而差分天線饋線的主要任務(wù)就是高效率的傳輸功率，同時(shí)要保證對(duì)稱陣子的平衡饋電。而在超短波頻段，如果采用平行雙導(dǎo)線做其饋電，雖然能保證這種平衡性，但由于其開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，為防止電磁能量的漏失和不易受氣候和環(huán)境等因素的影響，饋線通常采用屏蔽式同軸電纜，但如果直接與天線端相連，將會(huì)破壞天線本身的對(duì)稱性。這種不平衡現(xiàn)象不僅改變了天線的輸入阻抗匹配，而且使天線方向圖發(fā)生畸變。

RFID系統(tǒng)的基本工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器發(fā)射射頻場(chǎng)后，將天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路后作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻前端電路變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行處理，需要回復(fù)的信息則從標(biāo)簽存儲(chǔ)器發(fā)出，經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過(guò)天線發(fā)回讀寫器。

射頻識(shí)別(RFID)是物聯(lián)網(wǎng)感知環(huán)節(jié)識(shí)別物體、采集信息的重要手段[1-2]。近年物聯(lián)網(wǎng)被世界各國(guó)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加以培育和發(fā)展，RFID已經(jīng)成為通信和電子領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，引起了廣泛關(guān)注。振蕩器是RFID射頻前端的關(guān)鍵模塊，低功耗和小體積是RFID的兩個(gè)重要性能指標(biāo)[3-4]。但目前射頻振蕩器主要采用壓控振蕩器(VCO)[5]，由于VCO同時(shí)采用晶體管和二極管兩個(gè)有源器件，很難滿足RFID對(duì)低復(fù)雜度的要求，需要針對(duì)RFID研究新的振蕩器設(shè)計(jì)方法。

在超高頻段，ISO18000-6標(biāo)準(zhǔn)中的6B多用于交通領(lǐng)域，而6C主要用于物流、生產(chǎn)管理和供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域，二者都是目前常用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。鑒于此，提出一種同時(shí)支持ISO18000-6B和6C雙協(xié)議超高頻RFID讀寫器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用基于專用芯片AS3992的射頻前端模塊和以LM3S8962為主的控制模塊，搭載μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)，通過(guò)程序進(jìn)行串口初始化、AS3992驅(qū)動(dòng)、防碰撞算法、CRC校驗(yàn)和寄存器的讀寫操作等實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)距離操作。本系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、功耗低、體積小、成本低的特點(diǎn)。

在此針對(duì)ISO18000-6C/B標(biāo)準(zhǔn)，研究和分析了UHF RFID無(wú)源標(biāo)簽芯片的系統(tǒng)組成以及模擬射頻前端的電路方案?；贑adence Spectre設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)和TSMCO.18μm CMOS混合信號(hào)工藝，對(duì)模擬射頻前端的整流電路、穩(wěn)壓電路、ASK調(diào)制/解調(diào)電路、上電復(fù)位電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路等核心模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)MPW項(xiàng)目流片實(shí)現(xiàn)。最后，給出了芯片各模塊的測(cè)試結(jié)果。

實(shí)現(xiàn)了一種基于MP300讀卡器電路的射頻前端電路仿真模型。通過(guò)對(duì)讀卡器的發(fā)射線圈及場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈等進(jìn)行分析和建模，結(jié)合ISO14443對(duì)RFID模擬前端電路的要求，搭建了與測(cè)試條件高度吻合的仿真電路模型。模型中射頻發(fā)射線圈、場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)定線圈及標(biāo)簽線圈之間的電磁耦合用耦合系數(shù)k表示。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該仿真模型在1.5 A/m~7.5 A/m場(chǎng)強(qiáng)下對(duì)待測(cè)卡片電源獲取、時(shí)鐘獲取、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)調(diào)制及信號(hào)串?dāng)_等方面的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的一致性較好，能幫助模擬前端芯片設(shè)計(jì)快速收斂至設(shè)計(jì)目標(biāo)。

利用Xilinx的FPGA設(shè)計(jì)了一個(gè)FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)，用于無(wú)源高頻電子標(biāo)簽芯片的功能驗(yàn)證。主要描述了驗(yàn)證平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)，解決了由分立元件實(shí)現(xiàn)模擬射頻前端電路時(shí)存在的問(wèn)題，提出了FPGA器件選型原則和天線設(shè)計(jì)的理論模型。同時(shí)，給出了驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試證明了驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。該驗(yàn)證平臺(tái)有力地支撐了RFID芯片的功能驗(yàn)證，大大提高了標(biāo)簽芯片的投片成功率。

使用分立元件搭建的新型超高頻讀寫器方案設(shè)計(jì)靈活，相比于一些讀寫器使用集成芯片，這種方法可以大大縮減設(shè)計(jì)成本，且其性能毫不遜色于市面上大多數(shù)讀寫器。讀寫器系統(tǒng)包括了軟件和硬件兩部分，在這里重點(diǎn)講述其硬件電路的設(shè)計(jì)并同時(shí)介紹軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件主要包含了基帶信號(hào)的處理部分和射頻前端，在處理器上配套運(yùn)行的軟件系統(tǒng)主要包括了協(xié)議處理、編解碼、硬件系統(tǒng)的控制以及與上位機(jī)的通信。

提出了一種基于ISO/IEC15693 協(xié)議的標(biāo)簽芯片編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，使編解碼更加完整準(zhǔn)確。采用Verilog HDL建立RTL模型，用ModelSim進(jìn)行功能仿真，并在Altera DE2-115與射頻前端搭建的平臺(tái)上進(jìn)行了FPGA驗(yàn)證。最后不僅功能驗(yàn)證正確，而且比協(xié)議中要求的識(shí)別凹槽寬度范圍廣，處理更加靈活，同時(shí)減小了射頻前端模擬解調(diào)的壓力。對(duì)其他編解碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也有一定的借鑒意義。

提出一種新的基于nRF2401射頻芯片和MSP430單片機(jī)的腕帶式有源電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)，包括硬件匹配電路設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)以及軟件編程設(shè)計(jì)。該有源電子標(biāo)簽工作于2.45GHz,采用內(nèi)設(shè)豐富且功能強(qiáng)大的無(wú)線收發(fā)模塊nRF2401作為射頻前端，外圍電路極少，滿足腕帶式電子標(biāo)簽體積小的設(shè)計(jì)要求;采用低功耗高性能的MSP430單片機(jī)作為微控制器，數(shù)據(jù)處理速度快并且兼顧低功耗的要求。測(cè)試結(jié)果證明，該標(biāo)簽整體性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，工作距離可達(dá)70m。

一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)無(wú)線通信IC依功能可以分成三部分：首先為負(fù)責(zé)接收/發(fā)送射頻信號(hào)的射頻IC(Radio Frequency IC)，此部分屬于射頻前端，為純粹的模擬電路設(shè)計(jì)；其次為負(fù)責(zé)二次升/降頻與調(diào)制/解調(diào)功能的中頻電路(IF IC)，以及與鎖相回路(PLL)、頻率合成器(Synthesizer)等組件，目前此段多屬于模擬/數(shù)字的混和模式(mixed mode)的電路；最后則是負(fù)責(zé)A/D、D/A、信號(hào)處理器及CPU等純數(shù)字部分的基頻IC(Baseband IC)。

由于超高頻RFID的接收和發(fā)射頻率相同，讀卡器結(jié)構(gòu)基本為零中頻結(jié)構(gòu)。零中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)射頻前端沒(méi)有選擇濾波器，對(duì)鄰近頻率的信號(hào)抗干擾能力很弱。我國(guó)在《800／900 MHz頻段射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定(試行)》中規(guī)定的跳頻間隔為250 kHz，這對(duì)零中頻結(jié)構(gòu)的RFID讀卡器在多詢問(wèn)機(jī)環(huán)境下工作是一個(gè)很大的技術(shù)難點(diǎn)。

2.4GHz工業(yè) 科學(xué) 醫(yī)療設(shè)備(ISM)是全世界公開(kāi)通用使用的無(wú)線頻段，藍(lán)牙( Bluetooth)、 Wi-Fi、 ZigBee等短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信均工作在2.4GHz ISM頻段。

無(wú)線識(shí)別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)即將成為產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，除了對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)帶來(lái)正面的影響外，還可能為行動(dòng)通訊帶來(lái)新的商機(jī)。本文概括的介紹了現(xiàn)行RFID的系統(tǒng)架構(gòu)以及相關(guān)應(yīng)用，并且以芯片中心的標(biāo)簽芯片為例子，介紹EPCglobal Class 1 Gen. 2標(biāo)簽的射頻前端架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

本文研究了直接下變頻接收機(jī)的原理和實(shí)現(xiàn)方案，并成功的用軟硬件平臺(tái)對(duì)其實(shí)現(xiàn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于成功的實(shí)現(xiàn)了直接下變頻接收機(jī)，在運(yùn)用鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)2.4G本地振蕩信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果表明在2.4G高頻之下鎖相環(huán)有鎖定時(shí)間短，相位噪聲小，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)說(shuō)明了實(shí)際工程中需要注意的問(wèn)題和克服直接下變頻接收機(jī)固有缺陷的途徑，實(shí)測(cè)結(jié)果表明接收機(jī)性能良好，指標(biāo)都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。