1引言

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

按照閱讀器發射頻率的不同，RFID系統可以分為低頻（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。目前大多數應用中的RFID系統使用的是低頻和高頻系統。但研究發現，更適合未來、特別是商業供應鏈中應用的是UHF頻段系統。

在選擇UHF RFID接收機電路方案的時候，設計復雜度、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，使得UHF RFID閱讀器設計大為簡化，成本低廉，跟同類產品相比具有很高的性價比。

2典型RFID系統組成

射頻識別系統的組成一般包括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系統還必須包括PC、閱讀器天線、接口電纜、終端監控軟件等，有時一個RFID系統還需要跟Internet相連以獲得遠端的數據信息或跟多個RFID系統相連。

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據。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據，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過天線發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處理。通常在閱讀器讀標簽的時候給主機系統傳遞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，就知道了該產品的位置，以及它是什么產品，然后根據時間數據跟蹤標簽，就隨時隨地知道產品的位置。

3 UHF RFID閱讀器設計原理

UHF RFID閱讀器工作在UHF頻段，國際通用的UHF頻段就是ISM（工業、科學、醫藥）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，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。超高頻系統的基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內保存的數據量較大、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據傳輸和從電子標簽到閱讀器的數據傳輸是交替進行的，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的。

4零中頻UHF RFID接收機

在選擇UHF RFID接收機電路方案時，設計復雜度、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信號（即基帶信號），不僅極大地降低了成本，而且結構非常簡單、調測試方便。

本文研制的零中頻UHF RFID閱讀器接收電路設計原理如圖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、負壓產生器和ADC。天線用于接收標簽反射回的ASK調制波，環行器用于將閱讀器收發信號分開。接收到的信號通過環行器直接進入50 Ω微帶線，微帶線的終端短路。

假設在A點的接收信號為：

其中B（t）是標簽內部存儲的數據信息，一般為單極性的二進制數據；φ為收發信號之間的相位差，跟閱讀器天線和標簽之間的距離有關。接收信號在微帶線經過三級移相（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信號分別經過二極管檢波電路直接解調為一個基帶信號（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，發射之路仍然要發射CW波，這樣收發之間就會存在干擾。閱讀器中收發隔離一般大部分都采用環形器，但環行器的隔離度一般僅有-25 dB，難以有效地抑制發射泄漏的強信號，從而降低射頻識別系統中接收機的接收靈敏度，主要表現是標簽的識別距離將大大降低。所以收發隔離度的大小直接影響系統識別的距離。本文采用的方案是零中頻結構，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路分別經過一個雙通道差分運算放大器，將一個差分信號轉變成單端信號并放大，用于驅動后端的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將經過放大的模擬信號轉變成數字信號。AD7827BR是8位的串行模數轉換器，具有1 MS／s的抽樣速率和420 ns的轉換時間，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，經標簽返射回到閱讀器的信號大小與二者之間的距離有關。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電阻器搭建一個限幅電路以保護ADC。ADC之后的數字信號處理器（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。整個電路板結構如圖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據信息。其中$波形為接收數據，藍色波形為發射機產生的發射數據。

5結語

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