超高頻射頻識(shí)別讀寫器芯片關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)由于其適中的傳輸距離，較快的通信速率以及較小的天線尺寸而在近年來得到學(xué)術(shù)界和應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的關(guān)注。而其中無源標(biāo)簽系統(tǒng)由于標(biāo)簽的體積小，成本低而可以在大范圍內(nèi)應(yīng)用，在物流，倉(cāng)儲(chǔ)，物品管理及追蹤，防偽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是由于標(biāo)簽對(duì)功耗和成本的限制，系統(tǒng)對(duì)讀寫器的性能要求很高，因此目前市場(chǎng)上大部分的讀寫器是基于高性能分立器件(尤其是射頻模塊)搭建而成，這直接導(dǎo)致了讀寫器成本居高不下，阻礙了RFID系統(tǒng)大規(guī)模的推廣

2、和使用。目前讀寫器的單芯片化趨勢(shì)已經(jīng)越來越明顯，將讀寫器的主要功能模塊(收發(fā)機(jī)，數(shù)字基帶處理)集成到一顆芯片中的方案除了可以有效地降低讀寫器成本以外，還可以大大減小讀寫器功耗和體積，對(duì)低功耗，低成本讀寫器的設(shè)計(jì)具有很大的吸引力。
　　 本論文研究了900MHz頻段RFID讀寫器芯片在CMOS工藝下的實(shí)現(xiàn)，完成了從系統(tǒng)分析，建模，到系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)，硬件實(shí)現(xiàn)并最后通過測(cè)試驗(yàn)證的整個(gè)流程。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)和成果

3、：
　　 1.通過解析分析方法，確定了符號(hào)長(zhǎng)度不一致的PIE編碼數(shù)據(jù)的功率譜表達(dá)式，得到的理論結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義；
　　 2.通過詳細(xì)分析DSB-ASK，SSB-ASK及PR-ASK這3種調(diào)制方式以及標(biāo)簽返回的FMO及Miller編碼信號(hào)的特征，確定了讀寫器發(fā)射信號(hào)在基帶成型濾波之后的功率分布，以及標(biāo)簽反射調(diào)制信號(hào)的功率譜特征，給出了實(shí)際應(yīng)用中信道帶寬和數(shù)據(jù)率的合理取值。該分析結(jié)果在2006年

4、10月提交至信產(chǎn)部無線電管理委員會(huì)頻率規(guī)劃處，做為制定超高頻RFID中國(guó)頻率規(guī)范的參考。該頻率規(guī)范試行稿于2007年5月出臺(tái)；
　　 在電路設(shè)計(jì)部分，讀寫器本地載波泄漏的處理是射頻識(shí)別讀寫器設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)之一，為了使1.8V電源電壓的CMOS接收機(jī)在收到0dBm以上的本地載波干擾同時(shí)，能夠正常處理-70dBm至-40dBm的信號(hào)，采用了以下創(chuàng)新性設(shè)計(jì)：
　　 3.芯片中接收機(jī)采用了第一級(jí)為單平衡無源混頻器的特殊結(jié)構(gòu)，以提

5、高電路的輸入壓縮點(diǎn)。由于無法使用低噪聲放大器來抑制后級(jí)噪聲，無源混頻器的低閃爍噪聲特性有效控制了接收機(jī)噪聲系數(shù)。同時(shí)，單平衡結(jié)構(gòu)可以提供單端到差分轉(zhuǎn)換，可以省去對(duì)片外balun的需要；
　　 4.由于無源混頻器的輸出阻抗較高，后級(jí)無法使用常見的低輸入阻抗并聯(lián)輸入反饋全差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)進(jìn)行直流消除，而需要首先經(jīng)過一個(gè)高阻輸入級(jí)做為緩沖。芯片中使用2級(jí)串聯(lián)輸入負(fù)反饋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)放大器，通過合理分配增益和噪聲指標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無源混頻器輸出緩沖

6、，直流消除，和基帶低噪聲信號(hào)放大的功能。此外，由于載波泄漏下變頻后產(chǎn)生的直流分量很大，設(shè)計(jì)中采用了基于軌對(duì)軌運(yùn)放的偽差分結(jié)構(gòu)，使得直流消除范圍與傳統(tǒng)全差分結(jié)構(gòu)相比大大增加。
　　 該芯片在SMIC0.18um mixed signal CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)，芯片核心電壓1.8V，數(shù)字I/O接口電壓3.3V，整個(gè)芯片面積為3.2*3.5mm2，工作電流為140mA(不包括片上驅(qū)動(dòng)放大器)。芯片測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)載波泄漏為0dBm時(shí)，接

7、收機(jī)中頻放大器輸出最大噪聲為-70dBm/Hz，其主要成分是頻率綜合器相位噪聲經(jīng)過下變頻及基帶放大之后形成的。該測(cè)試結(jié)果給出了具有指導(dǎo)意義的結(jié)果：
　　 5.在直接變頻結(jié)構(gòu)的RFID接收機(jī)中，本地載波泄漏在下變頻時(shí)，由于相位噪聲的相關(guān)性，會(huì)導(dǎo)致一定程度的噪聲抵消，在本設(shè)計(jì)中抵消的幅度測(cè)試為17dB左右。該結(jié)論對(duì)于后續(xù)工作中確定讀寫器中頻綜合器相位噪聲指標(biāo)具有很大的指導(dǎo)意義。
　　 為了驗(yàn)證收發(fā)機(jī)芯片的完整功能，完成了讀寫

8、器原型機(jī)的設(shè)計(jì)，包括收發(fā)機(jī)芯片，數(shù)字接收機(jī)，基帶協(xié)議處理，接口，電源管理及上位機(jī)等。測(cè)試結(jié)果顯示，該原型機(jī)能夠完成完整的讀寫器-標(biāo)簽通信。讀寫器通過PC中上位機(jī)的控制發(fā)出指令，并將接收到的標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)處理后在終端上顯示。測(cè)試中得到正常工作最遠(yuǎn)距離為30cm，此時(shí)讀寫器發(fā)射功率為20dBm。實(shí)驗(yàn)證明，此時(shí)由于載波泄漏中噪聲占主導(dǎo)地位，增加發(fā)射功率時(shí)接收機(jī)噪聲也隨之增加，對(duì)讀寫器距離的改善并無幫助。因此，如何減小載波泄漏對(duì)接收機(jī)噪聲性能的影