长距离HF射频识别信号检测技术研究与实现

　EPC Global是在全球统一标识系统和计算机互联网的基础上,利用射频识别技术(RFID) 、无线数据通信等技术,给每一个实体一个唯一的代码,构造的一个覆盖世界上万事万物的实物互联网,通常简称“物联网”,可提高供应链管理水平、降低成本,被誉为具有革命性意义的新技术 。 

    EPC Global推荐采用的是UHF频段的RFID技术。由于UHF频段的电磁波波长较短,容易被水分子吸引而导致信号的急剧恶化,所以UHF频段的标签不适宜贴在水份含量大的货品上,如酒、饮料等,同时也不适合湿度比较大的应用环境。HF频段(13. 56MHz)的RFID技术则可有效地补充UHF频段的这一不足处,因为HF频段的电磁波波长较长,对水份不敏感。目前,短距离HF频段的RFID技术比较成熟,而长距离HF频段的RFID技术还有待发展。下面首先分析HF射频识别信号的反射负载调制原理 ,如图1所示。 

图1　负载调制原理 

    阅读器天线与标签天线之间等效于一个空气松耦合变压器,利用感应磁场与电抗影响实现通信。一方面,当阅读器的调制信号加载到天线线圈上,电流I1使天线产生时谐交变磁场,磁通在标签线圈中感生电压,为标签芯片提供工作能量和指令数据。另一方面,标签端的输入阻抗可以反映到阅读器端,并影响阅读器天线的等效阻抗。标签芯片中的场效管截止或导通,使标签端的天线谐振或短路,反映两种不同的负载阻抗,导致阅读器端A点电压起伏变化。阅读器接收电路实时检测A点电压峰值的变化,把标签反射的负载调制信号提出来。经信号处理后,将模拟信号转换成数字信号,并送入MCU。 

    实现长距离HF射频识别要两个基本条件:阅读器能够“唤醒”标签芯片;阅读器能够检测到反射负载调制信号。实现长距离HF射频识别是一个系统性问题,需要考虑多方面的因素,包括增强阅读器的发射功率、改进阅读器的天线、提高标签天线的品质因素、提高接收灵敏度等。本文主要从信号检测方面着手研究,提出一种分立式反射调制信号检测方案。关键是改善接收通路环节设计和提高信噪比,从而解决现有短距离阅读器的缺陷。 

1　反射信号的调制与编码 

    标签在阅读器的感应磁场区域内,利用标签芯片切换负载,调制载波( fc = 13.56MHz)以产生副载波fs。副载波的产生实质是对阅读器发射的载波进行分频。根据ISO国际标准定义的数值,调制幅度至少为10 mV。 

    负载调制有两种模式:单副载波模式与双副载波模式。使用一种副载波时,负载调制的副载波频率fs1 是fc /32 (423. 75 kHz) ;使用两种副载波时,负载调制的副载波频率fs1 是fc /32, 频率fs2 是fc /28(484. 28 kHz) ,它们之间应当是连续的相位关系。 

    使用单副载波的位编码。逻辑0开始于8个fs1的脉冲, 随后是未调制的18. 88 μs时间, 见图2(A) 。逻辑1开始于未调制的18. 88μs时间,随后是8个fs1 的脉冲,见图2 (B) 。  

图2　单副载波的逻辑0与逻辑1 

    使用双副载波的位编码。逻辑0开始于8个fs1 的脉冲,随后是9个fs2 的脉冲,见图3 (A)。逻辑1开始于9个fs1 的脉冲,随后是8个fs2 的脉冲,见图3 (B)。 

图3　双副载波的逻辑0与逻辑1

    上述两种副载波模式可以适应不同的应用要求。以下本文提出的一种新型副载波检测方案能同时识别这两种模式的副载波。 

2　检测方案设计 

    上述的反射信号是利用副载波将标签数据信息调制到载波中。因此,要从反射信号中提取标签的数据信息, 先要对反射信号进行包络检波, 从 13. 56MHz的调制载波中提取副载波信号; 然后再对副载波进行解调才能提取出数据信息。对副载波进行解调,主要是检测副载波的频率与过零次数。本文提出一种新型副载波检测方案,如图4所示。阅读器天线端的A点电压变化信号,先经并联谐振回路选频,中心频率为13. 56MHz,基本带宽为500 kB,满足副载波信号的通带要求。再经包络检波器,将副载波从载波信号中分离出来。包络检波的输出信号较微弱,为避免噪声与幅度波动对副载波解调的不良影响,需要利用带通滤波器和中频放大器来改善信噪比。经放大的信号,经带通滤波器进入解调器。解调电路包括限幅器、移相器、乘法解调器、低通滤波器。解调电路将副载波信号的频率变化转换成电平信号的幅度变化。最后由电平判决电路(滞回比较电路)将模拟信号转换成数字信号,送入微控制器中,见图4。 

3　关键环节设计 

3.1　包络检波 
    采用二极管包络检波方法,利用了二极管单向导电特性和检波负载RC充放电过程,如图5所示。  

图5　包络检波器

图6　检波增益比较

    这种包络检波的优点在于电路简单、线性度好, 缺点是检波门限要求高、检波增益低。从图6可见,二极管检波的增益比相干检波的低, 因为二极管输入电阻使输入谐振回路的Q 值降低,消耗一些高频功率,所以需要将检测到的微弱反射信号通过中频放大器加以放大。 

3.2　中频带通滤波 
    一般RC 无源滤波电路传递函数幅度小, 带负载能力差。而由集成运放和R、C 元件组成的RC有源滤波电路具有传递增益, 带负载能力强,有利于改善电路滤波特性。本文采用一种有源滤波器:二阶无限增益多路反馈带通滤波。其模型如图7所示, 二阶RC 网络接于运放的反相输入端。这种负反馈联接,使集成运放工作于线性状态,有利于避免电路自激。其传递函数如式( 1 )所示。该带通滤波的中心频率设置为455kHz, 3 dB带宽为80 kHz。 

图7　二阶带通滤波电路 

    3.3　限幅、移相解调 
    反射信号经中频放大及带通滤波后,需通过限幅器整形成为矩形波,再进行副载波解调,检测目标在于副载波的频率变化。限幅处理非但没有影响波形所携带的信息,而且还有利于解调信号的电平门限判决。 

    限幅器的矩形波分两路输出:一路直接送至乘法电路的信号为Vt ,另一路经移相器送入乘法电路的信号为Vt’。移相器的基本模型如图8所示,由串联电容和并联谐振回路组成。串联电容Ct起移相作用, Cp和L 组成的并联谐振回路起选频作用, Ct与Cp起阻抗变换作用。Vt与Vt’之间的关系如式(2)所示,相移大小为φ。 

图8　移相解调模型

　移相器的相频特性如图9所示,横坐标为归一化的频率[1 + Δf/f1], 当信号没有发生偏移时的相移为π/2。从图9 中可见, 该相频特性曲线在坐标点(1,π/2)附近存在一段线性关系,可以推导得出相移大小与频偏之间的近似线性关系Φ =π/2- kΔf。移相器的Q值对线性斜率有显著影响。当Q 值较大时,线性斜率比较大,相移对频偏的反应比较灵敏。 

图9　移相器的相频特性 

    上述线性相移特性关系使得Vt与乘法器经低通滤波器的输出Vout之间成比例关系, 比例系数与频偏Δf有关,如式4所示。 

　当频偏Δf > 0时, 输出电压Vout的平均值比较高;当频偏Δf < 0时,输出电压Vout的平均值比较低。利用电平门限比较电路对输出电压的平均值进行判决,则可识别出副载波的频率变化情况, 亦即标签反射负载调制的信息。 

3.4　判决电路 

　本文采用滞回电压比较电路进行电平门限判决, 见图10。把模拟电压信号转换成数字信号。这种电路由于存在回差电压ΔVREF , 当输入信号电压受到干扰时, 只要在基准电压电平附近的干扰电压不超过回差电压时, 则不会导致电路输出状态的跳变, 仍可获得比较稳定的输出电压波形。可见, 滞回比较电路的抗干扰能力强, 但灵敏度有所下降。 

图10　电平门限判决电路

4　结束语 

    本文提出一种新型的副载波检测方案, 获得较高的灵敏度,有效地从微弱的长距离反射信号检测出标签应答数据。经实验测试, 有效的标签感应距离可达50 cm。采用这种检测方法的射频识别阅读器,工作距离长、可靠性高、制造成本低, 可作为UHF频段射频识别阅读器某些应用领域的补充,其市场前景很有吸引力。 

参考文献 
1　强强, 窦延平. 基于RFID技术的AUTO-ID全球网络的构建. 计算机工程, 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　张峰, 李杰, 李世义. 基于副载波的负载调制技术实现引信感应装定信息反馈的方法. 探测与控制学报, 2003; 25 (2) : 16—19 
4　陈鹏, 赖声礼. 基于FPSL IC的射频识别发送通道设计与实现,电测与仪表, 2006 (已录用) . 
5　黄智伟. 无线发射与接收电路设计. 北京:北京航空航天大学出版社, 2004