超高频电子标签（RFID)射频模拟前端的设计与仿真

    1 前言

    当前国内对RFID标签的研究都集中在频率为125KHz、134KHz 的低频和13.56MHz 的高频频段, 在860～960MHz 的UHF 段和2.45GHz 以上的微波频段研究相对较少。然而后者由于具有操作距离远、通信速度快、尺寸小等优点, 未来的应用将更广泛。本文介绍了一种符合ISO18 000- 6B 标准的超高频( 中心频率为915MHz) 标签的工作原理、主要特性、系统结构,并给出了其射频模拟前端关键部分电路的设计与仿真。

    2 工作原理及其特性

    2.1 工作原理

    RFID 系统一般包括阅读器、标签( 或称射频卡) 两部分。当标签收到阅读器主动发出的射频信号时, 标签被唤醒,一方面通过射频耦合的方式获取能量, 另一方面将收到的信号进行解调, 从载波中还原出数字信号, 然后根据其中包含的指令完成相应的操作, 并将应答信息通过反向散射回送给阅读器。当同时有多个标签出现在阅读器的射频场时, 阅读器通过启动防冲突算法, 逐个识别标签。

    根据供电方式的不同, 标签可分为有源标签和无源标签两种, 都由标签芯片和天线组成。本文介绍的是一种无源超高频电子标签, 本身无电源, 靠从阅读器的射频场获取能量。每个标签都含有唯一的识别码, 用来标识标签所附着物体的信息。

    2.2 物理接口

    标签和阅读器之间基于“阅读器先发言”的传输机制, 采用半双工的通信方式。射频接口采用ASK 载波调制, 调制深度为11%或99%( 本文设计的标签取99%) , 占用频道带宽为200KHz。前向链路采用Manchester 编码, 反向链路采用FM0编码, 反向散射[3]。

    2.3 标签的应答格式

    标签收到阅读器的命令后, 进行处理并应答, 应答格式如下:

    静默是标签持续2 字节的反向散射; 返回帧头是一个16位数据“00 00 01 01 01 01 01 01 01 01 00 01 10 11 00 01”; 数据通常包含一个64 位的UID 号、8 位的标志段以及用户信息;CRC 采用16 位数据编码[3]。

    3 标签整体系统结构

    标签由天线、射频模拟前端、控制部分组成。

    图1 显示出了标签的系统结构框图。天线用于发射和接收电磁波; 射频模拟前端主要是由包络检波电路、ASK 调制电路、稳压电路、时钟产生电路、偏置电路以及上电复位电路组成, 用于获取能量并调制解调信号; 控制部分含控制逻辑、微处理器( CPU) , 用于控制相关协议、指令及处理功能; EEPROM存储器用于存储标签的系统信息和数据, 存储时间可以长达几十年, 并且在没有供电的情况下, 其数据信息不会丢失。

图1 标签射频模拟前端系统级设计与仿真

    4 标签射频模拟前端系统级设计与仿真

    超高频915MHz 电子标签没有内部电源供电, 所需能量由天线耦合高频信号, 经过模拟前端整流稳压产生。模拟前端的另外一个功能是产生启动数字电路工作的上电复位信号。同时, 模拟前端还将对接收的信息进行解调和对发送信息的调制。所以模拟前端是射频识别系统中的重要组成部分, 是射频识别技术区别与其他自动识别技术的根本标志。

    4.1 标签射频模拟前端的Simulink 功能框架设计

    Matlab 中的Simulink 是一种系统级的仿真工具[4], 将系统中各部分电路的功能对应建立其相应的模块, 先对每个模块单独仿真, 在达到预期效果之后, 再进行整体仿真。

    图2 为用Simulink 仿真工具搭建的标签模拟前端功能框图。

图2 射频模拟前端的Simulink 仿真框图

    4.2 标签射频模拟前端的系统级仿真结果