基于FPGA的无线射频读卡器开发与设计

2008-01-20 14:40:07来源: 互联网
      与其他常用的自动识别技术如条形码和磁条一样,无线射频识别(RFID)技术也是一种自动识别技术。每一个目标对象在射频读卡器中对应唯一的电子识别码(UID),或者“电子标签”。标签附着在物体上标识目标对象,如纸箱、货盘或包装箱等。射频读卡器(应答器)从电子标签上读取识别码。 
  
       基本的RFID系统由三部分组成:天线或线圈、带RFID解码器的收发器和RFID电子标签(每个标签具有唯一的电子识别码)。表1显示了常用的四个RFID频率及其潜在的应用领域。其中,目前商业上应用最广的是超高频(UHF),它在供应链管理中有可能得到广泛的应用。

EPC电子标签

      EPC表示电子产品代码,是RFID电子标签的标准,它包括电子标签的数据内容和无线通信协议。EPC标准将条形码规范中的数据信息标准与ANSI或其他标准化组织(802.11b)制定的无线数据通信标准结合在一起。目前应用在供应链管理中的EPC标准,属于第二代EPC Class-1标准。

Class-1标签在出厂时已经被写入,但也是可以现场下载。通常情况下,一旦标签已被写入,内存即被锁定不可再次写入信息。Class-1标签采用常规的分组传输协议—读卡器发送包含相关命令和数据的数据包,标签随后做出响应。

恶劣的读卡器应用环境 

      RFID的应用环境可能非常恶劣。信道的工作频率是免许可的工业、科技与医药(ISM)频带。此频带中的RFID读卡器受到来自无绳电话、无线耳麦、无线数据网络以及其他临近读卡器的干扰。必须将每一读卡器的RF接收器前端设计为能够抵御强干扰信号,避免产生可导致询问错误的失真。接收器的噪声必须保持在较低的水平,以便具备足够的动态范围,从而以无错方式检测出低电平标签响应信号。 
                       
      图1中所示的读卡器RF射频收发器,是一个成熟的设计,能够在存在大量干扰源的恶劣环境中稳定地工作。发射器和接收器都带有一个高动态范围直接转换调制器和解调器,因此最大限度地提高了稳定性并降低了成本。

实用和可靠的射频接收器设计

      接收器的核心是Linear公司的LT5516,这是一种高度集成化的直接转换正交解调器,芯片上提供了一个精确正交移相器(0度至90度)。来自天线的信号在通过射频滤波器之后,通过一个不平衡变压器直接输入到解调器输入端口。由于LT5516的噪声系数很低,在不需要低噪放大器(LNA)的情况下,仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

在接收数据时,读卡器发射连续载波(未调制),以便为标签提供电源。在收到请求后,电子标签通过对载波进行调幅,响应一个码流。所采用的调制方式为幅移键控(ASK)或者反相-幅移键控键控(PR-ASK)。解调器带有两个正交移相检出式输出端口,因此具备天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消导致某个通道无法接收信号,另一条通道(移相90度)就可接收较强的信号,反之亦然。这样,整体接收可靠性就得以提高。

      一旦解调完成,即可将I(相内)和Q(正交相位)差分输出信号以AC方式耦合至一个运算放大器(被配置为一个差分放大器),随后被转换为单端输出信号。这个时候应将高通角频率设置为5KHz,低于接收数据流的最小信号频率,高于最大多普勒频率(可能被运动标签采用),同时保持高于电力线频率(60Hz)。这样,输出信号就能利用被配置为四阶低通的LT1568顺利穿过低通滤波器。低通角频率应被设置为5MHz,以便最大码流信号穿过滤波器,达到基带。

      基带信号然后被一个双路低功耗模数转换器(LTC2291,分辨率为12位)进行数字化处理。由于标签码流的带宽为5KHz至5MHz,LTC2291能够以25MSps的速率进行充分的采样,从而精确地捕获解调信号。在需要的时候,还可在基带DSP中实现额外的数字滤波。这样,接收器就能具备最大的逻辑阈值设置灵活性,该设置可由基带处理器以数字化方式执行。

基带任务和数字化射频信道化处理,可提高用全FPGA解决方案实现的吸引力和集成度。

高动态范围射频发射器设计

      发射器集成了一个镜像抑制直接转换式调制器。LT5568具备很高的线性度和较低的背景噪声,因此能够为所发射的信号提供出色的动态范围性能。调制器能够从数模转换器(DAC)接收正交式基带I和Q信号,然后直接调制至900MHz发射频率。

      在内部,LO(本地振荡器)被精确正交移相器分割。经调制的射频信号被合并为一个单端、单边带射频输出信号(镜像被抑制了46dBc)。此外,调制器还带有匹配的I和Q混合器,从而最大限度地抑制了LO载波信号(至-43dBm)。

      复合调制电路具备出色的邻道功率比(ACPR),有助于满足发射频率屏蔽要求。例如,当调制器射频输出电平为-8dBm时,ACPR指标优于-60dBc。由于具备更出色的ACPR性能,信号可被放大至许可的1w功率(在美国为+30dBm),或者放大至2w,以符合欧盟规范。在上述两种情况下,重要的是保持电平固定,因为该电平用于向电子标签提供电源,并最大化读卡距离。LTC5505型射频功率检测器的内部温度补偿功能,可准确地测定功率,提供稳定的反馈信号,以调节射频功率放大器的输出功率。

基带处理和网络接口

      在基带频率上,FPGA执行发送至DAC和来自模数转换器(ADC)的波形的信道化任务。这一过程也被称为数字中频处理,涉及滤波、增益控制、频率转换和采样率变化等。FPGA甚至可以并行处理多个信道。 
 
图2显示了一个射频读卡器的架构。其他基带处理任务包括:
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编辑:吕海英 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/dsp/200801/article_17589.html
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