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

1、超高頻射頻識別系統(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。而其中無源標簽系統(tǒng)由于標簽的體積小，成本低而可以在大范圍內(nèi)應(yīng)用，在物流，倉儲，物品管理及追蹤，防偽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但是由于標簽對功耗和成本的限制，系統(tǒng)對讀寫器的性能要求很高，因此目前市場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已經(jīng)越來越明顯，將讀寫器的主要功能模塊(收發(fā)機，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，對低功耗，低成本讀寫器的設(shè)計具有很大的吸引力。
　　 本論文研究了900MHz頻段RFID讀寫器芯片在CMOS工藝下的實現(xiàn)，完成了從系統(tǒng)分析，建模，到系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，電路設(shè)計，硬件實現(xiàn)并最后通過測試驗證的整個流程。在系統(tǒng)設(shè)計階段，主要有以下創(chuàng)新點和成果

3、：
　　 1.通過解析分析方法，確定了符號長度不一致的PIE編碼數(shù)據(jù)的功率譜表達式，得到的理論結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果一致，對系統(tǒng)設(shè)計具有指導(dǎo)意義；
　　 2.通過詳細分析DSB-ASK，SSB-ASK及PR-ASK這3種調(diào)制方式以及標簽返回的FMO及Miller編碼信號的特征，確定了讀寫器發(fā)射信號在基帶成型濾波之后的功率分布，以及標簽反射調(diào)制信號的功率譜特征，給出了實際應(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頻率規(guī)劃處，做為制定超高頻RFID中國頻率規(guī)范的參考。該頻率規(guī)范試行稿于2007年5月出臺；
　　 在電路設(shè)計部分，讀寫器本地載波泄漏的處理是射頻識別讀寫器設(shè)計的最大難點之一，為了使1.8V電源電壓的CMOS接收機在收到0dBm以上的本地載波干擾同時，能夠正常處理-70dBm至-40dBm的信號，采用了以下創(chuàng)新性設(shè)計：
　　 3.芯片中接收機采用了第一級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。由于無法使用低噪聲放大器來抑制后級噪聲，無源混頻器的低閃爍噪聲特性有效控制了接收機噪聲系數(shù)。同時，單平衡結(jié)構(gòu)可以提供單端到差分轉(zhuǎn)換，可以省去對片外balun的需要；
　　 4.由于無源混頻器的輸出阻抗較高，后級無法使用常見的低輸入阻抗并聯(lián)輸入反饋全差分運放結(jié)構(gòu)進行直流消除，而需要首先經(jīng)過一個高阻輸入級做為緩沖。芯片中使用2級串聯(lián)輸入負反饋級聯(lián)結(jié)構(gòu)放大器，通過合理分配增益和噪聲指標，同時實現(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)計中采用了基于軌對軌運放的偽差分結(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工藝上實現(xiàn)，芯片核心電壓1.8V，數(shù)字I/O接口電壓3.3V，整個芯片面積為3.2*3.5mm2，工作電流為140mA(不包括片上驅(qū)動放大器)。芯片測試結(jié)果顯示，當載波泄漏為0dBm時，接

7、收機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接收機中，本地載波泄漏在下變頻時，由于相位噪聲的相關(guān)性，會導(dǎo)致一定程度的噪聲抵消，在本設(shè)計中抵消的幅度測試為17dB左右。該結(jié)論對于后續(xù)工作中確定讀寫器中頻綜合器相位噪聲指標具有很大的指導(dǎo)意義。
　　 為了驗證收發(fā)機芯片的完整功能，完成了讀寫

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