長距離HF射頻識別信號檢測技術研究與實現

摘要:針對UHF頻段射頻識別(RFID)技術的不足,提出一種長距離HF頻段的RFID信號檢測方案,重點在於增強靈敏度、提高標籤感應距離。先分析標籤負載調製的基本原理和反射信號的調製特點,再詳細闡述檢測通道關鍵環節設計與實現。

　EPC Global是在全球統一標識系統和計算機互聯網的基礎上,利用射頻識別技術(RFID) 、無線數據通信等技術,給每一個實體一個唯一的代碼,構造的一個覆蓋世界上萬事萬物的實物互聯網,通常簡稱“物聯網”,可提高供應鏈管理水平、降低成本,被譽為具有革命性意義的新技術 。
    EPC Global推薦採用的是UHF頻段的RFID技術。由於UHF頻段的電磁波波長較短,容易被水分子吸引而導致信號的急劇惡化,所以UHF頻段的標籤不適宜貼在水份含量大的貨品上,如酒、飲料等,同時也不適合濕度比較大的應用環境。HF頻段(13. 56MHz)的RFID技術則可有效地補充UHF頻段的這一不足處,因為HF頻段的電磁波波長較長,對水份不敏感。目前,短距離HF頻段的RFID技術比較成熟,而長距離HF頻段的RFID技術還有待發展。下面首先分析HF射頻識別信號的反射負載調製原理 ,如圖1所示。
 
圖1　負載調製原理
    閱讀器天線與標籤天線之間等效於一個空氣松耦合變壓器,利用感應磁場與電抗影響實現通信。一方面,當閱讀器的調製信號載入到天線線圈上,電流I1使天線產生時諧交變磁場,磁通在標籤線圈中感生電壓,為標籤晶元提供工作能量和指令數據。另一方面,標籤端的輸入阻抗可以反映到閱讀器端,並影響閱讀器天線的等效阻抗。標籤晶元中的場效管截止或導通,使標籤端的天線諧振或短路,反映兩種不同的負載阻抗,導致閱讀器端A點電壓起伏變化。閱讀器接收電路實時檢測A點電壓峰值的變化,把標籤反射的負載調製信號提出來。經信號處理后,將模擬信號轉換成數字信號,並送入MCU。
    實現長距離HF射頻識別要兩個基本條件:閱讀器能夠“喚醒”標籤晶元;閱讀器能夠檢測到反射負載調製信號。實現長距離HF射頻識別是一個系統性問題,需要考慮多方面的因素,包括增強閱讀器的發射功率、改進閱讀器的天線、提高標籤天線的品質因素、提高接收靈敏度等。本文主要從信號檢測方面著手研究,提出一種分立式反射調製信號檢測方案。關鍵是改善接收通路環節設計和提高信噪比,從而解決現有短距離閱讀器的缺陷。

1　反射信號的調製與編碼
    標籤在閱讀器的感應磁場區域內,利用標籤晶元切換負載,調製載波( fc = 13.56MHz)以產生副載波fs。副載波的產生實質是對閱讀器發射的載波進行分頻。根據ISO國際標準定義的數值,調製幅度至少為10 mV。
    負載調製有兩種模式:單副載波模式與雙副載波模式。使用一種副載波時,負載調製的副載波頻率fs¹ 是fc /32 (423. 75 kHz) ;使用兩種副載波時,負載調製的副載波頻率fs¹ 是fc /32, 頻率fs² 是fc /28(484. 28 kHz) ,它們之間應當是連續的相位關係。
    使用單副載波的位編碼。邏輯0開始於8個fs¹的脈衝, 隨後是未調製的18. 88 μs時間, 見圖2(A) 。邏輯1開始於未調製的18. 88μs時間,隨後
是8個fs¹ 的脈衝,見圖2 (B) 。
 
圖2　單副載波的邏輯0與邏輯1
    使用雙副載波的位編碼。邏輯0開始於8個fs¹ 的脈衝,隨後是9個fs² 的脈衝,見圖3 (A)。邏輯1開始於9個fs¹ 的脈衝,隨後是8個fs² 的脈衝,見圖3 (B)。
 
圖3　雙副載波的邏輯0與邏輯1
    上述兩種副載波模式可以適應不同的應用要求。以下本文提出的一種新型副載波檢測方案能同時識別這兩種模式的副載波。

2　檢測方案設計
    上述的反射信號是利用副載波將標籤數據信息調製到載波中。因此,要從反射信號中提取標籤的數據信息, 先要對反射信號進行包絡檢波, 從
13. 56MHz的調製載波中提取副載波信號; 然後再對副載波進行解調才能提取出數據信息。對副載波進行解調,主要是檢測副載波的頻率與過零次數。本文提出一種新型副載波檢測方案,如圖4所示。閱讀器天線端的A點電壓變化信號,先經並聯諧振迴路選頻,中心頻率為13. 56MHz,基本帶寬為500 kB,滿足副載波信號的通帶要求。再經包絡檢波器,將副載波從載波信號中分離出來。包絡檢波的輸出信號較微弱,為避免雜訊與幅度波動對副載波解調的不良影響,需要利用帶通濾波器和中頻放大器來改善信噪比。經放大的信號,經帶通濾波器進入解調器。解調電路包括限幅器、移相器、乘法解調器、低通濾波器。解調電路將副載波信號的頻率變化轉換成電平信號的幅度變化。最後由電平判決電路(滯回比較電路)將模擬信號轉換成數字信號,送入微控制器中,見圖4。
  

3　關鍵環節設計
3.1　包絡檢波
    採用二極體包絡檢波方法,利用了二極體單嚮導電特性和檢波負載RC充放電過程,如圖5所示。
 
圖5　包絡檢波器                                                                                                                 圖6　檢波增益比較
    這種包絡檢波的優點在於電路簡單、線性度好, 缺點是檢波門限要求高、檢波增益低。從圖6可見,二極體檢波的增益比相干檢波的低, 因為二極體輸入電阻使輸入諧振迴路的Q 值降低,消耗一些高頻功率,所以需要將檢測到的微弱反射信號通過中頻放大器加以放大。

3.2　中頻帶通濾波
    一般RC 無源濾波電路傳遞函數幅度小, 帶負載能力差。而由集成運放和R、C 元件組成的RC有源濾波電路具有傳遞增益, 帶負載能力強,有利於改善電路濾波特性。本文採用一種有源濾波器:二階無限增益多路反饋帶通濾波。其模型如圖7所示, 二階RC 網路接於運放的反相輸入端。這種負反饋聯接,使集成運放工作於線性狀態,有利於避免電路自激。其傳遞函數如式( 1 )所示。該帶通濾波的中心頻率設置為455kHz, 3 dB帶寬為80 kHz。
 
圖7　二階帶通濾波電路
 
3.3　限幅、移相解調
    反射信號經中頻放大及帶通濾波后,需通過限幅器整形成為矩形波,再進行副載波解調,檢測目標在於副載波的頻率變化。限幅處理非但沒有影響波形所攜帶的信息,而且還有利於解調信號的電平門限判決。
    限幅器的矩形波分兩路輸出:一路直接送至乘法電路的信號為Vt ,另一路經移相器送入乘法電路的信號為Vt'。移相器的基本模型如圖8所示,由
串聯電容和並聯諧振迴路組成。串聯電容Ct起移相作用, Cp和L 組成的並聯諧振迴路起選頻作用, Ct與Cp起阻抗變換作用。Vt與Vt'之間的關係如式(2)所示,相移大小為φ。
 
 
圖8　移相解調模型
　移相器的相頻特性如圖9所示,橫坐標為歸一化的頻率[1 + Δf/f1], 當信號沒有發生偏移時的相移為π/2。從圖9 中可見, 該相頻特性曲線在坐標點(1,π/2)附近存在一段線性關係,可以推導得出相移大小與頻偏之間的近似線性關係Φ =π/2- kΔf。移相器的Q值對線性斜率有顯著影響。當Q 值較大時,線性斜率比較大,相移對頻偏的反應比較靈敏。
 
圖9　移相器的相頻特性
    上述線性相移特性關係使得Vt與乘法器經低通濾波器的輸出Vout之間成比例關係, 比例係數與頻偏Δf有關,如式4所示。
 
　當頻偏Δf > 0時, 輸出電壓Vout的平均值比較高;當頻偏Δf < 0時,輸出電壓Vout的平均值比較低。利用電平門限比較電路對輸出電壓的平均值進行判決,則可識別出副載波的頻率變化情況, 亦即標籤反射負載調製的信息。

3.4　判決電路
 
　本文採用滯回電壓比較電路進行電平門限判決, 見圖10。把模擬電壓信號轉換成數字信號。這種電路由於存在回差電壓ΔVREF , 當輸入信號電壓受到干擾時, 只要在基準電壓電平附近的干擾電壓不超過回差電壓時, 則不會導致電路輸出狀態的跳變, 仍可獲得比較穩定的輸出電壓波形。可見, 滯回比較電路的抗干擾能力強, 但靈敏度有所下降。
 
圖10　電平門限判決電路

4　結束語
    本文提出一種新型的副載波檢測方案, 獲得較高的靈敏度,有效地從微弱的長距離反射信號檢測出標籤應答數據。經實驗測試, 有效的標籤感應距離可達50 cm。採用這種檢測方法的射頻識別閱讀器,工作距離長、可靠性高、製造成本低, 可作為UHF頻段射頻識別閱讀器某些應用領域的補充,其市場前景很有吸引力。

參考文獻
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