UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路的設(shè)計(jì)

摘要: 根據(jù)UH F RFID閱讀器實(shí)現(xiàn)的IQ 兩路正交調(diào)制解調(diào)的零中頻方案， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了閱讀器基帶處理芯片接收端電路，包括電路總體結(jié)構(gòu)及解調(diào)器、解碼器等關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)， 完成其RTL設(shè)計(jì)、仿真及FPGA原型驗(yàn)證。該設(shè)計(jì)在物理層數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式及其他關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)， 性能上有很大的提高。

UHF RFID技術(shù)將廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域， 可靠的閱讀器是UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分， 而基帶處理芯片能夠?yàn)殚喿x器設(shè)計(jì)提供基帶信號(hào)處理解決方案。結(jié)合UHF RFID技術(shù)本身所固有的特點(diǎn)， 本文的閱讀器設(shè)計(jì)采用了IQ 兩路正交調(diào)制解調(diào)的零中頻方案。整個(gè)閱讀器由射頻前端和基帶處理兩個(gè)部分組成， 射頻前端對(duì)發(fā)送基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻和功率放大等處理后發(fā)射給電子標(biāo)簽， 然后在接收到標(biāo)簽的返回信號(hào)時(shí)， 對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、下變頻等處理后將基帶信號(hào)傳輸給基帶處理芯片。

本文介紹基于ISO / IEC 18000 6C 協(xié)議的UHF RF ID閱讀器基帶處理芯片接收端電路的設(shè)計(jì)， 該電路可以與基帶處理發(fā)送端、中央處理器( CPU )集成， 共同構(gòu)成整個(gè)基帶處理芯片。

1 電路總體結(jié)構(gòu)

UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要包括輸入基帶信號(hào)低通濾波器、解調(diào)器、解碼器、數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換模塊、信息傳遞接口(MPI)模塊和接收機(jī)控制模塊六個(gè)功能模塊。

從ADC 采樣進(jìn)來(lái)的兩路基帶正交信號(hào)i_data i和i_dataq首先經(jīng)過低通濾波器FIR _ filter進(jìn)行濾波， 以便后級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路框圖

圖1 UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路框圖

濾波后的I和Q信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器demodu lator， 調(diào)制方式自動(dòng)識(shí)別子模塊mode_d iscrim inator首先識(shí)別接收信號(hào)的調(diào)制方式， 之后選擇對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行ASK或者PSK 解調(diào)得到?jīng)]有實(shí)現(xiàn)位同步的信號(hào)， 最后位同步子模塊bit_synchrono izer從該信號(hào)提取出位同步時(shí)鐘并判決得到同步二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。解調(diào)后數(shù)據(jù)流與提取出來(lái)的同步時(shí)鐘脈沖一起輸出到解碼器decoder， 按照FM0或M iller編碼規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，同時(shí)檢查編碼規(guī)則并對(duì)編碼規(guī)則錯(cuò)誤進(jìn)行計(jì)數(shù)。若沒有出現(xiàn)編碼規(guī)則錯(cuò)誤， 還將在CRC 校驗(yàn)子模塊crc_verifier中對(duì)解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 16校驗(yàn)。

解碼出來(lái)的信號(hào)是串行的， 而在信息傳遞接口模塊rx_mp i中的接收緩存是并行輸入的， 所以將數(shù)據(jù)存入緩存中之前由數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換模塊serial_to_para lle l完成串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。該模塊產(chǎn)生接收緩存的寫數(shù)據(jù)、寫地址和寫使能信號(hào)， 并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)， 計(jì)數(shù)結(jié)果放在rx_mp i中指定的寄存器中供CPU 查詢。數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換模塊同時(shí)檢測(cè)緩存是否溢出并給出緩存溢出錯(cuò)誤標(biāo)志信號(hào)，在每一幀數(shù)據(jù)結(jié)束處給出幀結(jié)束脈沖信號(hào)。

信息傳遞接口模塊rx_mp i主要負(fù)責(zé)基帶處理電路(包括接收端、發(fā)送端)和CPU 之間的數(shù)據(jù)通信。

該模塊首先把接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩存中， 并在結(jié)束時(shí)置數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志寄存器DATA _RDY 有效(在出現(xiàn)幀起始檢測(cè)發(fā)生超時(shí)錯(cuò)誤時(shí)也置數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志寄存器DATA _RDY 有效)以通知CPU 取走數(shù)據(jù)，同時(shí)寄存各種錯(cuò)誤標(biāo)志信號(hào)和錯(cuò)誤計(jì)數(shù)值到相應(yīng)寄存器供CPU 查詢。除此， rx _mp i還負(fù)責(zé)接收來(lái)自CPU的指令信息并配置相應(yīng)的控制寄存器。

接收機(jī)控制模塊receiver_ctrl是接收部分的中央控制模塊， 根據(jù)控制寄存器中的配置信息輸出各個(gè)模塊需要的控制信號(hào)， 用以配置各個(gè)功能模塊的工作模式。

2 解調(diào)器設(shè)計(jì)

解調(diào)器主要包括ASK 解調(diào)、PSK解調(diào)、解調(diào)模式識(shí)別和位同步四個(gè)子模塊。解調(diào)模式識(shí)別子模塊根據(jù)CPU 的配置或接收信號(hào)的特征決定采用ASK 或PSK 解調(diào)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 位同步子模塊從接收數(shù)據(jù)中提取位時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)重新同步接收數(shù)據(jù)。

2. 1 ASK解調(diào)子模塊

當(dāng)閱讀器接收來(lái)自電子標(biāo)簽的信號(hào)采用ASK調(diào)制時(shí)， 接收信號(hào)可以用如下表達(dá)式表示:

式中， am 為輸入碼元， 取0或1; g ( n - m )是幅度為1、寬度為單個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間的波形函數(shù); 接收信號(hào)的載波頻率ω‘c與接收機(jī)本地載波頻率ωc 存在頻率偏移， 且兩者之間還有相位差△φ， 與閱讀器發(fā)射天線和電子標(biāo)簽之間的距離有關(guān); n0 為接收到的加性噪聲。

一般的ASK解調(diào)在對(duì)S ( n )進(jìn)行正交分解得同相和正交分量I 和Q 后， 求其平方和與開方�？傻茫�

即: 對(duì)A ( n )進(jìn)行抽取判決， 便可以恢復(fù)出碼元信號(hào)。

本文根據(jù)UHF RFID 技術(shù)的特殊性， 采用如下方法對(duì)ASK 調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào): 雖然I’和Q‘隨著閱讀器與標(biāo)簽之間距離的改變而變化， 變化時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，但是I’和Q‘具有功率互補(bǔ)性， 即在I’最弱的時(shí)候Q‘最強(qiáng)或者相反。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)， 本文在每幀標(biāo)簽返回信號(hào)的幀前導(dǎo)序列出現(xiàn)時(shí)比較I’和Q‘的強(qiáng)度， 然后選擇信號(hào)比較強(qiáng)的一路分量進(jìn)行判決。

ASK 解調(diào)示意圖

圖2 ASK 解調(diào)示意圖

來(lái)源：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng)