超高頻射頻識別閱讀器集成技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)曾經(jīng)在自動識別領(lǐng)域引起深刻變革并已得到廣泛應(yīng)用，但有限的數(shù)據(jù)容量、需可視讀取的要求及易被篡改等缺點使得它愈來愈無法滿足當(dāng)前人們對于大容量、高安全性自動識別的需求。當(dāng)射頻電子標(biāo)簽的價格逐漸降低至與條形碼可比擬時，超高頻射頻識別系統(tǒng)以其較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、較遠(yuǎn)的通信距離及靈活的編碼系統(tǒng)得到愈來愈多的關(guān)注而逐漸成為一個研究熱點。
　　 超高頻射頻識別系統(tǒng)通常由標(biāo)簽、閱讀器及數(shù)據(jù)處理終端構(gòu)成。其中，作為無線數(shù)據(jù)傳輸橋梁的

2、超高頻射頻識別閱讀器一般采用離散元件以混合技術(shù)構(gòu)建，設(shè)備成本高、功耗大、移動性差，很大程度上制約了超高頻射頻識別技術(shù)的進一步推廣。隨著混合信號集成電路工藝技術(shù)的不斷成熟，過去兩年中出現(xiàn)了以BiCMOS或CMOS工藝實現(xiàn)的低成本、低功耗、單芯片超高頻射頻識別閱讀器，并逐漸成為超高頻射頻識別閱讀器的技術(shù)發(fā)展方向。
　　 本文研究了860-960MHz UHF波段CMOS單芯片超高頻射頻識別閱讀器的實現(xiàn)，完成了從系統(tǒng)規(guī)劃、電路設(shè)計到原

3、型芯片測試的整個過程。
　　 首先，根據(jù)EPC C1G2超高頻射頻識別國際標(biāo)準(zhǔn)，ETSI302208-1歐洲規(guī)范和中國超高頻射頻識別技術(shù)應(yīng)用試行規(guī)定及本文所提出的正交直接變頻無線收發(fā)機架構(gòu)，分析多閱讀器環(huán)境中接收、發(fā)射射頻前端、本地頻率綜合器和基帶等模塊的指標(biāo)要求，并通過系統(tǒng)仿真模型驗證其正確性，作為電路設(shè)計的依據(jù)。
　　 第二，研究閱讀器接收路徑存在大信號本地饋通時的線性度與噪聲系數(shù)折衷策略。不同于僅注重“監(jiān)聽”模式下

4、噪聲系數(shù)或“讀”模式下線性度的傳統(tǒng)方法，提出了兼具低噪聲、高線性度特點的三級緊湊式射頻前端。采用該射頻前端的接收機在“監(jiān)聽”模式與“讀”模式下的噪聲系數(shù)分別達到27dB、36dB，輸入IP3達到13dBm。
　　 第三，研究本地振蕩信號路徑在收、發(fā)兩種工作模式時的相位噪聲需求。提出了基于多重濾波技術(shù)低相位噪聲壓控振蕩器和3階3比特數(shù)字增量-總和調(diào)制器的小數(shù)分頻頻率綜合器。芯片驗證表明，鎖相環(huán)各頻帶內(nèi)噪聲抑制明顯，在距載波200k

5、Hz、1MHz的頻偏處分別獲得-92dBc/Hz與-125dBc/Hz的相位噪聲，RMS相位抖動小于6.7pS，殘留FM小于4.5kHz。
　　 第四，研究超高頻射頻識別系統(tǒng)中標(biāo)簽背散射機制所導(dǎo)致的功率需求。結(jié)合所采用的直流耦合信號發(fā)射路徑特點，提出了支持DSB-ASK，SSB-ASK，PR-ASK三種調(diào)制方式的可變增益多模發(fā)射前端。
　　 第五，提出接收、發(fā)射基帶數(shù)字可調(diào)諧信道選擇濾波器與可編程增益放大器。為適應(yīng)不同速

6、率的數(shù)據(jù)通信要求，接收基帶濾波器帶寬在0.3-1.3MHz范圍內(nèi)可變，內(nèi)建5kHz反饋直流消除電路能同時滿足鏈路建立時間與解調(diào)信噪比需要。
　　 最后，基于上述系統(tǒng)、電路指標(biāo)及設(shè)計技術(shù)，進行超高頻射頻識別閱讀器芯片的流片驗證。該芯片以IBM0.18μm CMOS工藝實現(xiàn)，總面積為4×4mm2，電源電壓為3.3V，發(fā)射功率-4.4dBm時，總功耗為584mW。以Xilinx Virtex-4 xc4vx35FPGA、片外功率放大器