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摘要:针对UHF频段射频识别(RFID)技术的不足,提出一种长距离HF频段的RFID信号检测方案,重点在于增强灵敏度、提高标签感应距离。先分析标签负载调制的基本原理和反射信号的调制特点,再详细阐述检测通道关键环节设计与实现。
EPC Global是在全球统一标识系统和计算机互联网的基础上,利用射频识别技术(RFID) 、无线数据通信等技术,给每一个实体一个唯一的代码,构造的一个覆盖世界上万事万物的实物互联网,通常简称“物联网”,可提高供应链管理水平、降低成本,被誉为具有革命性意义的新技术 。
EPC Global推荐采用的是UHF频段的RFID技术。由于UHF频段的电磁波波长较短,容易被水分子吸引而导致信号的急剧恶化,所以UHF频段的标签不适宜贴在水份含量大的货品上,如酒、饮料等,同时也不适合湿度比较大的应用环境。HF频段(13. 56MHz)的RFID技术则可有效地补充UHF频段的这一不足处,因为HF频段的电磁波波长较长,对水份不敏感。目前,短距离HF频段的RFID技术比较成熟,而长距离HF频段的RFID技术还有待发展。下面首先分析HF射频识别信号的反射负载调制原理 ,如图1所示。
图1 负载调制原理
阅读器天线与标签天线之间等效于一个空气松耦合变压器,利用感应磁场与电抗影响实现通信。一方面,当阅读器的调制信号加载到天线线圈上,电流I1使天线产生时谐交变磁场,磁通在标签线圈中感生电压,为标签芯片提供工作能量和指令数据。另一方面,标签端的输入阻抗可以反映到阅读器端,并影响阅读器天线的等效阻抗。标签芯片中的场效管截止或导通,使标签端的天线谐振或短路,反映两种不同的负载阻抗,导致阅读器端A点电压起伏变化。阅读器接收电路实时检测A点电压峰值的变化,把标签反射的负载调制信号提出来。经信号处理后,将模拟信号转换成数字信号,并送入MCU。
实现长距离HF射频识别要两个基本条件:阅读器能够“唤醒”标签芯片;阅读器能够检测到反射负载调制信号。实现长距离HF射频识别是一个系统性问题,需要考虑多方面的因素,包括增强阅读器的发射功率、改进阅读器的天线、提高标签天线的品质因素、提高接收灵敏度等。本文主要从信号检测方面着手研究,提出一种分立式反射调制信号检测方案。关键是改善接收通路环节设计和提高信噪比,从而解决现有短距离阅读器的缺陷。
1 反射信号的调制与编码
标签在阅读器的感应磁场区域内,利用标签芯片切换负载,调制载波( fc = 13.56MHz)以产生副载波fs。副载波的产生实质是对阅读器发射的载波进行分频。根据ISO国际标准定义的数值,调制幅度至少为10 mV。
负载调制有两种模式:单副载波模式与双副载波模式。使用一种副载波时,负载调制的副载波频率fs1 是fc /32 (423. 75 kHz) ;使用两种副载波时,负载调制的副载波频率fs1 是fc /32, 频率fs2 是fc /28(484. 28 kHz) ,它们之间应当是连续的相位关系。
使用单副载波的位编码。逻辑0开始于8个fs1的脉冲, 随后是未调制的18. 88 μs时间, 见图2(A) 。逻辑1开始于未调制的18. 88μs时间,随后
是8个fs1 的脉冲,见图2 (B) 。
图2 单副载波的逻辑0与逻辑1
使用双副载波的位编码。逻辑0开始于8个fs1 的脉冲,随后是9个fs2 的脉冲,见图3 (A)。逻辑1开始于9个fs1 的脉冲,随后是8个fs2 的脉冲,见图3 (B)。
图3 双副载波的逻辑0与逻辑1
上述两种副载波模式可以适应不同的应用要求。以下本文提出的一种新型副载波检测方案能同时识别这两种模式的副载波。
2 检测方案设计
上述的反射信号是利用副载波将标签数据信息调制到载波中。因此,要从反射信号中提取标签的数据信息, 先要对反射信号进行包络检波, 从
13. 56MHz的调制载波中提取副载波信号; 然后再对副载波进行解调才能提取出数据信息。对副载波进行解调,主要是检测副载波的频率与过零次数。本文提出一种新型副载波检测方案,如图4所示。阅读器天线端的A点电压变化信号,先经并联谐振回路选频,中心频率为13. 56MHz,基本带宽为500 kB,满足副载波信号的通带要求。再经包络检波器,将副载波从载波信号中分离出来。包络检波的输出信号较微弱,为避免噪声与幅度波动对副载波解调的不良影响,需要利用带通滤波器和中频放大器来改善信噪比。经放大的信号,经带通滤波器进入解调器。解调电路包括限幅器、移相器、乘法解调器、低通滤波器。解调电路将副载波信号的频率变化转换成电平信号的幅度变化。最后由电平判决电路(滞回比较电路)将模拟信号转换成数字信号,送入微控制器中,见图4。
3 关键环节设计
3.1 包络检波
采用二极管包络检波方法,利用了二极管单向导电特性和检波负载RC充放电过程,如图5所示。
 图5 包络检波器 图6 检波增益比较
这种包络检波的优点在于电路简单、线性度好, 缺点是检波门限要求高、检波增益低。从图6可见,二极管检波的增益比相干检波的低, 因为二极管输入电阻使输入谐振回路的Q 值降低,消耗一些高频功率,所以需要将检测到的微弱反射信号通过中频放大器加以放大。
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