射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術。RFID技術興起于20世紀80年代,，由于超大集成電路技術的發(fā)展,，90年代才進入實用化階段。RFID系統(tǒng)采用了無線電與雷達技術,，數(shù)據(jù)交換不是通過電流的觸點接通而是通過電場與磁場,，即通過無線的方式通信^[1]。與其他的識別方式相比,，射頻識別技術能對移動的多個目標進行識別,，因而應用更廣泛。
　　讀寫器的硬件設計是RFID系統(tǒng)設計中的關鍵部分,，當前國內(nèi)關于RFID的研究都集中在頻率為125kHz,、134kHz的低頻和13.56MHz的高頻系統(tǒng)。在更高頻段的微波波段,，則少有人研究^[2～3],。本文基于無源反射調(diào)制技術和模塊化設計原理，設計并實現(xiàn)了一套工作頻率為915MHz,、工作距離長達10m的RFID讀寫器,。
1 射頻識別系統(tǒng)
　　一個典型的RFID系統(tǒng)由讀寫器(Read/Write Device)、應答器" title="應答器">應答器(Transponder)和數(shù)據(jù)管理,、處理單元組成,，如圖1所示。RFID系統(tǒng)分為有源和無源兩類，有源RFID系統(tǒng)的應答器由電池提供能量,，無源RFID系統(tǒng)的應答器則沒有電池,。無源RFID系統(tǒng)讀寫距離比有源RFID系統(tǒng)要近，但由于其應答器具有結(jié)構(gòu)簡單,、成本低,、壽命長等優(yōu)點，近年來發(fā)展較快,。

　　在無源RFID系統(tǒng)中,，應答器工作的能量由讀寫器發(fā)出的射頻信號" title="射頻信號">射頻信號提供。應答器由電子數(shù)據(jù)處理,、存儲設備(通常是單個的微小芯片)和天線組成,。當應答器進入讀寫器的能量場，應答器的能量檢測電路將射頻信號轉(zhuǎn)化為直流信號,，供其工作,。同時，芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻信號中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯,?？刂七壿嬝撠煼治鰯?shù)據(jù)并執(zhí)行相應操作，包括從EPPROM讀數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù),，將數(shù)據(jù)(如應答器ID和其他用戶數(shù)據(jù)等)調(diào)制并發(fā)送出去^[2],。
2 反射調(diào)制技術原理
　　工作頻率為915MHz的RFID系統(tǒng)采用無源反射調(diào)制技術，應答器以一定的調(diào)制方式將自身的數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻信號上,，并反射回去^[1],。圖2是場效應管調(diào)制解調(diào)電路，電感L1和L2作為低通濾波器,。在ASK解調(diào)過程中,，MES場效應管利用晶體管溝道的非線性阻抗對ASK信號進行整流，電阻R1兩端的電壓變化即反映了ASK信號中的調(diào)制信息^[4],。

　　在調(diào)制狀態(tài)下,，MES場效應管可視為一個調(diào)制器。調(diào)制器的原理是以金屬半導體場效應管輸出阻抗的轉(zhuǎn)換為基礎的,。柵極電壓Vgs0=Vd和Vgs0=0可以分別實現(xiàn)“開啟”和“關斷”的功能,。這兩種情況下，漏極電壓設置為Vds=0,。
　　圖3是場效應管的調(diào)制原理圖,。裝置在“關”和“開”兩種狀態(tài)下的阻抗分別為Z1和Z2。加上轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡Q來得到所需要的反射調(diào)制,，在面Pi的反射系數(shù)為?祝1和?祝2,；相應地,，在面Pi′的(輸入點)就變?yōu)?祝1′和?祝2′。反射系數(shù)?祝1′和?祝2′滿足下面的等式：
　　

　　就可以分別實現(xiàn)ASK調(diào)制和DPSK調(diào)制,。
3 讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)設計
　　射頻識別系統(tǒng)中,，讀寫器的主要功能就是發(fā)出詢問信號，選擇能量場內(nèi)的應答器,，建立數(shù)據(jù)通信鏈路并對應答器進行讀寫操作^[1]。在本設計中,，UHF頻段的讀寫器主要由天線,、射頻模塊和主控模塊三部分組成，如圖1所示,。射頻模塊發(fā)送部分產(chǎn)生射頻信號及射頻能量并給無源應答器提供能量,；接收部分對由天線接收的反射調(diào)制信號進行解調(diào)、放大及濾波,；主控模塊控制與應答器的通信過程,；與主機應用軟件進行通信，并執(zhí)行應用軟件發(fā)來的命令,。
　　本設計中的射頻識別系統(tǒng)采用時分復用的工作方式,，讀寫器輸出命令信號與接收應答器反射調(diào)制信號是在不同的時間段進行的。通信鏈路中讀寫器輻射信號調(diào)制方式是OOK,，無源標識卡信息返回時采用反射調(diào)制技術,，也是一種ASK調(diào)制方式。
3.1 數(shù)字鎖相環(huán)技術
　　在射頻部分,，本系統(tǒng)采用16MHz的晶體振蕩器和926MHz的壓控振蕩器以全數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的形式產(chǎn)生915MHz射頻信號,，如圖4所示。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)由模擬電路實現(xiàn),，而全數(shù)字鎖相環(huán)與傳統(tǒng)的模擬電路實現(xiàn)的PLL相比,，具有精度高且不受溫度和電壓影響、環(huán)路帶寬和中心頻率編程可調(diào),、易于構(gòu)建高階鎖相環(huán)等優(yōu)點,，并且應用在數(shù)字系統(tǒng)中時，不需A/D及D/A轉(zhuǎn)換^[5],。

　　VCO頻率f_VCO經(jīng)過18比特計數(shù)器進行吞脈沖分頻,，參考晶體振蕩器頻率f_OSC經(jīng)過15比特計數(shù)器分頻，二者經(jīng)過鑒相器進行相位比較后輸出VCO控制電壓,。f_OSC與f_VCO的關系如下：
　　
　　其中,，參考頻率分頻系數(shù)R=3～32767，程序分頻范圍B=3～2047,，吞脈沖計數(shù)范圍A=0～127,，預置分頻比P=64,。在本系統(tǒng)中，為了兼顧頻率間隔和頻率捕捉帶的要求^[6],，選取R=1600,，A=108，B=1428,。使用IFR頻譜儀Spectrum Analyzer 2398對射頻信號進行測試,，輸出頻率為915.00MHz。
　　參考頻率和VCO頻率的分頻計數(shù)器均由主控模塊通過軟件進行設置,，圖5是主控模塊與頻率合成器通信的時序圖,。主控模塊向頻率合成器傳輸數(shù)據(jù)時，按照先高位后低位的原則,。

　　在末級功率放大部分,，調(diào)節(jié)其增益控制電壓，即可相應調(diào)整讀寫器的輻射功率,；為了提高讀寫器輸出功率的穩(wěn)定程度,，采用了AGC電路來穩(wěn)定功率放大器的輸出。
3.2 信號接收
　　接收部分功能框圖如圖6所示,。天線接收的反射調(diào)制信號經(jīng)過定向耦合器到接收通路,，檢波后的信號通過差動放大、低通濾波器,、運算放大后,，進行A/D轉(zhuǎn)換送至主控模塊進行解碼。

　　讀寫器進行讀寫操作時,，讀寫器與應答器的距離不是固定不變的,。如果讀寫器與應答器距離近，讀寫器接收到的反射調(diào)制信號較強,；如果讀寫器與應答器距離遠,，讀寫器接收到的反射調(diào)制信號就較弱。為了在讀寫器的工作距離內(nèi)得到穩(wěn)定可靠的接收數(shù)據(jù),，需要對A/D轉(zhuǎn)換之前的運算放大器進行放大倍數(shù)控制,，較弱的接收信號需要較大的放大倍數(shù)。
　　在本系統(tǒng)中,，為了保持接收信號的穩(wěn)定,，采用一種類似移動通信系統(tǒng)中移動終端功率控制方案：反射信號變強，降低接收通路的放大倍數(shù),；反之,，反射信號變?nèi)酰岣咂浞糯蟊稊?shù),。本設計采用對數(shù)放大器對反射調(diào)制信號進行電平檢測,，然后輸入到主控模塊進行算法分析,，輸出控制信號改變末級運算放大器的反饋電阻大小，即可實現(xiàn)運算放大器的放大倍數(shù)的自動控制,，進而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換前信號幅度的穩(wěn)定,。當然，這需要反復試驗,，確定一組放大倍數(shù)以及它們與反射信號強度之間的對應關系,，本文不再詳述。
3.3 主控模塊
　　主控模塊的核心處理器為一款DSP,，該芯片運算速度達50MIPS,，片內(nèi)有10K字節(jié)雙向訪問RAM，支持64K字的數(shù)據(jù)空間和64K字的程序空間^[7],，能夠滿足射頻識別系統(tǒng)的要求。主控模塊的硬件框圖如圖7所示,，本系統(tǒng)采用CPLD完成整個系統(tǒng)的邏輯電路設計,。