RFID發射前端的零中頻電路設計*

張照鋒,張 強,錢國明

(1.南京信息職業技術學院,南京 210023;2.南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003)

RFID發射前端的零中頻電路設計*

張照鋒1*,張 強1,錢國明2

(1.南京信息職業技術學院,南京 210023;2.南京郵電大學電子科學與工程學院,南京 210003)

軟件無線電技術增強了射頻識別(RFID)系統的信號處理能力及兼容性,而零中頻的設計思想進一步簡化了射頻前端結構。然而射頻前端依然發揮著不可替代之重要功能,若在設計中將其地位置于軟件子系統之下往往會惡化整體性能。本文對基于零中頻技術的RFID射頻發射前端進行了必要的理論分析,在此基礎上,按照性能指標要求對系統進行了預增益仿真和諧波平衡仿真,以此作為模塊選型和優化的依據,最后完成了射頻前端設計。仿真結果表明,各項指標較為理想。

射頻識別(RFID);射頻發射前端;零中頻;ADS仿真

隨著對移動通信設備小型化、低功耗、多功能需求的不斷增加,傳統的超外差結構,由于其模擬分離元件多,體積大,成本高等原因,已經越來越不適應。而零中頻結構(如圖1所示)是對常規超外差結構的改進,省去了模擬中頻級的處理,直接進行上變頻。

圖1 零中頻發射機的結構圖

在這種發射機中,數字基帶I/Q信號經過DAC轉換成模擬I/Q信號,模擬I/Q信號經模擬低通濾波器濾波后,分別與正交的兩路射頻本振信號混頻,而后進行疊加,轉換成模擬射頻調制信號,從而實現頻譜的搬移。零中頻發射機的優點有:

(1)系統層次少,復雜度低,適于集成電路實現。

(2)由于沒有中頻,因此鏡像信號與所需信號完全重合,對濾波器的要求大為降低[1,9]。

(3)信號頻帶帶寬僅為已調信號的一半,這意味著接收機噪聲通帶比常規外差接收機少一半,使接收門限電平改善3 dB。

但這項技術也存在很多缺點,正交調制信號和正交本振信號相位和幅度的不平衡,對直流偏移失真非常敏感等,因此導致嚴重的邊帶和本振泄漏[2-3]。

1 系統總體方案分析

零中頻發射機采用直接正交變頻調制方式,其本質是一種特殊的頻率復用技術。假設圖1所示的結構中的基帶I/Q兩路的輸入正交信號分別用i(t)和q(t)表示,它們的角頻率均為ωc,分別有相互正交的正弦信號cos(ωct)和sin(ωct)調制,調制后兩路信號相加得到:

x(t)=i(t)cos(ωct)+q(t)sin(ωct)

(1)

如果基帶I/Q兩路的輸入正交信號i(t)和q(t)分別為線性調頻脈沖信號復包絡的實部和虛部,即:

i(t)=cos(kπt2)和q(t)=sin(kπt2)

(2)

則零中頻調制的輸出為:

x(t)=i(t)cos(ωct)+q(t)sin(ωct)=
cos(kπt2)cos(ωct)+sin(kπt2)sin(ωct)=
cos(ωct-kπt2)

(3)

由式(3)可知,采用本振信號與基帶信號進行混頻,當i(t)和q(t)完全正交時,調制輸出的邊帶信號x(t)有下邊帶分量cos(ωct-kπt2),上邊帶分量cos(ωct+kπt2)和載波分量ωc均被抑制掉,從而抵消無用邊帶信號,實現對另一個邊帶的有效抑制。

2 發射前端的零中頻電路仿真與分析

雖然零中頻結構的發射前端具有多種優點,但是在實際使用中零中頻對發射前端的正交信號的相位和幅度有較高的要求,因此使用ADS軟件對電路的預增益和諧波平衡進行仿真與分析[7]。零中頻射頻發射前端仿真鏈路如圖2所示[7-8]。

圖2 零中頻射頻發射前端仿真鏈路

圖3 預增益仿真結果

2.1 預增益仿真與分析

本射頻識別系統的發射前端要求具有20 dB的動態范圍[4]。由于采用零中頻電路結構,不存在中頻放大部分,若將功放全部設置在基帶部分實現,過高的功率將導致嚴重的載波泄露;若將功放全部設置在射頻部分實現,較難控制發射電路的功率。因此綜合考慮優化設計,將3 dB的增益在基帶功放實現,23 dB的增益在射頻功放實現。

對發射鏈路進行預增益仿真,分為基帶單路輸入和基帶雙路輸入兩種情況,仿真結果如圖3所示。從預增益曲線可知,對于單路輸入的0 dBm信號,由于低通濾波器的插入損耗產生了1 dB左右的衰減,在混頻后得到2 dBm的功率,通過帶通濾波器后的衰減2 dB,最后經功放放大后,最終輸出獲得23.943 dBm的射頻信號。在基帶雙路輸入的情況下,信號的質量有所提升,對應的輸出功率增加3 dBm,符合系統設計指標。

2.2 諧波平衡仿真與分析

諧波平衡仿真是對非線性電路在頻率域的誤差仿真,能夠確定系統的信號、噪聲特性以及諧波頻譜等。在預增益仿真的基礎上,采用基帶雙路輸入,對射頻發射前端進行諧波平衡仿真,進而了解發射前端的載波和邊帶抑制度[10-11]。仿真結果如圖4所示。

圖4 諧波平衡仿真結果

載波頻率的掃描變量范圍為:0～8 GHz。從圖4(a)可知,輸入載波主要集中在2.406 2 GHz,載波抑制度為32.42 dB,具有很好的載波抑制度。輸出信號頻率的掃描范圍為:2.386 2 GHz～2.426 2 GHz從圖4(b)可知,射頻信號輸出主要集中在2.401 2 GHz和2.411 2 GHz頻點上,其值為22.44 dB,則功率為25.44 dB;一次諧波、二次諧波輸出功率為-7.51 dB和-7.92 dB,可知交調雜波抑制度和二次諧波抑制度分別為32.9 dB和33.3 dB。均符合設計要求。

3 發射前端的具體設計與實現

3.1 模塊設計

射頻發射前端的電路結構如圖5所示。零中頻射頻前端由直接變頻正交調制器、高穩定度本振信號發生器和功率放大器組成。

圖5 射頻發射前端的電路結構

3.1.1 直接變頻正交調制器

本系統的正交調制部分是采用Analog公司的AD8349來實現的。AD8349是一個用于700 MHz～2 700 MHz范圍內的直接正交調制芯片,它具有較好的相位準確度和幅度平衡度,成本低、功耗低等優點[5]。當芯片正常工作時,兩路基帶信號分別從DAC差分輸入到IBBN、IBBP端和QBBN、QBBP端,為保證I/Q基帶信號的平衡,在DAC和AD8349之間設計低通鏡像抑制濾波器,如圖6所示。其中,LC構成一個12 MHz帶寬的三階貝塞爾濾波器,L=680 nH,C1=100 pF,C2=270 pF;R1、R2=40.2 Ω,提供400 mV的直流偏置;R3=240 Ω,提供基帶差分輸入1.2 V的峰峰值。

圖6 低通鏡像抑制濾波器

3.1.2 本振信號發生器

本系統的本振信號發生器采用是由Analog公司的高性能鎖相頻率合成芯片ADF4360-0,設計的中心頻率為1750 MHz。它主要由數字鑒相器、電荷泵、壓控振蕩器、24位數據寄存器、24位功能鎖存器、可編程14位R計數器、可編程18位N計數器(5位A計數器和13位B計數器)以及雙模前置P/(P+1)分頻器等組成,所有片內寄存器均通過簡單的三線式接口進行控制。

ADF4360-0的A(5位)、B(13位)計數器與雙模前置分頻器連接能實現一個分頻比為N的分頻器,算法為:

N=P·B+A

(4)

輸出頻率為:

fVCO=[P·B+A]×fREFIN/R

(5)

式中:fVCO為VCO的輸出頻率;P為前置分頻器的預先模值(8/9、16/17等);B為13位計數器預設分頻比(3～8191);A為5位計數器預設分頻比(0～31)[6]。

當fVCO為2.4 GHz,fREFIN為50 MHz時,根據寄存器幀結構得R計數鎖存器的碼表為0000000000000 00000100001,對應16進制為000021。P取32,由式(1)～式(4)計算得B=12,A=0,則N計數器的碼表為000000000000110000000010,對應16進制為000C02。

3.2 系統設計指標及分配

本系統設計的射頻發射前端工作在2.4 GHz頻段,根據發射機系統結構對各級的功率、增益等指標進行分配。具體系統性能指標如表1所示。

表1 2.4 GHz射頻發射前端的性能指標要求

根據性能指標要求,具體的功率分配如下:基帶如數信號功率為0 dBm,低通濾波器的插損1 dB,直接變頻正交調制器輸出功率2 dBm,功放增益24 dB。寬帶分配如下:本振輸出頻率范圍2.40 GHz～2.48 GHz,直接變頻正交調制器、帶通濾波器和功放的帶寬為2.40 GHz～2.48 GHz,低通濾波器的寬帶為0～5 MHz。

3.3 PCB設計注意問題

印刷電路板的設計是根據電路原理圖完成對實際電路的布局設計。在進行PCB設計時應注意如下問題:

(1)發射機射頻前端工作在 2.400 GHz～2.480 GHz的范圍,基帶信號輸入混頻器之前,應該盡可能以較短的信號接入,從而減小各元件對的信號的影響。電源線和信號線應該盡量保持較遠的距離,同時在二者之間加入地進行隔離。

(2)在對供電電源去耦的時候,最好采用不同的接地孔給不同的去耦電容接地,而且去耦電容得位置最好盡量靠近對應電源輸入引腳。

(3)電源線和地線最好平行分布,可以有利于提供好的電廠兼容特性。

(4)走線時拐彎最好用120°走線,而不采用90°走線。

(5)為防止信號之間的相互干擾,輸出信號線和輸入信號線之間兩的距離要盡可能的大。

(6)在布線過程中,可以利用覆銅來提高板的穩定性和物理強度。

4 結束語

最后根據選擇的器件和設計指標,依據PCB布局布線要求,制成零中頻射頻發射前端的實物,如圖7所示。經整機測試,在2.4 GHz功率最大輸出24 dBm。

圖7 零中頻射頻發射前端

零中頻電路的射頻識別系統發射前端,結構簡單,功耗低,符合開放式軟件無線電平臺的思想[1]。本文對射頻識別系統發射前端的零中頻電路進行了仿真,重點對系統的預增益和諧波平衡進行了分析,并設計了系統的具體電路和性能指標。測試結果表明,符合系統設計指標要求。

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TheDesignofZero-IFCircuitUsedintheRF
Front-EndwithRFIDSystem*

ZHANGZhaofeng1*,ZHANGQiang1,QIANGuoming2

(1.Nanjing College of Information Technology,Nanjing 210023,China;2.College of Electronic Science and Engineering,Nanjing University of Post and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Software radio technology enhances signal processing ability and compatibility of RFID system,and zero-IF design can further simplify RF front-end structure. However,RF front-end still plays an important role and it is irreplaceable. The whole performance will be degraded if it is set lower than the software subsystem in the design process. The essential theoretical analysis of the RF transmitter front-end is illustrated based on zero-IF technique,and in accordance with the system performance parameter,the system pre-gain and harmonic balance simulations have been taken to compare different modules and fulfill optimization. Thus,the RF front-end design is realized. The simulation results show that all the parameters meet the design requirements.

RFID;RF front-end;Zero-IF structure;ADS simulation

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.014

2016-07-16修改日期2016-08-28

項目來源:江蘇高校品牌專業建設工程項目(PPZY2015C242);南京信息職業技術學院開放基金項目(KF20160101)

TN772.1

A

1005-9490(2017)05-1121-05

張照鋒(1974-),男,河南新鄉人,副教授,研究方向為電磁場與微波技術,zhangzf@njcit.cn;

張強(1993-),男,江蘇徐州人,南京信息職業技術學院學生,研究方向為無線電技術與應用;

錢國明(1964-),男,浙江紹興人,教授,研究方向為無線通信技術和信號處理。