UHFRFID系统读写器射频收发模块硬件设计综述

引 言

射频收发模块是UHFRFID读写器中一个至关重要的模块，主要由调制解调电路及天线组成，完成高频信号的调制解调、发射接收，是标签和读写器之间的高频接口，它的实现方式直接关系到读写器控制处理模块的设计以及整个超高频读写器的性能[1]。因此，在进行 UHFRFID读写器硬件设计时， 首要解决的问题就是射频收发电路采用何种实现方案。

1 射频收发模块的设计

UHF RFID 读写器射频收发模块的实现方式通常有三种： 采用专用UHF RFID 读写器芯片；采用集成无线收发芯片； 采用分立组件搭建[2]。

1.1 采用专用读写器芯片的射频收发模块设计

目前较成熟的应用有 UHFRFID系统读写器的专用读写器芯片， 主要有 Impinj公司的 R1000和 R2000，WJ公司的 WJC200，PHYCHIPS 公司的 PR9000和 AMS公司的AS3990、AS3991和 AS3992等。香港科技大学、北京交通大学、杭州电子科技大学、北京大学等一些科研机构与高校也在开展UHFRFID系统读写器射频收发芯片的研发工作 [3,4]。这些芯片集成了读写器中大部分的射频前端电路和部分数字电路，内置标准通信协议，数字基带的编解码及标准协议的处理可以在芯片内完成。如 R2000符合EPCglobalUHFClass 1Gen2／ ISO18000-6C国际标准，内部集成 ASK调制解调器、滤波器、功放、FPGA等模块[5] ；AS3992集成了混频器、增益滤波器、压控振荡器、锁相环、模数/数模转换器等模拟前端，并且内置了 ISO18000-6C 的完整协议处理系统，寄存器数量少，方便小型设备开发，与 R1000、R2000相比抗干扰能力更强[6]。WJ 公司的产品一般是将WJC200 和ARM7 控制器结合，以小封装模块的形式推出的，如WJM3000 和WRJ7000[7] ；PR9000 在接收灵敏度、稳定性、密集标签阅读等方面与R1000、R2000 及AS3992 相比较差，适合近距离、低端产品开发。系统控制以及与上位机通信只需要一个非常简单的MCU 和一些接口电路就可以实现，芯片外围的射频前端只需要一个环行器或定向耦合器或电桥作为隔离器件隔离发射和接收通道 ；若需要拓展读写距离，可以在芯片的射频输出端增加一个射频功率放大器。

采用专用读写器芯片实现射频收发模块的优点是设计方法简单，只需要添加读写器芯片的外围器件和匹配电路就可以工作，外围电路简单，易于调试，降低了开发难度，缩短了开发周期，性能可靠有保障，非常适合读写器的小型化应用。如远望谷公司以及文献 [8]、文献 [9]、文献 [10] 使用 R1000 和R2000 开发了多款产品 ；文献 [6]、文献 [11]、文献 [12] 的射频处理采用奥地利微电子公司的AS3992 芯片为核心。缺点是芯片的核心技术完全由国外把持，核心技术受制于人，无法做到拥有自主知识产权和技术保密，不利于我国 RFID 事业的发展和进步。同时，单片专用读写器芯片及隔离器件价格昂贵， 读写器的硬件制作成本高昂，不利于 UHF RFID 应用的大面积推广，若芯片停产或者购买不到芯片，相关的开发将付诸东流，开发的产品将会受到停产的威胁。

1.2 采用集成无线收发芯片的射频收发模块设计

采用专用读写器芯片的成本较高，核心技术又完全由国外把持，因此，UHF RFID 读写器射频收发模块的设计通常采用通用集成收发芯片代替专用读写器芯片。目前应用广泛的通用集成收发芯片有ADI 公司推出的 ADF7020、ADF9010，TI 公司的 CC1100、CC1110，Nordic 公司的 nRF905、nRF9E5 等，发射通道和接收通道都使用通用集成无线收发芯片。为

提高读写距离，在发射链路前端增加一个射频功率放大器， 为防止射频载波功率大量泄漏到接收通路的接收器芯片，采用了环行器或定向耦合器隔离发射通道和接收通道。文献 [13]、文献 [14]、文献 [15] 射频收发模块就是选用ADF7020 及射频收发隔离、谐波滤波、电路匹配和功率放大等外围电路构成。文献[16] 的射频收发模块由CC1100 射频收发片、功率放大电路、接口电路等部分组成。

上述芯片技术较为成熟，集成度高、射频性能优越、成本低、能够简化设计方案，开发具有自主知识产权的产品。但这些芯片功率一般，不能直接满足RFID 的设计要求，而且协议完全由软件实现，软件设计开发难度较大。

1.3 采用分立组件的射频收发模块设计

分立组件搭建的射频收发模块主要包括调制模块、射频功放、天线、解调模块、低噪声放大器等。设计的思路是把射频收发模块分成射频发送单元和射频接收单元分别进行设计，再集成到一块射频板上。模块的结构通常有两种，一种是在发射端采用高性能的锁相环和混频器，在接收端使用低噪声放大器和混频器。另一种主要是面向低成本的设计，如文献 [2] 采用了通用收发芯片和分立元件搭建射频前端电路的方案，在射频发射通路，使用通用射频收发芯片产生载波信号并调制基带信号，射频功率放大器用于放大射频信号，增加读写器的输出功率。在接收通路使用四通道、零中频接收机方案， 利用四路双差分结构解决读写盲区或灵敏度不够等问题 ；利用便宜的二极管作为简单的单端混频器用于每个通道上，对接收到的标签信号进行下变频处理。

分立组件设计方案可以大大缩减硬件成本，并且拥有自主知识产权，可以根据不同模块的集成度和性能参数的不同， 设计出符合不同需求的读写器，灵活性和可移植性都非常强， 最终开发的产品成本比较低。存在的缺点是器件数目多，调试难度大，需要考虑系统工作流程，对设计人员要求高，后端的微处理器以及数字信号处理模块的选择需要仔细斟酌 ；其射频性能不如采用集成读写器芯片，尤其在多读卡器环境下， 读写器的稳定性不能得到保障 ；由于射频收发模块使用的是双通道检波结构，读写器工作时存在明显的读写盲区。

2 结 语

采用分立组件实现UHF RFID 读写器射频收发模块是早期比较常用的设计方法，设计开发出来的模块电路复杂，功耗大，集成之后的射频板尺寸较大，不利于读写器的手持化。集成无线收发芯片目前在无线监测、无线报警、无线数据传输、遥控等领域有着相当多的应用，在 UHF RFID 系统读写器上也已经有了许多成功的应用案例。专用读写器芯片由于其集成度高，极大地简化了系统设计流程，缩短了设计时间， 现已成为目前国内主流 UHF RFID 读写器开发的首选。近年来，读写器不断向小型化、便携化、低功耗的方向发展，要求读写器具有更快的识别速度、更低的漏读率、超多目标识别、多标准兼容[10]。因此，选用集成度更高、功耗更低、功能更全面、成本更低、功率调节范围更大、接收灵敏度更高的专用读写器芯片是未来射频收发模块硬件设计开发的方向。