CN107579743B - 一种超高频rfid读写器发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超高频RFID读写器发射电路，包含微控制器MCU，锁相环频率发生器PLL，功率放大器，有源低通滤波器，电阻，模拟开关和电容器；在有源低通滤波器通过电阻输出的调制信号线上连接一个模拟开关，模拟开关另一端接一个电容器，该电容器具有较好的反应速度和滤波性能。本发明通过使用模拟开关，在发射载波、接收标签信号时，接入电容器，对模拟调制信号进行滤波，可以有效的抑制调制信号的噪声，使其不影响标签信号的接收，而在发送调制信号时，通过开关断开电容，不影响发射信号的通过。

Description

一种超高频RFID读写器发射电路

[技术领域]

本发明属于超高频无源射频识别技术领域，特别是涉及一种超高频无源射频读写器的发射电路。

[背景技术]

超高频RFID具有识别距离远、速度快、多标签识读能力强、标签成本低等优点，现在已经被广泛的应用于物流、交通等领域，超高频读写器的需求量也越来越大。发射电路是超高频RFID读写器的重要组成部分，超高频读写器的发射电路，需要满足以下条件：

1.输出功率和频率满足要求，能够唤醒标签及支持标签背散射通信；

2.信号时序满足标准空中接口要求；

3.发射频谱满足各个国家或地区的无线电管理要求；

4.超高频读写器，在接收标签信号时，需要持续发送载波信号，载波信号和标签反射信号是同频的，发射电路的噪声会直接影响接收电路的灵敏度。当无线接收机的技术都是很成熟的条件下，发射电路的噪声控制是提高读写器接收灵敏度的关键。

国内生产的超高频读写器，有使用集成读写器芯片或使用分立射频器件两种方式。集成读写器芯片一般采用国外芯片，如R2000、AS3992等，成本较高。国内也有低端的读写器芯片，如QM100，其功能和性能有局限性，特别是其发射频谱，不满足欧洲地区的要求，不能用于出口。分立射频器件的读写器，成本较低，在国家标准没有发布之前，一般使用OOK调制(开关调制)。

专利CN103208025B公开了一种超高频RFID阅读器基带信号处理及调制电路，该专利所公开的电路，是读写器发射电路的一部分，按照该专利的设计，可以满足上述发射电路条件的1，2，3条。

OOK调制的基带信号是方波信号，方波的频谱是无限宽的，包括每一个奇次谐波信号分量。调制后，经过频谱搬移，其射频的占用带宽是远超出国家无线电标准的，也不符合FCC、ETSI等全球主要无线电要求。使用OOK调制的低成本方案，因为不符合无线电管理规定，已经不能在全球多数地方使用。

专利CN103208025B公开的电路，对基带信号做了滤波，可以抑制其占用带宽，满足无线电管理规定。但该电路也存在显著的问题：

使用了多级有源滤波后的ASK基带信号，在混频器里和本振信号相乘，输出的已调信号包络和ASK基带信号是一致的。ASK基带信号上的噪声，直接转化为射频噪声。使用有源器件，引入噪声是不可避免的，如该专利中所使用的滤波器LTC1569-7，其通带内的标称噪声指标是125uV(均方值)。按射频功率放大器的输出是1W，混频器的调制信号输入动态范围是5V计算，那么125uV噪声经过上变频和放大后，将转化为-26dBm的射频噪声。标签反射信号，到达读写器的噪声一般是-40dBm～-80dBm，噪声功率远大于信号功率。如果噪声的频率是在标签反射信号频率范围内，那将直接对标签返回的信号造成干扰。

该电路使用了无源混频器MAMXSS0012，无源混频器相对有源混频器，有较好的噪声性能，不会带来额外的混频噪声。但是，其混频增益只有-8dB，造成的信号衰减，需要增加功率放大来弥补。

该电路使用了两个专用低通滤波器和一个运算放大器，实现成本较高，电路体积也大。

[发明内容]

为了实现一种超高频射频识别读写器的发射电路，满足成本低、符合协议规范、符合无线电管理法规、并且在调制部分实现极低的噪声，能有效提高接收灵敏度的要求。

一种超高频RFID读写器发射电路，包含微控制器MCU，锁相环频率发生器PLL，功率放大器，有源低通滤波器，模拟开关和电容器；

进一步地，锁相环频率发生器在微控制器的控制下，产生符合超高频射频识别要求的本振频率信号，本振频率信号直接输入到功率放大器的本振输入端；微控制器根据射频识别空口协议规范的时序要求，在DAC输出口，发送方波调制信号；方波信号经过有源低通滤波器后，被滤除高次谐波，抑制带宽，使调制信号满足无线电管理法规的占用带宽；有源低通滤波器的输出端接一个电阻，输出信号即为模拟调制信号；有源低通滤波器对信号的幅度增益一般是单位增益，微控制器通过DAC输出的调制信号高低电平的电压值需要在功率放大器的功率调节电压输入范围内。

进一步地，模拟调制信号直接接入到功率放大器的功率调节电压输入脚(VRAMP)上，这样功率放大器的功率输出，跟随调制信号电压而变化，形成幅度调制的效果。

进一步地，在有源低通滤波器通过电阻输出的调制信号线上，连接一个模拟开关，模拟开关另一端接一个电容器，该电容器反应速度快，具有滤波性能；模拟开关在发射载波、接收标签信号时，接入电容器，对模拟调制信号进行滤波，可以有效的抑制调制信号的噪声，使其不影响标签信号的接收，而在发送调制信号时，通过开关断开电容，不影响发射信号的通过。

电容选用钽电容，容量大于10uF。模拟开关由微控制器控制通断，当开关导通时，电阻和电容器形成RC无源低通滤波器。

在信号发射的过程中，电路的控制方法如下：

1)微控制器的DAC输出直流低电压信号，并控制锁相环产生频率信号；

2)微控制器控制模拟开关导通，将电容器接入到模拟调制信号；

3)微控制器在DAC输出口先发送一断直流高电压信号，直流电压信号经过有源低通滤波器后，幅度不产生变化，通过模拟开关，给电容器充电；电容器上的电压缓慢上升，同时该信号也输入到了功率放大器的输出控制脚，功率放大器输出功率缓慢增大的载波信号；

4)电容充电结束后，微控制器控制模拟开关断开，电容器上的电压会维持不变；微控制器通过DAC接口，输出方波调制信号；

5)方波调制信号经过有源低通滤波器后，输出成符合频率带宽要求的模拟调制信号，接入到功率放大器的功率控制脚，功率放大器在功率控制脚的控制下，输出已调信号；

6)微控制器输出数据结束后，DAC接口输出直流高电压，此时射频输出载波给标签供电，标签开始反射信号；

7)微控制器将模拟开关导通，电容器接入到模拟调制信号上，此时由于加入电容器的作用，电路的通频带会降低，在标签返回信号基带频率范围之类的调制信号噪声将会被抑制；由于此时电路所需要通过的信号只是直流信号，所以电容器可以选用足够大的钽电容，容量大于10uF，能将10KHz以上的噪声衰减40dB以上(由RC滤波器计算得出，R取50欧姆)；

8)标签反射信号，进入到接收器，微控制器进行信号接收；通信完成后，微控制器的DAC引脚输出低电平信号，关闭调制器输出。

本发明的超高频读写器发射电路的有益效果为：

1)通过使用模拟开关，直接省掉了调制器，用功放的增益控制单元进行调制，在发射载波、接收标签信号时，接入电容器，对模拟调制信号进行滤波，可以有效的抑制调制信号的噪声，使其不影响标签信号的接收。而在发送调制信号时，通过开关断开电容，不影响发射信号的通过。

2)使用功率放大器的功率输出调节引脚，进行幅度调制，直接去掉了调制器芯片，不仅节约了成本，也解决了混频器负增益带来的信号功率损失。

3)本设计采用普通运算放大器组成的有源低通滤波器，具有成本低的优点，并且能够满足要求最严格的ETSI规范。

[附图说明]

图1为本发明实施例的电路框图。

图2为欧洲及西亚地区的ETSI标准。

图3为运算放大器组成滤波器电路图。

图4为滤波器电路的增益和相位曲线。

图5为模拟开关、电阻、电容、滤波器电路图。

图6为功率放大器电路图。

[具体实施方式]

为了使本发明实现的技术手段清晰明了，下面结合附图进一步阐述本发明。

如图1所示电路框图，为本发明的一种实施例，包括微控制器MCU、锁相环频率发生器PLL，功率放大器，有源低通滤波器，模拟开关，电阻和电容器。锁相环频率发生器在微控制器的控制下，产生本振频率信号。锁相环频率发生器的输出信号直接接功率放大器RF3225。微控制器通过DAC接口，输出方波调制信号。调制信号的高电平是1.0V～1.8V，低电平是0V。高电平的具体取值，还决定了输出功率的大小。调制信号接入到有源低通滤波器。

有源低通滤波器，需要满足各个国家或地区的无线电管理法规要求。世界各个地区的频率要求不同，可以按销售地区，对低通滤波器的带宽进行调节。如欧洲及西亚地区的ETSI标准，规定了射频信号的占用带宽，需要满足图2的要求。

在线性调制的上变频过程中，基带信号的带宽和射频信号的占用带宽是一致的。因微控制器发出的方波调制信号带宽是无限宽的，带外抑制主要需要通过有源低通滤波器来抑制。如果方波的频率是40KHz，根据方波的傅立叶级数计算，其3次谐波(120KHz)为基波功率的1/9，5次谐波(200KHz)为基波功率的1/25。根据上述标准和实际的谐波功率，要求基带滤波器满足100KHz时-20dB以上的衰减，200KHz时，-55dB以上的衰减。

根据上述计算，设计滤波器的一种形式是采用运算放大器组成的四阶切比雪夫滤波器，使用运算放大器组成有源低通滤波器的主要优势在于成本低。其电路图如图3所示。

该低通滤波器电路的增益和相位曲线如图4所示，当使用40Kbps的前向发射速率时，使用该滤波器可以满足ETSI的要求。

如图5所示，经过低通滤波器输出的ASK信号，通过电阻R30，接入到模拟开关SGM3001的第6引脚上。SGM3001是单刀双掷开关，在其第5脚接一个10uF的钽电容C10。当开关打到NO脚时，第5脚和第6脚闭合，R30和C10形成一个RC低通滤波器。SGM3001的开关控制脚接微控制器的IO口，由微控制器控制第6脚和第5脚的通断。

如图6所示电路图，通过电阻R30的模拟调制信号也接入到功率放大器RF3225的功率输出控制脚VRAMP上。功率放大器RF3225的第8脚直接接锁相环频率合成器的输出。第5脚是该功率放大器的功率输出电压控制脚，接模拟调制信号。从功率放大器第9脚输出的功率信号，其幅度将跟随第5脚的电压变化而变化，形成幅度调制信号。

在信号发射的过程中，电路的控制方法如下：

1)微控制器的DAC输出口输出直流0V信号，并控制锁相环产生频率信号；

2)微控制器控制模拟开关，使SGM3001的第5和第6脚导通，将电容器接入到模拟调制信号；

3)微控制器在DAC输出口先发送一断直流1.5V信号，直流电压信号经过有源低通滤波器后，幅度不产生变化，通过模拟开关，给电容器充电；电容器上的电压缓慢上升，同时该信号也输入到了功率放大器的输出控制脚，功率放大器输出功率缓慢增大的载波信号；

4)电容充电结束后，微控制器控制模拟开关断开，电容器上的电压会维持不变；微控制器通过DAC接口，输出0V-1.5V的方波调制信号，信号的格式按ISO18000-6C的协议标准格式；

5)方波调制信号经过有源低通滤波器后，输出成符合频率带宽要求的模拟调制信号，接入到功率放大器RF3225的功率控制脚(第5脚)，功率放大器在功率控制脚的控制下，输出已调信号；

6)微控制器输出数据结束后，DAC接口输出直流1.5V电压，此时射频输出载波给标签供电，标签开始反射信号；

7)微控制器将模拟开关，使SGM3001的5脚和6脚导通，电容器接入到模拟调制信号上。此时电阻R30和电容C10构成的RC低通滤波器，截止频率是318Hz，10KHz以上的衰减大于40dB；模拟调制信号通过RC低通滤波后，能有效的减小有源滤波器输出的噪声，达到不影响标签返回信号的目的；

9)标签反射信号，进入到接收器，微控制器进行信号接收；通信完成后，微控制器的DAC引脚输出0V低电平信号，关闭调制器输出。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (5)

1.一种超高频RFID读写器发射电路，包含微控制器MCU，锁相环频率发生器PLL，功率放大器，有源低通滤波器，电阻，模拟开关和电容器；

锁相环频率发生器，与微控制器相连接，在微控制器MCU的控制下，产生符合超高频射频识别要求的本振频率信号，本振频率信号直接输入到功率放大器的本振输入端；

微控制器，微控制器根据射频识别空口协议规范的时序要求，在微控制器的DAC输出口发送方波调制信号；

有源低通滤波器，与微控制器相连接，方波调制信号经过有源低通滤波器后，被滤除高次谐波，抑制带宽，使调制信号满足无线电管理法规的占用带宽；有源低通滤波器的输出端接一个电阻，输出信号即为模拟调制信号；

模拟开关，在有源低通滤波器通过电阻输出的调制信号线上连接一个模拟开关，模拟开关另一端接一个电容器，该电容器具有滤波性能，所述模拟开关在发射载波、接收标签信号时，接入电容器，对模拟调制信号进行滤波，可以有效的抑制调制信号的噪声，使其不影响标签信号的接收，而在发送调制信号时，通过开关断开电容，不影响发射信号的通过。

2.根据权利要求1所述的一种超高频RFID读写器发射电路，其特征在于，模拟调制信号直接接入到功率放大器的功率调节电压输入脚VRAMP上，这样功率放大器的功率输出，跟随调制信号电压而变化，形成幅度调制的效果。

3.根据权利要求1所述的一种超高频RFID读写器发射电路，其特征在于，电容器为钽电容，容量大于10uF，模拟开关由微控制器控制通断，当开关导通时，电阻和电容器形成RC无源低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种超高频RFID读写器发射电路，其特征在于，微控制器通过DAC输出的调制信号高低电平的电压值需要在功率放大器的功率调节电压输入范围内。

5.一种控制如权利要求1所述的电路的信号发射的方法，包含以下步骤：

S1.微控制器的DAC输出直流低电压信号，并控制锁相环产生频率信号；

S2.微控制器控制模拟开关导通，将电容器接入到模拟调制信号；

S3.微控制器在DAC输出口先发送一段直流高电压信号，直流电压信号经过有源低通滤波器后，幅度不产生变化，通过模拟开关，给电容器充电；电容器上的电压缓慢上升，同时该信号也输入到了功率放大器的输出控制脚，功率放大器输出功率缓慢增大的载波信号；

S4.电容充电结束后，微控制器控制模拟开关断开，电容器上的电压会维持不变；微控制器通过DAC接口，输出方波调制信号；

S5.方波调制信号经过有源低通滤波器后，输出成符合频率带宽要求的模拟调制信号，接入到功率放大器的功率控制脚，功率放大器在功率控制脚的控制下，输出已调信号；

S6.微控制器输出数据结束后，DAC接口输出直流高电压，此时射频输出载波给标签供电，标签开始反射信号；

S7.微控制器将模拟开关导通，电容器接入到模拟调制信号上，此时由于加入电容器的作用，电路的通频带会降低，在标签返回信号基带频率范围之类的调制信号噪声将会被抑制；由于此时电路所需要通过的信号只是直流信号，所以电容器选用钽电容，容量大于10uF，能将10KHz以上的噪声衰减40dB以上；

S8.标签反射信号，进入到接收器，微控制器进行信号接收；通信完成后，微控制器的DAC引脚输出低电平信号，关闭调制器输出。

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