一种基于FPGA的无线射频读卡器开发与设计

　　引言

　　现在我们在超市购物付款时候只要一个识别器就可以很快知道价格，不再是以前的一个算盘或者计算器，加快了付款速度，很好地方便了顾客。无线射频识别（RFID）技术是一种自动识别技术。每一个目标对象在射频读卡器中对应唯一的电子识别码（UID），或者“电子标签”。标签附着在物体上标识目标对象，如纸箱、货盘或包装箱等。射频读卡器（应答器）从电子标签上读取识别码。 

　　基本的RFID系统由三部分组成：天线或线圈、带RFID解码器的收发器和RFID电子标签（每个标签具有唯一的电子识别码）。表1显示了常用的四个RFID频率及其潜在的应用领域。其中，目前商业上应用最广的是超高频（UHF），它在供应链管理中有可能得到广泛的应用。

　　EPC电子标签

　　EPC表示电子产品代码，是RFID电子标签的标准，它包括电子标签的数据内容和无线通信协议。EPC标准将条形码规范中的数据信息标准与ANSI或其他标准化组织（802.11b）制定的无线数据通信标准结合在一起。目前应用在供应链管理中的EPC标准，属于第二代EPC Class-1标准。

　　Class-1标签在出厂时已经被写入，但也是可以现场下载。通常情况下，一旦标签已被写入，内存即被锁定不可再次写入信息。Class-1标签采用常规的分组传输协议—读卡器发送包含相关命令和数据的数据包，标签随后做出响应。

　　恶劣的读卡器应用环境

　　RFID的应用环境可能非常恶劣。信道的工作频率是免许可的工业、科技与医药（ISM）频带。此频带中的RFID读卡器受到来自无绳电话、无线耳麦、无线数据网络以及其他临近读卡器的干扰。必须将每一读卡器的RF接收器前端设计为能够抵御强干扰信号，避免产生可导致询问错误的失真。接收器的噪声必须保持在较低的水平，以便具备足够的动态范围，从而以无错方式检测出低电平标签响应信号。 

　　图1中所示的读卡器RF射频收发器，是一个成熟的设计，能够在存在大量干扰源的恶劣环境中稳定地工作。发射器和接收器都带有一个高动态范围直接转换调制器和解调器，因此最大限度地提高了稳定性并降低了成本。

　　实用和可靠的射频接收器设计

　　接收器的核心是Linear公司的LT5516，这是一种高度集成化的直接转换正交解调器，芯片上提供了一个精确正交移相器（0度至90度）。来自天线的信号在通过射频滤波器之后，通过一个不平衡变压器直接输入到解调器输入端口。由于LT5516的噪声系数很低，在不需要低噪放大器（LNA）的情况下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

　　在接收数据时，读卡器发射连续载波（未调制），以便为标签提供电源。在收到请求后，电子标签通过对载波进行调幅，响应一个码流。所采用的调制方式为幅移键控（ASK）或者反相-幅移键控键控（PR-ASK）。解调器带有两个正交移相检出式输出端口，因此具备天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消导致某个通道无法接收信号，另一条通道（移相90度）就可接收较强的信号，反之亦然。这样，整体接收可靠性就得以提高。

　　一旦解调完成，即可将I（相内）和Q（正交相位）差分输出信号以AC方式耦合至一个运算放大器（被配置为一个差分放大器），随后被转换为单端输出信号。这个时候应将高通角频率设置为5KHz，低于接收数据流的最小信号频率，高于最大多普勒频率（可能被运动标签采用），同时保持高于电力线频率（60Hz）。这样，输出信号就能利用被配置为四阶低通的LT1568顺利穿过低通滤波器。低通角频率应被设置为5MHz，以便最大码流信号穿过滤波器，达到基带。

　　基带信号然后被一个双路低功耗模数转换器（LTC2291，分辨率为12位）进行数字化处理。由于标签码流的带宽为5KHz至5MHz，LTC2291能够以25MSps的速率进行充分的采样，从而精确地捕获解调信号。在需要的时候，还可在基带DSP中实现额外的数字滤波。这样，接收器就能具备最大的逻辑阈值设置灵活性，该设置可由基带处理器以数字化方式执行。

　　基带任务和数字化射频信道化处理，可提高用全FPGA解决方案实现的吸引力和集成度。 

　　高动态范围射频发射器设计

　　发射器集成了一个镜像抑制直接转换式调制器。LT5568具备很高的线性度和较低的背景噪声，因此能够为所发射的信号提供出色的动态范围性能。调制器能够从数模转换器（DAC）接收正交式基带I和Q信号，然后直接调制至900MHz发射频率。

　　在内部，LO（本地振荡器）被精确正交移相器分割。经调制的射频信号被合并为一个单端、单边带射频输出信号（镜像被抑制了46dBc）。此外，调制器还带有匹配的I和Q混合器，从而最大限度地抑制了LO载波信号（至-43dBm）。

　　复合调制电路具备出色的邻道功率比（ACPR），有助于满足发射频率屏蔽要求。例如，当调制器射频输出电平为-8dBm时，ACPR指标优于-60dBc。由于具备更出色的ACPR性能，信号可被放大至许可的1w功率（在美国为+30dBm），或者放大至2w，以符合欧盟规范。在上述两种情况下，重要的是保持电平固定，因为该电平用于向电子标签提供电源，并最大化读卡距离。LTC5505型射频功率检测器的内部温度补偿功能，可准确地测定功率，提供稳定的反馈信号，以调节射频功率放大器的输出功率。

　　基带处理和网络接口

　　在基带频率上，FPGA执行发送至DAC和来自模数转换器（ADC）的波形的信道化任务。这一过程也被称为数字中频处理，涉及滤波、增益控制、频率转换和采样率变化等。FPGA甚至可以并行处理多个信道。 

　　图2显示了一个射频读卡器的架构。其他基带处理任务包括：

　　先导字段检测

　　排序估计

　　调制和解调（ASK、频移键控和相移键控）

　　信号产生

　　相关器处理

　　峰值检测和阈值设定

　　CRC纠错和校验和

　　编码和解码（NRZ、Manchester、单极性、差分双极性和Miller）

　　帧检测

　　ID去扰

　　安全加密引擎