摘  要： 簡(jiǎn)要介紹射頻IC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并針對(duì)現(xiàn)有射頻IC系統(tǒng)接收電路的不足，通過(guò)調(diào)整混頻器增益、混頻管之間距離和工作頻率等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收電路的優(yōu)化。通過(guò)仿真，證明了優(yōu)化的有效性。
關(guān)鍵詞： 射頻IC系統(tǒng)；接收電路；優(yōu)化

　　射頻IC卡成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)無(wú)線方式傳輸能量和數(shù)據(jù)，從根本解決了卡內(nèi)能量來(lái)源和非接觸交易兩大難題。除了具有IC卡固有的存儲(chǔ)容量大、安全性高、應(yīng)用范圍廣、對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求低等特點(diǎn)外，還有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如：應(yīng)用的可靠性高、保密性高、操作速度快、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的IC卡、可同時(shí)處理多任務(wù)、可實(shí)現(xiàn)一卡多用等[1]。接收電路是射頻IC卡系統(tǒng)中重要組成部分，射頻IC卡通過(guò)接收電路與IC卡和外部通信。本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了一個(gè)性能優(yōu)良的射頻IC系統(tǒng)接收電路。
1 射頻IC系統(tǒng)硬件組成
　　射頻IC系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和射頻IC卡兩部分組成[2]，如圖1所示。讀寫(xiě)器是尋呼器，通過(guò)射頻信號(hào)同射頻IC卡通信，并給IC卡提供工作所需要的能量。系統(tǒng)通過(guò)讀寫(xiě)器給射頻IC卡發(fā)送指令，并通過(guò)讀寫(xiě)器分析射頻IC卡返回的有關(guān)信息；射頻IC卡是應(yīng)答器，通過(guò)天線從讀寫(xiě)器天線的RF電磁場(chǎng)中得到能量、指令和數(shù)據(jù)，根據(jù)讀寫(xiě)器的指令進(jìn)行處理并報(bào)告處理結(jié)果。

　　讀寫(xiě)器端由MCU、RF模塊、EEPROM和電源電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、時(shí)間電路、LED、GAL、RS232接口以及天線等部分組成。其中，MCU用于控制和協(xié)調(diào)讀寫(xiě)器各功能模塊的工作，RF模塊和天線實(shí)現(xiàn)了與射頻IC卡之間的通信；EEPROM是MCU的擴(kuò)展存儲(chǔ)器，用于存放指令和數(shù)據(jù)；電源電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路用來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)正常工作所需的電壓和時(shí)鐘信號(hào)；時(shí)間電路向系統(tǒng)提供時(shí)間信息；LED為可視化接口；RS232接口是系統(tǒng)和終端之間的通信接口，通常也可以是RS485、RS422接口形式；GAL用于匹配系統(tǒng)的時(shí)序，并為將來(lái)可能的FO擴(kuò)展提供接口。
　　在射頻IC卡端，由天線和內(nèi)部電路兩部分組成。天線是讀寫(xiě)器和非接觸式IC卡之間信號(hào)和能量傳遞的中介，IC卡內(nèi)部電路則根據(jù)讀寫(xiě)器的指令，做出相應(yīng)的操作和響應(yīng)。
2 射頻IC系統(tǒng)接收電路的設(shè)計(jì)
　　根據(jù)ISO/IEC 18000-6 Type B協(xié)議規(guī)范，按照射頻電路的指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)方案框架如圖2所示。其中，接收電路工作過(guò)程如下：天線接收到的返回信號(hào)被耦合到接收電路中，經(jīng)過(guò)混頻和放大之后送至解調(diào)器，解調(diào)器應(yīng)用發(fā)射頻率進(jìn)行零中頻解調(diào)，并將TTL電平的解調(diào)信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)字電路。

　　本文只對(duì)接收電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)敘述。
　　接收電路的功能表明，這部分電路的性能決定著射頻電路的讀卡能力，是整個(gè)射頻IC系統(tǒng)接口電路的關(guān)鍵，也是優(yōu)化的重點(diǎn)。采用零中頻解調(diào)方案實(shí)現(xiàn)的接收電路原理框圖如圖3所示。

　　其中：U_R為來(lái)自標(biāo)簽的回波信號(hào)；U_L為來(lái)自發(fā)射電路頻率源的本振信號(hào)；D_A為差分放大器；Comp1和Comp2為2個(gè)電壓比較器；A、B、C和D分別是4個(gè)混頻二極管與微帶線的連接點(diǎn)。
　　在接收電路中，最為關(guān)鍵的是解調(diào)，這里以電壓比較器Comp1為例介紹解調(diào)原理。圖3中，A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的間距為工作波長(zhǎng)的四分之一，即λ_g/4。設(shè)在A點(diǎn)的本振信號(hào)和回波信號(hào)分別為：V_LA=Acos(ωt+α)和V_RA=B(t)cos(ωt+α)。其中，A為本振信號(hào)的幅度；B(t)為回波信號(hào)的調(diào)制信號(hào)，也即要提取出來(lái)的信息，且有|B(t)|<<|A|。
　　用于混頻的非線性器件為肖特基二極管。根據(jù)肖特基二極管的混頻特性，這2個(gè)信號(hào)在A點(diǎn)進(jìn)行混頻后，輸出信號(hào)包括：直流成分、零中頻成分、基波成分和高次諧波成分。這些信號(hào)通過(guò)一個(gè)帶通濾波器，濾除直流、基波和高次諧波后，僅剩余零中頻信號(hào)V_OA，即通過(guò)一次混頻和一次濾波就直接得到了基帶信號(hào)，V_OA=xB(t)cos(α-β)，其中x是與具體器件參數(shù)以及本振電壓有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。

　　對(duì)于這種情況，通常采用的辦法是：再增加一組解調(diào)電路，使2組解調(diào)電路的模糊點(diǎn)不重合。這種方法已有很多文獻(xiàn)闡述，下面重點(diǎn)研究對(duì)此電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3 射頻IC系統(tǒng)接收電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.1 混頻器的變頻增益優(yōu)化
　　在系統(tǒng)接收電路中，混頻器的作用很大，因此對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化能明顯改進(jìn)系統(tǒng)性能。實(shí)際電路中，用于混頻的肖特基二極管與微帶線之間采用一個(gè)電容實(shí)現(xiàn)信號(hào)的耦合。對(duì)于肖特基二極管的選取原則是：截止頻率至少十倍于本振頻率f₀，串聯(lián)電阻Rs越小越好。該條件對(duì)應(yīng)的零偏壓結(jié)電容C_j0應(yīng)滿足：。本文選取肖特基二極管對(duì)應(yīng)的參數(shù)為：C_j0=0.7 pF，R_s=6 Ω。圖4和圖5是在無(wú)耦合電容以及耦合電容為2 pF兩種情況下，根據(jù)電路實(shí)際使用時(shí)本振功率Plo的變化范圍得到的變頻增益CG的仿真結(jié)果。

　　由圖4和圖5可知，混頻器的變頻增益變化幅度小于0.5 dB，即本振功率的變化基本上不會(huì)影響混頻器的變頻增益。另外，耦合電容的加入會(huì)影響混頻器的變頻增益。圖6是在本振功率Plo=30 dBm情況下，對(duì)耦合電容進(jìn)行掃描，得到的變頻增益與耦合電容之間的關(guān)系曲線。

　　通過(guò)以上分析，可知使變頻增益最大的耦合電容值為10 pF。
3.2 混頻管之間相移距離優(yōu)化
　　由以上分析可知，相移距離主要能夠影響混頻后2個(gè)調(diào)制信號(hào)的共模和差模成分的大小，而這又會(huì)影響差分放大器的效率，從而對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生影響。因此，要想使濾波器輸出的調(diào)制信號(hào)得到效率最高的放大，就要求差模信號(hào)幅度最大，即|f_A-B|最大，問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為求解下式的最大值：f(φ)=x²-2xycos2φ+y²。其中，對(duì)于確定的電路，x和y是正負(fù)號(hào)相同的常數(shù)，函數(shù)僅由相移距離φ決定，其關(guān)系曲線如圖7所示。

3.3 工作頻率選取的優(yōu)化
　　從讀寫(xiě)器的電磁環(huán)境看，GSM手機(jī)的工作頻段（890 MHz~960 MHz）與射頻IC的工作頻段是有重疊的，室內(nèi)工作也會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，這些都會(huì)引起同頻干擾。為減小干擾，讀寫(xiě)器的工作頻率可以使用跳頻方式。因?yàn)镮C卡沒(méi)有發(fā)射機(jī)，是通過(guò)反射讀寫(xiě)器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)通信的，因此，使用跳頻方式就不用考慮跳頻圖案的問(wèn)題，只需要在工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器載波頻率的跳變即可。
　　根據(jù)采取的實(shí)際芯片，通過(guò)鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)跳頻的頻率間隔約為30 kHz，建立時(shí)間小于12 ms。系統(tǒng)頻段內(nèi)的頻率與中心頻率在真空中波長(zhǎng)上最大差距為5 mm左右，對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)的差別只有2~3 mm，對(duì)應(yīng)的?漬的差別只有0.1(弧度)左右。由圖7可知，頻帶內(nèi)的放大幅度就在最大值附近一個(gè)很小的范圍內(nèi)。所以，跳頻方式是可行的。跳頻的頻率間隔、時(shí)間間隔、跳變規(guī)律等設(shè)定，都由系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)。此外，考慮到可能存在的多讀寫(xiě)器互擾問(wèn)題，可以采用分區(qū)段隨機(jī)跳頻的控制方式。根據(jù)在統(tǒng)一區(qū)域內(nèi)工作的讀寫(xiě)器的數(shù)量動(dòng)態(tài)地將整個(gè)頻帶進(jìn)行劃分，工作時(shí)各自的載波頻率在自己的小頻段內(nèi)隨機(jī)跳變。這樣既能減小GSM信號(hào)的干擾，又能避免讀寫(xiě)器之間相互干擾。原設(shè)計(jì)采用的是由用戶指定工作頻率的方式，相對(duì)于跳頻方式，抗干擾能力較差。由于同頻信號(hào)的干擾，經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)不能有效工作的現(xiàn)象。

　　此外，對(duì)整個(gè)接收電路的優(yōu)化還可以在帶通濾波器和模糊點(diǎn)消除上切入，但考慮到此類(lèi)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，因此不在此闡述。
　　本文針對(duì)當(dāng)前射頻IC系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣、需求越來(lái)越多的現(xiàn)狀，對(duì)已有系統(tǒng)的IC接口電路進(jìn)行優(yōu)化，從混頻器增益、混頻管之間距離和工作頻率切入，具有一定的新意。最后還通過(guò)仿真軟件證明了優(yōu)化的有效性。下一步的工作是帶通濾波器與模糊點(diǎn)消除的優(yōu)化結(jié)合，從而在整個(gè)系統(tǒng)上完成優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)。
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