RFID发射前端的零中频电路设计*

2017-11-03张照锋钱国明

电子器件 2017年5期

关键词：基带计数器载波

张照锋,张强,钱国明

(1.南京信息职业技术学院,南京 210023;2.南京邮电大学电子科学与工程学院,南京 210003)

RFID发射前端的零中频电路设计*

张照锋1*,张强1,钱国明2

(1.南京信息职业技术学院,南京 210023;2.南京邮电大学电子科学与工程学院,南京 210003)

软件无线电技术增强了射频识别(RFID)系统的信号处理能力及兼容性,而零中频的设计思想进一步简化了射频前端结构。然而射频前端依然发挥着不可替代之重要功能,若在设计中将其地位置于软件子系统之下往往会恶化整体性能。本文对基于零中频技术的RFID射频发射前端进行了必要的理论分析,在此基础上,按照性能指标要求对系统进行了预增益仿真和谐波平衡仿真,以此作为模块选型和优化的依据,最后完成了射频前端设计。仿真结果表明,各项指标较为理想。

射频识别(RFID);射频发射前端;零中频;ADS仿真

随着对移动通信设备小型化、低功耗、多功能需求的不断增加,传统的超外差结构,由于其模拟分离元件多,体积大,成本高等原因,已经越来越不适应。而零中频结构(如图1所示)是对常规超外差结构的改进,省去了模拟中频级的处理,直接进行上变频。

图1 零中频发射机的结构图

在这种发射机中,数字基带I/Q信号经过DAC转换成模拟I/Q信号,模拟I/Q信号经模拟低通滤波器滤波后,分别与正交的两路射频本振信号混频,而后进行叠加,转换成模拟射频调制信号,从而实现频谱的搬移。零中频发射机的优点有:

(1)系统层次少,复杂度低,适于集成电路实现。

(2)由于没有中频,因此镜像信号与所需信号完全重合,对滤波器的要求大为降低[1,9]。

(3)信号频带带宽仅为已调信号的一半,这意味着接收机噪声通带比常规外差接收机少一半,使接收门限电平改善3 dB。

但这项技术也存在很多缺点,正交调制信号和正交本振信号相位和幅度的不平衡,对直流偏移失真非常敏感等,因此导致严重的边带和本振泄漏[2-3]。

1 系统总体方案分析

零中频发射机采用直接正交变频调制方式,其本质是一种特殊的频率复用技术。假设图1所示的结构中的基带I/Q两路的输入正交信号分别用i(t)和q(t)表示,它们的角频率均为ωc,分别有相互正交的正弦信号cos(ωct)和sin(ωct)调制,调制后两路信号相加得到:

x(t)=i(t)cos(ωct)+q(t)sin(ωct)

(1)

如果基带I/Q两路的输入正交信号i(t)和q(t)分别为线性调频脉冲信号复包络的实部和虚部,即:

i(t)=cos(kπt2)和q(t)=sin(kπt2)

(2)

则零中频调制的输出为:

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,采用本振信号与基带信号进行混频,当i(t)和q(t)完全正交时,调制输出的边带信号x(t)有下边带分量cos(ωct-kπt2),上边带分量cos(ωct+kπt2)和载波分量ωc均被抑制掉,从而抵消无用边带信号,实现对另一个边带的有效抑制。

2 发射前端的零中频电路仿真与分析

虽然零中频结构的发射前端具有多种优点,但是在实际使用中零中频对发射前端的正交信号的相位和幅度有较高的要求,因此使用ADS软件对电路的预增益和谐波平衡进行仿真与分析[7]。零中频射频发射前端仿真链路如图2所示[7-8]。

图2 零中频射频发射前端仿真链路

图3 预增益仿真结果

2.1 预增益仿真与分析

本射频识别系统的发射前端要求具有20 dB的动态范围[4]。由于采用零中频电路结构,不存在中频放大部分,若将功放全部设置在基带部分实现,过高的功率将导致严重的载波泄露;若将功放全部设置在射频部分实现,较难控制发射电路的功率。因此综合考虑优化设计,将3 dB的增益在基带功放实现,23 dB的增益在射频功放实现。

对发射链路进行预增益仿真,分为基带单路输入和基带双路输入两种情况,仿真结果如图3所示。从预增益曲线可知,对于单路输入的0 dBm信号,由于低通滤波器的插入损耗产生了1 dB左右的衰减,在混频后得到2 dBm的功率,通过带通滤波器后的衰减2 dB,最后经功放放大后,最终输出获得23.943 dBm的射频信号。在基带双路输入的情况下,信号的质量有所提升,对应的输出功率增加3 dBm,符合系统设计指标。

2.2 谐波平衡仿真与分析

谐波平衡仿真是对非线性电路在频率域的误差仿真,能够确定系统的信号、噪声特性以及谐波频谱等。在预增益仿真的基础上,采用基带双路输入,对射频发射前端进行谐波平衡仿真,进而了解发射前端的载波和边带抑制度[10-11]。仿真结果如图4所示。

图4 谐波平衡仿真结果

载波频率的扫描变量范围为:0～8 GHz。从图4(a)可知,输入载波主要集中在2.406 2 GHz,载波抑制度为32.42 dB,具有很好的载波抑制度。输出信号频率的扫描范围为:2.386 2 GHz～2.426 2 GHz从图4(b)可知,射频信号输出主要集中在2.401 2 GHz和2.411 2 GHz频点上,其值为22.44 dB,则功率为25.44 dB;一次谐波、二次谐波输出功率为-7.51 dB和-7.92 dB,可知交调杂波抑制度和二次谐波抑制度分别为32.9 dB和33.3 dB。均符合设计要求。

3 发射前端的具体设计与实现

3.1 模块设计

射频发射前端的电路结构如图5所示。零中频射频前端由直接变频正交调制器、高稳定度本振信号发生器和功率放大器组成。

图5 射频发射前端的电路结构

3.1.1 直接变频正交调制器

本系统的正交调制部分是采用Analog公司的AD8349来实现的。AD8349是一个用于700 MHz～2 700 MHz范围内的直接正交调制芯片,它具有较好的相位准确度和幅度平衡度,成本低、功耗低等优点[5]。当芯片正常工作时,两路基带信号分别从DAC差分输入到IBBN、IBBP端和QBBN、QBBP端,为保证I/Q基带信号的平衡,在DAC和AD8349之间设计低通镜像抑制滤波器,如图6所示。其中,LC构成一个12 MHz带宽的三阶贝塞尔滤波器,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,提供基带差分输入1.2 V的峰峰值。

图6 低通镜像抑制滤波器

3.1.2 本振信号发生器

本系统的本振信号发生器采用是由Analog公司的高性能锁相频率合成芯片ADF4360-0,设计的中心频率为1750 MHz。它主要由数字鉴相器、电荷泵、压控振荡器、24位数据寄存器、24位功能锁存器、可编程14位R计数器、可编程18位N计数器(5位A计数器和13位B计数器)以及双模前置P/(P+1)分频器等组成,所有片内寄存器均通过简单的三线式接口进行控制。

ADF4360-0的A(5位)、B(13位)计数器与双模前置分频器连接能实现一个分频比为N的分频器,算法为:

N=P·B+A

(4)

输出频率为:

fVCO=[P·B+A]×fREFIN/R

(5)

式中:fVCO为VCO的输出频率;P为前置分频器的预先模值(8/9、16/17等);B为13位计数器预设分频比(3～8191);A为5位计数器预设分频比(0～31)[6]。

当fVCO为2.4 GHz,fREFIN为50 MHz时,根据寄存器帧结构得R计数锁存器的码表为0000000000000 00000100001,对应16进制为000021。P取32,由式(1)～式(4)计算得B=12,A=0,则N计数器的码表为000000000000110000000010,对应16进制为000C02。

3.2 系统设计指标及分配

本系统设计的射频发射前端工作在2.4 GHz频段,根据发射机系统结构对各级的功率、增益等指标进行分配。具体系统性能指标如表1所示。

表1 2.4 GHz射频发射前端的性能指标要求

根据性能指标要求,具体的功率分配如下:基带如数信号功率为0 dBm,低通滤波器的插损1 dB,直接变频正交调制器输出功率2 dBm,功放增益24 dB。宽带分配如下:本振输出频率范围2.40 GHz～2.48 GHz,直接变频正交调制器、带通滤波器和功放的带宽为2.40 GHz～2.48 GHz,低通滤波器的宽带为0～5 MHz。

3.3 PCB设计注意问题

印刷电路板的设计是根据电路原理图完成对实际电路的布局设计。在进行PCB设计时应注意如下问题:

(1)发射机射频前端工作在 2.400 GHz～2.480 GHz的范围,基带信号输入混频器之前,应该尽可能以较短的信号接入,从而减小各元件对的信号的影响。电源线和信号线应该尽量保持较远的距离,同时在二者之间加入地进行隔离。

(2)在对供电电源去耦的时候,最好采用不同的接地孔给不同的去耦电容接地,而且去耦电容得位置最好尽量靠近对应电源输入引脚。

(3)电源线和地线最好平行分布,可以有利于提供好的电厂兼容特性。

(4)走线时拐弯最好用120°走线,而不采用90°走线。

(5)为防止信号之间的相互干扰,输出信号线和输入信号线之间两的距离要尽可能的大。

(6)在布线过程中,可以利用覆铜来提高板的稳定性和物理强度。

4 结束语

最后根据选择的器件和设计指标,依据PCB布局布线要求,制成零中频射频发射前端的实物,如图7所示。经整机测试,在2.4 GHz功率最大输出24 dBm。

图7 零中频射频发射前端

零中频电路的射频识别系统发射前端,结构简单,功耗低,符合开放式软件无线电平台的思想[1]。本文对射频识别系统发射前端的零中频电路进行了仿真,重点对系统的预增益和谐波平衡进行了分析,并设计了系统的具体电路和性能指标。测试结果表明,符合系统设计指标要求。

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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

项目来源:江苏高校品牌专业建设工程项目(PPZY2015C242);南京信息职业技术学院开放基金项目(KF20160101)

TN772.1

1005-9490(2017)05-1121-05