軟件定義UHF RFID讀取器的可編程基頻濾波器

引言

無線頻率識別(RFID)是一種自動 ID 技術，其可識別任何含有編碼卷標的物體。UHFRFID 系統(tǒng)由一個讀取器 (或詢問器) 組成，該讀取器調(diào)變一個 860MHz 至 960MHz 頻率范圍內(nèi)的 RF 訊號，并向卷標發(fā)送信息。一般情況下，卷標是被動的，它從發(fā)送連續(xù)波(CW) RF 訊號的讀取器接收工作所需的全部能量。卷標透過調(diào)變其天線的反射系數(shù)作出響應，從而將信息訊號反向散射到讀取器內(nèi)。

卷標訊號檢測需要測量訊號躍變之間的時間間隔 (代表數(shù)據(jù)“1”符號的時間間隔比代表數(shù)據(jù)“0”的符號長)。讀取器透過發(fā)送一個指示卷標設置其反向散射數(shù)據(jù)速率及編碼的訊號，以啟動卷標提供庫存信息的過程。

RFID 讀取器可以在很多讀取器緊密相鄰的噪聲 RF 環(huán)境中工作。單詢問器、多詢問器和密集詢問器這 3 種工作模式?jīng)Q定讀取器和卷標訊號的頻譜限制。接收器的軟件可編程性，使其可在可靠的多卷標檢測與高數(shù)據(jù)吞吐量之間獲得最佳平衡。

可編程讀取器含有一個高線性度的直接轉(zhuǎn)換 I 和 Q 解調(diào)器、若干低噪聲放大器、一個具可變增益和帶寬的雙信道基頻濾波器、以及一個雙信道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。雙通道、已匹配和可編程的帶通濾波器 LTC6602 可以優(yōu)化高效能 RFID 讀取器。

雙通道帶通濾波器

LTC6602 具有兩個相同的濾波器信道，這兩個信道具有匹配的增益控制以及由頻率控制的低通及高通網(wǎng)絡。透過每個信道的相移匹配至 ±1 度。內(nèi)部或外部頻率頻率將濾波器的通帶定位到所需頻譜上。

低通和高通轉(zhuǎn)角頻率以及濾波器帶寬由頻率頻率的標度比設定。低通標度比選項為100、300和600，而高通標度比為1000、2000 和6000。圖一顯示一個典型的濾波器回應，該濾波器具90MHz內(nèi)部頻率，高通和低通標度比分別設定為6000和600。4階橢圓截止阻帶響應有助于消除帶外噪聲。控制基頻帶寬就可以在RFID接收器適應工作環(huán)境的過程中，用軟件定義它的工作模式。

圖 一 15kHz 至 150kHz 通帶上的濾波器回應

一種因應 RFID 讀取器的自適應基頻濾波器

圖二顯示了一個簡單和基于 LTC6602 的濾波器電路，該電路用 SPI 串行控制來改變?yōu)V波器的增益和帶寬，以適應一套復雜的數(shù)據(jù)速率和編碼。(反向散射鏈路的頻率范圍為40kHz 至 640kHz，而數(shù)據(jù)速率范圍為 5kbps 至 640kbps。)

圖 二 具 SPI 控制的自適應 RFID 基頻濾波器

為了實現(xiàn)該濾波器的精細分辨率定位，內(nèi)部頻率頻率由一個8位LTC2630 DAC設定。0V至3V的DAC輸出范圍確定頻率頻率在 40MHz 至 100MHz (每位 234.4kHz) 之間的位置。低通和高通標度比由 LTC6602 的串行 SPI 控制設定。

高通濾波器的截止范圍為 6.7kHz 至 100kHz，而低通濾波器則為 66.7kHz 至 1MHz。最佳濾波器帶寬設置可以透過一種軟件算法來調(diào)節(jié)，而且是數(shù)據(jù)頻率、數(shù)據(jù)速率和編碼的函數(shù)。濾波器帶寬必須足夠窄，以最大限度地擴大 ADC 輸入的動態(tài)范圍，同時又必須足夠?qū)?，以保護訊號躍變和脈沖寬度 (正確的濾波器設置確?？煽康?DSP 卷標訊號檢測)。

圖三顯示一個實例，即濾波器對一個典型卷標符號序列 (一個“短”的脈沖間隔，接著是一個“長”的脈沖間隔) 的時域響應。低通截止頻率設定為等于最短時間間隔的倒數(shù)(fCUTOFF = 1/10μs = 100kHz)。如果低通截止頻率更低，那么訊號躍變和時間間隔將失真得無法識別。高通截止頻率的設置更加定性而不是具體。

高通截止頻率必須低于最長時間間隔的倒數(shù) (就所示實例而言，高通 fCUTOFF 1/20μs)，而且要盡可能地高，以降低接收器的低頻噪聲 (基頻放大器以及下變頻相位與幅度雜訊)。圖三的下半部分顯示該濾波器的總體響應 (低通加高通濾波器)。

比較具 10kHz 和 30kHz 高通設置的濾波器輸出，10kHz 輸出的訊號躍變和時間間隔對于檢測符號序列而言是足夠的 (在 RFID 環(huán)境，噪聲將重迭在輸出訊號上)?？偟膩碚f，提高低通 fCUTOFF 和/或降低高通 fCUTOFF 意味著，以增大濾波器輸出噪聲為代價“提高”訊號躍變和時間間隔的“質(zhì)量”。

圖三 濾波器對卷標符號序列的瞬態(tài)回應

結論

LTC6602 雙通道帶通濾波器是一種可編程的基頻濾波器，適用于高效能 UHF RFID 讀取器。在軟件控制下使用 LTC6602 能夠在單詢問器物理設置時以高數(shù)據(jù)速率工作，或者以多詢問器或密集詢問器物理設置工作時，能實現(xiàn)最佳卷標訊號檢測。LTC6602 是一種非常精小的 IC，其采用 4mm x 4mm QFN 封裝，而且可透過并行或串行控制編程。