第一章引言 第一章引言 1.1 研究背景 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术， 以磁场或电磁场为媒介进行能量和信息传递，完成主机与被测物体之间的信息交互。 和条形码、磁卡、接触IC卡等自动识别技术相比，RFID由于具有非接触性、读取速 度快、识别效率高、可同时处理多个标签、安全不易攻击、易编写修改、可在苛刻条 件下工作等优点，被广泛应用于门禁、物流、安全、防伪、军事、医疗、自动生产等 各个领域，有着广阔的发展前景。 一个典型的RFID系统由两个基本部分组成：读写器(Reader/Interrogator)和标签 (Tag/Transponder))。一台典型的读写器包含有高频模块（收发机）、控制单元以及与标 签连接的耦合元件。此外，很多读写器还都有附加的接口(RS232、RS485、2C等) 与另外的系统（个人计算机、机器人控制装置等）进行数据传输。标签是RFID系统 真正的数据载体，通常由片上芯片和耦合元件组成。读写器和标签由主机来控制，通 过两者耦合元件（线圈或天线）之间的耦合来实现射频信号和能量的空间传递（如图 1.1所示)。 数据 时序 阅读器 能量 标签 应用 程序 耦合元件（线圈、天线） 图1.1典型的RFID系统组成 RFD系统按照工作频率可以划分为低频、高频、超高频和微波四个频段，各个 频段的工作特性如表1.1所示。其中，基于电磁场耦合的超高频(Ultra High Frequency, UHF)RFID系统具有识别距离远、通信速度快、尺寸小、信息容量大等特点，更适合 未来物流等领域的应用，因此成为当前RFD系统研发的重点和热点
第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 研究背景 射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)是一种非接触式的自动识别技术， 以磁场或电磁场为媒介进行能量和信息传递，完成主机与被测物体之间的信息交互。 和条形码、磁卡、接触 IC 卡等自动识别技术相比，RFID 由于具有非接触性、读取速 度快、识别效率高、可同时处理多个标签、安全不易攻击、易编写修改、可在苛刻条 件下工作等优点，被广泛应用于门禁、物流、安全、防伪、军事、医疗、自动生产等 各个领域，有着广阔的发展前景。 一个典型的 RFID 系统由两个基本部分组成：读写器(Reader/Interrogator)和标签 (Tag/Transponder)。一台典型的读写器包含有高频模块（收发机）、控制单元以及与标 签连接的耦合元件。此外，很多读写器还都有附加的接口（RS 232、RS 485、I 2 C 等） 与另外的系统（个人计算机、机器人控制装置等）进行数据传输。标签是 RFID 系统 真正的数据载体，通常由片上芯片和耦合元件组成。读写器和标签由主机来控制，通 过两者耦合元件（线圈或天线）之间的耦合来实现射频信号和能量的空间传递（如图 1.1 所示）[1]。 图 1.1 典型的 RFID 系统组成 RFID 系统按照工作频率可以划分为低频、高频、超高频和微波四个频段，各个 频段的工作特性如表 1.1 所示。其中，基于电磁场耦合的超高频(Ultra High Frequency, UHF) RFID 系统具有识别距离远、通信速度快、尺寸小、信息容量大等特点，更适合 未来物流等领域的应用，因此成为当前 RFID 系统研发的重点和热点
第一章引言 表1.1各频段RFID系统的工作特性 工作频段 典型工作频率 典型波长 能量传递方式典型通信距离 低频(LF) 125-134kHz ~2千米 <10厘米 电感耦合 高频(HF) 13.56MHz ~20米 <1米 超高频(UHF) 860-960MHz ~30厘米 1-10米 电磁场耦合 微波段(Microwave) 2.4-2.45GHz ~12厘米 1-3米 1.2 UHF RFID读写器的研究进展 1.2.1 UHF RFID系统的协议及频率规范 UHF RFID系统主要存在两大标准和协议的制定者：EPC Global和ISO(国际标 准化组织)。EPC Global针对电子产品编码(Electronic Product Code,.EPC)的UHF RFID 系统制定了EPC Global Generation-2(Gen-2)协议，而ISO针对物品管理用UHF RFID制 定了I1S0IEC18000-6标准2（分A类和B类两种）。2006年7月，1S0组织经过修改 通过EPC Global Class-1 Generation-2协议，宣布将其作为ISO/IEC18000-6标准的C 类]。这一标准的合并意味着基于Gen-2协议开发的UHF RFID系统可以得到全球范 围的认可和市场，从而促进无源UHF RFID系统的竞争和发展，最终为用户带来更低 的成本。 EPC Global目前定义了五种电子标签，分别为Class-0-Class-44.Class-0~Class-2 是无源标签，采用背向散射技术向读写器返回数据。其中Class-0是只读标签：Class-l 是读写标签，内含EEPROM,可多次读写：Class-2在Class-1的基础上扩充了更多功 能，如可选存储空间等。Class-.3为半有源标签，通过背向散射或者负载调制技术向读 写器返回数据，内部集成的电源可以对标签和传感器供电。clss-4为有源标签，有电 源供电，因此可以对读写器或其他标签发起通信。 表1.2 EPC Global Class-1 Generation-2主要物理层参数 方向 通信频率 调制方式 编码方式 数据率 R→T 860-960MHz DSB-ASK.SSB-ASK.PR-ASK PIE 26.7kbps-128kbps FMO 40kbps-640kbps T→R 860-960MHz ASK.PSK Miller 5kbps-320kbps 2
第一章 引言 2 表 1.1 各频段 RFID 系统的工作特性 工作频段 典型工作频率 典型波长 能量传递方式 典型通信距离 低频(LF) 125-134 kHz ～2 千米 电感耦合 <10 厘米 高频(HF) 13.56 MHz ～20 米 <1 米 超高频(UHF) 860-960 MHz ～30 厘米 电磁场耦合 1-10 米 微波段(Microwave) 2.4-2.45 GHz ～12 厘米 1-3 米 1.2 UHF RFID 读写器的研究进展 1.2.1 UHF RFID 系统的协议及频率规范 UHF RFID 系统主要存在两大标准和协议的制定者：EPC Global 和 ISO（国际标 准化组织）。EPC Global 针对电子产品编码(Electronic Product Code, EPC)的 UHF RFID 系统制定了 EPC Global Generation-2 (Gen-2)协议,而 ISO 针对物品管理用 UHF RFID 制 定了 ISO/IEC 18000-6 标准[2]（分 A 类和 B 类两种）。2006 年 7 月，ISO 组织经过修改 通过 EPC Global Class-1 Generation-2 协议，宣布将其作为 ISO/IEC 18000-6 标准的 C 类[3]。这一标准的合并意味着基于 Gen-2 协议开发的 UHF RFID 系统可以得到全球范 围的认可和市场，从而促进无源 UHF RFID 系统的竞争和发展，最终为用户带来更低 的成本。 EPC Global 目前定义了五种电子标签，分别为 Class-0 - Class-4[4]。Class-0～Class-2 是无源标签，采用背向散射技术向读写器返回数据。其中 Class-0 是只读标签；Class-1 是读写标签，内含 EEPROM，可多次读写；Class-2 在 Class-1 的基础上扩充了更多功 能，如可选存储空间等。Class-3 为半有源标签，通过背向散射或者负载调制技术向读 写器返回数据，内部集成的电源可以对标签和传感器供电。Class-4 为有源标签，有电 源供电，因此可以对读写器或其他标签发起通信。 表 1.2 EPC Global Class-1 Generation-2 主要物理层参数 方向 通信频率 调制方式 编码方式 数据率 R T ⇒ 860-960 MHz DSB-ASK,SSB-ASK,PR-ASK PIE 26.7kbps-128kbps T R ⇒ 860-960 MHz ASK,PSK FM0 40kbps-640kbps Miller 5kbps-320kbps
第一章引言 本文研究的读写器基于EPC Global Class--1 Generation-2协议，工作在860MHz 960MHz,由读写器发起通信，无源标签通过背向散射返回数据，其主要的物理层参 数如表1.2所示。 UHF RFID的频率规范不尽相同，全球大致可以分为三大区域：一是美国区域， 只要落在902-928MHz的范围内；二是欧洲区域，落在865.6-867.6MHz的范围内：第 三是亚太部分，频段的确定较为复杂，有些国家除了开放900MHz的范围外，还增加 了860MHz的频段，如新加坡、香港等。中国也于2007年公布了UHF RFID的频率 规范，从而在法律上确定了UHF频段在中国用于RFID的合法性和必须满足的频率要 求。频率的最终确定将有利于推动UHF RFID的应用，同时国际的UHF RFID产品也 将可以合法地进入中国（只要符合频率规范）。表1.3所示是全球主要国家的UHF RFID 频率规范。 表1.3全球主要国家的UHF RFID频率规范 国家 频率 功率 技术 美国、加拿大 902-928MHz 4W eirp FHSS 902-907.5MHz 4W eirp FHSS 巴西 915-928MHz 4W eirp FHSS 澳大利亚 920-926MHz 4W eirp 英国、法国、德国 865.6-867.6MHz 2W erp LBT 印度 865-867MHz 4W erp 日本 952-954MHz 4W eirp 908.5-910MHz 4W eirp LBT 韩国 910-914MHz 4W eirp FHSS 920.25-924.75MHz,840.25-844.75MHz 2W erp FHSS 中国 920-925MHz,840-845MHz 0.5W erp FHSS 1.2.2 UHF RFID读写器的研究现状及技术难点 随着深亚微米工艺的不断发展，标签芯片的制造成本不断降低，然而读写器的设 计和制造一直停留在分立器件的板级实现上，居高不下的制造成本严重限制了其普 及。表1.4列举了国内外部分UHF RFID读写器供应商，目前只有WJ Communications 提供了读写器的单芯片实现方案WJM3000,与现在市场上可以买到的组件相比，它 使用的分立元件减少了60%。可以预见，随着RFID的广泛应用，读写器单芯片的实 现势在必行，而电路设计经验的积累和电路制造工艺的发展也为其提供了可能
第一章 引言 3 本文研究的读写器基于 EPC Global Class-1 Generation-2 协议，工作在 860MHz～ 960MHz，由读写器发起通信，无源标签通过背向散射返回数据，其主要的物理层参 数如表 1.2 所示。 UHF RFID 的频率规范不尽相同，全球大致可以分为三大区域：一是美国区域， 只要落在 902-928MHz 的范围内；二是欧洲区域，落在 865.6-867.6MHz 的范围内；第 三是亚太部分，频段的确定较为复杂，有些国家除了开放 900MHz 的范围外，还增加 了 860MHz 的频段，如新加坡、香港等。中国也于 2007 年公布了 UHF RFID 的频率 规范，从而在法律上确定了 UHF 频段在中国用于 RFID 的合法性和必须满足的频率要 求。频率的最终确定将有利于推动 UHF RFID 的应用，同时国际的 UHF RFID 产品也 将可以合法地进入中国（只要符合频率规范）。表 1.3 所示是全球主要国家的 UHF RFID 频率规范[5]。 表 1.3 全球主要国家的 UHF RFID 频率规范 国家 频率 功率 技术 美国、加拿大 902-928MHz 4W eirp FHSS 巴西 902-907.5MHz 4W eirp FHSS 915-928MHz 4W eirp FHSS 澳大利亚 920-926MHz 4W eirp 英国、法国、德国 865.6-867.6MHz 2W erp LBT 印度 865-867MHz 4W erp 日本 952-954MHz 4W eirp 韩国 908.5-910MHz 4W eirp LBT 910-914MHz 4W eirp FHSS 中国 920.25-924.75MHz,840.25-844.75MHz 2W erp FHSS 920-925MHz,840-845MHz 0.5W erp FHSS 1.2.2 UHF RFID 读写器的研究现状及技术难点 随着深亚微米工艺的不断发展，标签芯片的制造成本不断降低，然而读写器的设 计和制造一直停留在分立器件的板级实现上，居高不下的制造成本严重限制了其普 及。表 1.4 列举了国内外部分 UHF RFID 读写器供应商，目前只有 WJ Communications 提供了读写器的单芯片实现方案 WJM 3000，与现在市场上可以买到的组件相比，它 使用的分立元件减少了 60％。可以预见，随着 RFID 的广泛应用，读写器单芯片的实 现势在必行，而电路设计经验的积累和电路制造工艺的发展也为其提供了可能
第一章引言 表1.4 UHF RFID读写器部分供应商 实现 供应商 典型产品 工作频率(MHz) 协议 方式 ALR-9800 902-928 EPC C1G1,C1G2 分立 Alien ALR-8800 865.6-867.6 EPC CO/C0+/C1 G2 器件 EPC C1G2 MPR-2010AN 902-928 IS018000-B 分立 AWID EPC CO/CO+/C1 G2 器件 MPR-3014 922-928 ISO18000-B IP4 UHF EPC CIGI/C1G2 分立 Intermec EPC G2 IF5 865/915/950 器件 IS018000-6B CSL 4-port 915 IS018000-6C 分立 Impinj CSHL 4-port 符合IS018000-6C IS018000-6C 器件 RFS-2300 902-928 IS018000-6C 瑞福科技 分立 RFS-1500 902-928 IS018000-6B/C 器件 WJM 3000 902-928 EPC C1G2 WJ Communications 芯片 WJC 200 860-960 IS018000-6B/C 目前，国内外在UHF RFID读写器接收机的CMOS单芯片集成方面的科学文献不 多，主要是其实现中存在着一些不同于GSM、CDMA等收发机系统的技术难点。突 出的几点如下： (1)、载波泄漏 在UHF RFID系统中，无源标签芯片工作所需的能量以及返回信号的能量均从读 写器发射的载波中获得。在R一T阶段，读写器将命令调制在高频载波上，通过天线 向外发射，处于有效场区内的标签接收到调制信号后，一方面对调制信号进行整流得 到工作电压，为整个芯片提供能量，另一方面对调制信号进行检波、解调，得到命令。 在T一R阶段，读写器继续向标签发射未经调制的连续载波，一方面标签可以持续从 读写器获得能量，另一方面标签可以根据返回数据调节本身天线的反射系数，从而调 制该连续载波，并将调制后的连续载波背向散射回读写器，完成数据的返回。因此， 无论是发射还是接收数据，读写器的天线会持续发射很大的载波信号，载波信号通过 环行器(Circulator)或定向耦合器(Directional Coupler)泄漏进入接收前端，能量可以达 到OdBm以上，远远大于接收信号的能量。又由于标签背向散射的返回机制决定了接 收和发送信号为同一载波频率，无法在接收机前端通过射频带通滤波器将泄漏的载波
第一章 引言 4 表 1.4 UHF RFID 读写器部分供应商 供应商 典型产品 工作频率(MHz) 协议 实现 方式 Alien ALR-9800 902-928 EPC C1G1,C1G2 分立 ALR-8800 865.6-867.6 EPC C0/C0+/C1 G2 器件 AWID MPR-2010AN 902-928 EPC C1G2 ISO 18000-B 分立 器件 MPR-3014 922-928 EPC C0/C0+/C1 G2 ISO 18000-B Intermec IP4 UHF EPC C1G1/C1G2 分立 IF5 865/915/950 器件 EPC G2 ISO 18000-6B Impinj CSL 4-port 915 ISO 18000-6C 分立 CSHL 4-port 符合 ISO 18000-6C ISO 18000-6C 器件 瑞福科技 RFS-2300 902-928 ISO 18000-6C 分立 RFS-1500 902-928 ISO 18000-6B/C 器件 WJ Communications WJM 3000 902-928 EPC C1G2 芯片 WJC 200 860-960 ISO 18000-6B/C 目前，国内外在 UHF RFID 读写器接收机的 CMOS 单芯片集成方面的科学文献不 多，主要是其实现中存在着一些不同于 GSM、CDMA 等收发机系统的技术难点。突 出的几点如下： （1）、载波泄漏 在 UHF RFID 系统中，无源标签芯片工作所需的能量以及返回信号的能量均从读 写器发射的载波中获得。在R T ⇒ 阶段，读写器将命令调制在高频载波上，通过天线 向外发射，处于有效场区内的标签接收到调制信号后，一方面对调制信号进行整流得 到工作电压，为整个芯片提供能量，另一方面对调制信号进行检波、解调，得到命令。 在T R ⇒ 阶段，读写器继续向标签发射未经调制的连续载波，一方面标签可以持续从 读写器获得能量，另一方面标签可以根据返回数据调节本身天线的反射系数，从而调 制该连续载波，并将调制后的连续载波背向散射回读写器，完成数据的返回。因此， 无论是发射还是接收数据，读写器的天线会持续发射很大的载波信号，载波信号通过 环行器(Circulator)或定向耦合器(Directional Coupler)泄漏进入接收机前端，能量可以达 到0dBm 以上，远远大于接收信号的能量。又由于标签背向散射的返回机制决定了接 收和发送信号为同一载波频率，无法在接收机前端通过射频带通滤波器将泄漏的载波
第一章引言 信号滤除，使得接收机前端产生减敏(desensitization)和阻塞(blocking),严重影响了接 收链路的动态范围。因此，如何在保证一定灵敏度的情况下，抑制载波泄漏对接收机 造成的影响，是提高读写器接收性能的关键。 (2)、闪烁噪声 由于UHF RFID读写器收发同频，因此大部分读写器采用零中频结构，使得收发 两路可以共用一个频率综合器。但是，从EPC Global Class-.1 Generation-2协议中可以 看到，接收信号的基带数据率不高，可能只有几十kHz,因此受电路闪烁噪声的影响 很大，从而大大恶化了接收机的灵敏度，减小了阅读距离和读取率。如何在CMOS工 艺中减小器件闪烁噪声对接受信号的影响，改善信噪比，提高灵敏度，也是UHF RFID 读写器接收机的一个设计难点。 (3)、直流失调 直流失调是零中频接收机中的常见问题，主要由于本振信号通过寄生耦合到混频 器输入端，与自身“自混频”，在输出端形成一个直流失调电平，破坏了后级电路的 直流工作点，影响基带模拟电路的线性度等性能。在UHF RFID接收机中，由于接收 信号中本身就混有很大的接收机泄漏过来的载波信号，直流失调问题更加严重，因此， 如何避免使用片外滤波电容进行交流耦合，在片上消除下变频后的直流失调也成为设 计中的一个难点和关键。 2007年，在ISSCC(International Solid State Circuits Conference)上首次出现了3篇 关于单芯片读写器设计的论文，对以上设计难点给出了一些不同的方案。在[6中，I Kipins等人将天线上接收到的射频信号直接送入有源混频器的共栅级跨导管以达到较 高的射频前端压缩点，使用BT得到较低的闪烁噪声，同时用采样保持交流耦合电容 消除直流失调，在OdBm载波泄漏的情况下可以达到-80dBm左右的灵敏度，但是这一 设计用BiCMOS工艺实现，射频前端电路采用了高达5V的电源电压，并且采样保持 交流耦合电容仍是片外实现：在[7刀中，Ickjin Kwon等人用CMOS工艺，1.8V的电源 电压设计了一个具有较高线性度的接收机，这个设计中不使用低噪声放大器，直接用 无源混频器将接收的射频信号下变频，并通过直流反馈回路消除直流失调电平，但由 于射频前端无增益，使得整个接收机的噪声系数受基带模拟电路制约，灵敏度性能较 差；在[8]中，Aminghasem Safarian等人在LNA中设计了线性和非线性两条通路，线 性通路放大射频信号和泄漏载波，非线性通路限幅射频信号和泄漏载波，两路在LNA 输出端相减以消除泄漏载波，得到线性放大的射频信号，此设计采用CMOS工艺和 3.3V电源电压，可以处理很大的载波泄漏，但是射频信号的线性度也受到较大的影响， 使得在多读写器情况下的读取率下降。这些工作在不同的技术难点上做了一些创新性 的工作，为我们的研究和设计提供了很好的思路和基础。 5
第一章 引言 5 信号滤除，使得接收机前端产生减敏(desensitization)和阻塞(blocking)，严重影响了接 收链路的动态范围。因此，如何在保证一定灵敏度的情况下，抑制载波泄漏对接收机 造成的影响，是提高读写器接收性能的关键。 （2）、闪烁噪声 由于 UHF RFID 读写器收发同频，因此大部分读写器采用零中频结构，使得收发 两路可以共用一个频率综合器。但是，从 EPC Global Class-1 Generation-2 协议中可以 看到，接收信号的基带数据率不高，可能只有几十 kHz，因此受电路闪烁噪声的影响 很大，从而大大恶化了接收机的灵敏度，减小了阅读距离和读取率。如何在 CMOS 工 艺中减小器件闪烁噪声对接受信号的影响，改善信噪比，提高灵敏度，也是 UHF RFID 读写器接收机的一个设计难点。 （3）、直流失调 直流失调是零中频接收机中的常见问题，主要由于本振信号通过寄生耦合到混频 器输入端，与自身“自混频”，在输出端形成一个直流失调电平，破坏了后级电路的 直流工作点，影响基带模拟电路的线性度等性能。在 UHF RFID 接收机中，由于接收 信号中本身就混有很大的接收机泄漏过来的载波信号，直流失调问题更加严重，因此， 如何避免使用片外滤波电容进行交流耦合，在片上消除下变频后的直流失调也成为设 计中的一个难点和关键。 2007 年，在 ISSCC(International Solid State Circuits Conference)上首次出现了 3 篇 关于单芯片读写器设计的论文，对以上设计难点给出了一些不同的方案。在[6]中，I. Kipins 等人将天线上接收到的射频信号直接送入有源混频器的共栅级跨导管以达到较 高的射频前端压缩点，使用 BJT 得到较低的闪烁噪声，同时用采样保持交流耦合电容 消除直流失调，在 0dBm 载波泄漏的情况下可以达到-80dBm 左右的灵敏度，但是这一 设计用 BiCMOS 工艺实现，射频前端电路采用了高达 5V 的电源电压，并且采样保持 交流耦合电容仍是片外实现；在[7]中，Ickjin Kwon 等人用 CMOS 工艺，1.8V 的电源 电压设计了一个具有较高线性度的接收机，这个设计中不使用低噪声放大器，直接用 无源混频器将接收的射频信号下变频，并通过直流反馈回路消除直流失调电平，但由 于射频前端无增益，使得整个接收机的噪声系数受基带模拟电路制约，灵敏度性能较 差；在[8]中，Aminghasem Safarian 等人在 LNA 中设计了线性和非线性两条通路，线 性通路放大射频信号和泄漏载波，非线性通路限幅射频信号和泄漏载波，两路在 LNA 输出端相减以消除泄漏载波，得到线性放大的射频信号，此设计采用 CMOS 工艺和 3.3V 电源电压，可以处理很大的载波泄漏，但是射频信号的线性度也受到较大的影响， 使得在多读写器情况下的读取率下降。这些工作在不同的技术难点上做了一些创新性 的工作，为我们的研究和设计提供了很好的思路和基础