第二章UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构 Pad=aPs·L:Greador (2.8) 其中，α为标签反射能量与入射能量的比值，典型值为α=0.2（具体分析请见附 录A)。G,ea为读写器的天线增益，典型值为G,,=6dBi。则读写器接收机前端接 收到的能量为： P.-7+P+6E[-28.-68] (2.9) 为补偿多径衰落、读写器天线和标签天线之间的极化误差等的影响，考虑7dB左 右的路径损耗裕量，则有： Prdr∈[-35，-75] (2.10) 因此，最大阅读距离d=10m时要求读写器接收机的灵敏度Sensitivity<-75dBm。 并且，当标签离天线很近时，接收的能量会过大而导致整流电压过大，损坏芯片，因 此标签芯片会采取措施放电，使得反射回的最大能量在-40dBm左右。 2.1.3 UHF RFID读写器接收机系统指标 在读写器接收机接收最大数据率、最小能量的信号时，接收机前端天线处的信号 有最小信噪比。此时信号带宽W=2.56M,信号能量Pa=-75dBm。假设信号只 受到热噪声的干扰，则信噪比为： SNR=Pgam-Pnemdpn=-75-（-l174+101ogW)=-75-(-110)=35dB(2.11) 标签返回的数据采用ASK或PSK调制方式，不同的调制方式有不同的误比特率。 如果通过匹配滤波器检测和解调，则有最佳差错性能，其误比特率如图2.2所示山， 分别为： (2.12) 2Eb N (2.13) 其中，E。/N。是信噪比的归一化形式。E,为每比特的能量，等于信号能量S与每 比特持续时间T,的乘积：N。是噪声功率谱密度，等于噪声功率N与带宽W之比。又 因为T,与数据率R互为倒数，则有： E.=SIR =SNR.W (2.14) N。N/W R 由图2.2可得，要保证10的误比特率，ASK解调要求的最小E,/N。=12.6dB, 11
第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 11 P P LG r reader r tag reader , , = ⋅ ⋅⋅ α (2.8) 其中，α 为标签反射能量与入射能量的比值，典型值为α = 0.2（具体分析请见附 录 A）。Greader 为读写器的天线增益，典型值为 6 G dBi reader = 。则读写器接收机前端接 收到的能量为： , , 7 6 [ 28, 68] r reader r tag dBm dBm dB P PL =− + + + ∈ − − (2.9) 为补偿多径衰落、读写器天线和标签天线之间的极化误差等的影响，考虑7dB 左 右的路径损耗裕量，则有： , [ 35, 75] r reader dBm P ∈− − (2.10) 因此，最大阅读距离d m =10 时要求读写器接收机的灵敏度Sensitivity dBm < −75 。 并且，当标签离天线很近时，接收的能量会过大而导致整流电压过大，损坏芯片，因 此标签芯片会采取措施放电，使得反射回的最大能量在−40dBm 左右。 2.1.3 UHF RFID 读写器接收机系统指标 在读写器接收机接收最大数据率、最小能量的信号时，接收机前端天线处的信号 有最小信噪比。此时信号带宽W MHz = 2.56 ，信号能量 75 P dBm Signal = − 。假设信号只 受到热噪声的干扰，则信噪比为： RF in Signal Thermal , 75 174 10log 75 110 35 ( ) ( ) dB dBm dBm SNR P P W dB = − =− − − + =− − − = (2.11) 标签返回的数据采用 ASK 或 PSK 调制方式，不同的调制方式有不同的误比特率。 如果通过匹配滤波器检测和解调，则有最佳差错性能，其误比特率如图 2.2 所示[11]， 分别为： , 0 b B ASK E P Q N ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.12) , 0 2 b B PSK E P Q N ⎛ ⎞ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.13) 其中， 0 / E N b 是信噪比的归一化形式。Eb 为每比特的能量，等于信号能量S 与每 比特持续时间Tb 的乘积； N0 是噪声功率谱密度，等于噪声功率 N 与带宽W 之比。又 因为Tb 与数据率 R 互为倒数，则有： 0 Eb SR W SNR N NW R = =⋅ (2.14) 由图 2.2 可得，要保证 5 10− 的误比特率，ASK 解调要求的最小 0 / 12.6 E N dB b =
第二章UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构 PSK解调要求的最小E,/N。=9.6dB,又有R/W=0.5,则要求数字解调输入信号的最 小信噪比为： SNR=1010g E R 12.6+10log0.5=9.6dB (2.15) N。W 10* ASK 10 10 10 10 PSK 10 10 10 10 0 3 4 5 789101112131415 归一化信噪比，EN。 图2.2ASK和PSK解调的误比特率 理想解调和实际解调之间考虑5dB的解调信噪比，则SNR≈15dB。因此读写 器接收机射频和模拟前端的噪声系数上限为： NFF SNRF-SNRp=35-15-20dB (2.16) 则接收机射频和模拟前端的等效输入噪声功率为： Pg =PThermal +NFRF,molog =-110+20=-90dBm (2.17) 接收机的输入二阶交调点和输入三阶交调点根据定义分别表示为： Pyp2PnPe.w)=2PmmPm (2.18) Pup3lgm=Pinlpm+ PPN PnlupP (2.19) 2 这里我们假设干扰信号强度Pn比最大返回信号高10dB(即-30dBm),要求等效 输入二阶交调量P2n和等效输入三阶交调量PB,n均小于等效输入噪声功率Pnn’并 考虑3dB的裕量，则有Pp2≥33dBm,Pp≥3dBm。 而接收机射频前端的1dB压缩点受发射机泄漏的载波信号的严重影响，因此，要 达到较高的灵敏度，射频前端必须能够在接收机前端存在5dBm左右的载波信号时正 常放大信号。这也是本文要解决的关键问题。 12
第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 12 PSK 解调要求的最小 0 / 9.6 E N dB b = ，又有 R W = 0.5，则要求数字解调输入信号的最 小信噪比为： , 0 10log 12.6 10log 0.5 9.6 b Dig in dB E R SNR dB N W ⎛ ⎞ = ⋅= + = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (2.15) -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 PSK 误比特率，PB 归一化信噪比， Eb /N0 ASK 图 2.2 ASK 和 PSK 解调的误比特率 理想解调和实际解调之间考虑5dB 的解调信噪比，则 , 15 Dig in dB SNR dB ≈ 。因此读写 器接收机射频和模拟前端的噪声系数上限为： , ,, 35 15 20 RF Analog RF in Dig in dB dB dB NF SNR SNR dB ≤ − =−= (2.16) 则接收机射频和模拟前端的等效输入噪声功率为： , , 110 20 90 n in Thermal RF Analog dBm dBm dB P P NF dBm = + =− + =− (2.17) 接收机的输入二阶交调点和输入三阶交调点根据定义分别表示为： ( ) , , 2 IIP2 in out IM2 out in IM2 in dBm dBm dBm dBm dBm dBm P P P P PP =+ − = − (2.18) , , 3 2 2 out IM3 out in IM3 in dBm dBm dBm dBm IIP3 in dBm dBm P P PP P P − − =+ = (2.19) 这里我们假设干扰信号强度 Pin 比最大返回信号高10dB （即−30dBm ），要求等效 输入二阶交调量 PIM2 in, 和等效输入三阶交调量 PIM3 in, 均小于等效输入噪声功率 Pn in, ，并 考虑3dB 的裕量，则有 2 33 P dBm IIP ≥ ， 3 3 P dBm IIP ≥ 。 而接收机射频前端的1dB压缩点受发射机泄漏的载波信号的严重影响，因此，要 达到较高的灵敏度，射频前端必须能够在接收机前端存在5dBm左右的载波信号时正 常放大信号。这也是本文要解决的关键问题
第二章UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构 综上所述，我们得到读写器接收机射频及模拟前端的系统指标如表2.3所示： 表2.3读写器接收机射频及模拟前端系统指标 参数 指标 频率范围 840MHz~925MHz 信号带宽 160kHz -2.56MHz 噪声系数(NF) 20dB 灵敏度(Sensitivity) -75dBm 输入三阶交调点(P3) 3dBm 输入二阶交调点(P2) 33dBm 2.2 UHF RFID读写器接收机系统架构 2.2.1 UHF RFID读写器接收机前端载波泄漏分析 由于标签采用背向散射机制返回信号，因此UHF RFID必须收发同频，并且为了 提供给无源标签能量，发射机即使在接收信号时也一直在发射连续载波，使得接收机 前端有很大的载波泄漏。如此大的信号会阻塞射频前端，影响返回信号的正常放大及 线性度，它需要射频前端有高达5dBm以上的1dB压缩点，并且限制了射频前端的增 益要在OB以下，以使模拟前端可以正常工作。如何在载波泄漏情况下正常接收和放 大返回信号是UHF RFID读写器接收机设计的一个难点，也是本文主要解决的问题。 因此，这里首先对载波泄漏进行一个定量的分析。 30dBm 隔离度 TX 25dB 5dBm 带通滤波器 RX 图2.3双天线读写器的载波泄漏 载波泄漏在双天线和单天线读写器中都存在。如图2.3所示的双天线读写器中， 接收机天线和发射极天线间的隔离度一般有25dB,而发射极功率放大器的输出信号功 率为30dBm,则泄漏到接收机前端的载波信号功率为PLeabage=30-25=5dBm。 13
第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 13 综上所述，我们得到读写器接收机射频及模拟前端的系统指标如表 2.3 所示： 表 2.3 读写器接收机射频及模拟前端系统指标 参数 指标 频率范围 840 925 MHz MHz ∼ 信号带宽 160 2.56 kHz MHz ∼ 噪声系数(NF) 20dB 灵敏度(Sensitivity) −75dBm 输入三阶交调点(IIP3) 3dBm 输入二阶交调点(IIP2) 33dBm 2.2 UHF RFID 读写器接收机系统架构 2.2.1 UHF RFID 读写器接收机前端载波泄漏分析 由于标签采用背向散射机制返回信号，因此 UHF RFID 必须收发同频，并且为了 提供给无源标签能量，发射机即使在接收信号时也一直在发射连续载波，使得接收机 前端有很大的载波泄漏。如此大的信号会阻塞射频前端，影响返回信号的正常放大及 线性度，它需要射频前端有高达5dBm以上的 1dB 压缩点，并且限制了射频前端的增 益要在0dB以下，以使模拟前端可以正常工作。如何在载波泄漏情况下正常接收和放 大返回信号是 UHF RFID 读写器接收机设计的一个难点，也是本文主要解决的问题。 因此，这里首先对载波泄漏进行一个定量的分析。 TX RX 30dBm 5dBm 隔离度 25dB 带通滤波器 图 2.3 双天线读写器的载波泄漏 载波泄漏在双天线和单天线读写器中都存在。如图 2.3 所示的双天线读写器中， 接收机天线和发射极天线间的隔离度一般有25dB，而发射极功率放大器的输出信号功 率为30dBm ，则泄漏到接收机前端的载波信号功率为 30 25 5 P dBm Leakage = − =
第二章UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构 VSWR=1.5 回波损耗，14dB 28dBm 主线插入损耗，2dB 30dBm P2:输出端 TX P1:输入端 13dBm :隔离系数，24dB 6dBm RX P4:隔离端 50Ω 耦合系数，7dB: P3:耦合端 7dBm 图2.4用定向耦合器做隔离的载波泄漏 图2.4所示的单天线系统中，用定向耦合器(Directional Coupler)做收发隔离。方框 内是一个典型的三端口定向耦合器的示意图。P1是主线输入端口（入射端口），P2是 主线输出端口（反射端口），P3是耦合端口，P4是隔离端口，在三端口定向耦合器中， P4在内部通过502电阻接地。从P2到P3端口信号的泄漏通过两条路径：一条是通 过P2到P3端口有限的隔离系数(Isolation):另一条是通过P2到P1端口的主线插入损 耗(Mainline Insertion Loss),P1端口天线的回波损耗(Return Loss),P1到P3端口的耦合 系数(Coupling)。以Mini-Circuit公司的DBTC-7-152+定向耦合器2l为例，通过前一条 路径泄漏的载波能量约有30-24=6dBm,通过后一条路径泄漏的载波能量约有 30-2-14-7=7dBm. 30dBm 插入损耗 0.2dB TX 隔离度，25dB P2 RX P3 5dBm 图2.5用环形器做隔离的载波泄漏 图2.5所示的单天线系统中，用环形器(Circulator)做收发隔离.环形器有三个端口， 其特性是P1→P2、P2一P3、P3→P1方向信号传输，其插入损耗典型值为0.2dB, P1一P3、P3一P2、P2一P1方向信号隔离，其隔离度典型值为25~30dB(以 MWA-COM公司的MAFRINO494为例I3)。因此，接收机前端泄漏的载波能量可以小 于30-25=5dBm。 14
第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 14 图 2.4 用定向耦合器做隔离的载波泄漏 图 2.4 所示的单天线系统中，用定向耦合器(Directional Coupler)做收发隔离。方框 内是一个典型的三端口定向耦合器的示意图。P1 是主线输入端口（入射端口），P2 是 主线输出端口（反射端口），P3 是耦合端口，P4 是隔离端口，在三端口定向耦合器中， P4 在内部通过50Ω 电阻接地。从 P2 到 P3 端口信号的泄漏通过两条路径：一条是通 过 P2 到 P3 端口有限的隔离系数(Isolation)；另一条是通过 P2 到 P1 端口的主线插入损 耗(Mainline Insertion Loss), P1 端口天线的回波损耗(Return Loss)，P1 到 P3 端口的耦合 系数(Coupling)。以 Mini-Circuit 公司的 DBTC-7-152+定向耦合器[12]为例，通过前一条 路径泄漏的载波能量约有 30 24 6 − = dBm ，通过后一条路径泄漏的载波能量约有 30 2 14 7 7 −− −= dBm 。 图 2.5 用环形器做隔离的载波泄漏 图 2.5 所示的单天线系统中，用环形器(Circulator)做收发隔离。环形器有三个端口， 其特性是P1 P2 ⇒ 、P2 P3 ⇒ 、P3 P1 ⇒ 方向信号传输，其插入损耗典型值为0.2dB， P1 P3 ⇒ 、 P3 P2 ⇒ 、 P2 P1 ⇒ 方向信号隔离，其隔离度典型值为 25 30 ∼ dB （以 M/A-COM 公司的 MAFRIN0494 为例[13]）。因此，接收机前端泄漏的载波能量可以小 于30 25 5 − = dBm
第二章UHF RFID读写器接收机载波消除射频前端系统架构 由以上三种情况的分析可知，双天线系统由于体积大，成本高，不适用于手持设 备及低成本设备中。而单天线系统中，环形器虽然体积大，但是隔离度较定向耦合器 要好，插入损耗要小，并且定向耦合器从天线端到接收端有较大的衰减（等于耦合系 数)，进一步降低了信噪比，因此，在UHF RFID读写器中环形器用得比较多。但不 管采用何种方法，目前接收机前端的载波泄漏都可能达到5dBm。 2.2.2 UHF RFID读写器接收机系统架构 目前有一些文献针对2.2.2中分析的载波泄漏问题给出了一些方案。Ickjin Kwon 等人在[⑦刀即采用了无源混频器来达到高1dB压缩点，但这个结构使得模拟前端的噪声 贡献就会非常突出，本质上是以牺牲噪声性能来换取线性度，因此接收机的灵敏度性 能较差；而Minghasem Safarian8]等人提出的用LNA消除载波的结构也存在很大的线 性度问题。 接收机的灵敏度下降导致读取距离的下降，而接收机的线性度下降降低读写器的 抗邻道干扰能力，从而导致读取率的下降。因此，同时保证接收机的噪声性能和线性 度性能是必要的，这就要求射频前端有一定的增益并有很高的1dB压缩点。在低功耗 低成本的标准CMOS工艺中，最好的办法就是将泄漏入接收机前端的载波信号在进入 射频前端的时候就减小到可以处理的范围。 Leakage Cancellation RF Front-end 2*L0 Antenna Leakage Canceller PLL RF BPF RX LNA with Leakage Quadrature IF Amp LPF Cancellation Mixer with DCOC 图2.6 UHF RFID读写器接收机系统架构 图2.6所示是UHF RFID读写器接收机的系统架构。载波消除将本振信号进行调 幅和调相，得到一个与泄漏的载波接近同相、同幅的抵消信号。此信号与混有载波的 接收信号经过低噪声放大器进行相减，使得输出信号中大部分的载波信号被抵消，从 15
第二章 UHF RFID 读写器接收机载波消除射频前端系统架构 15 由以上三种情况的分析可知，双天线系统由于体积大，成本高，不适用于手持设 备及低成本设备中。而单天线系统中，环形器虽然体积大，但是隔离度较定向耦合器 要好，插入损耗要小，并且定向耦合器从天线端到接收端有较大的衰减（等于耦合系 数），进一步降低了信噪比，因此，在 UHF RFID 读写器中环形器用得比较多。但不 管采用何种方法，目前接收机前端的载波泄漏都可能达到5dBm。 2.2.2 UHF RFID 读写器接收机系统架构 目前有一些文献针对 2.2.2 中分析的载波泄漏问题给出了一些方案。Ickjin Kwon 等人在[7]即采用了无源混频器来达到高 1dB 压缩点，但这个结构使得模拟前端的噪声 贡献就会非常突出，本质上是以牺牲噪声性能来换取线性度，因此接收机的灵敏度性 能较差；而 Minghasem Safarian[8]等人提出的用 LNA 消除载波的结构也存在很大的线 性度问题。 接收机的灵敏度下降导致读取距离的下降，而接收机的线性度下降降低读写器的 抗邻道干扰能力，从而导致读取率的下降。因此，同时保证接收机的噪声性能和线性 度性能是必要的，这就要求射频前端有一定的增益并有很高的 1dB 压缩点。在低功耗 低成本的标准 CMOS 工艺中，最好的办法就是将泄漏入接收机前端的载波信号在进入 射频前端的时候就减小到可以处理的范围。 AGC AGC 2*LO ADC ADC I Q Antenna RF BPF PLL Divide -by-2 RI R Q LNA Leakage Canceller TX RX Quadrature Mixer IF Amp with DCOC LPF LNA with Leakage Cancellation Leakage Cancellation RF Front-end 图 2.6 UHF RFID 读写器接收机系统架构 图 2.6 所示是 UHF RFID 读写器接收机的系统架构。载波消除将本振信号进行调 幅和调相，得到一个与泄漏的载波接近同相、同幅的抵消信号。此信号与混有载波的 接收信号经过低噪声放大器进行相减，使得输出信号中大部分的载波信号被抵消，从