用于软件定义UHF RFID 读取器的可编程基频滤波器

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  引言

  无线频率识别(RFID)是一种自动 ID 技术,其可识别任何含有编码卷标的物体。 UHFRFID 系统由一个读取器 (或询问器) 组成,该读取器调变一个 860MHz 至 960MHz 频率范围内的 RF 讯号,并向卷标发送信息。一般情况下,卷标是被动的,它从发送连续波(CW) RF 讯号的读取器接收工作所需的全部能量。卷标透过调变其天线的反射系数作出响应,从而将信息讯号反向散射到读取器内。

  卷标讯号检测需要测量讯号跃变之间的时间间隔 (代表数据“1”符号的时间间隔比代表数据“0”的符号长)。读取器透过发送一个指示卷标设置其反向散射数据速率及编码的讯号,以启动卷标提供库存信息的过程。

  RFID 读取器可以在很多读取器紧密相邻的噪声 RF 环境中工作。单询问器、多询问器和密集询问器这 3 种工作模式决定读取器和卷标讯号的频谱限制。接收器的软件可编程性,使其可在可靠的多卷标检测与高数据吞吐量之间获得最佳平衡。

  可编程读取器含有一个高线性度的直接转换 I 和 Q 解调器、若干低噪声放大器、一个具可变增益和带宽的双信道基频滤波器、以及一个双信道模拟数字转换器(ADC)。双通道、已匹配和可编程的带通滤波器 LTC6602 可以优化高效能 RFID 读取器。

  双通道带通滤波器

  LTC6602 具有两个相同的滤波器信道,这两个信道具有匹配的增益控制以及由频率控制的低通及高通网络。透过每个信道的相移匹配至 ±1 度。内部或外部频率频率将滤波器的通带定位到所需频谱上。

  低通和高通转角频率以及滤波器带宽由频率频率的标度比设定。低通标度比选项为100、300和600,而高通标度比为1000、2000 和6000。图一显示一个典型的滤波器回应,该滤波器具90MHz内部频率,高通和低通标度比分别设定为6000和600。4阶椭圆截止阻带响应有助于消除带外噪声。控制基频带宽就可以在RFID接收器适应工作环境的过程中,用软件定义它的工作模式。


图 一 15kHz 至 150kHz 通带上的滤波器回应

一种因应 RFID 读取器的自适应基频滤波器

  图二显示了一个简单和基于 LTC6602 的滤波器电路,该电路用 SPI 串行控制来改变滤波器的增益和带宽,以适应一套复杂的数据速率和编码。(反向散射链路的频率范围为40kHz 至 640kHz,而数据速率范围为 5kbps 至 640kbps。)

  
图 二 具 SPI 控制的自适应 RFID 基频滤波器

为了实现该滤波器的精细分辨率定位,内部频率频率由一个8位LTC2630 DAC设定。0V至3V的DAC输出范围确定频率频率在 40MHz 至 100MHz (每位 234.4kHz) 之间的位置。低通和高通标度比由 LTC6602 的串行 SPI 控制设定。

  高通滤波器的截止范围为 6.7kHz 至 100kHz,而低通滤波器则为 66.7kHz 至 1MHz。最佳滤波器带宽设置可以透过一种软件算法来调节,而且是数据频率、数据速率和编码的函数。滤波器带宽必须足够窄,以最大限度地扩大 ADC 输入的动态范围,同时又必须足够宽,以保护讯号跃变和脉冲宽度 (正确的滤波器设置确保可靠的 DSP 卷标讯号检测)。

  图三显示一个实例,即滤波器对一个典型卷标符号序列 (一个 “短”的脉冲间隔,接着是一个“长”的脉冲间隔) 的时域响应。低通截止频率设定为等于最短时间间隔的倒数 (fCUTOFF = 1/10μs = 100kHz)。如果低通截止频率更低,那么讯号跃变和时间间隔将失真得无法识别。高通截止频率的设置更加定性而不是具体。

  高通截止频率必须低于最长时间间隔的倒数 (就所示实例而言,高通 fCUTOFF < 1/20μs),而且要尽可能地高,以降低接收器的低频噪声 (基频放大器以及下变频相位与幅度杂讯)。图三的下半部分显示该滤波器的总体响应 (低通加高通滤波器)。

  比较具 10kHz 和 30kHz 高通设置的滤波器输出,10kHz 输出的讯号跃变和时间间隔对于检测符号序列而言是足够的 (在 RFID 环境,噪声将重迭在输出讯号上)。总的来说,提高低通 fCUTOFF 和/或降低高通 fCUTOFF 意味着,以增大滤波器输出噪声为代价“提高”讯号跃变和时间间隔的“质量”。


图三 滤波器对卷标符号序列的瞬态回应

结论

  LTC6602 双通道带通滤波器是一种可编程的基频滤波器,适用于高效能 UHF RFID 读取器。在软件控制下使用 LTC6602 能够在单询问器物理设置时以高数据速率工作,或者以多询问器或密集询问器物理设置工作时,能实现最佳卷标讯号检测。LTC6602 是一种非常精小的 IC,其采用 4mm x 4mm QFN 封装,而且可透过并行或串行控制编程。
 

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