打造高性能汽车电子标识，UHF RFID读卡器两大射频前端方案解析

智慧交通作为智慧城市的重要组成部分非常依赖于对现行及未来车辆的数字化、信息化、智能化管理，而当前对于车辆管理的单一手段已经越来越无法满足城市日益增长的交通管理需求，开拓新型车辆管理模式至关重要。汽车电子标识（electronic registration identification of the motor vehicle，简称ERI）通过将车牌号码等信息存储在射频标签中，能够自动、非接触、不停车地完成车辆的识别和监控，还为车辆所涉及的诸如加油、保险、年检、违法、事故、逃逸等过程提供智能化管理手段和大数据信息来源，已经成为构建智慧交通应用系统的重要基础手段。

目前中国市场的汽车电子标识必须符合中国标准GB/T 29768-2013“信息技术—射频识别—空中接口协议(800/900 MHz)”和GB/T 35786-2017“机动车电子标识读写设备通用规范”，本文将梳理国内汽车电子标识设计方案的挑战，给出以高性能信号链方案提供商ADI公司的两种超高频射频识别（UHF RFID）读卡器射频前端解决这些难题的方法和思路。

消除UHF RFID系统的自我干扰

在UHF RFID系统中，读取器在发送连续波(CW)信号为无源标签供电时，会同时以相同频率接收来自标签的反向散射信号。由于发送器-接收器之间的隔离性能欠佳，强连续波信号和相关的发送器噪声会泄漏到接收器中。通常这种泄漏信号被称为自干扰(SJ)信号，它会降低读卡器的灵敏度。

在汽车电子标识应用的RFID读卡器中，定向耦合器通常用作发射器和接收器的双工器。SJ信号的产生主要是由于天线的反射、定向耦合器的隔离都有限以及连接到耦合器耦合端口的电路反射造成的。

可以使用两种方法来克服这个SJ信号问题。第一种方法是在接收器LNA之前设计一个自干扰消除(SJC)电路。第二种方法是使用零中频接收器架构，而且发射器和接收器使用的相同的本地振荡器(LO)。在这种情况下，自干扰信号将在基带转换为直流，然后使用隔直电容对信号进行交流耦合。在这个隔直点后，去除了SJ信号，后续元件的动态范围要求随之放宽。这意味着在基带上可增加足够的增益以降低接收器的噪声系数(NF)。这两种方法可以单独使用，也可以结合使用。一个典型的SJC电路如下图所示。

典型的自干扰消除电路

实现UHF RFID读卡器的关键RF性能指标分析

对于发射器来说，在数字域内，应对信号进行低通滤波，以满足频域ACLR的要求，以及时域RF包络的要求。在模拟域，PA线性度和LO相位噪声都会影响ACLR的性能。经过低通滤波后，由TPP编码的ASK信号的峰均比(PAR)约为2 dB。PA平均输出功率约为32 dBm，裕量为1 dB，因此应选择大于35 dBm P–1 dB的PA。对于LO相位噪声，125 kHz至375 kHz的相位噪声积分应小于–40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪声积分应小于–60 dBc。对于带外发射要求，需要采用一个RF滤波器，以满足发射器在谐波频率处的杂散要求。对于接近工作频率的要求，例如在915 MHz和930 MHz，100 kHz测量带宽的噪声为–52 dBm的要求，RF滤波器一般尚未衰减，所以调制器在0 dBm输出功率时的本底噪声要求约为 –52 –10 ×log10 (105) –30 = –132 dBm/Hz。在5 MHz偏移量下的相位噪声要求也应小于 –132 dBc。

UHF RFID读卡器RF前端框图

接收器的灵敏度在GB/T 35786-2017标准中规定为–65 dBm。假设读卡器在所有可能的数据速率下都满足–65 dBm灵敏度要求，那么640 kHz反向链路频率(BLF)应该是最糟的情况。对于包含RFID读卡器的SJC，从天线端口到SJC输出的插入损耗约为15dB，因此SJC输出点的灵敏度要求为–80 dBm，假设不包含直流的标签反向散射信号功率为–80 –3 = –83 dBm。ASK调制信号解调阈值约为11 dB，BLF 640 kHz上行链路信号的信号带宽为2.56 MHz。所以总的NF需求为：NF ≤ –83 –(–174 + 10 ×log10 (2.56 ×106) + 11) = 15.9 dB这个NF总体要求包括SJC之后的接收器电路的噪声影响、SJC电路引起的噪声和发射器泄漏噪声。假设矢量调制器信号支路与自干扰支路之间的延时是匹配的，那么SJC电路在抵消CW自干扰信号的同时，发射器的泄漏噪声也会得到很好的抵消。发射器泄漏噪声包括三部分：相位噪声、幅度噪声和白噪声。一般情况下，幅度噪声和白噪声会抵消至–174 dBm/Hz本底噪声。对于剩余的相位噪声，由于发射器和接收器使用相同的LO，由于距离相关效应，它在下变频过程中会转换为直流。在这种情况下，矢量调制器分支噪声将是唯一的额外引入噪声。假设矢量调制器分支本底噪声为–162 dBm/Hz，因此在SJC电路输出端，有效NF为–174 –(–162) = 12 dB，那么SJC之后接收器电路的NF要求为10 ×log10 (101.59 –101.2) = 13.6 dB。

分别基于分立式组件&集成模块的两种参考设计

· 基于ADF9010和AD9963的解决方案

ADF9010是一款完全集成的RF发射器调制器、本地振荡器(LO)和接收器模拟基带前端，工作频率范围为840 MHz至960 MHz。AD9963是12位低功耗MxFE® c转换器，提供两个采样速率为100 MSPS的ADC通道和两个采样速率为170 MSPS的DAC通道。

使用ADF9010和AD9963实现UHF RFID读卡器RF前端的框图如下图所示。LNA（例如ADI公司的ADL5523，它是一种高性能GaAs pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益）与解调器（ADL5382）和ADF9010（接收器增益设置为24 dB）整个系统的级联NF小于3 dB。

使用ADF9010和AD9963的UHF RFID读卡器RF前端

· 基于AD9361的解决方案

AD9361是一款高集成度的射频(RF)收发器，能够通过不同配置实现各种广泛应用。它在单个器件中集成了提供所有收发器功能所需的全部RF、混合-信号和数字模块。为了实现UHF RFID读卡器，发射器和接收器应该使用相同的LO来利用距离相关效应，因此使用AD9361发射器监控路径，而不是常规的接收器路径。AD9361发射器监控路径会旁路内部LNA，所以添加了一个外部LNA。AD9361基带采用直流耦合，而不是交流耦合。在这种情况下，需要SJC电路能够将自干扰信号降低到足够低的水平，例如小于–35 dBm，避免模拟电路出现饱和。因此，可以在数字域中移除自干扰转换直流信号。

使用AD9361的UHF RFID读卡器RF前端的框图

AD9361发射器监控路径增益分布由两部分增益组成：前端增益（发射器监控增益）和接收低通滤波器增益(GBBF)。 发射器监控器增益可以设置为0 dB、6 dB或9.5 dB。GBBF 可以设置为0 dB至24dB，步长1 dB。利用这种灵活的增益配置，可以轻松实现接收器AGC功能。对于这个UHF RFID读卡器应用，发射器监控路径增益设置为3 dB，GBBFF设置为6 dB。当AD9361增益设置为3 dB时，ADL5523和AD9361的发射器监控端口的级联NF约为12.6 dB。与13.6 dB分析要求相比，此设置存在1 dB的裕量，如果残余的自干扰信号为–35dBm，则数字域功率为–7 dBfs。

总结

基于ADF9010和AD9963的解决方案具有高性能和相当大的裕量，可以满足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求。基于AD9361的集成解决方案在降低接收器灵敏度的情况下也满足这些要求，与分立式双组件方案相比，此方案明显简化。