一种新型超高频射频识别阅读器的信号源设计

陈晓宇，李建雄，赵珊珊，邢梅恩，史伟光，刘 崇

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.华北油田通信公司 生产技术部，河北 任丘 062550）

一种新型超高频射频识别阅读器的信号源设计

陈晓宇1，李建雄1，赵珊珊1，邢梅恩2，史伟光1，刘 崇1

（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.华北油田通信公司 生产技术部，河北 任丘 062550）

介绍一种使用相控阵天线的超高频射频识别（UHF RFID）阅读器发射机的设计方案，并设计了适用于此发射机的信号源.该信号源采用STM32F407作为主控芯片，根据波束形成算法，应用直接数字频率合成技术，能够产生满足阅读器要求的信号.实际测试结果显示：此信号源的每路输出在1 GHz频率范围内的杂散抑制为-50 dBc，频偏100 kHz处的相位噪声为-100.6 dBc/Hz，能够输出调制深度为90%的ASK调制信号.输出滤波器100 MHz带宽内的衰减小于-3 dB，在300 MHz以上频率范围内的衰减大于-40 dB.该信号源能够完全适用于相控阵天线UHF RFID阅读器，对于提高UHF RFID阅读器的读写距离及RFID技术的广泛应用具有参考价值.

射频识别阅读器；直接数字频率合成；信号源

目前，射频识别（radio frequency identification，RFID）技术正在飞速地发展，并大量应用在供应链管理、购物等场所.RFID技术按照工作频率可以分为工作在125 kHz的低频RFID技术、工作在13.56 MHz的高频RFID技术、工作在915 MHz的超高频RFID技术和工作在2.45 GHz的微波RFID技术.而其中超高频（UHF）RFID技术由于读写范围大、读写速度快、成本低、体积小等优点而被广泛使用.但目前UHF RFID阅读器的最大读写距离只能达到10 m，这极大地制约了UHF RFID技术的广泛使用.为此，许多人进行了相关的研究和改进[1-3].其中，将相控阵天线技术引入RFID系统中可以增大读写距离，这是UHF RFID阅读器新的研究热点之一[4].通过控制每个天线阵元激励信号的幅度和相位，使每个天线阵元发射出的电磁波相互叠加，从而在不同时刻产生不同波束指向的高增益窄发射波束，增加阅读器的读写距离.目前这种RFID阅读器使用模拟移相的方法来产生不同相位的信号，但是这种模拟移相的方法只能产生有限个固定波束，并不能灵活地改变波束指向.针对此，本文采用数字移相的技术，使用直接数字频率合成器（directdigital synthesizer，DDS）产生不同相位和幅度的信号.由于DDS拥有极高的相位分辨率和幅度分辨率，采用数字移相技术的相控阵天线RFID阅读器能够更加精确地控制发射波束指向.相比于模拟移相的技术，数字移相技术对波束的控制更加灵活，还可以通过对各路信号进行幅度加权，降低发射波束的旁瓣，从而减少多径干扰，对于提高RFID阅读器的读写距离有重要意义.

1 相关原理介绍

1.1 系统要求

中心频率是915 MHz的UHF RFID技术由于读写距离较远、读写速度快、成本低等优点而被大量使用.根据EPC全球标准，UHF频段范围为860～960 MHz，但不同地区的要求不同.本方案设计参考北美的标准，工作频段是902～928 MHz.发射机采用DDS+ PLL（锁相环）混频的方法产生幅度、相位、频率精确可程控的四路射频信号，具有跳频速度快、移相精度高、输出频率分辨率高等优点[5]，发射机的总体设计框图如图1所示.

图1 发射机总体框图Fig.1 Structure of transmitter

MCU控制器选用意法半导体的STM32F407，根据发射信号的要求，控制芯片通过波束形成算法计算出相应的相位加权因子和幅度加权因子，并确定DDS各通道的相位控制字和幅度控制字，使DDS输出62～88 MHz的单频信号，此信号再经过混频器上变频到阅读器工作频段，带通滤波器滤除无用的杂散，保留所需的射频信号，经过功率放大器放大后馈送到天线阵列，形成相应的发射波束.锁相环产生840 MHz信号通过功分网络分别给混频器提供同步的本振信号.信号源的作用是把数字基带信号转变为中频信号，所产生信号的质量直接影响到混频后射频信号的好坏，因此一个好的信号源对阅读器非常重要.为满足协议和阅读器的需求[6]，由DDS构成的信号源需要符合以下要求：①输出中心频率75 MHz，带宽26 MHz，调频步进500 kHz；②输出移相范围为0～360°，最小步进2°；③能够ASK调制，调制深度为80%～100%；④杂散抑制≥50 dbc；⑤相位噪声-80 dbc/Hz@100 kHz.

1.2 DDS介绍

直接数字频率综合是一种频率综合技术，实际上是一种分频器，基本构成如图2所示.DDC基本结构由相位累加器、正弦查找表和数模转换器（DAC）构成.相位累加器是一个N位计数器，一个正弦波周期被分成360/2N份，每一个参考时钟到来，相位累加器增加一个角度，即360/2N.再通过相位值查找对应的正弦查找表，可以得到不同相位值对应的幅度值，再通过DAC将幅度值转换成模拟信.

图2 DDS基本结构Fig.2 Basic structure of DDS

本文中采用的DDS芯片是ADI公司的AD9959. AD9959集成了4个独立的DDS内核，与使用多个单路DDS芯片的方案相比，AD9959通过共同的参考时钟可以更方便地实现四路信号的同步，同时缩小了电路的尺寸.AD9959可以实现0.12 Hz的频率分辨率和0.02°的高相位分辨率，可以实现ASK调制，满足阅读器的需求.

1.3 DDS的输出镜像干扰

DDS的信号由DAC输出，相当于以参考时钟频率对输出信号进行采样.因此输出要满足奈奎斯特准则，即输出信号的频率必须小于1/2采样频率.DDS输出的信号除了包含想要的频率成分外，还包含丰富的镜像和杂散成分，其频率可用公式（1）表示.

式中：n、m为整数；fclk为DDS系统频率；fout为输出频率.所以DDS后面需要接重构滤波器来滤除无用的频率成分.

此外，由于DAC采用零阶保持输出结构，这种结构会引入失真，其频域响应可由公式（2）表示.

信号及镜像的幅度都受包络的限制.图3展示了系统频率为500 MHz、输出75 MHz时的输出镜像.

图3 DDS输出频谱Fig.3 Spectrum of DDS output

从图3能够更清楚地看出，输出频率越高，幅值越小.在40%系统频率（200 MHz）处，幅度衰减为.输出频率和第一镜像频率关于1/2系统频率对称，输出频率越靠近1/2系统频率，第一镜像也就越靠近输出频率，后端滤波器的设计难度越大.另一方面，这种包络相当于一种低通滤波器，可以帮助衰减高阶的镜像成分.因此可以不用考虑高阶镜像对输出信号质量的影响.

2 电路设计

2.1 总体设计

图4所示为信号源的设计框图.

图4 信号源设计框图Fig.4 Structure of signal generator

考虑到后续电路的扩展，本文选用Cortex-M4内核的STM32F407芯片作为总控制器，通过串行接口控制 AD9959.AD9959四线串行接口的速度是 800 Mbps，控制字写入时间在微秒级.AD9959的参考频率是25 MHz，内部倍频到500 MHz.其输出62～88 MHz的差分信号，通过巴伦转换成单端信号，再通过低通滤波器，滤除高频的镜像后输出.通过写入不同的控制字，AD9959输出的四路信号的幅度、相位、频率都可精确控制.此外，单片机根据数字基带信号，控制DDS产生相应的ASK调制波形.在具体实现上，由于器件误差等原因导致的相位和幅度偏差可以通过调整DDS的相应控制字来矫正.

2.2 巴伦设计

由于AD9959输出的是差分信号，因此用一个巴伦转换成单端信号.这里采用的是1∶1的50 Ω巴伦ADTT1-1.该巴伦在0.5～90 MHz频率范围内有小于1 dB的插入损耗.巴伦的阻抗是50 Ω，AD9959的2个输出引脚是电流输入型，因此巴伦原边两端要短接50 Ω负载到电源AVDD.AD9959输出引脚要求的电压限制是AVDD-0.5 V到AVDD+0.5 V，因此设定DDS输出的最大电流是10 mA.此电流可以通过改变接在DDS芯片的Rset引脚上的电阻大小来控制，电流计算公式参考公式（3）.

2.3 滤波器设计

由于DDS输出有丰富的杂散成分，因此滤波器的滤波特性的优劣对输出信号的质量有非常大的影响.由于输出频率较高，只能选择无源滤波器.常用的滤波器按照传递函数不同可以分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器等.巴特沃斯滤波器有最平滑的幅频响应，通带内比较平坦，但是过渡带衰减缓慢.切比雪夫滤波器通带内有等波纹起伏，阻带单调衰减，过渡带衰减较快.椭圆函数滤波器在通带和阻带都有等波纹起伏，但过渡带有更加陡峭的衰减梯度.由于阅读器对每个通道的幅度一致性要求较高，所以选择有最平坦响应的巴特沃斯滤波器.为了使过渡带更窄，就得提高滤波器的阶数.为了保证通带内平坦，截止频率设定稍大一些.由上述分析可知，功率较大的镜像成分在300 MHz以上，因此在300 MHz时设计衰减为-40 dB.这里采用7阶巴特沃斯滤波器，电路和ADS软件的仿真结果如图5所示.

3 测试与分析

测试的主要内容是DDS的输出频谱、滤波器的幅频响应和信号源的输出波形.根据设计要求，信号源产生的频率是62～88 MHz，使用的测试仪器是Agilent E4402B频谱分析仪、Agilent E5070B网络分析仪和GDS-3354示波器，可以满足对输出信号的测量.

图5 滤波器电路和仿真Fig.5 Schematic and simulation of filter

测试DDS芯片的输出频谱，用频谱分析仪分别连接DDS芯片的每个输出接口，图6为DDS芯片AD9959一个通道输出75 MHz信号时的频谱图片，频率显示范围是0～600 MHz.图中可以看出输出的频率是75 MHz.正如上述分析，出现的大功率杂散都在300 MHz以上.功率较大的频率成分是425 MHz，575 MHz，对应公式（1）中n、m都为1的情况.其余功率较大的频率分量分别是500 MHz、350 MHz、550 MHz，是DAC产生的高次谐波，都可以和公式（1）相对应.

图6 AD9959输出频谱Fig.6 Spectrum of AD9959 output

滤波器按照图5（a）所示连接电路，把网络分析仪的1端口作为滤波器的输入，2端口作为输出，测试1 GHz频率范围内滤波器的幅频响应，如图7所示.图7（a）是网络分析仪显示的S21曲线.在通带部分滤波器的衰减在-1 dB以内，但高频性能不是很理想，在300 MHz左右衰减最大，之后衰减逐渐减小，到1 GHz左右只能衰减-10 dB.在测试中发现，这是由于电路的寄生效应导致滤波器高频性能变差.电路的寄生效应来自与电容电感自身和电路走线的寄生参数.重新布局电路走线，使各个器件尽量靠近，减少走线长度，无源器件采用体积较小的封装.修改后的测试如图7（b）所示.高频部分的衰减明显增大，300 MHz以上的频带内衰减都在-40 dB以上.

图7 滤波器的幅频响应Fig.7 Amplitude-frequency response of filter

示波器用来测试信号源的时域波形.设定信号源产生90%的ASK调制信号，测试结果显示，4个通道的性能相同，图8为输出频率设定为75 MHz时其中2个通道的测试波形.图8（a）为调制深度为90%的调制信号波形，可以满足阅读器对调制深度的要求.图8（b）为时域放大后的波形，可以看出产生的波形平滑，基本没有抖动，说明滤波器设计符合要求.设置两路输出信号的相位相差，这里测得的相位差是.由于测量误差的影响，测量10次取平均值是.设置2个通道的幅度加权因子为1∶2，测得的2个信号幅值分别为140 mV和280 mV，最大误差在1 mV以内.本信号源的输出信号可以满足阅读器幅度加权和相位设定的要求.

图8 ASK调制波形Fig.8 ASK modulation waveform

信号源输出信号的质量可以用杂散和相位噪声来度量.杂散是离散频率偏移处出现的频率成分.较大的杂散经过上变频后会干扰邻近信道，所以杂散水平必须被严格限定.用频谱分析仪测试1 GHz频率范围内信号源输出信号的杂散水平，如图9所示.

图9 1 GHz频率范围内的杂散Fig.9 Spurious with frequency lower than 1 GHz

由图9可见，此信号源输出频率是75 MHz，功率-9 dBm左右.在1 GHz频率范围内最大的杂散功率约-59 dBm，杂散抑制为-50 dBc，可见杂散能够被很好地抑制，满足阅读器的要求.相位噪声是指给定输出频率的条件下，一定频率偏置上的1 Hz带宽内的噪声功率与输出功率的比值，用来表征频率稳定度.较高的相位噪声会影响邻近信道，降低信噪比.表1为信号源输出75 MHz信号时几个频率偏移处的相位噪声，由表1可见，在100 kHz频偏处可以满足设计要求.

表1 输出频率75 MHz时的相位噪声Tab.1 Phase noise at frequency of 75 MHz

4 结束语

本文针对目前使用相控阵天线的UHF RFID阅读器采用模拟移相的方法不能灵活调整发射波束的问题，设计了一种使用数字移相方法的阅读器发射机，并详细介绍了其中信号源的设计.此信号源采用DDS技术，能够产生四路频率、相位、幅度可精确控制的信号，并可以实现ASK调制.最后对信号源的性能进行了相关测试和结果分析.此信号源能够完全满足阅读器产生数字移相信号的需求，对于提高UHF RFID阅读器的读写距离和RFID技术的广泛应用，具有重要意义.此外，利用本文的方法可以进行信号源的拓展，以满足更多天线阵元的需求.

[1]张文锦，李建雄，毛陆虹.基于多波束切换的便携式RFID阅读器设计[J].天津工业大学学报，2013，32（1）：52-56.

[2] LEE J W，KWON H，LEE B.Design consideration of UHF RFID tag for increased reading range[C]//Microwave Symposium Digest，2006.San Francisco：IEEE MTT-S International. 2006：1588-1591.

[3]GRIFFIN J D，DURGIN G D.Gains for RF tags using multiple antennas[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2008，56（2）：563-570.

[4]KARMAKAR N C.Handbook of Smart Antennas for RFID Systems[M].New York：Wiley，2010.

[5]徐锐敏，陈科，詹铭周，等.基于DDS的数字微波T/R组件研究[J].微波学报，2010（S1）：366-368.

[6]戴永清.超高频射频识别通信协议研究及实现[D].上海：上海交通大学，2006.

Design of a novel signal generator for UHF RFID reader

CHEN Xiao-yu1，LI Jian-xiong1，ZHAO Shan-shan1，XING Mei-en2，SHI Wei-guang1，LIU Chong1
（1.School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin，300387，China；2.Production&Technology Department，HuaBei Oil Communication CO，Hebei Renqiu 062550，China）

A UHF RFID reader transmitter using phased array antenna is introduced,and the design of signal generator used for this reader is presented.This signal generator with STM32F407 as the main control chip can produce a signal meeting the requirements of the reader according to the beamforming algorithm and direct digital frequency synthesis technology.The actual measurement results show that each signal′s spurious suppression is-50 dBc in the frequency lower than 1 GHz and the phase noise is-100.6 dBc/Hz at 100 kHz offset.In addition,it can produce modulation signals with 90%modulation depth.The attenuation of the output filter is less than-3 dB with the frequency lower than 100 MHz and greater than-40 dB higher than 300 MHz.The signal generator can be fully applicable to the UHF RFID reader using phased array antenna,which has a very important significance for improving reading distance and widespread use of RFID technology.

RFID reader；direct digital synthesizer；signal generator

TP311

A

1671-024X（2014）05-0069-05

2014-07-07

国家自然科学基金资助项目（61372011）

陈晓宇（1989—），男，硕士研究生.

李建雄（1969—），男，副教授，硕士生导师.E-mail：lijianxiong@tjpu.edu.cn