軟件定義UHF RFID讀取器的可編程基頻濾波器

引言

無線頻率識別(RFID)是一種自動 ID 技術，其可識別任何含有編碼卷標的物體。UHFRFID 系統由一個讀取器 (或詢問器) 組成，該讀取器調變一個 860MHz 至 960MHz 頻率范圍內的 RF 訊號，并向卷標發送信息。一般情況下，卷標是被動的，它從發送連續波(CW) RF 訊號的讀取器接收工作所需的全部能量。卷標透過調變其天線的反射系數作出響應，從而將信息訊號反向散射到讀取器內。

卷標訊號檢測需要測量訊號躍變之間的時間間隔 (代表數據“1”符號的時間間隔比代表數據“0”的符號長)。讀取器透過發送一個指示卷標設置其反向散射數據速率及編碼的訊號，以啟動卷標提供庫存信息的過程。

RFID 讀取器可以在很多讀取器緊密相鄰的噪聲 RF 環境中工作。單詢問器、多詢問器和密集詢問器這 3 種工作模式決定讀取器和卷標訊號的頻譜限制。接收器的軟件可編程性，使其可在可靠的多卷標檢測與高數據吞吐量之間獲得最佳平衡。

可編程讀取器含有一個高線性度的直接轉換 I 和 Q 解調器、若干低噪聲放大器、一個具可變增益和帶寬的雙信道基頻濾波器、以及一個雙信道模擬數字轉換器(ADC)。雙通道、已匹配和可編程的帶通濾波器 LTC6602 可以優化高效能 RFID 讀取器。

雙通道帶通濾波器

LTC6602 具有兩個相同的濾波器信道，這兩個信道具有匹配的增益控制以及由頻率控制的低通及高通網絡。透過每個信道的相移匹配至 ±1 度。內部或外部頻率頻率將濾波器的通帶定位到所需頻譜上。

低通和高通轉角頻率以及濾波器帶寬由頻率頻率的標度比設定。低通標度比選項為100、300和600，而高通標度比為1000、2000 和6000。圖一顯示一個典型的濾波器回應，該濾波器具90MHz內部頻率，高通和低通標度比分別設定為6000和600。4階橢圓截止阻帶響應有助于消除帶外噪聲。控制基頻帶寬就可以在RFID接收器適應工作環境的過程中，用軟件定義它的工作模式。

圖 一 15kHz 至 150kHz 通帶上的濾波器回應

一種因應 RFID 讀取器的自適應基頻濾波器

圖二顯示了一個簡單和基于 LTC6602 的濾波器電路，該電路用 SPI 串行控制來改變濾波器的增益和帶寬，以適應一套復雜的數據速率和編碼。(反向散射鏈路的頻率范圍為40kHz 至 640kHz，而數據速率范圍為 5kbps 至 640kbps。)

圖 二 具 SPI 控制的自適應 RFID 基頻濾波器

為了實現該濾波器的精細分辨率定位，內部頻率頻率由一個8位LTC2630 DAC設定。0V至3V的DAC輸出范圍確定頻率頻率在 40MHz 至 100MHz (每位 234.4kHz) 之間的位置。低通和高通標度比由 LTC6602 的串行 SPI 控制設定。

高通濾波器的截止范圍為 6.7kHz 至 100kHz，而低通濾波器則為 66.7kHz 至 1MHz。最佳濾波器帶寬設置可以透過一種軟件算法來調節，而且是數據頻率、數據速率和編碼的函數。濾波器帶寬必須足夠窄，以最大限度地擴大 ADC 輸入的動態范圍，同時又必須足夠寬，以保護訊號躍變和脈沖寬度 (正確的濾波器設置確保可靠的 DSP 卷標訊號檢測)。

圖三顯示一個實例，即濾波器對一個典型卷標符號序列 (一個“短”的脈沖間隔，接著是一個“長”的脈沖間隔) 的時域響應。低通截止頻率設定為等于最短時間間隔的倒數(fCUTOFF = 1/10μs = 100kHz)。如果低通截止頻率更低，那么訊號躍變和時間間隔將失真得無法識別。高通截止頻率的設置更加定性而不是具體。

高通截止頻率必須低于最長時間間隔的倒數 (就所示實例而言，高通 fCUTOFF 1/20μs)，而且要盡可能地高，以降低接收器的低頻噪聲 (基頻放大器以及下變頻相位與幅度雜訊)。圖三的下半部分顯示該濾波器的總體響應 (低通加高通濾波器)。

比較具 10kHz 和 30kHz 高通設置的濾波器輸出，10kHz 輸出的訊號躍變和時間間隔對于檢測符號序列而言是足夠的 (在 RFID 環境，噪聲將重迭在輸出訊號上)。總的來說，提高低通 fCUTOFF 和/或降低高通 fCUTOFF 意味著，以增大濾波器輸出噪聲為代價“提高”訊號躍變和時間間隔的“質量”。

圖三 濾波器對卷標符號序列的瞬態回應

結論

LTC6602 雙通道帶通濾波器是一種可編程的基頻濾波器，適用于高效能 UHF RFID 讀取器。在軟件控制下使用 LTC6602 能夠在單詢問器物理設置時以高數據速率工作，或者以多詢問器或密集詢問器物理設置工作時，能實現最佳卷標訊號檢測。LTC6602 是一種非常精小的 IC，其采用 4mm x 4mm QFN 封裝，而且可透過并行或串行控制編程。