武文娟，莊建東，陶 煜，李 昕，高 懷

(1.東南大學(xué)國(guó)家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210096;2.蘇州英諾迅科技有限公司＆蘇州市射頻功率器件及電路工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215123;3.東南大學(xué)集成電路學(xué)院，江蘇 南京 210096)

責(zé)任編輯:許 盈

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)引起了學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界的高度關(guān)注和廣泛研究。物聯(lián)網(wǎng)最早由凱文·阿什頓于1999年提出，通過射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。其中，作為物聯(lián)網(wǎng)上游技術(shù)之一的超高頻(Ultra High Frequency，UHF)射頻識(shí)別技術(shù)，由于其具有識(shí)讀快速、方便、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。

標(biāo)簽位于場(chǎng)區(qū)不同位置時(shí)返回給閱讀器的信號(hào)強(qiáng)度范圍高達(dá)幾十分貝，并且為了在雜波干擾復(fù)雜的環(huán)境中正常工作，RFID閱讀器必須能夠處理動(dòng)態(tài)范圍很大的信號(hào)。另外，高速公路收費(fèi)、圖書館圖書的自動(dòng)上架、礦井定位等應(yīng)用場(chǎng)合要求RFID閱讀器能夠根據(jù)標(biāo)簽返回的信號(hào)對(duì)目標(biāo)物體實(shí)時(shí)跟蹤，因此動(dòng)態(tài)范圍是RFID閱讀器的重要技術(shù)指標(biāo)之一。

目前提高其動(dòng)態(tài)范圍最常用的方法是在接收通道加入自動(dòng)增益控制模塊。筆者分析了傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制模塊，設(shè)計(jì)了一種高性能的新型的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路，可應(yīng)用于RFID閱讀器。該電路借鑒負(fù)反饋的思想，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有高達(dá)80 dBm的動(dòng)態(tài)范圍，且能夠檢測(cè)微弱的輸入信號(hào)，有效地提高了閱讀器接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直線目標(biāo)物體的定位，對(duì)處于較復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的物體進(jìn)行跟蹤等。

1 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)增益控制電路可用于接收機(jī)前端，對(duì)接收機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。也可用于接收機(jī)內(nèi)部通路中，用于對(duì)解調(diào)器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其幅度滿足后續(xù)電路準(zhǔn)確對(duì)其處理的要求。

傳統(tǒng)的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)模塊如圖1所示?？勺?cè)鲆娣糯笃鬏敵鲂盘?hào)Vout經(jīng)過功率檢波和低通濾波電路后，產(chǎn)生一個(gè)直流電壓，與比較器的參考電壓Vr進(jìn)行比較以得到控制電壓Vc，對(duì)可控增益放大器進(jìn)行增益控制。該模塊可接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍有限，且模塊輸出幾乎固定于某一固定功率水平，由Vout并不能推知接收信號(hào)的功率水平。反映到接收機(jī)中，即由基帶接收到的信號(hào)不能夠推知天線接收信號(hào)的大小，不能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位和跟蹤，這大大地限制了它的應(yīng)用范圍。

圖1 傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制模塊

筆者提出的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路框圖如圖2所示，由可變?cè)鲆娣糯笃?Variable Gain Amplifier，VGA)、對(duì)數(shù)放大器、運(yùn)算放大器等組成反饋環(huán)。對(duì)數(shù)放大器用來檢測(cè)可變?cè)鲆娣糯笃鬏敵鲂盘?hào)的功率水平，并輸出與所測(cè)信號(hào)功率相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào);運(yùn)算放大器將對(duì)數(shù)放大器的電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA所需的電壓控制信號(hào)，以精確地控制VGA的增益。該反饋環(huán)能夠保證系統(tǒng)在接收弱信號(hào)時(shí)，自動(dòng)地提高VGA的增益，接收強(qiáng)信號(hào)時(shí)自動(dòng)地降低VGA的增益，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的調(diào)整，保證此模塊給下級(jí)電路提供合適的電平。

圖2 新型的自動(dòng)增益控制模塊

與傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制電路相比，該模塊用較為簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)了很大的動(dòng)態(tài)范圍。電路不需要電壓比較器，不需要提供比較器所需的固定電壓信號(hào)，電路更簡(jiǎn)單，成本更低。另外，由Vout即可推知接收信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)于直線傳播的信號(hào)，可以評(píng)估目標(biāo)物體的距離。這樣，不需要專門的RSSI檢測(cè)電路即可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線目標(biāo)物體的定位，它的大動(dòng)態(tài)范圍有利于對(duì)復(fù)雜電磁與地理環(huán)境下目標(biāo)物體的跟蹤，大大地?cái)U(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

2 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的硬件實(shí)現(xiàn)

本文選用了ADI公司開發(fā)的AD8336作為可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｋ捎肁DI公司專有X－AMP?架構(gòu)，如圖3所示。輸入端包含一個(gè)電壓反饋的運(yùn)算放大器，增益可通過外部電阻確定，最大為26 dB。它與－60～0 dB衰減器、34 dB固定增益放大器共同決定了VGA的總增益范圍。因此可以根據(jù)所需要的增益范圍來設(shè)置前置放大器的增益。總體增益值與所加控制電壓VGAIN的關(guān)系為

式中:GAIN和GPRA分別為AD8336的總增益和前置放大器的增益，單位是dB;VGAIN為控制電壓，等于引腳GPOS和GNEG所加電壓之差，單位是V。

另外，選用了ADI公司的對(duì)數(shù)放大器AD8307，用于幅度檢測(cè)。它僅有8引腳封裝，非常穩(wěn)定，且易于使用，無需大量外部器件。綜合考慮精度、噪聲、價(jià)格等因素后，選用AD8675作為運(yùn)算放大器(見圖3)。

圖3 AD8336的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.1 可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑O(shè)計(jì)

在RFID系統(tǒng)中，目標(biāo)物體處于不斷移動(dòng)的狀態(tài)，因此閱讀器接收機(jī)所接收到的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍較大，直接導(dǎo)致了VGA接收到的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很寬。在本次RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，VGA接收到的信號(hào)功率范圍為－75～+15 dBm。對(duì)于－75 dBm的信號(hào)，VGA增益必須足夠大，才不至于使下級(jí)的有效輸入信號(hào)被噪聲淹沒。因此設(shè)置AD8336的外圍電路工作于0～59 dB增益范圍。圖4所示為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖，前置放大器采用同向組態(tài)的輸入，R2作為反饋電阻，其增益與外圍電阻的關(guān)系可表示為

式中:GPRA為前置放大器的增益。為了使芯片獲得很好的性能，R1一般選100Ω，結(jié)合式(3)可求得R2為1.9 kΩ。

圖4 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路原理圖

2.2 對(duì)數(shù)放大器的設(shè)計(jì)

AD8307的輸出電壓與輸人信號(hào)的功率成線性的對(duì)數(shù)關(guān)系。在默認(rèn)情況下，輸出電壓斜率為25 mV/dB，截點(diǎn)為－84 dBm，公式為

式中:Vout為AD8307的輸出電壓，單位是mV;P為輸入信號(hào)功率，單位是dBm。另外，AD8307具有1.1 kΩ的輸入電阻，且斜率和截點(diǎn)可通過外部電路在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

如圖4所示，AD8336的輸出信號(hào)首先通過電容C3和C4交流耦合到輸入端。AD8307具有非常大的帶寬，對(duì)于帶寬范圍內(nèi)的信號(hào)都非常敏感。這些信號(hào)可能進(jìn)入輸入端干擾有用信號(hào)，因此在輸入端并接C5，與1.1 kΩ的輸入電阻構(gòu)成低通濾波器，以消除帶外信號(hào)對(duì)AD8307檢測(cè)信號(hào)的影響。所加V5應(yīng)滿足

根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的信號(hào)帶寬即可確定公式中的C5。AD8307的輸出端加運(yùn)放AD8031作為緩沖器，以降低其輸出阻抗，提高驅(qū)動(dòng)能力。在引腳OUT對(duì)地接一只濾波電容提高抗噪聲能力。

2.3 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

當(dāng)AD8307檢測(cè)到最弱信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA取得最大增益所對(duì)應(yīng)的控制電壓。而檢測(cè)到最強(qiáng)信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA取得最小增益所對(duì)應(yīng)的控制電壓。設(shè)AD8307的輸出信號(hào)電壓和VGA的控制電壓分別為Vout和VGAIN，可令

根據(jù)前面所述條件，即可計(jì)算出公式中的參數(shù)α和β。將計(jì)算得到的關(guān)系式通過運(yùn)算放大器AD8675來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于AD8675的連接，采用加減法運(yùn)算電路，如圖5所示。設(shè)AD8675的輸出信號(hào)為Vout，VGAIN和輸入電壓的關(guān)系如

由推出的式(6)即可確定所需的外圍電阻值。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真

在實(shí)際系統(tǒng)方案中，自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的輸入信號(hào)功率范圍為－75～+15 dBm，頻率為1 MHz。為了配合自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的下級(jí)電路，要求AD8336的增益范圍為0～59 dB，所以AD8336輸出信號(hào)幅值范圍為(－16 dBm，15 dBm)。在仿真時(shí)，調(diào)整自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的下級(jí)輸入電阻，使得VGA的輸出信號(hào)經(jīng)過衰減10 dB后進(jìn)入到AD8307，從而可得到AD8307的輸出電壓范圍為1.445～2.3 V。根據(jù)AD8307輸入輸出的信號(hào)幅值確定式(6)中的參數(shù)。當(dāng)AD8307輸出為1.445 V時(shí)，增益為最大59 dB。當(dāng)輸出為2.3 V時(shí)，增益最小為0 dB。據(jù)此計(jì)算式(5)中的參數(shù)，可得到

ADS(Advanced Design System)是由美國(guó)Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)的仿真軟件。利用ADS對(duì)本文所提出的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路，如圖5所示，進(jìn)行仿真。對(duì)電路加一組不同功率水平的信號(hào)，進(jìn)行仿真得到的數(shù)據(jù)如表l所示，表中的值為信號(hào)的峰峰值。

圖5 ADS仿真時(shí)的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路原理圖

表1 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的仿真數(shù)據(jù)

由表1中的數(shù)據(jù)比較可知，基于AD8336的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的性能和設(shè)計(jì)的預(yù)期基本是一致的，可以達(dá)到80 dBm的動(dòng)態(tài)范圍。將這個(gè)電路應(yīng)用于RFID閱讀器接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，由AD8336的輸出信號(hào)可以推知接收機(jī)的信號(hào)范圍，從而可計(jì)算出目標(biāo)物體的距離，實(shí)現(xiàn)定位和跟蹤。

4 RFID閱讀器接收機(jī)設(shè)計(jì)

基于新型的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)模塊，設(shè)計(jì)了一款RFID閱讀器接收機(jī)，如圖6所示。在接收通道中，放棄了零中頻接收機(jī)中慣用的LNA，這主要是考慮到RFID系統(tǒng)的特殊性。當(dāng)RFID閱讀器接收標(biāo)簽返回信號(hào)時(shí)，同時(shí)還在向外發(fā)射功率載波，這兩個(gè)信號(hào)將同時(shí)出現(xiàn)在閱讀器的天線上。如果再經(jīng)過LNA將會(huì)直接導(dǎo)致解調(diào)器的飽和，從而影響系統(tǒng)的線性度。應(yīng)系統(tǒng)要求，采用了限幅器(Limiter)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，限制進(jìn)入接收通道模塊接收信號(hào)的功率水平。電路中采用I/Q兩路的結(jié)構(gòu)，有效地消除接收盲點(diǎn)，并對(duì)可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮敵鯥/Q信號(hào)做運(yùn)算，采集幅度信息以更加準(zhǔn)確地自動(dòng)調(diào)整可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妗?/p>

圖6 RFID接收機(jī)中的自動(dòng)增益調(diào)節(jié)模塊

根據(jù)前面對(duì)自動(dòng)增益調(diào)節(jié)模塊的分析可知，由輸入基帶ADC的信號(hào)即可得知接收機(jī)天線端的功率水平，從而對(duì)貼有標(biāo)簽的目標(biāo)物體進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的跟蹤。經(jīng)過分析及計(jì)算，該RFID閱讀器接收機(jī)的靈敏度可達(dá)－86.2 dBm。

5 小結(jié)

本文提出了一種適用于RFID閱讀器的新型自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路。該電路能夠根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)地調(diào)節(jié)可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆?，從而?duì)大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的超高頻RFID閱讀器接收機(jī)，輸入動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)80 dB，自動(dòng)增益調(diào)節(jié)范圍為0～59 dB，能夠方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)處于復(fù)雜電磁、地質(zhì)環(huán)境下目標(biāo)物體的跟蹤。

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