智慧交通作為智慧城市的重要組成部分非常依賴于對現(xiàn)行及未來車輛的數(shù)字化、信息化、智能化管理，而當(dāng)前對于車輛管理的單一手段已經(jīng)越來越無法滿足城市日益增長的交通管理需求，開拓新型車輛管理模式至關(guān)重要。汽車電子標識（electronic registration identification of the motor vehicle，簡稱ERI）通過將車牌號碼等信息存儲在射頻標簽中，能夠自動、非接觸、不停車地完成車輛的識別和監(jiān)控，還為車輛所涉及的諸如加油、保險、年檢、違法、事故、逃逸等過程提供智能化管理手段和大數(shù)據(jù)信息來源，已經(jīng)成為構(gòu)建智慧交通應(yīng)用系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)手段。

目前中國市場的汽車電子標識必須符合中國標準GB/T 29768-2013“信息技術(shù)—射頻識別—空中接口協(xié)議(800/900 MHz)”和GB/T 35786-2017“機動車電子標識讀寫設(shè)備通用規(guī)范”，本文將梳理國內(nèi)汽車電子標識設(shè)計方案的挑戰(zhàn)，給出以高性能信號鏈方案提供商ADI公司的兩種超高頻射頻識別（UHF RFID）讀卡器射頻前端解決這些難題的方法和思路。

消除UHF RFID系統(tǒng)的自我干擾

在UHF RFID系統(tǒng)中，讀取器在發(fā)送連續(xù)波(CW)信號為無源標簽供電時，會同時以相同頻率接收來自標簽的反向散射信號。由于發(fā)送器-接收器之間的隔離性能欠佳，強連續(xù)波信號和相關(guān)的發(fā)送器噪聲會泄漏到接收器中。通常這種泄漏信號被稱為自干擾(SJ)信號，它會降低讀卡器的靈敏度。

在汽車電子標識應(yīng)用的RFID讀卡器中，定向耦合器通常用作發(fā)射器和接收器的雙工器。SJ信號的產(chǎn)生主要是由于天線的反射、定向耦合器的隔離都有限以及連接到耦合器耦合端口的電路反射造成的。

可以使用兩種方法來克服這個SJ信號問題。第一種方法是在接收器LNA之前設(shè)計一個自干擾消除(SJC)電路。第二種方法是使用零中頻接收器架構(gòu)，而且發(fā)射器和接收器使用的相同的本地振蕩器(LO)。在這種情況下，自干擾信號將在基帶轉(zhuǎn)換為直流，然后使用隔直電容對信號進行交流耦合。在這個隔直點后，去除了SJ信號，后續(xù)元件的動態(tài)范圍要求隨之放寬。這意味著在基帶上可增加足夠的增益以降低接收器的噪聲系數(shù)(NF)。這兩種方法可以單獨使用，也可以結(jié)合使用。一個典型的SJC電路如下圖所示。

典型的自干擾消除電路

實現(xiàn)UHF RFID讀卡器的關(guān)鍵RF性能指標分析

對于發(fā)射器來說，在數(shù)字域內(nèi)，應(yīng)對信號進行低通濾波，以滿足頻域ACLR的要求，以及時域RF包絡(luò)的要求。在模擬域，PA線性度和LO相位噪聲都會影響ACLR的性能。經(jīng)過低通濾波后，由TPP編碼的ASK信號的峰均比(PAR)約為2 dB。PA平均輸出功率約為32 dBm，裕量為1 dB，因此應(yīng)選擇大于35 dBm P–1 dB的PA。對于LO相位噪聲，125 kHz至375 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–40 dBc，375 kHz至625 kHz的相位噪聲積分應(yīng)小于–60 dBc。對于帶外發(fā)射要求，需要采用一個RF濾波器，以滿足發(fā)射器在諧波頻率處的雜散要求。對于接近工作頻率的要求，例如在915 MHz和930 MHz，100 kHz測量帶寬的噪聲為–52 dBm的要求，RF濾波器一般尚未衰減，所以調(diào)制器在0 dBm輸出功率時的本底噪聲要求約為 –52 –10 ×log10 (105) –30 = –132 dBm/Hz。在5 MHz偏移量下的相位噪聲要求也應(yīng)小于 –132 dBc。

UHF RFID讀卡器RF前端框圖

接收器的靈敏度在GB/T 35786-2017標準中規(guī)定為–65 dBm。假設(shè)讀卡器在所有可能的數(shù)據(jù)速率下都滿足–65 dBm靈敏度要求，那么640 kHz反向鏈路頻率(BLF)應(yīng)該是最糟的情況。對于包含RFID讀卡器的SJC，從天線端口到SJC輸出的插入損耗約為15dB，因此SJC輸出點的靈敏度要求為–80 dBm，假設(shè)不包含直流的標簽反向散射信號功率為–80 –3 = –83 dBm。ASK調(diào)制信號解調(diào)閾值約為11 dB，BLF 640 kHz上行鏈路信號的信號帶寬為2.56 MHz。所以總的NF需求為：NF ≤ –83 –(–174 + 10 ×log10 (2.56 ×106) + 11) = 15.9 dB這個NF總體要求包括SJC之后的接收器電路的噪聲影響、SJC電路引起的噪聲和發(fā)射器泄漏噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器信號支路與自干擾支路之間的延時是匹配的，那么SJC電路在抵消CW自干擾信號的同時，發(fā)射器的泄漏噪聲也會得到很好的抵消。發(fā)射器泄漏噪聲包括三部分：相位噪聲、幅度噪聲和白噪聲。一般情況下，幅度噪聲和白噪聲會抵消至–174 dBm/Hz本底噪聲。對于剩余的相位噪聲，由于發(fā)射器和接收器使用相同的LO，由于距離相關(guān)效應(yīng)，它在下變頻過程中會轉(zhuǎn)換為直流。在這種情況下，矢量調(diào)制器分支噪聲將是唯一的額外引入噪聲。假設(shè)矢量調(diào)制器分支本底噪聲為–162 dBm/Hz，因此在SJC電路輸出端，有效NF為–174 –(–162) = 12 dB，那么SJC之后接收器電路的NF要求為10 ×log10 (101.59 –101.2) = 13.6 dB。

分別基于分立式組件&集成模塊的兩種參考設(shè)計

· 基于ADF9010和AD9963的解決方案

ADF9010是一款完全集成的RF發(fā)射器調(diào)制器、本地振蕩器(LO)和接收器模擬基帶前端，工作頻率范圍為840 MHz至960 MHz。AD9963是12位低功耗MxFE® c轉(zhuǎn)換器，提供兩個采樣速率為100 MSPS的ADC通道和兩個采樣速率為170 MSPS的DAC通道。

使用ADF9010和AD9963實現(xiàn)UHF RFID讀卡器RF前端的框圖如下圖所示。LNA（例如ADI公司的ADL5523，它是一種高性能GaAs pHEMT LNA，具有0.8 dB NF和21.5 dB增益）與解調(diào)器（ADL5382）和ADF9010（接收器增益設(shè)置為24 dB）整個系統(tǒng)的級聯(lián)NF小于3 dB。

使用ADF9010和AD9963的UHF RFID讀卡器RF前端

· 基于AD9361的解決方案

AD9361是一款高集成度的射頻(RF)收發(fā)器，能夠通過不同配置實現(xiàn)各種廣泛應(yīng)用。它在單個器件中集成了提供所有收發(fā)器功能所需的全部RF、混合-信號和數(shù)字模塊。為了實現(xiàn)UHF RFID讀卡器，發(fā)射器和接收器應(yīng)該使用相同的LO來利用距離相關(guān)效應(yīng)，因此使用AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑，而不是常規(guī)的接收器路徑。AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑會旁路內(nèi)部LNA，所以添加了一個外部LNA。AD9361基帶采用直流耦合，而不是交流耦合。在這種情況下，需要SJC電路能夠?qū)⒆愿蓴_信號降低到足夠低的水平，例如小于–35 dBm，避免模擬電路出現(xiàn)飽和。因此，可以在數(shù)字域中移除自干擾轉(zhuǎn)換直流信號。

使用AD9361的UHF RFID讀卡器RF前端的框圖

AD9361發(fā)射器監(jiān)控路徑增益分布由兩部分增益組成：前端增益（發(fā)射器監(jiān)控增益）和接收低通濾波器增益(GBBF)。 發(fā)射器監(jiān)控器增益可以設(shè)置為0 dB、6 dB或9.5 dB。GBBF 可以設(shè)置為0 dB至24dB，步長1 dB。利用這種靈活的增益配置，可以輕松實現(xiàn)接收器AGC功能。對于這個UHF RFID讀卡器應(yīng)用，發(fā)射器監(jiān)控路徑增益設(shè)置為3 dB，GBBFF設(shè)置為6 dB。當(dāng)AD9361增益設(shè)置為3 dB時，ADL5523和AD9361的發(fā)射器監(jiān)控端口的級聯(lián)NF約為12.6 dB。與13.6 dB分析要求相比，此設(shè)置存在1 dB的裕量，如果殘余的自干擾信號為–35dBm，則數(shù)字域功率為–7 dBfs。

總結(jié)

基于ADF9010和AD9963的解決方案具有高性能和相當(dāng)大的裕量，可以滿足GB/T 29768-2013和GB/T 35786-2017的要求。基于AD9361的集成解決方案在降低接收器靈敏度的情況下也滿足這些要求，與分立式雙組件方案相比，此方案明顯簡化。