一種適用于RFID閱讀器的新型自動增益調節電路

武文娟，莊建東，陶 煜，李 昕，高 懷

(1.東南大學國家ASIC系統工程技術研究中心，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研究中心，江蘇 蘇州 215123;3.東南大學集成電路學院，江蘇 南京 210096)

責任編輯:許 盈

0 引言

隨著無線網絡和傳感技術的發展，物聯網引起了學術界以及工業界的高度關注和廣泛研究。物聯網最早由凱文·阿什頓于1999年提出，通過射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物體與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。其中，作為物聯網上游技術之一的超高頻(Ultra High Frequency，UHF)射頻識別技術，由于其具有識讀快速、方便、距離遠等特點，被認為是最具發展前途的信息技術之一。

標簽位于場區不同位置時返回給閱讀器的信號強度范圍高達幾十分貝，并且為了在雜波干擾復雜的環境中正常工作，RFID閱讀器必須能夠處理動態范圍很大的信號。另外，高速公路收費、圖書館圖書的自動上架、礦井定位等應用場合要求RFID閱讀器能夠根據標簽返回的信號對目標物體實時跟蹤，因此動態范圍是RFID閱讀器的重要技術指標之一。

目前提高其動態范圍最常用的方法是在接收通道加入自動增益控制模塊。筆者分析了傳統的自動增益控制模塊，設計了一種高性能的新型的自動增益調節電路，可應用于RFID閱讀器。該電路借鑒負反饋的思想，結構簡單，具有高達80 dBm的動態范圍，且能夠檢測微弱的輸入信號，有效地提高了閱讀器接收機的動態范圍和靈敏度，并能夠實現對直線目標物體的定位，對處于較復雜地質環境下的物體進行跟蹤等。

1 自動增益調節模塊的設計方案

自動增益控制電路可用于接收機前端，對接收機的輸入信號進行預處理。也可用于接收機內部通路中，用于對解調器輸出信號進行調節，使其幅度滿足后續電路準確對其處理的要求。

傳統的自動增益調節模塊如圖1所示。可變增益放大器輸出信號Vout經過功率檢波和低通濾波電路后，產生一個直流電壓，與比較器的參考電壓Vr進行比較以得到控制電壓Vc，對可控增益放大器進行增益控制。該模塊可接收信號的動態范圍有限，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的功率水平。反映到接收機中，即由基帶接收到的信號不能夠推知天線接收信號的大小，不能對目標物體進行定位和跟蹤，這大大地限制了它的應用范圍。

圖1 傳統的自動增益控制模塊

筆者提出的自動增益調節電路框圖如圖2所示，由可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)、對數放大器、運算放大器等組成反饋環。對數放大器用來檢測可變增益放大器輸出信號的功率水平，并輸出與所測信號功率相對應的電壓信號;運算放大器將對數放大器的電壓輸出信號轉換為VGA所需的電壓控制信號，以精確地控制VGA的增益。該反饋環能夠保證系統在接收弱信號時，自動地提高VGA的增益，接收強信號時自動地降低VGA的增益，從而實現了對大動態范圍信號的調整，保證此模塊給下級電路提供合適的電平。

圖2 新型的自動增益控制模塊

與傳統的自動增益控制電路相比，該模塊用較為簡單的電路實現了很大的動態范圍。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，電路更簡單，成本更低。另外，由Vout即可推知接收信號的強弱，對于直線傳播的信號，可以評估目標物體的距離。這樣，不需要專門的RSSI檢測電路即可實現對直線目標物體的定位，它的大動態范圍有利于對復雜電磁與地理環境下目標物體的跟蹤，大大地擴大了其應用范圍。

2 自動增益調節電路的硬件實現

本文選用了ADI公司開發的AD8336作為可變增益放大器。它采用ADI公司專有X－AMP?架構，如圖3所示。輸入端包含一個電壓反饋的運算放大器，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。因此可以根據所需要的增益范圍來設置前置放大器的增益。總體增益值與所加控制電壓VGAIN的關系為

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公司的對數放大器AD8307，用于幅度檢測。它僅有8引腳封裝，非常穩定，且易于使用，無需大量外部器件。綜合考慮精度、噪聲、價格等因素后，選用AD8675作為運算放大器(見圖3)。

圖3 AD8336的內部結構框圖

2.1 可變增益放大器的設計

在RFID系統中，目標物體處于不斷移動的狀態，因此閱讀器接收機所接收到的信號強弱變化范圍較大，直接導致了VGA接收到的信號動態范圍很寬。在本次RFID系統設計中，VGA接收到的信號功率范圍為－75～+15 dBm。對于－75 dBm的信號，VGA增益必須足夠大，才不至于使下級的有效輸入信號被噪聲淹沒。因此設置AD8336的外圍電路工作于0～59 dB增益范圍。圖4所示為設計的結構原理圖，前置放大器采用同向組態的輸入，R2作為反饋電阻，其增益與外圍電阻的關系可表示為

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，結合式(3)可求得R2為1.9 kΩ。

圖4 自動增益調節電路原理圖

2.2 對數放大器的設計

AD8307的輸出電壓與輸人信號的功率成線性的對數關系。在默認情況下，輸出電壓斜率為25 mV/dB，截點為－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，且斜率和截點可通過外部電路在一定范圍內進行調節。

如圖4所示，AD8336的輸出信號首先通過電容C3和C4交流耦合到輸入端。AD8307具有非常大的帶寬，對于帶寬范圍內的信號都非常敏感。這些信號可能進入輸入端干擾有用信號，因此在輸入端并接C5，與1.1 kΩ的輸入電阻構成低通濾波器，以消除帶外信號對AD8307檢測信號的影響。所加V5應滿足

根據實際系統中的信號帶寬即可確定公式中的C5。AD8307的輸出端加運放AD8031作為緩沖器，以降低其輸出阻抗，提高驅動能力。在引腳OUT對地接一只濾波電容提高抗噪聲能力。

2.3 運算放大器設計

當AD8307檢測到最弱信號時，運算放大器將其輸出信號轉換成VGA取得最大增益所對應的控制電壓。而檢測到最強信號時，運算放大器將其輸出信號轉換成VGA取得最小增益所對應的控制電壓。設AD8307的輸出信號電壓和VGA的控制電壓分別為Vout和VGAIN，可令

根據前面所述條件，即可計算出公式中的參數α和β。將計算得到的關系式通過運算放大器AD8675來實現。對于AD8675的連接，采用加減法運算電路，如圖5所示。設AD8675的輸出信號為Vout，VGAIN和輸入電壓的關系如

由推出的式(6)即可確定所需的外圍電阻值。

3 實驗設計及仿真

在實際系統方案中，自動增益調節電路的輸入信號功率范圍為－75～+15 dBm，頻率為1 MHz。為了配合自動增益調節電路的下級電路，要求AD8336的增益范圍為0～59 dB，所以AD8336輸出信號幅值范圍為(－16 dBm，15 dBm)。在仿真時，調整自動增益調節電路的下級輸入電阻，使得VGA的輸出信號經過衰減10 dB后進入到AD8307，從而可得到AD8307的輸出電壓范圍為1.445～2.3 V。根據AD8307輸入輸出的信號幅值確定式(6)中的參數。當AD8307輸出為1.445 V時，增益為最大59 dB。當輸出為2.3 V時，增益最小為0 dB。據此計算式(5)中的參數，可得到

ADS(Advanced Design System)是由美國Agilent公司推出的微波電路和通信系統的仿真軟件。利用ADS對本文所提出的自動增益調節電路，如圖5所示，進行仿真。對電路加一組不同功率水平的信號，進行仿真得到的數據如表l所示，表中的值為信號的峰峰值。

圖5 ADS仿真時的自動增益調節電路原理圖

表1 自動增益調節電路的仿真數據

由表1中的數據比較可知，基于AD8336的自動增益調節電路的性能和設計的預期基本是一致的，可以達到80 dBm的動態范圍。將這個電路應用于RFID閱讀器接收機的設計中，由AD8336的輸出信號可以推知接收機的信號范圍，從而可計算出目標物體的距離，實現定位和跟蹤。

4 RFID閱讀器接收機設計

基于新型的自動增益調節模塊，設計了一款RFID閱讀器接收機，如圖6所示。在接收通道中，放棄了零中頻接收機中慣用的LNA，這主要是考慮到RFID系統的特殊性。當RFID閱讀器接收標簽返回信號時，同時還在向外發射功率載波，這兩個信號將同時出現在閱讀器的天線上。如果再經過LNA將會直接導致解調器的飽和，從而影響系統的線性度。應系統要求，采用了限幅器(Limiter)對接收到的信號進行處理，限制進入接收通道模塊接收信號的功率水平。電路中采用I/Q兩路的結構，有效地消除接收盲點，并對可變增益放大器的輸出I/Q信號做運算，采集幅度信息以更加準確地自動調整可變增益放大器的增益。

圖6 RFID接收機中的自動增益調節模塊

根據前面對自動增益調節模塊的分析可知，由輸入基帶ADC的信號即可得知接收機天線端的功率水平，從而對貼有標簽的目標物體進行定位，實現對目標物體的跟蹤。經過分析及計算，該RFID閱讀器接收機的靈敏度可達－86.2 dBm。

5 小結

本文提出了一種適用于RFID閱讀器的新型自動增益調節電路。該電路能夠根據接收信號的強弱自動地調節可變增益放大器的增益，從而對大動態范圍的信號進行調整。在此基礎上，設計了一款結構簡單的超高頻RFID閱讀器接收機，輸入動態范圍高達80 dB，自動增益調節范圍為0～59 dB，能夠方便地實現對處于復雜電磁、地質環境下目標物體的跟蹤。

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