引言

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things"。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品（商品）能夠彼此進(jìn)行“交流"，而無(wú)需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別＜RFID）技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品（商品）的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。RFID（Radio Frequency Identification），射頻識(shí)別俗稱電子標(biāo)簽。RFID正是能夠讓物品“開(kāi)口說(shuō)話”的一種技術(shù)。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)F,它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

1. 2RF1D分類(lèi)

RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻(LRF)、高頻(HRF)、超髙頻(URF)及微波(MF),相對(duì)應(yīng)的代表性頻率分別為:低頻135kHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860?960MHz及微波2.4GHz,5.8GHz。

RFID按照能源的供給方式分為無(wú)源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。無(wú)源RF1D讀寫(xiě)距離近，價(jià)格低；有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫(xiě)距離，但是需要電池供電，成本要更高一些,適用于遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)的應(yīng)用場(chǎng)合。

1. 3標(biāo)簽分類(lèi)

標(biāo)簽一般分為主動(dòng)式標(biāo)簽和被動(dòng)式標(biāo)簽主動(dòng)式標(biāo)簽：電源模塊集成入標(biāo)簽中；被動(dòng)式標(biāo)簽：電源由閱讀器提供。通過(guò)耦合，閱讀器能量給標(biāo)簽芯片提供電源。被動(dòng)式標(biāo)簽相比主動(dòng)式標(biāo)簽有外觀靈巧多變及價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，從而獲得大家青睞。

2 RFID系統(tǒng)的射頻電路

RFID中的射頻模塊主要實(shí)現(xiàn)3大功能：

(1) 通過(guò)天線發(fā)射足夠功率的射頻電磁波，以激發(fā)電子標(biāo)簽并為其提供能量；

(2) 對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后將已調(diào)制的信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電磁波傳送給標(biāo)簽；

(3) 接收并解調(diào)來(lái)自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。

據(jù)RFID射頻模塊功能分析可知，一個(gè)簡(jiǎn)易的RFID包括了：射頻振蕩器、頻率合成器、射頻放大器、功率控制器、射頻天線、射頻接收等與射頻電路有關(guān)的技術(shù)。

2. 1射頻振蕩器

在RFID中，射頻振蕩器可釆用CMOS環(huán)形振蕩器、LC振蕩器、RC振蕩器及晶體振蕩器。考慮到穩(wěn)頻效果，射頻振蕩器可用鎖相環(huán)和壓控振蕩器(VCO)實(shí)現(xiàn)。VCO電路過(guò)去大多采用反向偏壓的變?nèi)荻O管作為壓控器件，然而在用實(shí)際工藝實(shí)現(xiàn)電路時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)變?nèi)荻O管的品質(zhì)因數(shù)通常都很小，這將影響到電路的性能。MOS變?nèi)莨鼙銘?yīng)運(yùn)而生To釆用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)VCO,是實(shí)現(xiàn)RFCMOS集成收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵。

2. 2頻率合成器

目前頻率合成的技術(shù)可概括為四類(lèi)：直接頻率合成技術(shù)、鎖相式頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)和混合式頻率合成技術(shù)。直接模擬式即頻率合成的最初方法，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，頻率裝換時(shí)間短，頻率增量也可任意小。但因該方法不宜單片集成，噪聲、諧波等效果差，已被鎖相式和直接數(shù)字式代替。

鎖相環(huán)(PLL)頻率合成的核心是鎖相環(huán)。鎖相式頻率合成又可分為整數(shù)頻率合成和分?jǐn)?shù)頻率合成。鎖相環(huán)本質(zhì)上是一個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng),在這個(gè)相位負(fù)反饋系統(tǒng)中振蕩器輸出信號(hào)、輸入?yún)⒖夹盘?hào)和反饋信號(hào)均是相位信號(hào)，而不是電流或電壓信號(hào)。應(yīng)該說(shuō),鎖相技術(shù)是伴隨著集成電路的發(fā)展、反饋控制理論的發(fā)展而發(fā)展成熟。且已經(jīng)成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可替代的一環(huán)。其優(yōu)良性能主要表現(xiàn)在：鎖定時(shí)無(wú)頻差、良好的窄帶濾波特性、良好的調(diào)制跟蹤性能等。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)誕生于20世紀(jì)80年代末，它用數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)/模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。它是基于相位量化的概念進(jìn)行頻率合成，并可實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。其特點(diǎn)是:頻率分辨率高、相位噪聲低、控制靈活、易于調(diào)整，且頻率穩(wěn)定度高。其不足在于，合成輸出頻率較低，頻譜純度較差。

PLL技術(shù)和DDS技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者具有高頻率、寬帶，頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但頻率轉(zhuǎn)換速率低。后者具有高速頻率轉(zhuǎn)換能力，頻率、相位分辨力高，但頻率較低，純度也不如PLL。二者有效結(jié)合，即可構(gòu)成混合式頻率合成技術(shù)。其思路就是利用DDS的高分辨率來(lái)解決PLL中低頻率分辨率和轉(zhuǎn)換事件之間的矛盾。方案常有DDS激勵(lì)PLL和DDS附加PLL兩種。

2.3射頻天線

RFID天線常釆用電磁場(chǎng)耦合式天線、電磁波后向散射式天線及微帶天線。

電感耦合式(Inductive Coupling)天線：類(lèi)似于變壓器模型，通過(guò)空間交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電磁耦合，其依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。標(biāo)簽電路中的諧振電路諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符，以此進(jìn)行能量耦合及信息傳遞。該方式適合應(yīng)用于低、高頻工作的近距離RFID系統(tǒng)。

電磁波后向散射耦合式(Backscattercoupling)天線:基本原理類(lèi)似雷達(dá)原理。高頻發(fā)射的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波空間傳播規(guī)律。適用于高頻和微波波段RFID設(shè)計(jì)?？蛇x類(lèi)型有雙偶極子天線、折疊偶極子天線、印制偶極子天線、微帶面天線及對(duì)數(shù)螺旋天線。

微帶天線從20世紀(jì)70年代獲得重視和研究，使用頻段很寬。微帶天線可與微波集成電路一起集成，且易于制成共形天線。微帶天線主要有:微帶貼片天線、微帶陣子天線和微帶陣列天線。

2.4射頻信號(hào)放大

射頻信號(hào)放大電路分為小信號(hào)放大和功率放大技術(shù)。以射頻功率放大為例，圖為擴(kuò)大射頻標(biāo)簽的激活距離，可釆用A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)等射頻功率放大電路。目前多采用的是具有溫度補(bǔ)償、線性度好且具有輸出功率可控的集成CMOS功率放大電路。射頻功放基本框圖如圖2所示。

圖2 RFID射頻功放

2.5調(diào)制解調(diào)電路

RFID通常用數(shù)字調(diào)制實(shí)現(xiàn)信息傳遞,RFID系統(tǒng)中用的最多的是ASK調(diào)制方式。

無(wú)源UHFRFID標(biāo)簽一般采用逆向散射的調(diào)制(負(fù)載調(diào)制)方法，如圖3所示。

圖3 RFID負(fù)載調(diào)制

逆向散射調(diào)制電路采用CMOS開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)制信號(hào)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，也即改變單溝道CMOS開(kāi)關(guān)的輸入阻抗，由于CMOS開(kāi)關(guān)是并聯(lián)在天線兩端的，因而就改變了天線的輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)了逆向散射調(diào)制的功能。

在射頻電路中，解調(diào)有相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種方式?？紤]到RFID系統(tǒng)的ASK調(diào)制，解調(diào)方式常用的是包絡(luò)檢波的方式。目前RFID系統(tǒng)使用金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)管實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波器中的二極管、電容和電阻。設(shè)計(jì)時(shí)要注意檢波電路的輸入阻抗對(duì)諧振蕩路Q值的影響。

3結(jié)語(yǔ)

“物聯(lián)網(wǎng)''概念描述的是一個(gè)對(duì)象和對(duì)象間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)把新一代IT技術(shù)(射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù))充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可以細(xì)分為標(biāo)識(shí)、感知、處理和信息傳送4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為RFID、傳感器、智能芯片和電信運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)研究的問(wèn)題很多，論文討論的主要是RFID中的射頻技術(shù)。當(dāng)然如果解決好了各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題，那么真正的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“智慧中國(guó)”就會(huì)實(shí)現(xiàn)。