一种适用于RFID阅读器的新型自动增益调节电路

武文娟，庄建东，陶 煜，李 昕，高 怀

(1.东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心，江苏 南京 210096;2.苏州英诺迅科技有限公司＆苏州市射频功率器件及电路工程技术研究中心，江苏 苏州 215123;3.东南大学集成电路学院，江苏 南京 210096)

责任编辑:许 盈

0 引言

随着无线网络和传感技术的发展，物联网引起了学术界以及工业界的高度关注和广泛研究。物联网最早由凯文·阿什顿于1999年提出，通过射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。其中，作为物联网上游技术之一的超高频(Ultra High Frequency，UHF)射频识别技术，由于其具有识读快速、方便、距离远等特点，被认为是最具发展前途的信息技术之一。

标签位于场区不同位置时返回给阅读器的信号强度范围高达几十分贝，并且为了在杂波干扰复杂的环境中正常工作，RFID阅读器必须能够处理动态范围很大的信号。另外，高速公路收费、图书馆图书的自动上架、矿井定位等应用场合要求RFID阅读器能够根据标签返回的信号对目标物体实时跟踪，因此动态范围是RFID阅读器的重要技术指标之一。

目前提高其动态范围最常用的方法是在接收通道加入自动增益控制模块。笔者分析了传统的自动增益控制模块，设计了一种高性能的新型的自动增益调节电路，可应用于RFID阅读器。该电路借鉴负反馈的思想，结构简单，具有高达80 dBm的动态范围，且能够检测微弱的输入信号，有效地提高了阅读器接收机的动态范围和灵敏度，并能够实现对直线目标物体的定位，对处于较复杂地质环境下的物体进行跟踪等。

1 自动增益调节模块的设计方案

自动增益控制电路可用于接收机前端，对接收机的输入信号进行预处理。也可用于接收机内部通路中，用于对解调器输出信号进行调节，使其幅度满足后续电路准确对其处理的要求。

传统的自动增益调节模块如图1所示。可变增益放大器输出信号Vout经过功率检波和低通滤波电路后，产生一个直流电压，与比较器的参考电压Vr进行比较以得到控制电压Vc，对可控增益放大器进行增益控制。该模块可接收信号的动态范围有限，且模块输出几乎固定于某一固定功率水平，由Vout并不能推知接收信号的功率水平。反映到接收机中，即由基带接收到的信号不能够推知天线接收信号的大小，不能对目标物体进行定位和跟踪，这大大地限制了它的应用范围。

图1 传统的自动增益控制模块

笔者提出的自动增益调节电路框图如图2所示，由可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)、对数放大器、运算放大器等组成反馈环。对数放大器用来检测可变增益放大器输出信号的功率水平，并输出与所测信号功率相对应的电压信号;运算放大器将对数放大器的电压输出信号转换为VGA所需的电压控制信号，以精确地控制VGA的增益。该反馈环能够保证系统在接收弱信号时，自动地提高VGA的增益，接收强信号时自动地降低VGA的增益，从而实现了对大动态范围信号的调整，保证此模块给下级电路提供合适的电平。

图2 新型的自动增益控制模块

与传统的自动增益控制电路相比，该模块用较为简单的电路实现了很大的动态范围。电路不需要电压比较器，不需要提供比较器所需的固定电压信号，电路更简单，成本更低。另外，由Vout即可推知接收信号的强弱，对于直线传播的信号，可以评估目标物体的距离。这样，不需要专门的RSSI检测电路即可实现对直线目标物体的定位，它的大动态范围有利于对复杂电磁与地理环境下目标物体的跟踪，大大地扩大了其应用范围。

2 自动增益调节电路的硬件实现

本文选用了ADI公司开发的AD8336作为可变增益放大器。它采用ADI公司专有X－AMP®架构，如图3所示。输入端包含一个电压反馈的运算放大器，增益可通过外部电阻确定，最大为26 dB。它与－60～0 dB衰减器、34 dB固定增益放大器共同决定了VGA的总增益范围。因此可以根据所需要的增益范围来设置前置放大器的增益。总体增益值与所加控制电压VGAIN的关系为

式中:GAIN和GPRA分别为AD8336的总增益和前置放大器的增益，单位是dB;VGAIN为控制电压，等于引脚GPOS和GNEG所加电压之差，单位是V。

另外，选用了ADI公司的对数放大器AD8307，用于幅度检测。它仅有8引脚封装，非常稳定，且易于使用，无需大量外部器件。综合考虑精度、噪声、价格等因素后，选用AD8675作为运算放大器(见图3)。

图3 AD8336的内部结构框图

2.1 可变增益放大器的设计

在RFID系统中，目标物体处于不断移动的状态，因此阅读器接收机所接收到的信号强弱变化范围较大，直接导致了VGA接收到的信号动态范围很宽。在本次RFID系统设计中，VGA接收到的信号功率范围为－75～+15 dBm。对于－75 dBm的信号，VGA增益必须足够大，才不至于使下级的有效输入信号被噪声淹没。因此设置AD8336的外围电路工作于0～59 dB增益范围。图4所示为设计的结构原理图，前置放大器采用同向组态的输入，R2作为反馈电阻，其增益与外围电阻的关系可表示为

式中:GPRA为前置放大器的增益。为了使芯片获得很好的性能，R1一般选100Ω，结合式(3)可求得R2为1.9 kΩ。

图4 自动增益调节电路原理图

2.2 对数放大器的设计

AD8307的输出电压与输人信号的功率成线性的对数关系。在默认情况下，输出电压斜率为25 mV/dB，截点为－84 dBm，公式为

式中:Vout为AD8307的输出电压，单位是mV;P为输入信号功率，单位是dBm。另外，AD8307具有1.1 kΩ的输入电阻，且斜率和截点可通过外部电路在一定范围内进行调节。

如图4所示，AD8336的输出信号首先通过电容C3和C4交流耦合到输入端。AD8307具有非常大的带宽，对于带宽范围内的信号都非常敏感。这些信号可能进入输入端干扰有用信号，因此在输入端并接C5，与1.1 kΩ的输入电阻构成低通滤波器，以消除带外信号对AD8307检测信号的影响。所加V5应满足

根据实际系统中的信号带宽即可确定公式中的C5。AD8307的输出端加运放AD8031作为缓冲器，以降低其输出阻抗，提高驱动能力。在引脚OUT对地接一只滤波电容提高抗噪声能力。

2.3 运算放大器设计

当AD8307检测到最弱信号时，运算放大器将其输出信号转换成VGA取得最大增益所对应的控制电压。而检测到最强信号时，运算放大器将其输出信号转换成VGA取得最小增益所对应的控制电压。设AD8307的输出信号电压和VGA的控制电压分别为Vout和VGAIN，可令

根据前面所述条件，即可计算出公式中的参数α和β。将计算得到的关系式通过运算放大器AD8675来实现。对于AD8675的连接，采用加减法运算电路，如图5所示。设AD8675的输出信号为Vout，VGAIN和输入电压的关系如

由推出的式(6)即可确定所需的外围电阻值。

3 实验设计及仿真

在实际系统方案中，自动增益调节电路的输入信号功率范围为－75～+15 dBm，频率为1 MHz。为了配合自动增益调节电路的下级电路，要求AD8336的增益范围为0～59 dB，所以AD8336输出信号幅值范围为(－16 dBm，15 dBm)。在仿真时，调整自动增益调节电路的下级输入电阻，使得VGA的输出信号经过衰减10 dB后进入到AD8307，从而可得到AD8307的输出电压范围为1.445～2.3 V。根据AD8307输入输出的信号幅值确定式(6)中的参数。当AD8307输出为1.445 V时，增益为最大59 dB。当输出为2.3 V时，增益最小为0 dB。据此计算式(5)中的参数，可得到

ADS(Advanced Design System)是由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件。利用ADS对本文所提出的自动增益调节电路，如图5所示，进行仿真。对电路加一组不同功率水平的信号，进行仿真得到的数据如表l所示，表中的值为信号的峰峰值。

图5 ADS仿真时的自动增益调节电路原理图

表1 自动增益调节电路的仿真数据

由表1中的数据比较可知，基于AD8336的自动增益调节电路的性能和设计的预期基本是一致的，可以达到80 dBm的动态范围。将这个电路应用于RFID阅读器接收机的设计中，由AD8336的输出信号可以推知接收机的信号范围，从而可计算出目标物体的距离，实现定位和跟踪。

4 RFID阅读器接收机设计

基于新型的自动增益调节模块，设计了一款RFID阅读器接收机，如图6所示。在接收通道中，放弃了零中频接收机中惯用的LNA，这主要是考虑到RFID系统的特殊性。当RFID阅读器接收标签返回信号时，同时还在向外发射功率载波，这两个信号将同时出现在阅读器的天线上。如果再经过LNA将会直接导致解调器的饱和，从而影响系统的线性度。应系统要求，采用了限幅器(Limiter)对接收到的信号进行处理，限制进入接收通道模块接收信号的功率水平。电路中采用I/Q两路的结构，有效地消除接收盲点，并对可变增益放大器的输出I/Q信号做运算，采集幅度信息以更加准确地自动调整可变增益放大器的增益。

图6 RFID接收机中的自动增益调节模块

根据前面对自动增益调节模块的分析可知，由输入基带ADC的信号即可得知接收机天线端的功率水平，从而对贴有标签的目标物体进行定位，实现对目标物体的跟踪。经过分析及计算，该RFID阅读器接收机的灵敏度可达－86.2 dBm。

5 小结

本文提出了一种适用于RFID阅读器的新型自动增益调节电路。该电路能够根据接收信号的强弱自动地调节可变增益放大器的增益，从而对大动态范围的信号进行调整。在此基础上，设计了一款结构简单的超高频RFID阅读器接收机，输入动态范围高达80 dB，自动增益调节范围为0～59 dB，能够方便地实现对处于复杂电磁、地质环境下目标物体的跟踪。

［1］李涛，姚启涛，杨燕翔.基于AD8367的大动态范围AGC系统设计［J］.电子设计工程，2010(1):55－57.

［2］汤滟.高性能可变增益放大器(VGA)设计探讨［J］.山西电子技术，2010(4):87－88.

［3］曹鹏，费元春.大动态宽带数字中频AGC系统的实现［J］.北京理工大学学报，2003，23(5):613－616.

［4］Analog Device Inc.AD8336 datasheet［EB/OL］.［2011－ 05－06］.http://www.analog.com，2006－07/2011－04.

［5］CHEN Y，ZHANG F H.A system design for UHF RFID reader［C］//Proc.11th IEEE International Conference on Communication Technology.Hangzhou:IEEE Press，2008:301－304.

［6］曹念伟，黄成军，郭灿新，等.基于AD8337的自动增益调节电路的设计［J］.微计算机信息，2008(35):270－271.

［7］Analog Device Inc.AD8307 datasheet［EB/OL］.［2011－05－04］.http://www.google.com.hk/url?sa=t＆source=web＆cd=1＆ved=0CBwQFjAA＆url=http%3A%2F%2Fwww.analog.com%2Fstatic%2Fimported － files%2Fdata_sheets%2FAD8307.pdf＆rct=j＆q=AD8307%20datasheet＆ei=CXFpTrSjPMuXiAfq1bXmBA＆usg=AFQjCNHLkdYsU66i0SxtNwJAtp1－mXCALg＆cad=rjt.

［8］Analog Device Inc.AD8336 datasheet［EB/OL］. ［2011－05－04］.http://www.google.com.hk/url?sa=t＆source=web＆cd=3＆ved=0CDgQFjAC＆url=http%3A%2F%2Fwww.analog.com%2Fstatic%2Fimported － files%2Fdata_sheets%2FAD8336.pdf＆rct=j＆q=AD8336%20datasheet＆ei=73FpTrOuDc2diAfNiN3DBA＆usg=AFQjCNG－Vax9rEhaGqnp_Ulb2kaWfBxK2g＆cad=rjt.

［9］刘树棠，朱茂林，荣玫.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，2004.