声表面波射频识别系统的FMCW信号源设计

郭佳佳, 陈智军,蔡达轩,贾 浩, 徐海林, 李亚飞

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106；2.中电科技德清华莹电子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

基于声表面波(SAW)技术的射频识别(RFID)系统是一种新型的RFID系统，因其具有无源，集RFID与无线传感一体化功能等优点而成为研究热点[1]。SAW RFID系统由标签和阅读器构成，按照识别标签的不同原理和方法，可将阅读器分为时域采样和频域采样两种类型[2]。与时域采样阅读器相比，频域采样阅读器成本较低，且可达到更远的识别距离。频域采样阅读器通常发射频率调制连续波(FMCW)作为射频查询信号，但目前通过直接数字频率合成器(DDS)产生低频扫频信号，再通过锁相环(PLL)倍频获得的超高频FMCW信号[3]存在线性度差,稳定性低,扫频速度慢等问题，制约了SAW RFID系统的进一步发展和大规模应用。本文采用DDS与PLL混频,并结合IQ调制的方式设计920 MHz频段的超高频FMCW信号源，实际搭建了信号源电路，制作了相应的PCB板，并通过信号源测试与标签测试表明了设计方案的有效性。

1 SAW RFID原理

SAW标签基于压电效应工作，由压电基底、叉指换能器(IDT)、反射栅及标签天线构成，通过反射栅的数量和位置实现编码功能[4]。SAW RFID系统的工作过程如图1所示。阅读器发射的查询信号经标签天线接收进入IDT，通过逆压电效应转换为SAW；SAW在沿压电基底传播的过程中遇到反射栅发生部分反射和透射；各反射栅的反射回波信号由IDT经正压电效应转换为电信号，再经过标签天线传播回阅读器；最后通过对回波信号进行分析和处理以实现对SAW标签的解码[5]。

图1 SAW REID系统

图2 频域采样阅读器的回波信号模型

2 信号源设计方案

目前FMCW信号源的设计通常有以下两种方案：

1) 通过DDS直接产生FMCW[7](见图3(a))。DDS具有变频速度快，频率分辨率高，数字调制能力强的特点，但当前能直接产生915～925 MHz的DDS芯片较少，且价格贵，信号杂散较多。

2) DDS产生低频段的扫频信号并接入PLL的输入端，通过PLL倍频的方式产生超高频FMCW[3]，如图3(b)所示。PLL可以输出非常高的频率，且信号频谱质量高，但当频率改变时需要锁定过程，从而导致该方法产生的FMCW信号不仅线性度不够理想，且变频速度慢。

图3 常见FMCW信号源方案

本文采用DDS与PLL以混频的方式产生FMCW信号[8]，其整体结构如图4所示。该方案将上述两种常见的频率合成方案通过混频器结合，既能很好地利用这两种频率合成方法的优点，又能有效地避开各自的缺点，在实现高频、高质量FMCW信号输出的同时，避免了因PLL不停地重新锁定而导致频率转换时间过长等问题。

图4 DDS与PLL混频产生FMCW信号源方案

设DDS产生的扫频信号为

D(t)=cosωdt

(1)

式中ωd为扫频信号角频率。

PLL产生的高频本振(LO)信号为

P(t)=cosωpt

(2)

式中ωp为本振信号角频率。

两路信号经过混频器输出的信号为

cos(ωp+ωd)t]

(3)

由式(3)可知，经过混频器后输出信号包含差频项与和频项，需要经过滤波器滤除其中一项以获得所需输出。本文对上述混频方案进一步改进,采用IQ调制方式进行上混频，原理如图5所示。

图5 IQ调制原理

设I、Q两路DDS扫频信号分别为

DI(t)=cosωdt

(4)

DQ(t)=sinωdt

(5)

本振信号经过90°功分器后可表示为

Pa(t)=cosωpt

(6)

Pb(t)=sinωpt

(7)

I、Q两路扫频信号分别与两路本振信号混频得

cos(ωp+ωd)t]

(8)

cos(ωp+ωd)t]

(9)

再经过加法器可得

S(t)=SI(t)+SQ(t)=cos(ωp-ωd)t

(10)

通过式(4)～(10)的分析可知，利用IQ调制实现上混频，只存在一个边带频率的信号，即IQ调制具有边带抑制能力。采用IQ调制实现上混频的方式，在信号输出端无需滤波器，从而降低了设计的复杂性。

3 信号源实现

根据上述方案，本文选用ADI公司的双通道DDS芯片与IQ调制芯片搭建了FMCW信号源电路，原理如图6所示。首先通过双通道DDS产生扫频为65～75 MHz的I、Q两路扫频信号，并通过PLL产生990 MHz的本振信号，经过90°功分器后，形成两路正交的本振信号。为增强抗干扰能力，DDS输出信号采用差分形式进行传输。由于DDS的输出信号存在高次谐波，需要在DDS芯片与IQ调制芯片之间增加低通滤波器(LPF)，以抑制谐波信号对最终输出FMCW信号的影响。IQ调制芯片最终输出915～925 MHz的FMCW信号。

图6 FMCW信号源电路原理图

双通道DDS芯片内部集成有两个单独工作互不影响的DDS内核，每个DDS内核配有相应的高速DAC，并且两个DDS内核共用同一个参考时钟信号，以保证两个通道的同步。通过调节每个通道的频率控制字、相位控制字和输出比例乘法器，可以单独改变每个通道的输出信号。在500 MHz的参考频率下，DDS芯片输出频率的分辨率可达0.116 Hz，并具有可达纳秒级的高速变频能力，故而适用于SAW频域采样阅读器的快速FMCW信号输出。

由DDS原理可知，DDS芯片经过内置DAC的输出为阶梯形式的信号，如图7所示。

图7 DDS输出信号

由于DDS的输出信号不是平滑的正弦信号，所以，I、Q两路扫频信号输入IQ调制芯片前，需要经过LPF滤除高次谐波。按系统要求，DDS输出频率为65～75 MHz，因此，采用电容和电感搭建截止频率约100 MHz的无源LPF，设计时需要考虑滤波器的带宽、带外衰减等特性指标。使用ADS仿真软件设计LPF，其设计结果如图8所示。

图8 LPF设计结果

确定滤波器结构、参数后进行幅频特性仿真，频率为0～200 MHz，步长为10 kHz，仿真结果如图9所示。由图可知，LPF的截止频率为103 MHz，满足设计要求。

图9 LPF幅频特性仿真曲线

IQ调制芯片提供400～1 250 MHz的射频输出；内部集成的PLL支持小数N分频，提供750～1 150 MHz的本振信号；IQ调制芯片具有宽带差分I、Q两路信号输入。IQ调制芯片集成了PLL、90°功分器、混频器、加法器等，降低了硬件电路的复杂性，使本方案更实用。

图10为实际制作的FMCW信号源PCB板。根据系统要求，设计信号源的扫频为915～925 MHz，步进频率1 kHz，扫频时间1 ms。

图10 FMCW信号源PCB板

4 信号源测试

首先进行单频信号测试。设置DDS芯片产生65 MHz低频信号，IQ调制芯片产生990 MHz高频本振信号，则信号源输出925 MHz高频信号。DDS芯片的I、Q两路信号均以差分形式传输，使用高频示波器的两个通道同时测试I、Q两路信号中一路差分输出，测试结果如图11(a)所示。由图可看出，两个差分信号的幅值基本相同，相位相反，与预期相符。DDS输出I、Q两路信号的正交特性决定IQ调制芯片抑制镜频信号的能力，故需测量分析其正交特性。使用高频示波器的两个通道同时测试I、Q两路信号，测试结果如图11(b)所示。由图可看出，I路信号比Q路信号超前90°，满足正交要求。图11中信号不够平滑，且信号峰值不严格相等，其原因是PCB板中未引出专门的测试口，直接使用探针测试造成的影响。

图11 DDS输出信号测试

图12为单频信号的频谱测试。图12(a)～(c)分别是使用高频示波器的傅里叶变换功能测试得到的DDS输出信号频谱、高频本振信号频谱、信号源输出信号频谱。为了得到更精确的频域测量结果，使用频谱分析仪对信号源输出信号进行测量，测量结果如图12(d)所示，由图可看出，信号源准确输出925 MHz信号，且信号质量很好，噪声很小。

图12 单频信号的频谱测试

控制DDS输出65～75 MHz的扫频信号，IQ调制芯片产生990 MHz高频本振信号，则信号源输出915～925 MHz的FMCW信号。设置步进频率1 kHz、扫频时间1 ms。使用实时频谱仪对FMCW信号进行测试，测试结果如图13所示。图13(a)中的横轴表示频率，每格4 MHz，各个频率点的颜色深度代表该频率点出现概率的大小，颜色越深则该点出现概率越大。由图13(a)可看出，FMCW信号源输出信号频率为915～925 MHz，在扫频带宽内功率较稳定。虽然在低于915 MHz和高于925 MHz时也存在输出信号，但其衰减快，功率较低，出现的概率也较低。出现上述情况是由于FMCW信号的一个周期结束到下一个扫频周期开始，即频率由925 MHz突变至915 MHz时，信号幅值和频率不连续导致的。根据系统要求，FMCW信号源输出的是线性扫频信号，为了更明确地表征信号的线性度和稳定性等特征，需要测量FMCW信号频率随时间的变化关系。图13(b)为扫频信号的时频图，横轴表示时间，每格400 μs；纵轴表示频率，设置920 MHz为0参考频点。由图13(b)可知，FMCW频率呈周期性变化，从915 MHz线性扫频至925 MHz，扫频时间为1 ms，且具有较好的线性度和稳定性。

图13 扫频信号测试

5 标签测试

为验证本文设计的FMCW信号源用于SAW RFID系统的有效性，将FMCW信号源接入研究室已有频域采样阅读器[9]的部分接收链路，结合测试仪器对SAW标签进行测试。测试系统原理框图如图14所示，利用双向耦合器实现FMCW信号发射和标签回波信号接收的全双工工作，耦合器的两个耦合端分别作为本振LO信号和回波RF信号进入混频器以输出基带信号，通过高频示波器对经过放大、滤波后的基带信号进行测试分析。

图14 测试系统框图

图15(a)为SAW标签设计方案，图15(b)为经过制作、封装后焊接在测试板上的标签实物，测试板上的射频头便于与双向耦合器连接。SAW标签设计为双通道结构以提高回波幅值和回波一致性[10]。采用脉冲位置编码方案[11]，起始反射栅和截止反射栅作为参考，二者之间的6个数据区作为编码，每个数据区有4个时隙，即反射栅可能出现的位置。以图15(b)所示的标签为例，其编码为“2-1-3-0-2-1”。

图15 SAW标签

图16 标签测试结果

6 结束语

本文设计了SAW射频识别系统频域采样阅读器的FMCW信号源。首先，鉴于现有扫频方案存在的问题并结合实际系统设计要求，采用DDS与PLL混频的整体方案；然后，进一步采用双通道DDS结合PLL,以IQ调制的方式设计了FMCW信号源，并通过理论分析表明，该方案无需在射频信号输出端增加滤波器。对实际制作的FMCW信号源电路进行了多项测试，并搭建测试系统对SAW标签进行测试，测试结果表明FMCW信号源设计方案的有效性。本文设计的FMCW信号源成本低,变频速度快,扫频线性度好,结构简单，完全可以用于现有的SAW射频识别系统，同时还可用于其他相关系统，具有较大的实用意义。