RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó)，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國(guó)內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

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5.2.4 ImpinjIndy閱讀器芯片詳解

Impinj的Indy系列閱讀器芯片在全球市場(chǎng)占有統(tǒng)治地位。在采用專用集成芯片方案的全球中端閱讀器市場(chǎng)中，幾乎100%采用Indy系列芯片。ImpinjIndy閱讀器芯片的前身是Intel公司開發(fā)的閱讀器芯片Intel R1000，后Intel將該業(yè)務(wù)板塊賣給了Impinj，改名為IndyR1000。R1000芯片是最早的超高頻RFID閱讀器集成芯片。Impinj后續(xù)在R1000的技術(shù)上又開發(fā)了帶有載波消除功能的高性能閱讀器芯片R2000，從此確定了Indy系列在閱讀器芯片市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

01、Indy閱讀器芯片系列

至今ImpinjIndy共發(fā)布3款閱讀器芯片分別是R1000、R2000和R500，其中R1000的發(fā)布時(shí)間為2008年，R2000和R500發(fā)布時(shí)間為2010年。這三款閱讀器芯片均采用0.18um SiGe BiCOMS工藝，如圖5-31所示為R2000的硅芯片圖。

圖5-31R2000的硅芯片圖

其中SiGe為硅鍺材料，其特點(diǎn)為：高頻特性良好，材料安全性佳，導(dǎo)熱性好，而且制程成熟、整合度高，成本較低。

其中BiCOMS工藝的特點(diǎn)為：CMOS工藝和BiPolar工藝是兩種主要的硅集成電路工藝，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)。CMOS器件有集成度高、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。BiPolar器件有截止頻率高、驅(qū)動(dòng)能力大、速度快、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。它們的優(yōu)缺點(diǎn)正好互相補(bǔ)充，將它們集成到同一芯片上形成BiCMOS工藝，制得的器件性能定將超出單一工藝。由于Indy閱讀器芯片中具有數(shù)字協(xié)議及處理部分，又需要射頻高性能，因此采用SiGe材料和BiCOMS工藝的組合最合適，而0.18um工藝具有很好的性價(jià)比，因此Impinj采用此選擇。

作為全球最早出現(xiàn)的閱讀器芯片，Indy系列芯片具有如下優(yōu)點(diǎn)：

集成度高

集成了大約90%的射頻器件；

極大降低了成本；

可以作為RFIDModem；

適合于嵌入式應(yīng)用。

靈活性強(qiáng)

支持多種的閱讀器設(shè)計(jì)模型；

尺寸?。≧500和R2000芯片9mmx 9mm；R1000芯片8mm x 8mm）；

相對(duì)于分立設(shè)計(jì)功耗較小。

支持行業(yè)主要標(biāo)準(zhǔn)

ISO 18000-6B，ISO18000-6C，ISO 18000-6D（IPICO）；

EPCglobal Class 1 Gen-2。

支持全球頻段

840MHz – 960MHz；

符合SRRC、FCC，ETSI規(guī)范要求。

如表5-1所示為Indy系列三款芯片的差異參數(shù)表：

表5-1Indy系列芯片對(duì)比

通過表5-1可以看出，在不同的情況下，閱讀器的靈敏度是不同的，其中R2000芯片具有最好的載波消除特性，可以在10dBm載波泄漏的環(huán)境下依然保持很高的靈敏度。而R1000的芯片隨著載波泄漏信號(hào)的增加靈敏度下降的厲害。R500芯片定義為中低端芯片，因此其靈敏度被鎖死在-68dBm，但這并非壞事，對(duì)于近距離的讀寫器，其穩(wěn)定性優(yōu)于R1000和R2000。R500和R2000芯片是在R1000芯片基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，因此鎖相環(huán)的相位噪聲有所提高，由于增加了載波抵消等功能，其管腳數(shù)量有所增加，因此采用略大的封裝。

02、Indy芯片架構(gòu)

（1）R1000

如圖5-32所示為R1000芯片的框圖，該芯片包含射頻前端模塊和數(shù)字模塊，其中接收機(jī)采用零中頻的一次變頻方案。與傳統(tǒng)的零中頻接收機(jī)不同點(diǎn)在于鎖相環(huán)PLL通過發(fā)射電路給接收電路的混頻器提供本振信號(hào)，而非鎖相環(huán)分別給發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供本振信號(hào)，這是由于超高頻RFID閱讀器RX信號(hào)的載波是由自身發(fā)出的。

圖5-32Indy R1000芯片框圖

標(biāo)簽反向散射的信號(hào)通過天線到達(dá)R1000接收機(jī)入口RX，然后通過低噪聲放大器（LNA），將微弱的信號(hào)放大，再通過功分器，分為I/Q兩路信號(hào)，并與本振信號(hào)相乘完成下變頻。此時(shí)的信號(hào)具有很強(qiáng)的直流偏移，因此需要通過一個(gè)大電容的AC耦合，濾掉直流偏移影響。此時(shí)的標(biāo)簽有效信號(hào)已經(jīng)變成了中頻信號(hào)，再通過中頻低噪放（IF LNA）和中頻濾波器（IFFilter）。此時(shí)的信號(hào)具有較好的信噪比和解調(diào)性能，再通過一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎淠康氖钦{(diào)制信號(hào)幅度保證ADC采樣精度。最終模擬基帶處理好的信號(hào)通過sigma delta ADC變?yōu)閿?shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

當(dāng)閱讀器需要發(fā)送命令時(shí)，波形發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生需要的波形數(shù)字文件，再通過sigma delta DAC轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，經(jīng)過濾波后與本振相乘，完成上變頻，成為超高頻段的調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)過功率放大器輸出芯片。

芯片的數(shù)字模塊具有許多功能，包括數(shù)字信號(hào)處理，數(shù)字調(diào)制解調(diào)功能，以及數(shù)字接口管理和芯片電源管理等。

（2）R2000

如圖5-33為IndyR2000的芯片框圖，其設(shè)計(jì)框架與R1000芯片基本相同。對(duì)比R1000芯片，其增加了載波抵消模塊，大大提高了載波泄漏時(shí)的靈敏度。同時(shí)，還改善了DRM濾波器，支持2階和高階片外濾波器，從而實(shí)現(xiàn)更好的濾波效果。另外很重要的一點(diǎn)是R2000芯片大幅提升了鎖相環(huán)PLL的相位噪聲，不僅對(duì)靈敏度有改善，還對(duì)符合全球無線電規(guī)范的產(chǎn)品開發(fā)有幫助。

圖5-33Indy R2000芯片框圖

R500芯片其實(shí)就是R2000芯片的簡(jiǎn)化版，其基本參數(shù)完全相同，晶圓也是同一顆，只是在封裝測(cè)試時(shí)在固件中鎖死載波抵消功能，并在芯片封裝時(shí)去掉與載波消除相關(guān)的Pin腳的連接。

03、IndyR2000載波抵消

在5.2.2節(jié)中，已經(jīng)介紹了載波泄露消除技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，此處針對(duì)R2000芯片的載波抵消電路展開剖析。如圖5-34所示，為R2000芯片內(nèi)部載波抵消電路示意圖。載波抵消電路是在芯片內(nèi)的一個(gè)信號(hào)相加的電路，通過產(chǎn)生反向的載波，與接收端的泄漏載波相互抵消，從而抑制載波泄漏的大小。該電路實(shí)現(xiàn)方式為：

通過抽樣耦合器從芯片的發(fā)射端引出一路參考信號(hào)。

將參考信號(hào)通過一個(gè)無源、低噪聲的90°多相位濾波器，輸出為四路信號(hào)：+I、-I、+Q、-Q。

通過調(diào)整這四路的I/Q信號(hào)的大小，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)與接收機(jī)泄漏載波大小相同、相位相差180°的信號(hào)。通過兩個(gè)信號(hào)相加后（載波抵消后）的信號(hào)強(qiáng)度判斷是否達(dá)到載波消除的預(yù)期。

理論上，這個(gè)抵消信號(hào)具有與接收到的泄漏載波相同的相位噪聲，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)抵消時(shí)，系統(tǒng)的噪聲（發(fā)射機(jī)自帶再生）也會(huì)相互抵消，因而有效信號(hào)的信噪比也會(huì)有所提升。

圖5-34R2000芯片內(nèi)部載波抵消電路

該電路存在一些缺陷：

由于抵消信號(hào)是從發(fā)射電路中耦合出來的，其信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)特別大，因此對(duì)于很大的載波泄漏信號(hào)無法進(jìn)行有效的載波消除。

調(diào)整四路I/Q信號(hào)大小產(chǎn)生抵消信號(hào)的過程需要經(jīng)過多次嘗試，嘗試的次數(shù)越多抵消效果越好，但是消耗的時(shí)間越長(zhǎng)，需要在載波消除效果和掃描時(shí)間中尋找折衷點(diǎn)。

四路I/Q信號(hào)的精度是有限的，精度越高可以產(chǎn)生相位與幅度更匹配的抵消信號(hào)，但其精度與成本及掃描時(shí)間相關(guān)，因此也需要尋找折衷點(diǎn)。

在上述討論中，I/Q信號(hào)的精度、載波抵消的響應(yīng)時(shí)間等問題都需要折衷考慮，經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)需求的理解，Impinj給出了一套快速尋找抵消信號(hào)的算法。R2000芯片將輸出四路信號(hào)：+I、-I、+Q、-Q做4比特量化，每個(gè)信號(hào)的大小為0到15，因此整個(gè)復(fù)頻域空間共有31×31=961個(gè)點(diǎn)。只要在這961個(gè)點(diǎn)中嘗試，可以找到相對(duì)最合適的抵消信號(hào)，此參數(shù)的選擇是經(jīng)過折衷考慮的結(jié)果。

為了提高尋找效率，R2000給出了一套快速尋找匹配點(diǎn)的算法，如圖5-35所示，首先在復(fù)平面內(nèi)粗略掃描一遍，寄存器會(huì)記錄下每個(gè)掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加法器后的功率計(jì)度數(shù)。粗略掃描結(jié)束后從寄存器中找到度數(shù)最小的點(diǎn)，并記錄下來。下一輪掃描為詳細(xì)掃描，將圍繞剛剛記錄下的點(diǎn)周圍3×3的格子進(jìn)行掃描（矩陣掃描），同時(shí)記錄在寄存器中，尋找新的度數(shù)最小點(diǎn)。如果新的度數(shù)最小點(diǎn)不是上一個(gè)度數(shù)最小點(diǎn)，則進(jìn)行下一輪詳細(xì)掃描，繼續(xù)對(duì)周圍3×3的格子中未掃描的點(diǎn)進(jìn)行掃描，直到無法找到新的最小點(diǎn)，結(jié)束掃描。通過上述算法不必對(duì)整個(gè)星座圖遍歷一遍，可以大大提升效率。當(dāng)然讀者們也可以通過自己的算法減小掃描時(shí)間。

圖5-35復(fù)頻域快速匹配點(diǎn)的算法

當(dāng)R2000采用3M/s的數(shù)據(jù)采樣頻率實(shí)現(xiàn)SJC校準(zhǔn)，且針對(duì)每個(gè)點(diǎn)的采樣次數(shù)為16和8個(gè)樣本，采樣時(shí)間為5.3us和2.6us。執(zhí)行一次粗略全掃描共需要49次，因此需要392us。一個(gè)3×3矩陣掃描時(shí)間為72us。為了獲得更好的載波抵消效果，最好重復(fù)多次尋找合適的匹配點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，每次閱讀器發(fā)出命令之前，都會(huì)先啟動(dòng)SJC電路完成載波消除。

04、Indy芯片使用架構(gòu)和開發(fā)

如圖5-36所示為Indy芯片的使用架構(gòu)圖，圖中閱讀器模塊由Indy閱讀器芯片、ARM7處理器（MCU）、功率放大器和隔離器件組成。其中ARM7處理器中下載了Indy芯片的固件，包括Gen2協(xié)議，射頻控制和接口等，通過調(diào)用Indy芯片的寄存器控制上述功能。主機(jī)通USB或串口與MCU相連，通過API控制閱讀器模塊工作。

圖5-36Indy芯片的使用架構(gòu)圖

如圖5-37所示為Indy芯片的固件架構(gòu)圖，該程序代碼在ARM7芯片中，其中包括：

控制相關(guān)內(nèi)容（Flash、GPIOs、定時(shí)器、串口、Debug）；

狀態(tài)機(jī)管理；

Indy寄存器接口（SSP）其中包換Gen2協(xié)議和射頻控制模塊；

固件升級(jí)模塊；

主機(jī)寄存器和命令邏輯。

圖5-37Indy芯片的固件架構(gòu)圖

ARM7固件內(nèi)部Flash分三塊，分別是：

Bootloader，提供系統(tǒng)的恢復(fù)和升級(jí)機(jī)制。

MAC固件，管理Modem控制器和主機(jī)接口寄存器。

OEM配置，靜態(tài)設(shè)置寄存器，包括區(qū)域設(shè)置、主機(jī)接口設(shè)置、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和板級(jí)診斷選項(xiàng)。