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射頻(RF)是Radio Frequency的縮寫,表示可以輻射到空間的電磁頻率,頻率範圍從300KHz~30GHz之間。射頻簡稱RF射頻就是射頻電流,它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小於1000次的交流電稱為低頻電流,大於10000次的稱為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。

1 射頻 -簡介

射頻射頻

射頻簡稱RF射頻就是射頻電流,它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小於1000次的交流電稱為低頻電流,大於10000次的稱為高頻電流,而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統就是採用射頻傳輸方式的。

在電子學理論中,電流流過導體,導體周圍會形成磁場;交變電流通過導體,導體周圍會形成交變的電磁場,稱為電磁波。  

在電磁波頻率低於100khz時,電磁波會被地表吸收,不能形成有效的傳輸,但電磁波頻率高於100khz時,電磁波可以在空氣中傳播,並經大氣層外緣的電離層反射,形成遠距離傳輸能力,把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻,英文縮寫:RF   

將電信息源(模擬或數字的)用高頻電流進行調製(調幅或調頻),形成射頻信號,經過天線發射到空中;遠距離將射頻信號接收後進行反調製,還原成電信息源,這一過程稱為無線傳輸。  

無線傳輸發展了近二百年,形成了大量的用戶和產品群,但是,由於氣候的變化和地表障礙物的影響,不能傳輸完美的信息。

近代人類發明了廉價的高頻傳輸線纜(射頻線),為了追求完美的信息傳輸質量,兼顧原有的無線設備,無線方式有線傳輸開始流行。產生了射頻傳輸這一概念。  

如果你的信息源經過二次調製,用線纜傳輸到對端,對端用反調製將信息源還原后再應用,不管頻率多低,也是射頻傳輸方式,如果沒有調製反調製過程,只是將信息源用線纜傳送到對端直接使用,不管頻率有多高,都是一般的有線傳輸方式。

2 射頻 -術語知識

射頻射頻原理

1、功率/電平(dBm):放大器的輸出能力,一般單位為w、mw、dBm
註:dBm是取1mw作基準值,以分貝表示的絕對功率電平。換算公式:
電平(dBm)=10lgw 
5W → 10lg5000=37dBm
10W → 10lg10000=40dBm
20W → 10lg20000=43dBm
從上不難看出,功率每增加一倍,電平值增加3dBm

2、增益(dB):即放大倍數,單位可表示為分貝(dB)。 
即:dB=10lgA(A為功率放大倍數)

3、插損:當某一器件或部件接入傳輸電路后所增加的衰減,單位用dB表示。

4、選擇性:衡量工作頻帶內的增益及帶外輻射的抑制能力。-3dB帶寬即增益下降3dB時的帶寬,-40dB、-60dB同理。

5、駐波比(回波損耗):行駐波狀態時,波腹電壓與波節電壓之比(VSWR)
附:駐波比——回波損耗對照表:
SWR 1.2 1.25 1.30 1.35 1.40 1.50
回波損耗(dB) 21 19 17.6 16.6 15.6 14.0

6、三階交調:若存在兩個正弦信號ω1和ω2 由於非線性作用將產生許多互調分量,其中的2ω1-ω2和2ω2-ω1兩個頻率分量稱為三階交調分量,其功率P3和信號ω1或ω2的功率之比稱三階交調係數M3。
即M3 =10lg P3/P1 (dBc) 

7、雜訊係數:一般定義為輸出信噪比與輸入信噪比的比值,實際使用中化為分貝來計算。單位用dB。

8、耦合度:耦合埠與輸入埠的功率比, 單位用dB。

9、隔離度:本振或信號泄露到其他埠的功率與原有功率之比,單位dB。

10、天線增益(dB):指天線將發射功率往某一指定方向集中輻射的能力。一般把天線的最大輻射方向上的場強E與理想各向同性天線均勻輻射場場強E0相比,以功率密度增加的倍數定義為增益。Ga=E2/ E02

11、天線方向圖:是天線輻射出的電磁波在自由空間存在的範圍。方向圖寬度一般是指主瓣寬度即從最大值下降一半時兩點所張的夾角。
E面方向圖指與電場平行的平面內輻射方向圖;
H面方向圖指與磁場平行的平面內輻射方向圖。
一般是方向圖越寬,增益越低;方向圖越窄,增益越高。

12、天線前後比:指最大正向增益與最大反向增益之比,用分貝表示。 

13、單工:亦稱單頻單工制,即收發使用同一頻率,由於接收和發送使用同一個頻率,所以收發不能同時進行,稱為單工。

14、雙工:亦稱異頻雙工制,即收發使用兩個不同頻率,任何一方在發話的同時都能收到對方的講話。單工、雙工都屬於移動通信的工作方式。

15、放大器:(amplifier)用以實現信號放大的電路。

16、濾波器:(filter)通過有用頻率信號抑制無用頻率信號的部件或設備

17、衰減器:(attenuator) 在相當寬的頻段範圍內一種相移為零、其衰減和特性阻抗均為與頻率無關的常數的、由電阻元件組成的四端網路,其主要用途是調整電路中信號大小、改善阻抗匹配。 
功分器:進行功率分配的器件。有二、三、四….功分器;接頭類型分N頭(50Ω)、SMA頭(50Ω)、和F頭(75Ω)三種,我們公司常用的是N頭和SMA頭。

18、耦合器:從主幹通道中提取出部分信號的器件。按耦合度大小分為5、10、15、20…. dB不同規格;從基站提取信號可用大功率耦合器(300W),其耦合度可從30~65dB中選用;耦合器的接頭多採用N頭。

19、負 載:終端在某一電路(如放大器)或電器輸出埠,接收電功率的元/器件、部件或裝置統稱為負載。對負載最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。

20、環形器:使信號單方向傳輸的器件。

21、轉接頭:把不同類型的傳輸線連接在一起的裝置。

22、饋 線:是傳輸高頻電流的傳輸線。

23、天 線:(antenna)是將高頻電流或波導形式的能量變換成電磁波並向規定方向發射出去或把來自一定方向的電磁波還原為高頻電流。

3 射頻 -通信體系結構

射頻射頻結構

一般來說,射頻系統具有非常強大的傳輸調製信號的功能,即使在有干擾信號和阻斷信號[z2] 的情況下,該系統也可以做到以最高的質量發送並且以最好的靈敏度接收調製信號。阻斷信號主要有兩種:帶內阻斷信號和帶外阻斷信號。帶外阻斷信號是指分佈在信號頻譜之外的無關信號,例如由其它無線傳輸技術產生的數據信號。帶內阻斷信號則分佈在我們感興趣的信號頻譜之內,例如由相同的無線傳輸技術在其它終端產生的數據信號。對於無線通信而言,要成功地實現射頻接收功能,必須要過濾掉這兩種阻斷信號。   

在整個射頻通信中,主要包含以下幾種頻率:傳輸頻率、接收頻率、中頻和基帶頻率。基帶頻率是用來調製數據的信號頻率。而真正的傳輸頻率則比基帶頻率高很多,一般的頻譜範圍是500MHz到38GHz,數據信號也是在此高頻下進行傳輸的。

中頻多被用來作為傳輸/接受頻率和基帶頻率的過渡,而這種傳輸方式正是超外差結構的基礎。一般而言,帶外阻斷信號可以被天線自帶的濾波器過濾掉。而中頻的存在使我們有機會在信號被混合到基帶頻率並做數字處理之前將帶內阻斷信號濾除。另一方面,在發送端,中頻常被用來濾除所有從基帶轉換到中頻這個過程中可能產生的偽數據和雜訊。

採用超外差結構的另外一種實現方法是利用中頻採樣來減少信號鏈上的器件個數。這種方法選擇在中頻對信號進行採樣,而不是在採樣前先將信號混合到基帶。在第一種超外差結構中,從中頻到基帶的轉換過程需要以下器件:本機鎖相環、智能解調器(混頻器)和雙向ADC(模擬-數字轉換器)。如果選擇在中頻進行採樣,那這三個器件可以用一個高性能的ADC來代替。這不僅可以降低信號鏈的複雜程度,還可以提高信號解調的質量。

但是,如果在下行基帶轉換器里應用高質量智能解調器,也能得到非常好的通信效果。如果能使本機鎖相環和射頻器件的漏電足夠小,基帶的直流失調便可最小化。現在,許多智能解調器都使用了直流失調補償環路來進一步減小甚至最終消除直流失調。除此之外,解調器的相位分離功能可以做到非常準確的90度的相位分離,這將確保信號解調時,誤差向量的值不會變壞或者只是變壞一點。最後,如果我們在使用智能解調器的同時,使用一個具有低相位雜訊的鎖相環,將會確保基帶輸出信號的低雜訊,並且因此獲得一個好的位錯誤率(BER)。       

因為ADC要在越來越高的頻率下工作,所以中頻採樣結構的功耗變得比第一種超外差結構越來越高,並因此而越來越昂貴,這是中頻採樣結構的最主要的缺點。由於這個原因,基於中頻採樣的射頻結構往往更適合那些在相對低頻或者中頻的應用,畢竟這些頻段對成本的影響不大。不過隨著科技的發展,尤其是CMOS工藝的引進,使得集成高性能的器件和電路的價格越來越低,在不遠的將來,中頻採樣結構將不再是一種昂貴的選擇。    

在射頻通信中應用的第三種結構是直接轉換結構(見圖3)。由於直接轉換結構直接將基帶信號和射頻信號在同一進程中混合在一起,這使得該結構的信號鏈路最為簡單,它所需要的元器件最少。與其它兩種結構不同的是,它將不需要中頻處理和聲表面波(SAW)濾波器。正是由於聲表面波濾波器在過去的年代比現在昂貴很多,才導致了直接轉換結構的誕生。

直接轉換結構的主要優點是:價格便宜、小型化、低功耗,並且沒有中頻轉換相關器件。這些優點使得這種結構非常適合在低功耗、攜帶型終端的應用。儘管如此,一些高性能器件的使用為直接轉換結構應用在高端市場打開了方便之門。事實上,正是這些高性能器件的使用,使得直接轉換結構受到越來越多的關注。    

由於在直接轉換結構中沒有中頻處理單元,帶內阻斷信號的功率將直接傳遞到混頻器和模數轉換器(如果信號鏈路上含有模數轉換器)。低雜訊的混頻器將確保弱信號不會被雜訊和阻斷信號所淹沒。另外,由於混頻器具有高的輸出擺幅和低的失真,阻斷信號既不會過驅動整個系統也不會調製到我們需要的載波信號上。

對於基帶超外差接收器,如果在本機鎖相環和射頻輸入之間存在泄漏通路,就一定會產生直流失調。對於和全球移動通信系統類似的支持跳頻的一些射頻應用來說,頻率的跳變將導致本機鎖相環路漏電的改變,並最終導致整個系統的直流失調的跳變。如果要糾正它,必須在系統中引入一個直流失調的補償環路。儘管如此,在那些不需要跳頻的應用中,本機鎖相環的漏電是不變的,因此動態直流失調的補償意義不大。    

在傳輸端,由於不能有效降低帶內雜訊和失真,採用直接轉換結構的射頻發射機必須是由那些動態範圍大的元器件構成。      

在基站的相關應用中,由於面積和頻道密度要被重點考慮,直接轉換結構尤其被看好。因為從基站的角度看,帶內阻斷信號是不存在的(也就是說基站自己將處理帶內阻斷信號),所以,即使直接轉換結構缺乏濾除帶內阻斷信號的功能也是可以接受的。    

當然,選擇何種射頻電路結構應該由市場應用來決定。這些指導設計的因素包括:從設計到產品進入市場的時間、成本、外形、功能指標、靈活性、能否支持多種不同的應用模式等等。如何針對一個確定的應用去選擇合適的射頻結構不在本文的介紹範圍之內。但是可以明確的是,如今一些射頻器件製造商已經可以提供各種針對性的服務以幫助我們設計合適的射頻系統,在整個結構設計的過程中,他們甚至可以提供幾位富有經驗的工程師為我們答疑解惑。    

功耗管理

在整個研發過程中,你對相關技術了解得越多,你就越能優化你的設計。舉例來說,你在設計中使用一個比較昂貴的器件或許可以降低整個系統的成本,換句話說,有的時候在一些器件上多投入幾個美分,就可以充分地延長同樣電池的使用時間。      

另一個要注意的地方是功率檢測器,它將發射機實際產生的發射功率與理論值相比較以判斷是否超出可承受的範圍。由於發射信號的時候發射機必須工作在一定的功率範圍內,再加上實際環境肯定會導致電路功耗發生一定的跳變,功率檢測器的作用就顯得非常重要。當終端的發射功率低於理論範圍時,基站就不會識別此信號,相反,如果終端的發射功率超出了理論範圍,此信號就會掩蓋它相鄰的信號。    

可是,從功耗的角度來看,如果系統的發射功率在理論範圍的高端,將導致相對更多的系統功耗,並最終降低電池的使用壽命,除非系統一定要通過提高發射功率來克服遠近爭用。就一般情況而言,器件的發射功率越接近理論範圍的低端,電池的使用率就越高。如果要儘可能讓器件的發射功率呆在理論範圍的低端,就必須有一個非常靈敏的功率檢測器來保證發射功率不會跌出理論上可接受的功率範圍,因此,在低發射功率(也就是低功耗)與高靈敏度的功率檢測器之間存在一個折中。   

基於對數的功率檢測器可以在非常寬的動態範圍內提供高精度的功率檢測,其測量對象既可以是功率在幾個毫瓦的弱信號,也可以是功率在瓦級的強信號。在類似於無線區域網標準(802.11)或WiMAX無線寬頻標準的一些無線通信標準下,信號均峰值比率的跳變會導致基於對數的功率檢測器的靈敏度下降。舉例來說,當終端從低的數據交換率(比如上載一個純文本信息)轉變到高的數據交換率(比如下載一個新的圖形標識和或者聲音文件)時,數據交換率的動態增長和調製的變化將導致信號均峰值比率的跳變,與此同時,基於對數的功率檢測器將會比正常情況多或少地檢測到發射功率;如果最終檢測的結果過高,就會促使系統自動降低發射功率,一旦實際功率低於理論功率範圍的下限,整個通信將會被迫中斷。         

對於上面這類應用來說,均方根(RMS)功率檢測器更為合適。均方根功率檢測器不僅可以工作在很寬的動態範圍內,還可以在數據交換率跳變的情況下準確地檢測出發射功率。不過,具有同樣寬的動態範圍的均方根功率檢測器比基於對數的功率檢測器要稍微貴一些,因此,在價格和性能上同樣存在一個折中。如果你的應用不需要很高的精度,那麼一個基於對數的功率檢測器或者一個較窄動態範圍的均方根功率檢測器無疑都是你省錢的選擇。

器件尺寸管理

對於攜帶型終端的應用,器件尺寸的大小是設計時要重點考慮的因素。由於許多射頻應用都是在攜帶型產品領域,晶元賣主時常要求許多不同的封裝模式。越小的封 裝常常意味著更加高的性能要求,我們必須注意當封裝尺寸小到一定程度的時候,晶元便會出現意外。由於封裝尺寸越來越小,當晶元工作在發射模式的時候,晶元的散熱將會越來越困難。為了解決這個問題,許多小的封裝常常使用散熱片以減小晶元的熱阻抗。最近有一種新的趨勢是:不再使用原來的封裝模式,而是在晶片上直接進行晶元級的封裝(這樣的晶元也叫倒裝式晶元),它只有一堆管腳和薄薄的一層塑料外殼用以保護晶元。

讓選擇更有餘地

當你決定設計各個功能模塊的時候,一定要認真考慮你的設計最終將應用在哪些射頻領域。舉例來說,你或許需要為你的客戶提供一系列基於本地頻率的射頻通信系統。考慮到設計一個射頻通信系統的複雜程度,最為有利的方法是先搭建一個應用簡單的但是可以做許多適應性改進(比如支持多種頻率)的射頻通信系統。如果用這種方法,你只需要用很少的時間去建立一個可用的射頻通信系統,並且可以騰出更多的時間去應付那些針對特別需求的設計。    

舉個例子,一個範圍在直流到10GHz的功率檢測器可以適用於任何無線標準。如果使用更加精確、更加穩定(例如對溫度穩定)的高質量器件,而相關的應用又不  

需要這麼高的精度和穩定性,這無疑會增加設計的成本。儘可能地使用單個器件或許可以完全抵消其它部分的代價並且略有贏餘。與此同時,還有可能縮短從設計到產品上市的時間。   

如果你要考慮在你的設計中引入射頻技術,你並不需要匆忙地決定一個實現射頻功能的結構。在最終決定系統結構前,必須好好考慮你的賣主的市場應用,並且要考慮到隨著時間的推移,一些新的射頻功能將被要求在你的產品中實現。

4 射頻 -識別技術原理

射頻納米射頻
系統組成

最基本的RFID系統由三部分組成:

1. 標籤(Tag,即射頻卡):由耦合元件及晶元組成,標籤含有內置天線,用於和射頻天線間進行通信。

2. 閱讀器:讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標籤信息的設備。

3. 天線:在標籤和讀取器間傳遞射頻信號。

有些系統還通過閱讀器的RS232或RS485介面與外部計算機(上位機主系統)連接,進行數據交換。

工作原理

系統的基本工作流程是:閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號,當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流,射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發送天線發送出去;系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號,經天線調節器傳送到閱讀器,閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然後送到後台主系統進行相關處理;主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性,針對不同的設定做出相應的處理和控制,發出指令信號控制執行機構動作。

在耦合方式(電感-電磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數據傳輸方法(負載調製、反向散射、高次諧波)以及頻率範圍等方面,不同的非接觸傳輸方法有根本的區別,但所有的閱讀器在功能原理上,以及由此決定的設計構造上都很相似,所有閱讀器均可簡化為高頻介面和控制單元兩個基本模塊。高頻介面包含發送器和接收器,其功能包括:產生高頻發射功率以啟動射頻卡並提供能量;對發射信號進行調製,用於將數據傳送給射頻卡;接收並解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統的高頻介面設計具有一些差異,電感耦合系統的高頻介面原理圖如圖1所示。

閱讀器的控制單元的功能包括:與應用系統軟體進行通信,並執行應用系統軟體發來的命令;控制與射頻卡的通信過程(主-從原則);信號的編解碼。對一些特殊的系統還有執行反碰撞演算法,對射頻卡與閱讀器間要傳送的數據進行加密和解密,以及進行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能。

射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。長距離射頻識別系統的價格還很貴,因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的RF輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度,以及射頻卡本身獲得的能量及發送信息的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的,寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。

射頻卡的標準和分類

生產RFID產品的很多公司都採用自己的標準,國際上還沒有統一的標準。目前,可供射頻卡使用的幾種標準有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18OOO。應用最多的是ISO14443和ISO15693,這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號介面、初始化和反碰撞以及傳輸協議四部分組成。

按照不同得方式,射頻卡有以下幾種分類:

1. 按供電方式分為有源卡和無源卡。有源是指卡內有電池提供電源,其作用距離較遠,但壽命有限、體積較大、成本高,且不適合在惡劣環境下工作;無源卡內無電池,它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電,其作用距離相對有源卡短,但壽命長且對工作環境要求不高。

2. 按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種,中頻射頻卡頻率主要為13.56MHz,高頻射頻卡主要為433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低頻系統主要用於短距離、低成本的應用中,如多數的門禁控制、校園卡、動物監管、貨物跟蹤等。中頻系統用於門禁控制和需傳送大量數據的應用系統;高頻系統應用於需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合,其天線波束方向較窄且價格較高,在火車監控、高速公路收費等系統中應用。

3. 按調製方式的不同可分為主動式和被動式。主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發送數據給讀寫器;被動式射頻卡使用調製散射方式發射數據,它必須利用讀寫器的載波來調製自己的信號,該類技術適合用在門禁或交通應用中,因為讀寫器可以確保只激活一定範圍之內的射頻卡。在有障礙物的情況下,用調製散射方式,讀寫器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的射頻卡發射的信號僅穿過障礙物一次,因此主動方式工作的射頻卡主要用於有障礙物的應用中,距離更遠(可達30米)。

4. 按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小於1厘米)、近耦合卡(作用距離小於15厘米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠距離卡(作用距離從1米到10米,甚至更遠)。

5. 按晶元分為只讀卡、讀寫卡和CPU卡。

射頻系統

  一套完整的RFID系統, 是由閱讀器(Reader)與電子標籤(TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟體系統三個部份所組成,其工作原理是Reader發射一特定頻率的無線電波能量給Transponder,用以驅動Transponder電路將內部的數據送出,此時 Reader便依序接收解讀數據, 送給應用程序做相應的處理。
  以RFID 卡片閱讀器及電子標籤之間的通訊及能量感應方式來看大致上可以分成:感應耦合(Inductive Coupling) 及後向散射耦合(BackscatterCoupling)兩種。一般低頻的RFID大都採用第一種式,而較高頻大多採用第二種方式。
  閱讀器根據使用的結構和技術不同可以是讀或讀/寫裝置,是RFID系統信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發模塊、控制模塊和介面單元組成。閱讀器和應答器之間一般採用半雙工通信方式進行信息交換,同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。在實際應用中,可進一步通過Ethernet或WLAN等實現對物體識別信息的採集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是RFID系統的信息載體,目前應答器大多是由耦合原件(線圈、微帶天線等)和微晶元組成無源單元。 

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