（微电子学与固体电子学专业论文）rfid锁相时钟恢复电路的设计.pdf

：海大学硕i 二学位论文 摘要 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，即射频识别技术是上个世纪八十年代 兴起的一项非接触自动识别技术，并于九十年代得到了迅速发展，进入了实用 化阶段。由于采用了无线电与雷达技术，r f i d 系统的数据交换是通过电场与磁 场，即无线的方式进行通信，因此可实现多目标识别，运动目标识别，可在更 广泛的场合得到应用。 本文深入研究了工作频率为1 3 5 6m h z 的r f 电子标签芯片内部时钟恢复 电路的体系结构和设计方法，并针对降低功耗、减少面积的目标，设计实现了 一款时钟恢复电路。 论文的主要贡献如下： 1 为了降低电路功耗，在预处理器电路中，采用全差分结构的吉尔伯特乘 法器和l c 谐振网络，用极少的m o s 管，实现了微分、整流、选频功能。 2 在鉴频鉴相器的设计中，采用动态门触发器代替传统触发器，减少了四 个晶体管，降低了功耗，提高了工作速度，并在鉴频鉴相器中增加了延迟单元， 减少了死区范围。 3 针对传统电荷泵电路中存在电荷泄漏和电荷共享现象，设计了一种采用 电流控制技术的新型电荷泵，电路中巧妙地运用了一个简单的正反馈，以加快开 关速度，有效的抑制了电荷泄漏和电荷共享现象。 4 设计采用c h a r t e r e d0 3 5 u mc m o s s e 艺，利用c a d e n c es p e c t r e - i - 具对电 路进行仿真，仿真结果表明：在3 3 v 电源电压下，当输入为1 3 5 6 mb i t sn r z 数据时，输出时钟中心频率为1 3 5 6 mh z ，电路功耗小于4 5 0 u w ，环路锁定时间 小于1 2 5 u s ，符合r f i d 的低功耗要求，并完成了电路的版图设计和d r c ，l v s 验证。 关键词：时钟恢复，射频识别，锁相环，预处理器，电荷泵，环行压控振荡 器 v 上海大学硕。j ：学位论文 a b s t r a c t r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) i san e wn o t o u c h i n ga u t oi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yw h i c ha p p e a r e df i r s ti n19 8 0 s ，d e v e l o p e dr a p i d l yi n19 9 0 s ，a n dh a d b e e n a p p l i e di np e o p l e sd a yl i f e b yu s eo f t h er a d i oa n dr a d a rt e c h n o l o g y , i tt r a n s m i td a t a b ye l e c t r i cf i e l da n dm a g i cf i e l d ，s oi tc a nb ea p p l i e de x t e n s i v e l yi nm u l t i o b j e c ta n d m o v i n g - o b j e c ti d e n t i f i c a t i o n ，a n ds oo n m o s to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h es t r u c t u r ea n dd e s i g n i n go fc l o c k r e c o v e r yc i r c u i ti nt h ea n a l o ge n do ft h e13 5 6 mh zr f i dt a g d e s i g n i n gac d r c i r c u i to nt h eb a s eo fl o w e r i n gt h ep o w e ra n dr e d u c i n gt h ea r e a t h e m a i nc o n t r i b u t i o no ft h et h e s i si ss e e na sf o l l o w s ： i no r d e rt ol o w e rt h ep o w e rd i s s i p a t i o n ，h a v i n gd e s i g n e dt h ep r e p r o c e s s o r w i t hf u l l d i f f e r e n t i ag i l b e r tm u l t i p l i c a t i o nc i r c u i ta n dal cr e s o n a n c e ，w i t h v e r y f e wm o st r a n s i s t o rf u l f i l l e dt h ef u n c t i o ns u c ha sd i f f e r e n t i a l ， r e c t i f i c a t i o n ，f r e q u e n c ys e l e c t i o n i nt h ed e s i g no fp d f , c h o o s e dt h et s p cd f fs u b s t i t u t et h et r a d i t i o n a ld f f , c u td o w n4t r a n s i s t o r s ，l o w e r e dt h ep o w e r , e x p e d i t e dt h es p e e do ft h ec i r c u i t b yp u t t i n gad e l a yu n i ti nt h ep d f , r e d u c i n gt h er a n g eo ft h ed a d b a n d 3 d u et ot h ec h a r g es h a r i n ga n dc h a r g el e a k a g ep h e n o m e n ai nt h et r a d i t i o n a l c h a r g e - p u m p ，an e wc h a r g e - p u m pw i t hc u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u ew a s d e s i g n e di n t h i st h e s i s i nt h ec i r c u i td e s i g n ，as i m p l ep o s i t i v ef e e d b a c kw a s e m p l o y e dt oe x p e d i t et h es w i t c h i n gs p e e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ec h a r g es h a r i n ga n dc h a r g el e a k a g ep h e n o m e n ac a nb ee f f e c t i v e l y p r o h i b i t e di nt h ep r o p o s e dc h a r g e p u m p 4 t h ed e s i g nw a sb a s e do nc h a r t e r e d0 3 5 u mc m o sp r o c e s s i n ga n dw i t ht h e c a d e n c es p e c t r ea st h es i m u l a t i o nt o o l ，t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e d v i 上海大学硕。l ：学位论文 t h a tw h e nt h ep o w e rs u p p l yi s3 3 va n dt h ei n p u tn r zd a t aw a s13 5 6 m b i f f s ，t h ec e n t e rf r e q u e n c yo ft h eo u t p u tc l o c kw a s13 5 6 m ，t h ep o w e rl e s s t h a n4 5 0 u w , t h ec a p t u r et i m el e s st h a n12 5 u s ，t h er e s u l ts a t i s f i e dt h er f i d r e q u i r e m e n t ，a n df u l f i l l e dt h el a y o u t ，d r ca n dl v s k e yw o r d ：c l o c kr e c o v e r y , r f i d ，p l l ，p r e p r o c e s s o r , c h a r g e - p u m p ， r i n g - v c o v l i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示t f i l l 意。 签名：盟巫日期：丝幽z 矽 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：雌日期： ：海大学硕士学位论文 1 1r fid 介绍 第一章绪论 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，即射频识别技术是上个世纪八十 年代兴起的一项自动识别技术，并于九十年代得到了迅速发展，进入了实用化阶 段。它利用射频频段进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。它不同 于同期或早期的如磁卡、i c 卡等接触式识别技术，r f i d 系统的最大特点是无需 物理接触就可完成识别，因而被广泛用于多目标识别、运动目标识别中，又被称 为第三代识别技术。 1 1 ir f i d 发展及其技术优势 r f i d 技术在国外发展很快，其产品种类很多，象德州仪器，摩托罗拉，飞 利浦等世界著名厂商都牛产r f i d 产品，并且各有特点，自成系列。r f i d 技术已被 广泛应用于工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等众多领域，如汽车， 火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线 牛产自动化，安全出入检查，仓储管理，动物管理，车辆防盗等。我国在这方面 起步较晚，但经过最近几年的努力，已经开发出了具有自主知识产权的r f i d 产品。 目前，电子标签丰要应用于公共交通卡，地铁，校园保障等方面，上海、深圳、 北京等地陆续采用了射频公交卡。另外，我国电子标签应用最大的项目是第二代 公民身份证。 r f i d 技术起步较早，受各方面因素特别是成本的限制，应用局限在少数重 要或尖端的检测领域，规模不大。直到近几年超大规模集成电路技术和无线通信 系统技术的突破性发展，低成本、高可靠性电子标签得以进入物流行业应用，r f i d 技术才显现出大规模发展的态势。同传统的条形码技术相比较，r f i d 具有以下 优势： 1 快速扫描 条形码一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 读卡器可同时辨识读取多个 r f i d 标签。 j ：海大学硕 ：学位论文 2 体积小型化、形状多样化 r f i d 在信息的读写上不受尺寸与形状f 艇制，不需要为了读取精确而配合固 定的尺寸。此外，r f i d 标签往小型化与多样化发展，以应用于不同的产品。 3 抗污染能力和耐久性强 传统的条形码的载体是纸张，容易受到污染和折损；r f i d 对水、油、化学药 品等有很强的抵抗性，不易折损。 4 可重复使用 r f i d 标签可以重复地新增、修改、删除其内部储存的信息。 5 穿透性和无屏障阅读 6 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是5 0 b y t e s ，二维条形码的容量是可存储2 至3 0 0 0 个字符； r f i d 的容量最大可达到兆b y t e s 级。 7 安全性 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据可经由密码保护，使其内容不容易被 改写和伪造。 i i 2r f i d 系统组成 r f i d 系统由三部分组成。如图1 - 1 所示 图1 - 1r f i d 上作示意图 1 标签( t a g ) - 又称应答器，由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的 电子编码，附着在物体上标识目标对象；电子标签能够贮存有关物体的数据信息。 2 l ：海大学硕l 学位论文 在自动识别管理系统中，每一个电子标签中保存着一个物体的属性、状态、编号 等信息。电子标签通常安装在物体表面，具有一定的无金属遮挡的视角。 2 阅读器( r e a d e r ) ：读取，或改写标签信息的设备，可设计为手持式或固 定式；其主要功能是查阅电子标签中当前贮存的数据信息，向空白电子标签中写 入欲贮存的数据信息，修改( 重新写入) 电子标签中的数据信息。 3 天线( a n t e n n a ) ：在标签和阅读器问传递射频信号。 在射频识别系统中，射频标签是相当关键的部件，射频识别系统的工作性能， 很大程度上取决于所选取的射频标签的性能。 1 1 3 射频标签 射频标签具有各种各样的形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频 率的要求，必需根据系统的工作原理，即磁场耦合( 变压器原理) ，或电磁场耦合 ( 雷达原理) ，来设计合适的天线外形及尺寸。射频标签通常由标签天线( 或线圈) 及标签芯片和封装外壳组成( 如图1 2 ) 。标签芯片即相当于一个具有无线收发功 能再加存贮功能的单片系统。虽然在射频识别系统中射频标签的价格远比阅读器 低，但通常情况下，在应用中射频标签的数量是很大的，尤其是物流应用中，射 频标签有可能是海量并且是一次性使用的，而阅读器的数量则相对要少的多。从 纯技术的角度来说，由于阅读器是根据射频标签的设计而设计的，因此，射频识 别技术的核心在射频标签。 外壳 标签 芯片 图卜2 射频标签结构图 线 卜海大学硕 ：学位论文 实际应用中，射频标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多 标签识读特征等电学参数之外，还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作 用而将电子标签分为无源标签( p a s s i v e ) 、半无源标签( s e m i p a s s i v e ) 和有源标签 ( a c t i v e ) = 种类型。无源标签内部没有电源，在阅读器的阅读范围之外时，标签处 于休眠状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其 工作所需的电能。半无源标签内部有电源，但电源仪对标签内要求供电维持数据 的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未 进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签；标签进入阅读器的阅读 范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的 射频能量与无源标签一样源自阅读器。有源标签的工作电源完全由内部电源供 给，同时标签电源的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能 量。 由于一个读卡器可以配备多个标签，所以射频识别系统的成本主要由标签决 定，高性能低功耗的射频标签的研究因此也成为目前射频标签的研究热点。 1 1 4 时钟恢复电路在射频标签中的作用 标签和阅读器之间能够正确通讯，依赖于标签上的时钟能够和阅读器上时钟 同步。标签时钟同步是实现数据同步的前提，载波上的数据传输率是载波频率的 整数分频，要实现阅读器与标签的数据同步，就要得到相应的时钟信号。在无源 电子标签的模拟前端模块中，由于射频标签内部本身没有电源和晶振( 为了减小 电子标签的体积和降低标签的价格) ，因此电路中处理由读卡器传送的信号所需 的电源及时钟均取自传输信号本身，而在射频识别系统中，数据传输时并没有附 加的时钟参考，这就需要用到时钟恢复( c l o c kr e c o v e r yc i r c u i t ) 电路。时钟恢 复电路位于图1 2 中标签芯片内部的模拟模块中，其作用就是恢复出嵌入在数据 流中的时钟信号，再利用该时钟消除数据的抖动和恢复数据。 4 上海大学硕：i ：学位论文 1 2 时钟恢复电路 1 2 1 时钟恢复电路定义 时钟恢复电路的作用是产牛一个时钟信号，该时钟信号与输入信号相关联的 时钟信号同步。首先，时钟信号的信息是从输入数据信号中被检测出来的，然后， 根据时钟信息，产生希望的时钟信号。这尤其适用于n r z ( 非归零) 格式的输 入信号。 输入数据 圈1 3 时钟恢复电路的方框图 时钟信号 时钟信息与时钟信号有两方面的不同：时钟信息的能量可以接近于0 ，而 时钟信号必须有一定的能量；时钟信息可以伴随着不希望的- t 扰，而时钟信号 必须有相对稳定的波形。 1 2 2 时钟恢复电路的几种实现方式： 时钟恢复电路包括两个基本功能：边沿检测功能；产生频率稳定在数据 率周期的时钟。边沿检测丰要是为提取输入数据中的时钟信息，实现这一功能无 一例外都要用到预处理器；实现第二个功能可有多种方式，根据实现方式的不同， 时钟恢复电路可分为如下几类： 1 无源窄带滤波( p n b f ) ，通过使用高品质因数的滤波器实现。优点：思 路简单，易于设计；缺点：开环结构，难以克服环境的变化，不适合集成。 2 延迟锁定环路( d l l ) ，优点：不会积累本地振荡器上的抖动；缺点：不 能抑制来自输入数据信号的抖动，噪声t 扰大。 3 相位锁定环路( p l l ) ，与延迟锁定环路相反，优点：能够抑制输入数据信 号的抖动；缺点：会积累本地振荡器上的抖动。 4 全数字时钟恢复( a d l l ) ，优点：简单；缺点：噪声大。 结合r f i d 系统的工作特点，要求读卡成功率高，系统噪声性能良好，易于 单片集成，本课题选用相位锁定环路( p l l ) 实现时钟恢复电路。 ：海大学硕一i j 学位论文 1 3 标签芯片中时钟恢复电路的研究现状 在射频标签芯片的设计中，时钟恢复电路模块是一个非常重要的环节。时钟 恢复电路性能的优劣直接影响标签中数字电路的工作情况，一个存在抖动、或相 位噪声的时钟恢复电路可能导致标签对由阅读器传输过来的数据出现解码错误， 从而影响整个r f i d 系统性能。目前，在标签芯片内时钟恢复电路的设计中，国 外主要采用施密特触发器从信号中提取时钟，这种结构的优点是所占面积小，功 耗低；缺点是在高频时易产生“功率不够”( p o w e rh u n g e r y ) ，且易抖动，相位噪 声也大。学者f a t i hk o c e r 和p a u lm w a l s h 在文献【3 2 】中提出了用注入锁定l c 振荡器来提取时钟，这种方法的优点是能产牛具有较低的相位噪声和相位抖动的 时钟；缺点是高q 值的电感不易设计，且芯片占用的面积较大。在围内，标签 芯片内时钟恢复电路电路的研究也越来越受到人们的重视，文献【5 】提出了一 个采用比较器和双稳组合的电路来完成时钟提取的电路结构。 天线端a 二 - 一 ? = 图1 _ 4 比较器和双稳组合时钟恢复电路 如图1 4 所示，标签天线两端信号对地电压的幅度相同，但相位相差半个周 期，天线端a 和天线端b 接到两个n m o s 管的栅极上，交叉耦合的两个反相器 构成正反馈，在达到阈值时建立起稳态，同时对波形整形，输出时钟信号经过分 频器后可作为射频标签的数字部分的时钟使用。然而，采用这种结构恢复的时钟 不稳定，且对前级整流滤波电路要求很高，综合起来考虑，并不经济。文献【7 】 提出的采用预处理器和锁相环相结合的时钟恢复电路为本文的电路结构的选定 提供了定参考。 6 ：海大学硕二l ：学位论文 1 4 本文所做的主要工作 本文针对1 3 5 6m h z 射频标签芯片内时钟恢复电路模块的实现，采用 c h a r t e r e d0 3 5 u mc m o s 工艺，设计了一款低功耗、低成本的时钟恢复电路， 并进行了电路仿真和版图设计。在本课题中，我的主要研究工作包括以下 几个方面的内容： 1 设计了一个双平衡吉尔伯特乘法器结构的预处理器电路，该电路结构 简单，便于实现，用极少的m o s 管就能实现电路所需的微分、整流、 选频功能，极大地降低了电路功耗。 2 设计了用以实现时钟恢复电路的锁相环，对其中的相频检测器( p f d ) 模块进行了优化，用t s p c 结构的d 触发器取代了传统的d 触发器，克 服了传统d 触发器存在的缺陷，使得电路结构更加简单，面积更小， 功耗更低，速度更快。同时，为了减少死区范围，在相频检测器中设 计了两个延时反相器，取得了很好的效果。 3 设计了一个新颖的泵升( p u m pu p ) 电路和电流镜像结构的电荷泵电路， 使充电电流和放电电流精确复制，有效的减小了电荷泄漏带来的影响。 4 设计了一个电阻分流结构的低压带隙基准，为系统各子模块提供稳定， 不随温度和电源电压变化的低电压源。 5 完成了电路的版图设计并通过了d r c ，l v s 验证。 1 5 论文组织 本文对用于r f i d 射频标签模拟模块中的时钟恢复电路的原理和设计方法作 简要的介绍。章节基本按照实际设计时自项向下的顺序展开，共分五章，第一章 介绍了i u i d 技术的发展，系统构成，以及时钟恢复电路在其中的作用。第二章 介绍了r f i d 工作原理，标签芯片的组成，结构以及r f i d 标准。第三章介绍了时 钟恢复电路的原理和结构以及n r z 编码方式，对时钟恢复电路中预处理模块以及 锁相环( p l l ) 各组成模块的结构和工作原理作了详细分析。第四章，对时钟恢 复电路所需要用到的各个模块：预处理器，鉴相鉴频器，电荷泵，环路滤波，环 形振荡( v c o ) 以及基准电路，运算放大器，波形放大器的设计方法分别作了 卜海大学硕 ：学位论文 介绍，并给出了各模块的仿真结果以及整个电路的仿真结果。第五章，完成了电 路的版图设计以及版图验证。第六章，总结了本人在撰写本文所作的丰要工作， 并对未来r f i d 的研究提出了展望。 j ：海大学硕一j 二学位论文 第二章r f id 原理分析及标准 2 1r fld 原理和结构 2 1 i r f i d 工作原理介绍 如图1 - 1 所示，一个基木的射频识别系统一般包括三个部分：标签、阅读器 和天线。标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，射频标签附着 在待识别物体的表面。阅读器可无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据， 从而达到自动识别物体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的目标物的信息 被传送到电脑上进行下一步处理。 标签是射频识别系统中真正的数据载体，由耦合元件和芯片组成。根据芯片 有无电池供电，标签可以分为有源和无源两类。目前，绝大部分射频识别系统中 使用的标签是无源的。对于无源的标签，只有当标签处于阅读器的响应频率范围 之内，标签才能开始工作。标签工作所需的能量，是通过耦合单元( 非接触的) 传输给标签的。 在射频识别系统中，阅读器和标签通过在空中传播的电磁场相联系。要理解 和设计射频识别系统，必须先弄清楚电磁场的特性。我们可以根据m a x w e l l 方 程推导任何天线产生的电场和磁场。由于篇幅关系，本论文不再赘述推导过程， 而是直接利用已经被证明了的结论：按照离发射源的距离，电磁场可以分为近场 和远场两个不同特性区域，转折点为入2 ( 九为电磁波的波长) 。在远场，电 磁场是连续辐射的电磁波；在近场情况下，电磁场具有可再生和准静态的特性， 电场和磁场分离，并且可以根据天线类型的不同，判断是电场占据丰导还是磁场 占据丰导。对于小型环形天线，磁场占据主导。阅读器和标签的耦合既可以通过 电场的电容耦合实现，也可以通过磁场的电感耦合实现，在近场的射频识别系统 中，电感耦合系统的应用更为广泛。 阅读器和标签通过双方天线的耦合联系到一起，对电感祸合系统来说，两 个天线的之间的耦合可以用变压器耦合的模型来模拟，阅读器的天线可以作为初 级线圈，标签的线圈可以作为次级线圈。只要线圈之间的距离不大于o 1 6 入( 载 波的波长) ，并且标签处于发送天线的近场之内，变压器耦合的模型就是有效的。 9 上海大学硕- l 学位沦文 当电流流经初级线圈时产牛磁场，该磁场在次级线圈上感应出电流和电压。图 2 1 是一个简单的电感耦合射频识别系统的结构示意图，左边为阅读器，右边为 标签。 图2 1 电感耦合射频识别系统 如果把谐振的标签放入阅读器天线的交变磁场中( 也就是说，标签的固有谐 振频率与阅读器的发送频率相符合) ，阅读器发射磁场的小部分磁力线穿过距阅 读器天线一定距离的标签天线线圈。通过感应，标签的天线线圈上产牛一个电压 u i ，将其整流后作为数据载体( 标签芯片) 的电源。标签从磁场中获取的能量等 于供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上消耗的能量。将一个电容c o 与阅读 器的天线线圈并联，c o 的作用是与天线线圈的电感一起，形成一个谐振频率与 阅读器发射频率相等的并联振荡回路，该回路的谐振使得阅读器天线线圈产生非 常大的电流，以便产牛供远距离标签工作的场强。标签的天线线圈与电容器c 1 构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，标签线圈上的电 压u i 达到最大值。 我们可以利用变压器的模型来讨论阅读器和标签之间的数据传输问题，我 们称从阅读器到标签的数据传输为下行传输，从标签到阅读器的数据传输为上行 传输。首先，阅读器将要发送的数据调制到载波上，标签线圈上的电压会跟随载 波的变化，标签通过对线圈上感应电压信号的整流滤波可以将数据解调出来，从 而实现了下行数据传输的过程。同样，根据变压器的模型，标签天线上的负载电 阻的接通和断开会促使阅读器天线上的电压发生变化，可以利用此性质来实现远 1 0 上海大学硕j ：学位论文 距离标签对天线电压进行振幅调制。如果人们利用传输的数据来控制负载电阻的 接通和断开，而将数据从标签上行传输到阅读器。这种数据传输方式被称作负载 调制。实际中上行传输采用的是副载波的负载调制，阅读器通过对自己线圈上的 电压信号带通滤波来实现对标签发送过来的信号的解调。 射频识别系统就工作方式来说，可以分为全双工、半双工、时序系统。在时 序系统中，从阅读器到标签的能量传输是在限定的时间间隔内进行的，从标签到 阅读器的数据传输是在能量供应间歇时进行的。全双工和半双工系统中阅读器到 标签的能量传输都是连续的。在全双工的系统中，数据在标签和阅读器之间的双 向传输是同时进行的，工作在1 3 5 6 m h z 的射频识别系统一般都是采用半双工 的方式工作。 阅读器和标签之间的数据交换也可以从上到下划分为三个不同的层次，它们 分别是数据帧层，编码层和调制层。图2 2 表示了阅读器和标签通信的层次结 构。最上层为数据帧层，在这层里面，阅读器或标签将要发送的数据组装成规 定格式的数据帧，将接受的数据帧拆分为特定意义的数据；中间层为编码层，在 这层里面双方对要发送的比特数据进行信道编码，对接受的数据进行译码；最下 面的一层为调制层，在这一层里双方对要发送的数字信号进行调制或对接受的模 拟信号进行解调。 r 阅读器一， 广一标蛰- 一， 广 厂 厂 、f f w f 2 1 2 标签系统组成 图2 2 标签接受命令过程 厂 广 厂 整个标签芯片可以被划分为四个主要部分( 如图2 3 ) ，分别是射频前端、模 上海大学硕。f ：学位论文 拟前端、数字基带处理器和e e p r o m 存储器。 在标签系统中，信号通路可分为正向链路和反向链路两部分。从读写器发射 出的射频能量被天线接收后，经过射频前端的整流部分转化成标签其他电路可用 的直流能量，同时检波电路从接收到的射频信号中恢复出读写器发射的数据信 号；返回信号经射频前端进行负载调制并通过标签天线发送回读写器。模拟前端 产牛芯片工作所需的上电复位( p o r ) 、时钟( c l o c k ) 、参考电压电流等信号， 这些信号与被恢复出的数据信号一同送入数字基带进行协议处理；并根据指令， 从e e p r o m 读出擦写相应的数据。 图2 - 3r f i d 典犁系统示意图 由于标签芯片是无源芯片，自身没有时钟产生模块，数字部分要有时钟才 能工作，所以模拟前端中必须要有时钟恢复电路才能从载波信号中提取时钟，可 以看到，时钟恢复电路位于模拟前端模块中，其作用是从被射频前端整流调制过 的信号中提取时钟，供数字基带工作。 2 2r fld 标准概述 标准能够确保协同工作的进行、规模经济的实现、工作实施的安全性以及其 他许多方面。r f i d 标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准来解决编 码、通信、空气接口和数据共享等问题，最大程度地促进r f i d 技术及相关系 1 2 上海大学硕f j 学位论文 统的应用。但是如果标准采用过早，有可能会制约技术的发展进步：而如果采用 太晚的话，则可能会限制技术的应用范围，导致危险事件的发生以及不必要的开 销。 事实上，r f i d 的相关标准涉及到其许多具体的应用，例如：不停车收费系 统、宠物标识、货物集装箱标识以及智能卡应用等。目前，许多组织已经参与到 r f i d 相关标准的制定当中，比如i s o ( 国际标准化组织) 、g s l ( 电子商务、物 品标识、数据同步交换方面的全球标准化组织) 、e p cg l o b a l 、日本u i d 、以及u s i e e e 和a i mg l o b a l 等。 和e p cg 1 0 b a l 相比，i s o i e c 有着天然的公信力，因为i s o 是公认的全 球非盈利工业标准组织。与e p cg l o b a l 只专注于8 6 0 9 6 0m h z 频段不同， i s o i e c 在各个频段的r f i d 都颁布了标准。在我国，8 6 0 9 6 0 m h z 主要业务 为固定和移动通讯，此频段的r f i d 频率规划必须谨慎。而围际通用的r f i d 技 术主要使用在4 3 0 m h z 左右的频段，这个频段在中国属于专用频段。1 3 5 6 m 属 于i s m 频率，这个频率大量应用在身份识别，中国第二代身份证的读写都是应 用这个频率，因此，这个频段在中国应用相当广泛。 射频识别快报网给出了一个i s o i e c 标准的层次结构，如图2 4 所示，目前， 在我国用于非接触智能卡的国际标准有两个：i s o i e c l 4 4 4 和i s o i e c l 5 6 9 3 。 i s o i e c l 4 4 4 3 和i s o i e c l 5 6 9 3 标准在1 9 9 5 年开始制定，其完成则是在2 0 0 0 年以后，两者都以1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率。i s o i e c l 5 6 9 3 读写距离较 远，而i s o i e c l 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛。目前中国的第二代身份证 采用的是i s o i e c l 4 4 4 3t y p eb 协议。i s o i e c l 4 4 4 3 定义了t y p e a 、t y p eb 两种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i t s ，它们的主要区别在于载波的调制系数及 编码方式。t y p e a 采用开关键控( o n - - o f f k e y i n go o k ) 的曼彻斯特编码，t y i ) e b 采用n r z l 的b p s k 编码。t y p eb 与t y p e a 相比，具有传输能量不中 断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。 上海大学硕l ：学位论文 i s o h e c 标准 技术标准 】【数据结构标准j( 性能标准 应用标准 i s o1 8 0 0 0 1 空气接口一般参数 i s o1 8 0 0 0 2 低于1 3 5 k h z 频率空气接口参数 i s o1 8 0 0 0 3 1 35 6 m h z 频率空气接几参数 i s o1 8 0 0 0 - 424 5 g h z 频率空气接口参数 l s 0 18 0 0 0 - 68 6 0 9 6 0 m h z 频率空气接口参数 i s ol8 0 0 0 74 3 39 2 m h z 频率空气接口参数 i s o1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 非接触集 成电 路卡 i s o1 5 6 9 3 ( v i c i n i t yc a r d s ) 非接触疏耦合 去 i s o1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yc a r d s ) 非接触密耦 合卡 i s o1 5 4 2 4 数据载体特征标识符 i s o1 5 4 18 - e a n ，u c c 应用标识符及 a s c m h l 0 数据标识符 i s 0 】5 4 3 4 大高容量a d c 媒体用的传送语 法 i s o1 5 4 5 9 物品管理的唯一i d s o1 5 9 6 i 数据协议：应用接口 i s o1 5 9 6 2 数据编码规则和逻辑存储功能的 协议 i s o1 5 9 6 3r f 标签的唯一标识 i s 0 1 0 3 7 4 货运集装箱标签 i s 0 1 8 1 8 5 货运集装箱电子封条r f 通信协议 i s 0 11 7 8 4 基于动物的无线射频识别 代码结构 i s o1 17 8 5 基于动物的无线射频识别 技术准则 i i s oj7 3 8 5 应用需求 i s o1 7 3 6 3 货运集装 箱 i s o1 7 3 6 4 可回收运 输单品 i i s o1 7 3 6 5 运输单元 i s o1 7 3 6 3 产品包装 l s o1 7 3 6 4 产品标识 i s oi8 0 4 6r f i d 设备性能测试方法 l s ol8 0 4 7r f i d 设备一致性测试方法 图2 4i s o i e c 标准体系 r f i d 的核心是防冲突技术，这也是和接触式i c 卡的丰要区别。 i s o i e c l 4 4 4 3 3 规定了t y p ea 和t y p eb 的防冲突机制。两者防冲突机制的 原理不同，前者是基于位冲突检测协议，而t y p eb 通信系列命令i ? - y o 完成防 冲突。i s o i e c l 5 6 9 3 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲突机制防冲突机 制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高 了操作的速度。 本文所设计的时钟恢复电路遵循i s 0 1 4 4 4 3 标准，适用于工作频段为1 3 5 6m h z ，采用t y p eb 协议的标签芯片，通过时钟恢复电路，恢复出n r z 编码信号 中的时钟，以供基带及e e p r o m 数字模块工作。 1 4 j ：海大学硕l ：学位论文 第三章时钟恢复电路原理和结构 3 1 时钟恢复电路原理 3 1 1 时钟恢复电路概述 根据滤波器功能的实现方法，有两种时钟恢复类型：a 类包含无源滤波器； b 类包含有源滤波器。用信号处理的观点来看，两种恢复类型的差别在于：从输 入数据检测和从输出数据检测到的时钟信息之间的关系。a 类的输出时钟信号直 接与带有被检测的时钟信息的分量有关，也就是说，被检测的时钟元件直接控制 输出时钟信号。特别是当被检测信号分量的变化，输出时钟信号的幅度也随着被 测分量变化。当a 类时钟恢复电路的输出端没有信号输入时，无源系统输出端也 没有信号。相反，b 类时钟恢复电路的输出时钟信号间接地依赖于被检测时钟的 信号分量。首先，起重要作用的是被检测信号分量的相位，而不是幅度。在b 类时钟恢复电路中，实际上在被检测信号分量幅度和输出时钟的幅度之间没有联 系。其次，仅当p l l 锁定时，输出时钟的频率与相位随被测信号变化。即使没有 信号输入，有源系统也总是存在从b 类时钟恢复电路输出的信号。两种时钟恢复 类型的不同决定了时钟恢复电路不同的设计和运用。 根据第一章所述，r f i d 系统要求读卡成功率高，系统噪声性能良好，易于 单片集成，本课题选用基于相位锁定环( p l l ) 实现时钟数据恢复电路。另外要 求电路尽量简单，滤波器采用a 类无源滤波器。其结构如图3 - 1 所示。 输 图3 - 1 时钟恢复电路结构图 时钟数据恢复电路的工作原理是：n r z ( 非归零) 信号通过预处理器的非线 性处理，产生所需要的频率谱线，经过电路的滤波、全波整流、选频，得出参考 1 5 ：海大学硕十学位论文 时钟信号，该信号输入鉴频鉴相器，鉴频鉴相器对参考时钟信号和压控振荡器反 馈回来的信号作判断，根据两者的相位差，产生一定脉宽的正脉冲信号或者负脉 冲信号，如果参考时钟的上升沿领先于反馈时钟的上升沿，那么正脉冲信号有 效，反之，负脉冲信号有效；由于鉴频鉴相器的输出控制电荷泵和二阶环路滤波 器相结合，将鉴频鉴相器输出的相位差转为相应脉宽的开关信号控制电荷泵对环 路滤波器的电容和电阻充放电，由此来调整压控振荡器控制电压的大小，从而调 整压控振荡器的振荡频率，最终使参考信号和反馈信号的频率一致，相位差为 零，实现反馈信号对参考信号的锁定，从而恢复出时钟，其恢复时钟过程如图3 - 2 所示。 输入数据 获得数据 边缘舱测 ( 顶处理) _厂厂 厂弋厂1 厂 篙鬣 八八八八 八 滤波 ( 预处理) 黜厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 图3 2 恢复电路时钟示意图 3 1 2n r z 数据格式 n r z ( n o tr e t u r nt oz e r o ) 信号，即非归零信号。如图3 2 所示，每一个比 特占t 。时间( “比特周期”) ，等概率的为“1 ”或者为“0 ”，并统计独立于其它 位。厶= 1 瓦称作“比特率”，单位为b i t s s 。“非归零”形式区别于“归零”( i 屹) 形式的地方在于：r z 信号在两个连续的比特之间回到零电平。因为对于给定的 比特率，r z 数据比n r z 数据包含更多的跃变，所以在信道或电路带宽有限的场 合后者更可取。一般而言，数据应看作随机波形( 具有某些己知的统计特征) 。 1 6 i - 海大学硕十学位论文 n r z 厂 l 厂 图3 2 ：归零( i 屹) 与非归零( n r z ) 信号 n r z 信号有两个属性使得时钟恢复任务变得很网难： 1 数据流中“1 ”和“0 ”不平均分布将引起信号直流电平的波动，不利于数据 的再生。 2 较长的连“1 ”和连“0 ”信号段使得时序信息弱化，这样时钟恢复非常困难。 3 不具有在线监控信道误码的可能性。 为了解决这些问题，一个原始的n r z 信号常常通过一个信道编码器被转换 成另一种格式后再传输。对数字信号进行信道编码的目的在于使之适合于在信道 中传输。编码的类型依赖于传输媒质的性质，数据比特率，对可靠性，误码检测 和纠错的要求以及费用等等。 所有不同编码格式的信号都可以被认为是一个新型的n r z 信号。例如， r z 信号可以认为上由一个n r z 信号通过编码规则”1 ( n r z ) 一”1 0 ”和 ”0 ”州i 屹) 一”0 0 ”而形成的。同样，一个二相位编码或a m i 编码的信号可以被 认为是一个二倍速率的特殊n r z 信号。分组码也是以n r z 信号的形式通过信道 传输的。因此，它们在接收机中进行数据判决和时钟恢复处理方式与普通n r z 码完全相同，不同的是它们需要信道解码。 i ：海大学硕 ：学位论文 。 | | | f | ，一4、， 0 5 11 522 533 5 蚀 图3 - 3 双极性n r z 信号功率谱密度 一个n r z 信号的归一化功率密度谱示于图3 3 。它包含一个直流分量和一 个连续功率密度谱，不包含任何周期分量，且大部分谱功率集中在归一化频域的 0 到0 8 范围内。 n r z 数据的频谱在比特率整数倍频率上没有分量。例如，如果数据速率为 1 g b s ，那么频谱在1 g h z 处没有能量。我们注意到对1 g b s 数据流来说最快的 波形是每l n s 进行“0 ”和“l ”交替的波形，结果得到5 0 0 m h z 的方波，它的 所有偶次谐波都不存在。从另一个观点来看，如果一个比特率为以的n r z 序 列乘以a s i n ( 2 z o n f b t ) ，对于所有整数的m ，结果的平均分量都为零。这说明波 形中不包含毗的频率分量。 了解n r z 数据频谱的形状也是很有用的。因为随机二进制序列的自相关函 数为 蹦咖1 - 等 瓦 ( 3 1 ) 双极性波形功率谱密度等于( 单极性波形还包含一个直流离散谱线) 2 驰，：r x ( r ) e - j a r rd r = t bi 茅 2 ， 上海大学硕i ：学位论文 从图3 3 中可知，函数在缈= 2 r m f b = 2 m 州瓦处为零。与此相对照，r z 信 号在这些频率上有有限的功率。 3 1 3 预处理器原理 非归零( n r z ) 数据信号的功率密度谱中没有位于时钟频率无的谱线，这意 味着对n r z 信号进行预处理过程是必不可少的。而且，预处理电路中必须要有 非线性处理过程才能牛成新的频率，然而，由于n r z 信号在频域和时域中的特 殊性质，预处理器必须同时存在线性处