RFID干貨專欄概述

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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的領導地位。

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)布時間為2008年，R2000和R500發(fā)布時間為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，其特點為：高頻特性良好，材料安全性佳，導熱性好，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。CMOS器件有集成度高、功耗低、輸入阻抗高等優(yōu)點。BiPolar器件有截止頻率高、驅動能力大、速度快、噪聲低等優(yōu)點。它們的優(yōu)缺點正好互相補充，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：

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；

適合于嵌入式應用。

靈活性強

支持多種的閱讀器設計模型；

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

相對于分立設計功耗較小。

支持行業(yè)主要標準

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

（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，其中接收機采用零中頻的一次變頻方案。與傳統(tǒng)的零中頻接收機不同點在于鎖相環(huán)PLL通過發(fā)射電路給接收電路的混頻器提供本振信號，而非鎖相環(huán)分別給發(fā)射機和接收機提供本振信號，這是由于超高頻RFID閱讀器RX信號的載波是由自身發(fā)出的。

圖5-32Indy R1000芯片框圖

標簽反向散射的信號通過天線到達R1000接收機入口RX，然后通過低噪聲放大器（LNA），將微弱的信號放大，再通過功分器，分為I/Q兩路信號，并與本振信號相乘完成下變頻。此時的信號具有很強的直流偏移，因此需要通過一個大電容的AC耦合，濾掉直流偏移影響。此時的標簽有效信號已經變成了中頻信號，再通過中頻低噪放（IF LNA）和中頻濾波器（IFFilter）。此時的信號具有較好的信噪比和解調性能，再通過一個可變增益放大器，其目的是調制信號幅度保證ADC采樣精度。最終模擬基帶處理好的信號通過sigma delta ADC變?yōu)閿?shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理。

當閱讀器需要發(fā)送命令時，波形發(fā)生器會產生需要的波形數(shù)字文件，再通過sigma delta DAC轉化為模擬信號，經過濾波后與本振相乘，完成上變頻，成為超高頻段的調制信號，再經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)字信號處理，數(shù)字調制解調功能，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，其設計框架與R1000芯片基本相同。對比R1000芯片，其增加了載波抵消模塊，大大提高了載波泄漏時的靈敏度。同時，還改善了DRM濾波器，支持2階和高階片外濾波器，從而實現(xiàn)更好的濾波效果。另外很重要的一點是R2000芯片大幅提升了鎖相環(huán)PLL的相位噪聲，不僅對靈敏度有改善，還對符合全球無線電規(guī)范的產品開發(fā)有幫助。

圖5-33Indy R2000芯片框圖

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

03、IndyR2000載波抵消

在5.2.2節(jié)中，已經介紹了載波泄露消除技術的實現(xiàn)方式，此處針對R2000芯片的載波抵消電路展開剖析。如圖5-34所示，為R2000芯片內部載波抵消電路示意圖。載波抵消電路是在芯片內的一個信號相加的電路，通過產生反向的載波，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。

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

通過調整這四路的I/Q信號的大小，可以實現(xiàn)一個與接收機泄漏載波大小相同、相位相差180°的信號。通過兩個信號相加后（載波抵消后）的信號強度判斷是否達到載波消除的預期。

理論上，這個抵消信號具有與接收到的泄漏載波相同的相位噪聲，當兩個信號抵消時，系統(tǒng)的噪聲（發(fā)射機自帶再生）也會相互抵消，因而有效信號的信噪比也會有所提升。

圖5-34R2000芯片內部載波抵消電路

該電路存在一些缺陷：

由于抵消信號是從發(fā)射電路中耦合出來的，其信號強度不會特別大，因此對于很大的載波泄漏信號無法進行有效的載波消除。

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

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

在上述討論中，I/Q信號的精度、載波抵消的響應時間等問題都需要折衷考慮，經過對市場需求的理解，Impinj給出了一套快速尋找抵消信號的算法。R2000芯片將輸出四路信號：+I、-I、+Q、-Q做4比特量化，每個信號的大小為0到15，因此整個復頻域空間共有31×31=961個點。只要在這961個點中嘗試，可以找到相對最合適的抵消信號，此參數(shù)的選擇是經過折衷考慮的結果。

為了提高尋找效率，R2000給出了一套快速尋找匹配點的算法，如圖5-35所示，首先在復平面內粗略掃描一遍，寄存器會記錄下每個掃描點對應的加法器后的功率計度數(shù)。粗略掃描結束后從寄存器中找到度數(shù)最小的點，并記錄下來。下一輪掃描為詳細掃描，將圍繞剛剛記錄下的點周圍3×3的格子進行掃描（矩陣掃描），同時記錄在寄存器中，尋找新的度數(shù)最小點。如果新的度數(shù)最小點不是上一個度數(shù)最小點，則進行下一輪詳細掃描，繼續(xù)對周圍3×3的格子中未掃描的點進行掃描，直到無法找到新的最小點，結束掃描。通過上述算法不必對整個星座圖遍歷一遍，可以大大提升效率。當然讀者們也可以通過自己的算法減小掃描時間。

圖5-35復頻域快速匹配點的算法

當R2000采用3M/s的數(shù)據(jù)采樣頻率實現(xiàn)SJC校準，且針對每個點的采樣次數(shù)為16和8個樣本，采樣時間為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3×3矩陣掃描時間為72us。為了獲得更好的載波抵消效果，最好重復多次尋找合適的匹配點。在實際應用中，每次閱讀器發(fā)出命令之前，都會先啟動SJC電路完成載波消除。

04、Indy芯片使用架構和開發(fā)

如圖5-36所示為Indy芯片的使用架構圖，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，通過調用Indy芯片的寄存器控制上述功能。主機通USB或串口與MCU相連，通過API控制閱讀器模塊工作。

圖5-36Indy芯片的使用架構圖

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

控制相關內容（Flash、GPIOs、定時器、串口、Debug）；

狀態(tài)機管理；

Indy寄存器接口（SSP）其中包換Gen2協(xié)議和射頻控制模塊；

固件升級模塊；

主機寄存器和命令邏輯。

圖5-37Indy芯片的固件架構圖

ARM7固件內部Flash分三塊，分別是：

Bootloader，提供系統(tǒng)的恢復和升級機制。

MAC固件，管理Modem控制器和主機接口寄存器。

OEM配置，靜態(tài)設置寄存器，包括區(qū)域設置、主機接口設置、校準數(shù)據(jù)和板級診斷選項。