现有的射频前端接收机结构中，最简单有效的设计便是在射频频段将信号数字化后直接送入数字基带进行处理，但考虑现有AD转换技术限制及成本要求，接收机一般将从天线送来的射频信号先一级或多级下变频到能处理的频段再进行后续处理。根据混频器将天线送来的射频信号下变频到的频率不同，可将接收机分为超外差式接收机、零中频接收机和低中频接收机。

超外差接收机是利用本振将射频信号直接下变频到中频，选择性与灵敏度较好，较易实现有用信道的选择、A/D转换等，但其结构复杂，组合干扰频率点多，镜像干扰现象在三种结构中最为严重。零中频结构使本振频率与载频相同，将信号直接下变频到零频，不存在镜像干扰，使得结构相对简单、设计成本低，但存在本振泄露、直流偏移等问题。低中频结构虽克服了直流偏移和闪烁噪声等问题，但是它对本振相位噪声要求较高并存在镜像干扰。在超高频RFID阅读器设计中，绝大多数采用零中频结构，将从天线接收到的射频信号直接通过本振下变频到零中频，并分为I/Q两路信号，如图5-21所示。

超高频RFID阅读器中，接收机采用零中频设计结构主要原因为：阅读器天线接收到的信号为标签对阅读器发送信号的反射，因此接收端接收信号的频率与阅读器本振信号频率相同，并且信号接收端本振和发送端本振可为同一个本振，简化电路结构与硬件开销。但仍然存在零点效应及信号自混频引起的直流偏移问题。直流偏移将导致后级电路阻塞或输入直流点偏移。

图5-21零中频接收机架构

现今，在应对产生的直流偏移时，常用的方法如下所示：

在混频输出和基带之间加入一个截止频率很低的高通滤波器，滤除直流偏移的影响，为了不干扰有用信号，这些高通滤波器的截止频率通常应不低于数据率的0.1%，在实际中应用也通常会用一个大电容代替高通滤波器。此方案最好对基带信号采用适当编码和合适的调制方式，以减少基带信号直流附近的能量。

对于时分复用（TimeDivisionDuplexing，TDD）系统，由于收发时分复用，在发射阶段，接收机处于空闲状态，这时就可以利用这些空闲时隙对直流偏移进行采样并存储起来，在接收机转为工作状态时，将接收到的基带信号和存储的信号相减，就可以消除直流偏移的影响。

谐波混频。将本振信号频率设为接收射频信号频率的一半，本振信号的二次谐波与输入射频信号进行混频。因此，由本振信号泄露引起的自混频将产生一个与其同频率的交流信号，而不产生直流偏移。有些器件支持该功能，在混频器内部对本振信号进行倍频或分频。

利用成熟的数字信号处理技术来确定直流偏移的大小，并将结果反馈回模拟前端来消除直流偏移。

在这些方法中，方法③较为复杂，在超高频RFID阅读器中，一方面直流偏移因为本振相位噪声的影响，不一定为直流，而是在低频段。另外，因为直流偏移噪声基本来自于未调制载波通过隔离器件的泄露，因此其强度远大于有用信号幅度，必须在放大器放大之前将其消除，故无法使用方法②。考虑到接收信号带宽有限，因此，为尽可能消除直流偏移问题，通常情况下在模拟前端采用类似①的方法，用截止频率较低的带通滤波器对其进行滤波，以滤除小部分有用信息为代价换取消除直流偏移现象，带通滤波器的低通截止频率由接收信号带宽确定。也可采用方法④，在射频前端增加功率抵消环路，消除直流偏移影响。市场上的绝大多数阅读器都是采用了方法①大电容隔离的方式减小直流偏置，其中，中高端阅读器同时还采用方法④载波抵消的技术方案提高系统灵敏度。

02、发射机架构

已知在ISO/IEC-6C协议中，前向链路和后向链路的调制方式、编码方式等因素决定了阅读器发射机的架构。在前向链路中采用DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK调制方式，而后向链路采用ASK或BPSK对回波进行调制，因此发射机的架构要能够用于发送幅度和相位调制的信号，其结构图如图5-22所示，由混频器、本振、天线、功率放大器组成，利用本振和乘法器对基带送来的信号进行调制，经过功率放大器后由天线将射频信号辐射到空中。

图5-22发射机架构

03、收发通道隔离

无源RFID系统为半双工工作方式。阅读器一边向外发射未调制功率载波为标签提供能量，另一方面还要接收标签后向散射回的有用信号，这种通信机制导致接收机前端的载波泄露。阅读器工作时，两信号将同时出现在天线上且两信号频率相同，阅读器的发射信号强度远远大于接收的标签反向散射的信号。

载波泄漏信号的产生有三个途径：收发之间有限的隔离度使得发射端载波泄露到接收前端；阅读器天线的失配造成载波信号反射到接收前端；环境对载波信号的反射再次进入接收天线。为了减小载波泄露，需要阅读器结构中将阅读器收发通道隔离，常用的隔离方式有三种，分别是采用收、发天线分离的双天线结构；采用环形器；采用耦合器。

（1）双天线结构

对于使用无源标签的超高频RFID系统，无论是双天线结构还是单天线结构的阅读器，其接收前端都存在载波泄漏问题。对于如图5-23所示的双天线结构的阅读器，接收机天线与发射机天线之间的隔离度约为25dB到30dB，其隔离度与两个天线位置和摆放相关，如果两个天线靠得较近或辐射面相对则隔离度会大幅下降。

图5-23双天线结构隔离

假设阅读器功率放大器的输出功率为30dBm，接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm，收发天线之间的隔离度为25dB，天线的输入反射系数S11=-15dB（双天线结构天线输入反射系数和载波泄露无关）。此时产生的载波泄漏功率约5dBm（30-25dBm），通过带通滤波器后接收机收到的信号包括5dBm的泄漏载波和-60dBm的标签信号。隔离效果的好坏主要由如下几个参数判断，接收机收到的载波信号的强度、标签信号的强度以及两个信号的差值。

接收机收到的载波信号越强，则直流偏移影响越大，所以接收到的载波越小越好。一般带有载波消除功能的阅读器能够处理的载波泄漏强度为+15dBm左右，如果大于该值将很难实现有效的载波消除，阅读器的灵敏度会受限。

接收机收到的标签信号强度越大，则系统越容易解调该信号，阅读器的灵敏度越高。在没有载波泄露的情况下，阅读器的灵敏度可以达到-90dBm之下的灵敏度，在有载波泄露的环境中灵敏度会下降，中高端的阅读器可以实现在10dBm载波泄漏的环境下-80dBm的灵敏度。因此标签反向散射的信号强度一般需要在-80dBm之上。

两者信号强度的差值越小，信号处理越方便，可以获得更好的解调效果。接收机收到两个信号后，可以通过可变增益处理将两个信号同时变大或变小，从而满足载波消除和接收机小信号解调的问题。本系统中两者差值为65dB，隔离效果非常不错。

双天线结构是常用三种隔离方式中效果最好的，其缺点是系统需要两个天线，成本和实施难度都提高了，应用时还需要注意两个天线的隔离问题。早期阅读器多采用双天线结构，不过随着对小型化、低成本、实施简易的要求，市场上的主流阅读器已经不再采用收发双天线结构了，都采用收发同天线结构。

（2）环形器

环形器是一种多端口器件（常见三个端口），采用的材料是铁氧体，利用铁氧体在恒定电场中对电磁波各方向表现出不同磁导率选择导通端口实现发送和接收通道的隔离。环形器是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环形器是有数个端的非可逆器件。比如：从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出，以此类推，故称作环形器。如图5-24为一个三端口的环形器，当从端口1进入时从端口2的插损为1dB，同时端口3的隔离为20dB。此处的插损1dB和隔离度20dB是常用器件的参数，实际中可以选择插损更小隔离度更高的器件，这与环形器的尺寸和特性相关。

图5-24环形器原理

由于环形器具有直通和隔离的特性，因此非常适合超高频RFID阅读器的收发隔离系统，如图5-25所示为采用环形器作为隔离器件的单天线方案。同样阅读器功率放大器的输出功率为30dBm，接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm，天线的输入反射系数S11=-15dB。此时发射机的30dBm输出信号经过环形器衰减1dB后到达天线端辐射功率为29dBm，由于天线输入反射系数为-15dB，则天线反射信号强度为14dBm，该信号再次经过环形器衰减1dB后到达接收机，此时通过天线反射的载波泄漏为13dBm。于此同时发射机的信号还可以通过环形器的隔离端口达到接收机，隔离泄漏信号强度为10dBm，由于天线适配引起的载波泄漏占主要的，可以大致认为接收到的载波泄漏为13dBm（13dBm10dBm）。标签信号通过环形器衰减1dB后到达接收接，信号强度为-61dBm。

图5-25采用环形器作为隔离器件的单天线方案

从隔离效果的角度看，使用环形器后，载波泄漏为13dBm,可以通过载波消除的手段抑制;有效信号的强度为-61dBm，是不错的信号强度;两个信号的差值为74dB，可以说有不错的效果。环形器在超高频RFID系统中广泛应用，尤其是高端阅读器，基本都采用环形器作为隔离器件。其缺点为尺寸较大，无法使用于小型阅读器或手持设备，再加上成本高，一般的阅读器都不采用该方案。

（3）耦合器

在微波系统中，往往需将一路微波功率按比例分成几路，这就是功率分配问题，实现这一功能的元件称为功率分配元器件,即耦合器。如图5-26所示为一个4端口的耦合器，其特点为：

1→2为直接通路（directpath），衰减很小，一般小于1dB。

1→4耦合通路（coupledpath），常见的耦合能量为5dB、7dB、10dB等，R系列的阅读器常选择参数为10dB的耦合器。

1→3隔离通路（isolatedpath），常见隔离度为30dB。

图5-26耦合器原理

超高频RFID阅读器常使用定向耦合器作为隔离器件。定向耦合器是一种具有方向性的功率耦合（分配）元件。它是一种四端口元件，通常由称为直通线（主线）和耦合线（副线）的两段传输线组合而成。直通线和耦合线之间通过一定的耦合机制（例如缝隙、孔、耦合线段等）把直通线功率的一部分（或全部）耦合到耦合线中，并且要求功率在耦合线中只传向某一输出端口，另一端口则无功率输出。如果直通线中波的传播方向变为与原来的方向相反，则耦合线中功率的输出端口与无功率输出的端口也会随之改变，也就是说，功率的耦合（分配）是有方向的，因此称为定向耦合器（方向性耦合器）。

如图5-27所示为使用定向耦合器作为隔离器件的阅读器射频前端的结构示意图，其中阅读器功率放大器的输出功率为30dBm，接收天线收到的标签反向散射的信号强度为-60dBm，天线的输入反射系数S11=-15dB。定义该定向耦合器的输出端到输入端损耗为0dB；输出端到耦合端的隔离为-30dB；输入端到耦合端的耦合为-10dB。此时，天线端的载波信号强度为30dBm，天线失配反射的载波信号强度为15dBm（30dBm-15dB），耦合到接收机的载波信号强度为5dBm（15dBm-10dB），与此同时，发射机的载波也直接耦合到接收机的信号强度为0dBm（30dBm-30dB）。由于隔离泄漏的载波能量小于天线反射的耦合泄漏可以认为接收机的载波泄漏信号强度为5dBm（5dBm0dBm）。标签信号通过耦合到达接收机的信号强度为-70dBm（-60-10）。

图5-27采用定向耦合器作为隔离器件的单天线方案

从隔离效果的角度看，使用定向耦合器后，载波泄漏为5dBm自身泄漏并不大，还可以通过载波消除的手段进一步抑制，有效信号的强度为-70dBm，可以实现解调，两个信号的差值为75dB，与环形器的结果类似。定向耦合器借助其尺寸小、成本的优势成为超高频RFID阅读器系统中普遍使用的隔离器件。