4-1 Reader Hardware System
以R1000為核心的UHF Reader系統，在架構上可分為三大部分：
1. System DC Power 2. RF Part for R1000
3. Digital Interface for R1000
以下圖示為UHF Reader系統方塊圖。
圖4.1 Intel® R1000（Indy R1000）with its Associated Blocks
31
依照其系統方塊圖，將電路實現：
圖4.2 Reader Circuit implementation
圖4.3 External Board
External Board為UHF Reader系統之RF Front-End的前端電路
，
與主電路的連結關係如圖4.4所示。
圖4.4 Proposed UHF RFID Reader － RF Front-End
註 ：P1 為 Antenna 端，P2 為 TX 端，P3 為 RX 端。
33
4-2 System DC Power
System DC Power分為兩大部分，一部分是供給R1000，另一部 分是供給MCU（ARM7，即AT91SAM7S256）。R1000被供給5V、3.3V、
1.8V；ARM7被供給3.3V。圖4.5為示意圖：
圖4.5 System DC Power示意圖
System DC Power 建構可由圖4.6來表示：
圖4.6 System DC Power建構圖
圖中，USB Interface是以USB Cable連接Reader和Host端；排針a、
b、c輸入5V直流電壓。設計原理為P1.8V和P3.3V輸出須由USB的電 源電壓5V做 enable ，提供ARM7電源 。等ARM7 reset完後， 由其 32 pin 、52pin輸出控制訊號，再配合USB的5V enable P1.8V_RF 、 P3.3V_RF 、P1.8VT 、P3.3VT 電源電路。
表4.1 所示為排針a、b、c 輸入電壓和限流及各供給的電源電路。
表4. 1 Power Supply Input
35
圖4.7所示為System DC Power時序圖。
USB 5V 5V input (from Power Supply)
0 s
P5V_ RF
P3.3V
P1.8V
0V
nPWREN_RF
nPWREN_TILDEN P3.3V_RF
P1.8V_RF
P3.3VT
P1.8VT
圖4.7 System DC Power時序圖
4-2.1 DC Power for R1000
R1000需被供給5V、3.3V、1.8V。R1000的電源供應接腳和其供 應對象如表4.2所示。
Pin # Pin Name Type+ Description 1 Vdd_rx_rf P5V_RF Supply for receive RF
13 Vdd_tx_rf P3.3V_RF Supply for transmit RF，except for PA
14 Vdd_tx_pre P1.8V_RF PA pre-driver supply 15 Vdd_tx_pa P1.8V_RF PA supply
19 Vdd_tx_ana P3.3V_RF Supply for transmit analog 28 Vdd_dig P1.8VT Digital supply
29 Vdd_io P3.3VT I/O supplies
43 Vdd_clkref P1.8V_RF Supply of clock reference input buffer
44 Vdd_pll P3.3V_RF PLL Supply 47 Vdd_vco P3.3V_RF VCO supply 56 Vdd_rx_ana P3.3V_RF RX analog supply
表4. 2 R1000 Pin Listing for Power Supply
Testing
Purpose：To make sure the power supply is under the margin.
Reference：R1000 Specification 5.0V +/- 5%
3.3V +/- 5%
1.8V +/- 5.6%
37
Power Rail Voltage
Typical after Reset Current
（mA）
Tag Read
Current（mA）
Voltage Notes
P1.8V_RF 6 205 1.8V analog
P3.3V_RF 195 226 3.3V analog
P5V_RF 17 17 5V analog
Test setup ：
1. Digital Multi-meter ( Agilent 34401A)設定為電壓( DC V )檔，量 測System DC Power Circuit的Test Point 。
2. Digital Multi-meter (Agilent 34401A )設定為電流( DC I )檔，與電 路串聯，量測電流。
3. Open RFID Tracer。在〝 Reader Control 〞 box中，點選Run Inventory。
4. 重複步驟 2，量測工作電流。
☆Result：
Type Voltage Test Value ( V ) Test Value ( I ) Standby
Test Value ( I ) Read
P5V_RF 5V 5.00V 13.573mA 13.452mA P3.3V_RF 3.3V 3.34V 100.580mA 118.464mA P1.8V_RF 1.8V 1.835V 2.4111mA 71.991mA
P1.8VT 1.8V 1.804V 37.890mA 38.521mA P3.3VT 3.3V 3.34V 1.4450mA 1.4860mA
Test Value ( I ) ( Read )
Condition：ANA_CTRL5. txmix_pwr = -10 dB ANA_CTRL6. pa_power = 17dB
39
4-2.2 DC Power for ARM7
ARM7主要是需3.3V和1.8V的供電；不過ARM7內建1.8V Regulator，其output可提供1.8V給ARM本身。
Testing
Purpose：To make sure the power supply is under the margin.
Reference：ARM7 DC Spec.
DC Characteristics：
1.8V Voltage Regulator Characteristics：
Test setup：
1. Digital Multi-meter ( Agilent 34401A)設定為電壓( DC V )檔，量 測System DC Power Circuit的Test Point 。
2. Digital Multi-meter (Agilent 34401A )設定為電流( DC I )檔，與電 路串聯，量測電流。
3. Open RFID Tracer。在〝 Reader Control 〞 box中，點選Run Inventory 。
4. 重複步驟2 ，量測工作電流。
41
☆Result：
Type Voltage Test Value ( V ) Test Value ( I ) Standby
Test Value ( I ) Read
P3.3V 3.3V 3.31V 32.090mA 33.055mA P1.8VATMEL 1.8V 1.837V 22.815mA 22.580mA
Test Value ( I ) ( Read )
Condition：ANA_CTRL5. txmix_pwr = -10 dB ANA_CTRL6. pa_power = 17dB
4-3 RF Part for R1000
4-3.1 Transceiver Specifications
4-3.1.1 Transceiver Peripheral Circuit
以R1000和其週邊電路構成的收發系統，其RF電路部分如圖4.8 所示。
圖4.8 Transceiver Peripheral Circuit Transmitter：
發射訊號從R1000的PA_P、 PA_N輸出。Matching Network的作
用是阻抗匹配，使R1000的differential輸出特性阻抗儘可能趨近25Ω，
43
與Balun（ACX. BL2012-05B0900）的Balanced Impedance作匹配。
Balun 把differential 訊號轉換成single-ended訊號後，再由Band Pass Filter（MURATA DFCB2915MLDJAA）讓902~928MHz頻帶的訊號 通過；訊號進入90度Hybrid（Mini-Circuits QBA-12），輸出訊號的 功率減少一半，最後由天線送出訊號給Tag。
Receiver：
天線端在接收到Tag 的訊號後，進入90度Hybrid（Mini-Circuits QBA-12），輸出訊號的功率減少一半；經過10dB的衰減電路後；再由 Band Pass Filter（MURATA DFCB2915MLDJAA）讓902~928MHz 頻帶的訊號通過；最後由Balun（ACX. BL2012-05B0900）將訊號由 single-ended轉成differential輸入R1000的RX_P和RX_N。
4-3.1.1.1 External Board
本論文設計之UHF Reader系統為Mono（單一的）- static Antenna 架構。External Board為連接天線的前端電路，由Band Pass Filter（BPF）
和90°Hybrid建構而成。Band Pass Filter為發射路徑上的濾波元件，
而90°Hybrid被使用來隔離發射和接收路徑，如圖4.9所示。
圖4.9 External Board
4-3.1.1.1.1 90°Hybrid
90°Hybrid（Quadrature Hybrid）亦可稱為Power Splitter/Combiner。
它是一個 4 port 的元件，常被使用在把一個輸入訊號平分成兩個相 差90°的訊號輸出；或結合兩個高隔離度的訊號作輸出。其電路表示 圖如圖4.10。
圖4.10 90° Hybrid
45
4 port 高頻元件的S參數可以由以下式子來表示：
S ━ A
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
44 43 42 41
34 33 32 31
24 23 22 21
14 13 12 11
S S S S
S S S S
S S S S
S S S S
理想的90°Hybrid之S參數為：
S ━ 2
−1
⎥⎥
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎢
⎣
⎡
0 1
0
0 0 1
1 0 0
0 1 0
j j j
j
可由以上的數學式得出，理想的90°Hybrid之port 1、port 2、
port 3、port 4其Return Loss必須為0。假設port 1為輸入埠，port 1到port 2輸出的Insertion Loss大小為
2
1 ，相位-90°；port 1到port 3輸出的 Insertion Loss大小為
2
1 ，相位180°，port 2、port 3輸出訊號相差90°，
port 1到port 4輸出的Insertion Loss大小為0，相位0°，此端為隔離埠。
如圖4.11所示。
port 2和port 1訊號振幅比值為 2 1
∵ 2
1
1 2 = V
V ∴
2 1
2 1
2
2 =
V V
所以port 2和port 1訊號功率比為1 : 2。假設port 1輸入1 Watt，port 2輸出為0.5 Watt，依此類推，port 3輸出也為0.5 Watt。
另外，90°Hybrid的任一port皆可作為輸入埠。
圖4.11 The basic configuration of 90° Hybrid
本論文使用的90°Hybrid為Mini-Circuits QBA-12，使用頻段800～
1200MHz，isolation 23 dB typical。在整個Reader系統中的功用為隔離 發射和接收路徑。發射訊號經過BPF，進入90°Hybrid，一半功率由天 線端發射出去，另一半功率被50Ω端吸收，此時接收端為隔離端。接 收訊號時，天線端接收到Tag回傳的訊號，進入90°Hybrid後，一半訊 號功率到接收端，一半到發射端，此時50Ω端為隔離端。
4-3.1.1.1.2 Band Pass Filter（BPF）
External Board所使用的BPF為MURATA DFCB2915MLDJAA，
中心頻率915 MHz，頻寬26 MHz，Insertion Loss at BW（Bandwidth）
為2.5dB max.。
◆BPF Spec.量測
1. 使用Vector Network Analyzer（VNA）量測S Parameters，並存成 S2P檔。
47
2. ADS模擬如圖4.12所示。
圖4.12 ADS simulation for BPF Spec.
☆Result：
S21：BPF IN →OUT ( Insertion Loss ) S11：Return Loss
4-3.1.1.2 Performance of External Board
利用ADS軟體評估External Board的performance。系統模擬架構如 圖4.13所示。圖中的S2P model代入BPF的S2P檔，S4P model代入 90°Hybrid的S4P檔。
圖4.13 ADS simulation for External Board
模擬結果可分成兩種情況來說明：
一、 Port 3 input (Reader發射訊號)
49
◎ S Parameters Port 3 input：
S13：從BPF輸出的Reader發射端訊號，到天線端輸出。
S43：從BPF輸出的Reader發射端訊號，耦合到50Ω端。
S23：從BPF輸出的Reader發射端訊號，到Reader的接收端。
Tx端到Rx端的隔離度。
S33：從BPF輸出的Reader發射端訊號，反射回Reader發射端。
Simulation Result ：
S13：訊號從BPF輸出時Pass band衰減約1.7dB，再經過90 °Hybrid，衰 減約3dB ，所以總合約4.7dB。
S43：同S13 。
S23：訊號從BPF輸出時Pass band衰減約1.7dB，再經過90 °Hybrid，衰 減約23dB，所以總合約24.7dB。
S33：BPF的Return Loss，再加上訊號從BPF輸出，輸入90 °Hybrid時，
反射回BPF。Pass band以外的頻率，無法從BPF通過，便直接回 到90°Hybrid。在914MHz ，疊加後約－10dB。
二、 Port 1 input (Reader接收訊號)
◎ S Parameters Port 1 input：
S21：從天線端接收到的訊號，耦合到Reader的接收端。
S31：從天線端接收到的訊號，到Reader的發射端。
51
S41：從天線端接收到的訊號，到50Ω端。
天線端到50Ω端的隔離度。
S11：從天線端接收到的訊號，反射回天線端。
Simulation Result：
S21：天線接收的訊號，經過90 °Hybrid，衰減約3dB。
S31：天線接收的訊號，經過90 °Hybrid，衰減約3dB， 再經過BPF，
在Pass band衰減約1.7dB，所以總合約4.7dB。
S41：因為電路不匹配；故天線接收的訊號到Reader的發射端，衰減 約3dB ，再加上BPF的Return Loss約10dB，回到90 °Hybrid後，
再衰減約3dB，總合約16dB。
S11：天線端的Return Loss ，再加上因為電路不匹配；故天線接收 的訊號到Reader的發射端，衰減約3dB ，再加上BPF的Return Loss約10dB ，回到90 °Hybrid 後，再衰減約3dB 。疊加後 約－16dB。
用VNA量測External Board的performance。
實驗一
1. 使用VNA量測S Parameters，存成S2P檔。
2. ADS模擬如圖4.14所示。
53
圖4.14 External Board 實體量測
☆Result：
S33：在912MHz ，約－18dB S31：在902 ~ 928MHz，約－5dB S13：在902 ~ 928MHz，約－5dB S11：在914MHz ，約－16dB
實驗二
☆Result：
S23：在902 ~ 928MHz，約-25dB
55
實驗三
☆Result：
S21：在902 ~ 928MHz ，約－3dB
4-3.1.2 R1000 RF Block Diagram
R1000內建Mixer、VCO、PA、RF envelope detectors、ADCs、
DACs等RF blocks。R1000的RF receiver，原理上是Zero IF receiver架 構。其receiver block diagram 如圖4.15 黃色線所框出的區塊所示。
圖4.15 R1000 RF/analog Rx block diagram
4-3.1.2.1 Zero IF receiver
Zero IF receiver的Local Oscillator（LO）頻率和RF頻率相同。
因Reader發射CW訊號和接收Tag的反散射調變訊號是同時的，
所以會有一部分的CW訊號漏進接收電路中，我們把它用Asinωt來表 示。對於Tag的反散射調變訊號，因Tag是調變它的data在CW訊號之
57
為了解決phase的問題，接收電路使用dual orthogonal local oscillation訊號，我們把它分別表示成2Bsin ωt 和2Bcos ωt。
在I分支：
[ ]
( ) ( ) ( )
( ) ( )
Asin f (t) sin( + ) 2 sin
cos 2 cos 0 f (t) cos 2 cos
cos 2 f (t)cos f (t)cos 2
t t B t
AB t AB B t
AB t AB B B t
ω ω θ ω
ω ω θ θ
ω θ ω θ
+ ∗
= − ⎡ ⎣ ∗ − ∗ ⎤ ⎦ − ∗ ⎡ ⎣ + − ⎤ ⎦
= − + + − +
在Q分支：
[ ]
( ) ( ) ( )
( ) ( )
Asin f (t) sin( + ) 2 cos
sin 2 sin 0 f (t) sin 2 sin
sin 2 f (t)sin 2 f (t)sin
t t B t
AB t AB B t
AB t B t B
ω ω θ ω
ω ω θ θ
ω ω θ
+ ∗
= ∗ + + ⎡ ⎣ + + ⎤ ⎦
= + +
經過帶通濾波器（band-pass filter）濾除DC offset之後，I分支的 訊號為
B f (t)cos θ
，Q分支的訊號為Bf (t)sinθ
。由以上的分析可知，使用Zero IF receiver可以解決CW訊號漏進
接收電路的問題，而且隨著random phaseθ的改變，每個分支的訊號 可能是正數、負數或0，因為正交的特性，I分支的訊號和Q分支的訊 號將不會同時為0。把I、Q訊號分別平方後相加，結果得出B2f2
( )
t ， 如此便解決了phase的問題。以此方式我們就能解調出Tag的訊號 f( )
t 。 而R1000並不是採用I、Q訊號分別平方後相加的方法。在Mixer 之後，進入Digital Block之前，有Phase Recovery（相位回復）做處理的動作。
4-3.1.2.2 Local oscillator ( LO )
R1000 receiver的downconversion mixer可以由內部的LO訊號或 由外部PA的輸出分接出來作為外部的LO訊號來驅動。本論文是採用 內部的LO訊號，其由R1000內部的PLL產生，而提供PLL synthesizer 的參考頻率是一個24MHz的Temperature Compensated Crystal
Oscillator（TCXO）。
4-3.1.2.3 AC coupling interface
R1000的( MIX_IP, AMP_IP )、( MIX_IN, AMP_IN )、( MIX_QP, AMP_QP )、( MIX_QN, AMP_QN )用0.1uF電容作連接，這簡易的 high-pass filter被使用來移除DC offset。AC coupling interface如圖4.16 所示。
59
圖4.16 AC coupling interface
4-3.1.2.4 Automatic Gain Control (AGC)
在R1000內的AGC藉由the Indy R1000 Firmware microcontroller被 執行。Receiver有兩個波峯檢測點（DET blocks），在IF LNA和 IF-Mixer/VGA可控制功率增益，如圖4.17所示。IF Mixer/AGC的AGC 演算法利用在Rx路徑中RSSI的值來決定輸入ADC（Analog-to-Digital Converter）的訊號振幅。在此增益設定的目的為避免輸入到ADC的訊 號被前級電路削減。
LNA Fc
DET
IF LNA
DET
IF Mixer AGC
ADC
Counter
圖4.17 Gain Control Points
4-3.1.2.5 Transmitter
R1000的Transmitter支援in-phase quadrature (I-Q) vector modulation和polar modulation兩種調變方式。
Direct IQ up-conversion可形成single sideband amplitude shift keying ( SSB-ASK )和phase reversal amplitude shift keying ( PR-ASK )兩種調變訊號，Polar modulation可形成double sideband amplitude shift keying (DSB-ASK)的調變訊號。上述的情況，訊號都 是最先在Digital Domain產生，由sigma-delta digital-to-analog
converters（ΣΔDAC）轉換成類比的I、Q訊號輸出。
4-3.1.3 Power Consumption
使用MacTool設定Tx端Mixer和PA的增益（Gain）值，量測在不 同的增益組合下，Reader系統發射CW訊號時的功率消耗（Power Consumption）。
61
Test setup：
1. Turn on Reader。
2. 啟動電腦（Host），並用USB cable連結Reader和Host端。
3. Open MacTool，使用 icon〝 CW On 〞，然後在〝 Tilden Commands/Macros〞group box，點選RF Power，設定Gain值。
4. 記錄Power Supply的電流顯示。
5. 計算Power Consumption：
PD=ICC･VCC
ICC：工作電源電流 VCC：電源電壓
☆Result：
八種condition
Power Consumption for Power Supply：
4-3.2 R1000 Receiver Specifications
4-3.2.1 R1000 Receiver Configuration
R1000的RF receiver架構中，LNA/Mixer有兩種操作的模式：
high gain和low gain。表4.3所列為這兩種模式的適用時機和建議的架 構。
63
調解 適用operation 建議的架構 low gain 10dBm jammer monostatic placing four 390Ω
resistors
(減少功率消耗) high gain 0dBm jammer 1. bi-static
2. ETSI LBT 3. a more sensitive
receiver 表4. 3 High / Low gain mode
Low gain mode通常被選擇使用於操作在較大的干擾環境或較 大的Tx leakage，High gain mode通常被使用在外界干擾（同時間有其 它Reader）較小或較小的Tx leakage狀況下。
本論文系統採用內建的PA發射訊號，發射功率在0.1W以下，故 漏到接收電路的Tx leakage較小，所以使用High gain mode。
表4.4所示為high gain mode和low gain mode的performance。
conversion loss IP1dB IP3 IP2
low gain 5 dB 13dBm 23dBm 57dB high gain 0 dB 8dBm 16dBm 57dB
表4. 4 Performance of High / Low gain mode
Mode
項目
Mode
項目
以下針對表4.4所列的規格項目作解釋：
(1) Conversion Loss (or Gain)
定義為輸出頻率的功率除以輸入頻率的功率之比值。
(2) P1dB
Power output at 1dB compression point.
可在輸入或輸出定義。圖4.18為示意圖。
圖4.18 P1dB (3) IP3
IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率。
在這一點時假設的輸入功率就是輸入IP3（I IP3），輸出功率就是 輸出IP3（O IP3）。圖4.19為示意圖。
) (dBm POUT P1dB
mds
PO,
動態範圍(DR)
1dB
) (dBm PIN
dB
PIN,1 mds
Pi,