中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目： UHF RFID Reader 硬體電路之實現

系 所 別：電機工程學系碩士班 通訊組 學號姓名：M09501024 曾芸芳

指導教授：田慶誠 博士

中華民國 九十八年 八月

UHF RFID Reader 硬體電路之實現

指導教授︰田慶誠  博士      研究生︰曾芸芳 中華大學電機研究所  通訊組 

摘要

本篇論文討論使用於無線射頻辨識系統（RFID）中的讀取器

（Reader）系統電路。著眼於參考國外大廠Impinj的UHF RFID

transceiver IC規格和reader電路設計，實現低成本之低功率UHF RFID reader。

第一章為序論。第二章介紹UHF RFID reader，探討UHF RFID的 演進和早期的UHF reader。第三章介紹本論文電路系統使用的

transceiver IC，Indy R1000。第四章為UHF reader硬體電路實現及系統 電路各項規格的量測，量測所使用的操作介面為RFID Tracer和

MacTool，量測結果與所參考的國際通用標準（EPC Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol）成功地互相驗證。 

 

關鍵詞：無線射頻辨識系統，讀取器（Reader），Indy R1000

Implementation of UHF RFID Reader

Advisor︰Dr. Ching-Cheng Tien

Student︰Yun-Fang Tseng

Department of Electrical Engineering

Chung Hua University

Abstract

In this thesis, the EPC C1G2 (class 1 generation 2) UHF Radio

Frequency Identification（RFID）reader system is discussed. Referring to the specifications of the UHF RFID transceiver IC and reader circuit design from Impinj companies, this work had successfully implemented a low-cost and low-power UHF RFID reader.

The first chapter is the introduction. The second chapter introduces UHF RFID reader history to explore the evolution of RFID systems. The third chapter describes the transceiver IC, Indy R1000, used in this work.

The fourth chapter is focused on the implementation of UHF reader and the measurements of all system specifications. We use the RFID Tracer and MacTool user interfaces to control the transceiver IC and verify the system parameters. The measurement results were qualified and

compatible to the EPC C1G2 UHF RFID Protocol.

Keyword：RFID, Reader, Indy R1000

誌謝

三年的時間說長不長，說短卻也不短，經過研究所這段歷程的洗 禮，讓我從原本只會被動學習到能主動找資料研讀，獨立解決問題；

有這樣的成長，最要感謝的是我的指導教授田慶誠博士，在遇到瓶頸 和問題時，對我的提醒和指點。

其次要感謝的人就是張慶信大哥在UHF reader技術和開發介面 軟體上所提供的諮詢和幫忙，讓我能有效利用現有的資源完成硬體實 作和量測。另外還要感謝工研院無線辨識科技中心的何台生學長，在 技術和電子零件上的友情贊助。

感謝通訊實驗室的學弟永聖、興浚、丞延、貿鴻、宣志、維彥、

武華在研究生活上的陪伴，感謝同梯同學在學業上的砥礪。

最後尤其要感謝的是我的父母和兩個弟弟，他們一直以來對我的 支持和鼓勵，讓我無後顧之憂，專心在論文上的研究。謝謝胞弟鴻程 在我低潮失意時給予適時的加油打氣和精神上的支持，謝謝胞弟家煒 在我的電腦出問題時，無私的提供電腦讓我使用。

因為有你們，我願把這份榮耀與你們分享。

曾芸芳 謹識

中華民國九十八年八月 于新竹

1 

目錄

目錄...1

圖目錄...3

表目錄...5

第一章 序論 ...6

1-1 研究前言 ...6

1-2 研究目標 ...7

1-3 研究流程 ...8

第二章 UHF RFID Reader 介紹 ... 11

2-1 UHF RFID 的演進 ... 11

2-2 早期的 UHF Reader ...13

2-2.1 AWID MPR-2010AN 接收機系統 ...16

2-2.2 AWID MPR-2010AN 發射機系統 ...17

第三章 UHF RFID Transceiver IC ...18

3-1 Indy R1000 ...18

3-2 Indy R1000 與 EPC Class1 Gen2 ...22

3-2.1 Modulation mode...22

3-2.1.1 PIE encoding ...22

3-2.1.2 DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK ...23

第四章 UHF RFID Reader 硬體電路實現...30

4-1 Reader Hardware System ...30

4-2 System DC Power ...33

4-2.1 DC Power for R1000...35

4-2.2 DC Power for ARM7 ...39

4-3 RF Part for R1000 ...42

4-3.1 Transceiver Specifications ...42

4-3.1.1 Transceiver Peripheral Circuit...42

4-3.1.1.1 External Board...43

4-3.1.1.1.1 90°Hybrid ...44

4-3.1.1.1.2 Band Pass Filter（BPF）...46

4-3.1.1.2 Performance of External Board ...48

4-3.1.2 R1000 RF Block Diagram ...56

4-3.1.2.1 Zero IF receiver ...56

4-3.1.2.2 Local oscillator ( LO ) ...58

4-3.1.2.3 AC coupling interface...58

4-3.1.2.4 Automatic Gain Control (AGC)...59

4-3.1.2.5 Transmitter...60

4-3.1.3 Power Consumption...60

4-3.2 R1000 Receiver Specifications ...62

4-3.2.1 R1000 Receiver Configuration ...62

4-3.2.2 Receiver Noise Figure...65

4-3.2.3 Jammer Power ...66

4-3.2.4 LO Leakage ...73

4-3.2.5 Sensitivity ...74

4-3.2.6 RSSI...75

4-3.2.7 Selectivity ...79

4-3.3 R1000 Transmitter Specifications...81

4-3.3.1 Tx Output Power ...81

4-3.3.1.1 CW（Continuous Wave) ...81

4-3.3.1.2 Modulated Signal...86

4-3.3.2 Tx Signals in Time Domain...88

4-3.3.3 Tx Spectrum Mask ...99

4-3.3.3 OIP3（Third-order intercept point） ...102

4-4 Digital Interface for R1000 ...103

4-4.1 TCXO Specifications ...104

4-4.2 Clock Output Specifications ...108

4-4.3 Serial Interface ... 112

4-4.3.1 SSP（Synchronous Serial Port）... 116

第五章 結論與未來展望 ...121

參考文獻...122

附錄...124

3 

圖目錄 

圖1.1 RFID 系統架構示意圖 ...7

圖1.2 研究流程圖...10

圖2.1 AWID MPR-2010AN ...13

圖2.2 AWID MPR-2010AN 的天線- Patch Antenna...14

圖2.3 AWID MPR-2010AN 的電路部分 ...14

圖2.4 AWID MPR-2010AN 接收機系統區塊圖 ...15

圖2.5 AWID MPR-2010AN 發射機系統區塊圖 ...15

圖3.1 R1000 Top Level RF Block Diagram...19

圖3.2 R1000 Top Level Digital Block Diagram ...20

圖3.3 PIE symbols ...23

圖3.4 Reader-to-Tag modulation ...24

圖3.5 Multi-channel CEPT environment...27

圖3.6 DSB-ASK Modulation...27

圖3.7 SSB-ASK Modulation ...28

圖3.8 PR-ASK Modulation...29

圖4.1 Intel® R1000（Indy R1000）with its Associated Blocks ...30

圖4.2 Reader Circuit implementation...31

圖4.3 External Board ...31

圖4.4 Proposed UHF RFID Reader － RF Front-End...32

圖4.5 System DC Power 示意圖...33

圖4.6 System DC Power 建構圖...33

圖4.7 System DC Power 時序圖...35

圖4.8 Transceiver Peripheral Circuit ...42

圖4.9 External Board ...44

圖4.10 90° Hybrid...44

圖4.11 The basic configuration of 90° Hybrid ...46

圖4.12 ADS simulation for BPF Spec. ...47

圖4.13 ADS simulation for External Board...48

圖4.14 External Board 實體量測 ...53

圖4.15 R1000 RF/analog Rx block diagram...56

圖4.16 AC coupling interface ...59

圖4.17 Gain Control Points...60

圖4.18 P1dB...64

圖4.19 IP3...65

圖4.20 型式一...67

圖4.21 型式二...67

圖4.22 型式三...68

圖4.23 Circuit test point of Jammer Power ...70

圖4.24 LO Leakage...73

圖4.25 Definition of receiver’s Selectivity...80

圖4.26 Circuit test point of Tx Output Power...82

圖4.27 Reader-to-Tag RF envelope（DSB-ASK) ...88

圖4.28 Link timing...89

圖4.29 R=>T Preamble and R=>T Frame-Sync...89

圖4.30 Circuit Test Point for Tx Signals (Time Domain) ...91

圖4.31 Circuit test point of Tx Spectrum Mask...100

圖4.32 Definition of OIP3 ...102

圖4.33 OIP3 計算式 ...102

圖4.34 R1000 Top Level Digital Block Diagram...103

圖4.35 Probe Setup ...106

圖4.36 Probe Setup ...109

圖4.37 Agilent 16700A 量測 CHIP_RESETn、DTEST1、DTEST0、IRQn...115

圖4.38 Serial Interface Frame Format ...116

圖4.39 R2T Timing after Reset ...117

圖6.1 Time Domain v.s Frequency Domain ...124

圖6.2 Block diagram of a classic superheterodyne spectrum analyzer ...125

圖6.3 RBW of Spectrum Analyzer ...126

5 

表目錄 

表2. 1 EPC Class1 Gen.2 standard protocol ...12

表3. 1     Frequency-hopping spread-spectrum channelization………..28 

表4. 1 Power Supply Input………..33

表4. 2 R1000 Pin Listing for Power Supply...36

表4. 3 High / Low gain mode ...63

表4. 4 Performance of High / Low gain mode...63

表4. 5 Noise figure...66

表4. 6 R1000 Receiver LO Leakage...74

表4. 7 Listen Before Talk along the Rx Chain ...76

表4. 8 R1000 Link Profiles...88

表4. 9 RF envelope parameters...88

表4. 10 Link timing parameters ...89

表4. 11 Query Command ...94

表4. 12 QueryRep Command ...96

表4. 13 ACK Command ...98

表4. 14 R1000 Linear mode OIP3 ...103

表4. 15 R1000 Digital Interface Specifications...104

表4. 16 R1000 TCXO Specifications ...105

表4. 17 R1000 Clock Output Setting...108

表4. 18 Normal Mode and Factory Test Mode...113

第一章 序論

1-1 研究前言

RFID（Radio Frequency Identification）的歷史起源，可追溯到第 二次世界大戰時期，RFID當時的功能，是英軍用於分辨敵方和英方 飛機。所應用的原理，是將類似今日使用的主動式標籤（Active Tag）

裝設在英國飛機上，透過雷達發射訊號到飛機上的標籤，標籤就會發 出適當的回應的訊號，以此就可以判斷飛機為己方所有，此系統稱為 IFF（Identity：Friend or Foe），目前世界上的飛行管制仍是以此為基 礎。

近幾年，由於受到美國Wal-Mart為代表的大型零售商的推動，

RFID技術在全球掀起陣陣熱潮，吸引了眾多廠商參與相關技術和晶 片的研究、開發。

RFID系統架構可分為: Tag（標籤）、Reader（讀取器）及系統應 用。其基本工作原理是：Reader透過Antenna（天線）發射一定頻率 的RF訊號，當Tag進入發射天線工作區域時，會產生感應電流；透過 內部電路產生能量而被啟動。之後，Reader的接收天線收到Tag傳送 的載波訊號，Reader對接收到的訊號進行解調和解碼，然後送到 Host(電腦主機)進行處理，圖1.1為RFID系統架構示意圖。

7 

圖1.1 RFID 系統架構示意圖

1-2 研究目標

NXP Semiconductors、ST和TI這些現有的RFID玩家，到西元2007 年3月為止，都有銷售HF Tag、HF Reader和UHF Tag；但未進入UHF Reader晶片這塊市場。倫敦的市場研究機構ABI Research (ABI) 的分 析師 Jonathan Collins指出，「長久以來人們都關注於在Tag的訂價，

Reader反而被遺忘了，這些系統的成本不容忽視。」

UHF Reader的體積大，且成本高達2,000美元之多，原因是電路 架構是由不便宜的收發模組構成，而這些模組由超過100個離散元件 設計而成。因此本論文著眼於參考國外大廠的UHF RFID Transceiver IC 規格和UHF Reader電路設計，實現低成本之低功率UHF RFID Reader。

1-3 研究流程

RFID技術可基本分為頻率為130kHz左右低頻(LF)系統、頻率為 13.56MHz的高頻(HF)系統以及頻段在900MHz左右的超高頻(UHF) 系統，還有工作在2.4GHz或者5.8GHz的微波(MW)系統。

其中的LF、HF系統是屬於電磁感應偶合（Inductive Coupling）

方 式 ，UHF和MW系統是屬於反散射（Backscatter）之傳導偶合

（Propagation Coupling）方式。

        反散射（Backscatter），在 Tag 至 Reader 的通信調變中，Tag 以 此技術回應Reader。藉此 Tag 可以有效控制其內部電晶體打開與關 閉，隨著電晶體的開與關，將使Tag 的天線對 Reader 所發出的訊號，

作訊號的反射或吸收，此即反散射調變機制。

UHF RFID系統的Reader包括兩個部分：

一、與主電腦連結的介面

這是Reader與主電腦溝通的介面，可以是有線方式的RS232、USB 介面或無線方式的藍芽（Bluetooth）、GPS介面；當主電腦之應用系 統欲進行物件之辨識工作時，可經由此一介面控制Reader發送無線電 波能量，以寫入或讀取Tag內的資訊。

二、控制電路、收發模組與收發天線

控制電路包括微控制器電路，用來執行主電腦的命令以控制收發

9 

模組與收發天線發射無線電波能量，來進行對Tag的讀取或寫入資料 動作。

本論文研究UHF RFID系統之Reader端的整合應用，因此在研究 流程上是以低製造成本和成品的各項效能作為研究的重點考量。

「UHF RFID Reader硬體電路」研究流程:

（一） 收集RFID Reader相關資料，包含各式線上資料庫提供的paper、

國 內 外 廠 商 販 售 產 品 的datasheet 、 EPCglobal Class1 Gen2 standard、學術論文等等。

（二）分析RFID系統工作原理及研讀EPCglobal Class1 Gen2 standard protocol

（三）分析國外大廠在市面上販售的UHF RFID Reader電路架構。

（四）根據研究流程(一)、(二)、(三)所蒐集及研讀的資料訂定本論 文所使用之UHF RFID Transceiver IC，即Impinj 的R1000 chip，

並訂定系統電路的各項規格，包含射頻前端電路、控制電路、

電 源 供 應 電 路 等 。 完 畢 後 ， 再 回 至 研 究 流 程 ( 二 ) ， 檢 驗 RFID-Reader所有相關規格，是否符合EPCglobal Class1 Gen2 standard protocol。

（五）使用Protel DXP軟體繪製PCB Layout並進行電路實作。

（六）進行量測，驗證Reader的各項功能。量測完畢後，再回至研究 流程(二)，檢驗其量測結果是否有符合RFID-Reader相關規格。

研究流程如下圖所示：

圖1.2 研究流程圖

11 

第二章 UHF RFID Reader介紹

2-1 UHF RFID的演進

為了克服高頻(HF) 13.56MHz 讀取器體積過大與讀取距離的限 制，RFID 在技術上已有所進展，並朝向整合超高頻(UHF)方向發展。

早期採用的 RFID 標準通訊頻段為 13.56HMz，屬於近場感應，

通訊距離小於10 公分，為將 RFID 應用延伸至安全領域與開發更多 創新應用，2004 年 UHF Gen2 v1.0.9 標準發布，2008 年第一季 UHF Gen2 v2.0 標準正式底定。

上述提到的UHF Gen2 標準，是由 EPC-global 組織發布。這個聯 合組織是由國際組織EAN（European Article Numbering；歐洲商品編 碼）及UCC（Uniform Code Council；編碼規範會議）合資而成，主 要在帶領電子商品編碼發展的網絡，在全球任何產業中，提供一個全 球即時的標準、自動化、精確的供應鏈商品認證工作，EPCglobal 網 絡涵蓋 5 大要素，包括電子商品編碼（EPC）、識別系統（EPC Tag and reader）、商品命名服務（ONS；Object Name Service）、物體結構語 言（PML；Physical Makeup Language）及 Savant 軟體（Savant software）

       

EPCglobal 標準對於頻率的要求是採用超高頻 UHF， 即

860~960MHz 的範圍，其取決 UHF 頻段的原因，在於 UHF 頻段的傳

輸距離最遠可達約5 公尺，而且速度較快，正符合整體供應鏈的物流 管理應用的需求。但是對於近距離的每個Item 頻率讀取的需求，

EPCglobal 總會也有考慮使用 13.56MHz 的規劃，相關細節也將隨著 標準發展狀況公佈。從全球各國的UHF 頻段確認，大致可分為三大 區域，一是美洲區域，主要是落在902~928 MHz 的範圍；另一是歐 洲區域，則是落在865.6~867.6MHz 的範圍；第三屬於亞太部分，頻 段的確定相較為複雜，有些國家除了開放900MHz 的範圍外，還會再 增加860MHz 的頻段，如新加坡、香港等即是；而台灣是落在 922~928 MHz 的頻段。表 2.1 為 EPC Class1 Gen.2 standard protocol 中 Reader 和Tag 通訊規範的整理。

Standard EPC Class1 Gen.2 Frequency Range 860 ~ 960MHz

Forward Modulator DSB-ASK , SSB-ASK , PR-ASK

Forward Coding PIE

Backward Modulator ASK or PSK Modulation Index 80~100%

Return Coding FM0 , Miller M=2,4,8 sub carrier Forward 40,80,160kbps Data Rate

FM0 40,160,320,640 kbps

Miller →

FM0 per symbol

表2. 1 EPC Class1 Gen.2 standard protocol

13 

2-2

早期的

UHF Reader

     

早期的UHF Reader是由離散的元件建構而成。以AWID公司出產 的MPR-2010AN（圖2.1）為例；此Reader支援EPC Class1、ISO-18000-6 Type B、EM Micro，操作頻率在902-928 MHz的範圍（美規）。

  圖2.1 AWID MPR-2010AN  

        其架構如圖2.2、圖2.3所示。圖2.2是天線部分，為Patch Antenna 型式，和電路部分隔著一層保麗龍，保麗龍的介電常數等同於空氣。 

圖2.3為電路部分，包括由離散的元件組成的RF收發模組和控制電 路，及連接Patch Antenna和RF收發模組的90度Hybrid，還有跟主電腦 相連結的網路卡。

圖2.2 AWID MPR-2010AN的天線- Patch Antenna

圖2.3 AWID MPR-2010AN的電路部分

15 

整個系統架構可由圖2.4和圖2.5來表示；圖2.4為AWID MPR-2010AN接收機系統區塊圖，圖2.5為發射機系統區塊圖。

圖2.4 AWID MPR-2010AN接收機系統區塊圖

圖2.5 AWID MPR-2010AN發射機系統區塊圖

2-2.1 AWID MPR-2010AN接收機系統

AWID MPR-2010AN Receiver Specifications：

¾

Receiver input frequency：902～928 MHz

¾

Demodulation type：ASK（Amplitude Shift Keying）or PSK（Phase Shift Keying）

¾

Data rate：40～640Kbps 接收機工作原理：

Patch Antenna接收到Tag回傳的訊號，經過90度Hybrid送到由電 感（L）、電容（C）構成的七級低通濾波器（LPF）；把902～928 MHz 的訊號濾出。之後送到Hybrid Ring（其所有的端埠均匹配，進入輸入 端埠的功率,會等分到輸出的兩個端埠，功能等同於90度Hybrid）；

由於接收路徑上偶合端接50歐姆，所以輸入功率的一半會被50歐姆所 吸收，而輸出功率等於輸入功率的一半。接下來的SPDT（Single Pole / Double Throw）Switch；由Microcontroller輸入Ｈigh或Low的控制訊 號，來選擇路徑要送到下一級的Balun，或是由50歐姆下地。

    Balun在此用途是將訊號由single轉成differential，再送到Ｍixer作 混波。這裡的Ｍixer是採用Zero IF架構（輸入的RF頻率和LO頻率相 等），LO（Local Oscillator）訊號是由PLL（Phase Lock Loop）產生。

混波之後輸出的訊號，經由多個OPA（Operation Amplifier）組成的

17 

多級濾波器，濾出包含Tag回傳data的訊號。最後，由Baseband Processing Circuit作基頻數位訊號的處理，送到Microcontroller( MCU ) 進行解EPC Code，MCU並把接收的資料傳回給電腦主機。

2-2.2 AWID MPR-2010AN發射機系統

AWID MPR-2010AN Transmitter Specifications：

¾

Transmitter output frequency：902～928 MHz

¾ Modulation type：DSB-ASK or SSB-ASK or PR-ASK

¾ Data rate：40 ~ 160kbps

¾ Tx Output Power：1.0 Watt (+30 dBm), with 10 dB digital control range

發射機工作原理：

Microcontroller把Reader即將傳給Tag的Command，經過數位編碼 後，送至ASK Modulator電路，ASK Modulator電路包含D/A( Digital to Analog )轉換，調變電路及Up Conversion Mixer。D/A converter的輸出 訊號，經過調變後，跟PLL（Phase Lock Loop）產生的LO訊號作混波，

輸出RF訊號。

        Up Conversion Mixer輸出的RF訊號，經由Power Amplifier，放大 輸出訊號功率到1W，之後，再送到Hybrid Ring，和七級低通濾波器

（LPF），把902～928 MHz的訊號濾出，再由Patch Antenna將訊號發

射出去。

第三章 UHF RFID Transceiver IC

因為由離散的元件建構而成，UHF Reader的體積不小，且笨重，

於是有UHF RFID Transceiver IC的出現，第一個發展推出單晶片的公 司，便是Intel，顯示這個晶片巨人對RFID的重視。

3-1 Indy R1000

2007年，一家由 Intel Capital扶植的初創公司發表一款低價整合 式RFID閱讀機晶片R1000。這款晶片適用於UHF band，售價在40美元 以下，外觀為8×8mm，功耗1.5W。

這款晶片集成了接收、發射、調頻及數位基頻功能於其中，有效 降低了讀取器的設計成本和設計難度。因此選定其為本論文之系統電 路上使用的transceiver IC。

Intel 公司的 RFID 事業部門之後於 2008 年 7 月被 UHF Gen 2 RFID 解決方案供應商 Impinj 公司宣佈收購，並更新名為Indy R1000。

R1000 的特色可由下列項目看出：

z High compression point quadrature downconverting mixer z Fully integrated voltage controlled oscillator (VCO)

z Variable receiver (RX) gain control z Integrated Power Amplifier (PA)

19 

z Integrated RF envelope detectors for forward and reverse power sense

z Integrated multipurpose Analog-to-Digital Converts (ADCs) and Digital-to-Analog Converters (DACs)

z Configurable digital baseband

z High speed synchronous serial bus or 4-bit parallel bus control

其內建Mixer、VCO、PA、RF envelope detectors、ADCs、DACs 等RF blocks，及digital baseband。早期的Reader，上述這些都是由離 散元件組合而成，Intel發展出這款晶片，實為UHF Reader技術上的一 大突破。圖3.1為R1000 Top Level RF Block Diagram。

圖3.1 R1000 Top Level RF Block Diagram

圖3.2為R1000Top Level Digital Block Diagram。

圖3.2 R1000 Top Level Digital Block Diagram

R1000 支援最新的 UHF RFID standards 和世界各地當地的電信法 規：

1. EPCglobal Gen 2 and ISO 18000-6C

- Modulation modes: DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK - Dense Reader Mode ( DRM )

- Supports all data rates

2. Firmware configurable to operate from 860-960 MHz 3. Compliance with FCC 47 CFG Ch. 1 Part 15

4. Compliance with ETSI EN 302 208-1 including built-in Listen-Before-Talk ( LBT ) support

21 

Indy R1000’s Specification：

1. 0.18μm SiGe BiCMOS process

2. 56 pin， 8 mm x 8 mm x 0.85 mm（QFN package）

3. Integrated Power Amplifier ( up to 18.5dBm ) 4. Transmit Output Power Adjustable >25dB 5. Quadrature Direct Conversion Transceiver 6. High Compression Point Front End

7. High Level Integration

- External Component Count - Enables all usage models 8. Low Power Consumption

down to 880mW

9. Configurable Digital Baseband 10. RSSI

- Wideband - Narrowband - Tag RSSI

11. Receiver Sensitivity

- down to -95 dBm ( DRM ) - down to -110 dBm ( LBT )

3-2 Indy R1000與EPC Class1 Gen2

3-2.1 Modulation mode

        根據 EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz-960MHz Version 1.0.9 的規範之下，Reader 發送訊息給 Tag 時，使用 Double-sideband amplitude shift keying ( DSB-ASK ) ，Single-sideband amplitude shift keying ( SSB-ASK ) or Phase-reversal amplitude shift keying ( PR-ASK ) 調變RF carrier。其編碼是使用 Pulse-interval encoding ( PIE ) 。Tag 並 從 調 變 後 的 RF carrier 獲 得 操 作 的 能 量 。 Indy R1000 支 援 DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK 三種 Modulation mode。

3-2.1.1 PIE encoding

「PIE」編碼的編碼樣式，如圖3.3所示，是利用data-High時間的 不同，來達到data-0和data-1的編碼，根據圖3.3所訂定的timing scheme 如下：

(1) PW＝0.5 Tari (2) Tolerance＝+/-1%

(3) data＂0＂＝1 Tari ，data＂1＂＝2 Tari

23 

圖3.3 PIE symbols

3-2.1.2 DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK

Reader 是以 DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK 三種 Modulation 跟 Tag 做通訊，而 Tag 也要有能力解調這三種 Modulation type。

圖 3.4 為 R=>T ( Reader to Tag )時，由 Reader 產生的 baseband 波形和經過調變後的波形，以及由Tag 波峯檢測後所對應的波形。

圖3.4 Reader-to-Tag modulation

25 

DSB-ASK的頻譜效率低，在data rate一定時要求大量的RF bandwidth。帶寬效率0.2 bit/Hz對DSB-ASK並不少見。

改善帶寬效率的方法之一是使用SSB-ASK，這在歐洲國家中特 別重要，因為帶寬限制可能導致這些國家不能使用DSB-ASK。

DSB-ASK 和 SSB-ASK 的功率效率取決於 modulation index。通 過使用modulation index = 1 或載波的開關鍵控（OOK），可以對 DSB-ASK 和 SSB-ASK 獲得實現一定誤碼率（BER）要求的最低載波 噪聲比（C/N）。遺憾的是，這也在下行方向上為終端供應能量時提 供了最低數量的RF 傳輸功率。

還有一種是PR-ASK，它可以使窄帶中的載波噪聲比要求達到最 小，使到終端的功率傳輸達到最大。與PSK信號類似，PR-ASK每次 發送符號時改變相位180°。PR-ASK還創建100%的modulation depth或 modulation index = 1，舊符號和新符號的相位矢量交叉，並簡單地加 總成零幅度。

Dense-Interrogator channelized signaling

根據EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860MHz-960MHz Version 1.0.9 的規範之下，在包含很多 Reader 的環境中，Reader 和 Tag 通訊

的速率和範圍，可以藉由防止 Reader 發射的訊號和 Tag 回應的訊號 碰撞來做改善。 

操作在 dense-Interrogator (dense-Reader)環境下的 Reader，應該

要能 support 一個或多個 frequency plan 或 TDM（Time-Division multiplexing），使 Interrogator-on-Tag 碰撞減到最小甚至排除。

Reader 操作的選擇，依據當時所在的地點之其當地規範。目前已 制 訂 的 規 範 有 兩 種 ， CEPT （ Conference of European Posts and Telecommunications）和 FCC（Federal Communications Commission）。

CEPT 規範又分為 Single-channel regulatory environment  和 Multi-channel regulatory environment 兩種。

Single-channel regulatory environment，其 Reader 發射的訊號和 Tag 回應的訊號在頻域上呈現短暫的分離。同一時間，許多 Reader 同時傳送command 給 Tag，然後所有的 Reader 發射 CW 訊號並且等 候Tag 回應。

Multi-channel regulatory environment，其 Reader 發射的訊號和 Tag 回應的訊號在頻域上呈現明顯的分離。Reader 發射的訊號在偶數 的channel，Tag 回應的訊號在奇數的 channel。如圖 3.5 所示。

27 

圖3.5 Multi-channel CEPT environment

圖 3.6 為在 Single-channel regulatory environment 下，Reader 使 用 Tari＝25us 的 DSB-ASK Modulation；在 80KHz 的 subcarrier 上有 20kbps 的 Tag 反散射調變訊號。

圖3.6 DSB-ASK Modulation

圖3.7 為在 Multi-channel regulatory environment 下，Reader 使用 Tari＝25μs 的 SSB-ASK Modulation；在 213.3KHz subcarrier 上有 53.3kbps 的 Tag 反散射調變訊號。

圖3.7 SSB-ASK Modulation

FCC 規範，其 Reader 發射的訊號和 Tag 回應的訊號在頻域上呈 現明顯的分離。Reader 發射的訊號位於每個 channel 的中央，而 Tag 回應的訊號位於channel 邊界。Channel 的頻域配置如下表。

表3. 1 Frequency-hopping spread-spectrum channelization

29 

圖 3.8 為在 FCC 規範下，Reader 使用 Tari=25μs 的 PR-ASK modulation ；在 256 KHz subcarrier 上有 64 kbps 的 Tag 反散射調變 訊號。

圖3.8 PR-ASK Modulation

Indy R1000 亦支援 CEPT 和 FCC 兩種規範。

註 ：

Tari

：

在Reader 和 Tag 通訊裡，「PIE」編碼中的data-0 之參考時間 間隔。Tari 一字起源於 ISO／IEC18000-6（Part A）specification，是 Type A Reference Interval 的縮寫。

第四章 UHF RFID Reader 硬體電路實現

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)sin

θ

^。 

         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：

P_D=I_CC･V_CC

I_CC：工作電源電流 V_CC：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 P_OUT P₁dB

mds

PO_,

動態範圍(DR)

1dB 

) (dBm P_IN

dB

PIN_,1 mds

Pi_,

65 

圖4.19 IP3

所以由表4.4可看出，在IP1dB項目中，Low gain mode大於High gain mode，故Low gain mode可以解調功率較高的jammer。而IP3項目 中，Low gain mode大於High gain mode，故Low gain mode線性度較好。

4-3.2.2 Receiver Noise Figure

描述一個系統內部雜訊大小，可以用雜訊係數 ( Noise Factor )F 來表示，或者取其對數值，變成雜訊指數 ( Noise Figure )NF。

F = ( S_i/N_i ) / ( S_o/N_o ) NF = 10 log F

= 10 log [( S_i/N_i )/( S_o/N_o )]

= 10 log ( S_i/N_i )－10 log ( S_o/N_o )

表4.5所示為R1000 Noise figure的規格。

Parameter Min. Typ. Max. Unit Conditions Noise figure

with jammer

TBD TBD

dB dB

LNA, mixer and LO Low gain path High gain path Noise figure

without jammer

11 14

dB dB

LBT high gain path LBT low gain path 表4. 5 Noise figure

4-3.2.3 Jammer Power

Reader所受到的Jammer Power可以有以下型式：

1. RF Front-End 電路的Isolation不好，從發射路徑漏到接收端的訊 號。

2. 天線端反射的訊號。

3. 天線發射訊號到外界，外界的物體反射回接收端的訊號。

型式一：

RF Front-End 電路的Isolation不好，從發射路徑漏到接收端的訊 號。如圖4.20所示。

67 

圖4.20 型式一 型式二：

天線端反射的訊號。如圖4.21所示。

圖4.21 型式二

型式三：

天線發射訊號到外界，外界的物體反射回接收端的訊號。

如圖4.22所示。

圖4.22 型式三

Test setup：

69 

1. Turn on Reader。

2. 啟動電腦（Host）並用USB cable連結Reader和Host端。

3. 三種量測方式。

方式一：

在External Board中，原本接天線的Antenna端，以50Ω Load代替。

方式二：

接上天線，把天線放置於微波暗室內(內有吸收體，可將發射到 外界的訊號吸收)。

方式三：

接上天線，並放置於無Tag的環境中。

4. 將External Board 的Rx端用Cable ( Insertion Loss ＝0.9dB )連接 到Signal Analyzer ( R&S^® FSQ26 )，如圖4.23所示。

5. Open MacTool ，按下"CW On " button。

6. 依序記錄此三種量測方式的頻譜結果。

圖4.23 Circuit test point of Jammer Power

☆Result：

方式一

71 

成份：RF Front-End 電路的Isolation不好，從發射路徑漏到接收端 的訊號。

頻率：915.7083MHz

功率：-14.44dBm + 0.9dB (cable loss) = -13.54dBm -13.54 ( dBm )＝10 ㏒P

P≒0.04426 mW

方式二

成份：RF Front-End電路的Isolation不好，從發射路徑漏到接收端 的訊號＋天線端反射的訊號進入接收端

頻率：916.0702 MHz

功率：-13.16 dBm + 0.9dB (cable loss) ＝-12.26dBm -12.26dBm ＝ 10 ㏒P

P≒0.05943mW

∴天線端反射的訊號進入接收端的Jammer Power ＝ 0.05943mW － 0.04426 mW ＝ 0.01517mW

方式三：

成份：RF Front-End 電路的Isolation不好，從發射路徑漏到接收端的 訊號

＋天線端反射的訊號進入接收端

73 

頻率：916.0702 MHz

功率： -12.80 dBm + 0.9dB (cable loss) ＝ -11.9dBm -11.9dBm ＝ 10 ㏒P

P≒0.06457 mW

∴天線發射訊號到外界，外界的物體反射回接收端的訊號 ＝ 0.06457 mW － 0.05943mW ＝ 0.00514mW

4-3.2.4 LO Leakage

I、Q Modulation 若有LO Leakage，會造成I、Q 訊號offset，

如圖4.24所示。

圖4.24 LO Leakage

表4.6所示為R1000 Receiver LO Leakage的規格。

Parameter Min. Typ. Max. Unit Conditions LO Leakage -60 dB At RF input

表4. 6 R1000 Receiver LO Leakage

4-3.2.5 Sensitivity

Sensitivity定義為量化Receiver對微弱訊號的反應能力。

Receiver Sensitivity的計算公式為：

^{e = F}_T^kTBR_G

(

^R−1

)

（by thermal noise）

^{e = kBR}_G

(

^R−1

)(

^T_i ^+T_e

)

（by non-thermal noise）

e：receiver sensitivity（V）

F_T ：total equivalent input noise factor k：波茲曼常數，1.38×10^-23（J/K）

T：temperature ( K )，T ( K )＝T (℃)＋273.15 B：equivalent noise bandwidth of system（Hz）

R：required（S ＋ N）/N at detector input R_G：system impedance（Ω）

T_i：antenna input temperature（K）

75 

Te：equivalent receiver noise temperature（K）

Te＝（FT − 1）× 290

以下說明Noise Figure與Sensitivity的關係：

S_i − N_i = NF +SNR_o → S_i = N_i +NF+SNR_o

Si：sensitivity（dBm）

Ni：thermal noise（dBm），Ni＝k T B NF：noise figure（dB）

NF＝ SNRi － SNRo

SNRo：signal to noise ratio（dB）

4-3.2.6 RSSI

RSSI（Received Signal Strength Indicator），即接收訊號強度。

依照應用及其當地的電信法規，在R1000中，表4.7的LBT（Listen Before Talk）量測可以被執行。WB-RSSI和NB-RSSI可以被使用於 RSSI的量測，在R1000內部被執行。WB-RSSI的頻寬為80kHz ~ 1.2MHz，可量測analog filter band的總功率；NB-RSSI的頻寬為40kHz

~ 640kHz，可量測digital filter band的總功率。

Indy R1000 Firmware Signal designation

LNA peak detect (via AUX ADC)

I/Q IF-LNA    peak detect (via AUX ADC)

WB-RSSI NB-RSSI

Frequency Band (902-928 MHz) / (865-868 MHz)

Fc ± 10 MHz Fc ± (80 KHz – 1.2 MHz)

Fc ± (40 KHz – 640 KHz) Measurement

Floor

～ - 30dBm ～ - 40dBm ～ - 60dBm ～ -110 dBm

Applications Full-Band LBT at RF

LBT at IF Wide-band

LBT at BB

Narrow-band LBT at BB 表4. 7 Listen Before Talk along the Rx Chain

Test setup：

D (距離)：Tag和Reader Patch Antenna之間的垂直距離。

77 

¾ 量測環境：

¾ RFID Tracer設定：

1. Only enable one channel ( slot 0，Frequency : 915.75MHz)；

disable others.

2. Click〝 Reader Control 〞 →〝 Configure Reader 〞 →〝Antenna Ports〞

進入Antenna Configuration後，點選〝Edit 〞鍵

在Maximum Inventory Cycles設定1024（固定Inventory Cycles）

¾ 讀取RSSI Value

Average RSSI（register 0x282）：

Addr. Name R/W Bit Description Reset

282 RSSI_values R 15:8 7:0

Narrow-band RSSI value Wide-band RSSI value

h0000

☆Result：

D( cm ) 2 4 6 8 10 12 14 NB-RSSI value 42 49 49 47 45 43 43

NB-RSSI vs. D (距離)