超高頻RFID密集讀寫器臨近信道抑制濾波器設(shè)計(jì)*

柴永強(qiáng)，胡圣波，2*

(1.貴州師范大學(xué)智能信息處理研究所，貴陽550001;2.貴州省教育廳射頻識(shí)別與傳感網(wǎng)絡(luò)工程中心，貴陽550001)

在大規(guī)模密集UHF RFID讀寫器的部署應(yīng)用場所［1］，讀寫器與標(biāo)簽之間會(huì)因鄰近信道干擾而發(fā)生通信沖突，從而導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別率降低或者無法根本讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)。因此，在密集讀寫環(huán)境下，鄰近信道干擾引起的碰撞已成為制約密集讀寫環(huán)境下RFID性能的瓶頸之一。

目前，針對這一問題，國內(nèi)主要從減少讀寫器重復(fù)覆蓋區(qū)域方面著手，通過部署調(diào)整天線位置和讀寫器配置參數(shù)來規(guī)劃RFID射頻網(wǎng)絡(luò)，從而降低沖突提高系統(tǒng)性能，但是部署模型和信道分配算法較為復(fù)雜［2-3］。而國外主要從空分復(fù)用(SDM)、頻分復(fù)用(FDM)和時(shí)分復(fù)用(TDM)這3個(gè)方面著手來研究密集讀寫器環(huán)境下RFID讀寫器通信干擾問題，并提出了讀寫器“同步”概念和“Listen Before Talk”通信機(jī)制［4-5］。這種基于同步的通信機(jī)制，通過網(wǎng)絡(luò)將所有的讀寫器互聯(lián)起來并由中央處理單元統(tǒng)一控制，以保證所有讀寫器配置相同并且嚴(yán)格同步，即所有讀寫器在同一時(shí)刻開始“偵聽”，在偵聽周期結(jié)束之后，又開始同步地進(jìn)行“會(huì)話”。中央處理單元給所有RFID讀寫器動(dòng)態(tài)地分配通信子信道，從而使信道的頻譜利用率達(dá)到最優(yōu)。但是這種通信機(jī)制需要額外的“LBT傳感器”硬件支撐和更為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)配置，增加了部署成本和系統(tǒng)開銷。因此，為了降低成本密集部署讀寫器，本文從頻域著手，通過設(shè)計(jì)一種臨近信道抑制濾波器，研究一種基于臨近信道抑制的密集讀寫方法。本文的組織結(jié)構(gòu)是:第1節(jié)引出臨近信道干擾;第2節(jié)描述EPC C1 G2密集讀寫模式下頻譜規(guī)范;第3節(jié)設(shè)計(jì)密集讀寫濾波器;第4節(jié)性能測試;最后總結(jié)全文。

1 密集讀寫器模式下臨近信道干擾

密集讀寫器模式下臨近信道干擾［6-7］是:在密集讀寫器環(huán)境下RFID讀寫器因鄰近信道信號(hào)頻率重復(fù)覆蓋而發(fā)生通信沖突，并導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別率降低或者無法讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

本文中研究的RFID讀寫器干擾碰撞問題是指:一臺(tái)RFID讀寫器的查詢信號(hào)對另一臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信RFID讀寫器的干擾和碰撞，如圖1所示。當(dāng)Reader 1訪問標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較弱的應(yīng)答信號(hào)，如果此時(shí)在臨近區(qū)域內(nèi)工作的Reader 2產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的查詢信號(hào)，那么此查詢信號(hào)會(huì)很容易使標(biāo)簽對Reader 1產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)產(chǎn)生失真變形，從而導(dǎo)致Reader 1和標(biāo)簽之間不能建立正常的通信鏈路。

圖1 讀寫器干擾碰撞

在大規(guī)模密集UHF RFID讀寫器部署應(yīng)用場所，要求RFID讀寫器的射頻信號(hào)能夠覆蓋一個(gè)大面積區(qū)域，需要通過切實(shí)有效的方法對多讀寫器進(jìn)行管理控制，將實(shí)時(shí)完整的RFID數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)。但是密集讀寫器模式下臨近信道干擾問題，不僅會(huì)降低整個(gè)RFID射頻網(wǎng)絡(luò)的頻帶利用率，還會(huì)引起系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)，從而使RFID系統(tǒng)性能下降。

2 密集讀寫器模式及其頻譜規(guī)范

EPC C1 G2是在860 MHz～960 MHz超高頻段內(nèi)進(jìn)行RFID通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。EPC C1 G2定義了兩種讀寫器模式［8］:多讀寫器模式和密集讀寫器模式。多讀寫器模式是指在操作環(huán)境中激活讀寫器的數(shù)量少于可利用通信信道的數(shù)量，而密集讀寫器模式是指在操作環(huán)境中激活讀寫器的數(shù)量多于或等于可利用通信信道的數(shù)量。本文主要討論密集讀寫器模式。

由于RFID系統(tǒng)采用后向散射通信方式，電子標(biāo)簽需要獲取讀寫器發(fā)送的RF能量，其傳回讀寫器的信號(hào)十分微弱，極易受到干擾。為避免標(biāo)簽碰撞和讀寫器間干擾，EPC C1G2對RFID系統(tǒng)信道進(jìn)行了劃分，如圖2所示。按照EPC C1G2的信道劃分，當(dāng)某個(gè)讀寫器工作頻帶過寬，有可能影響其他工作在臨近信道的讀寫器讀寫能力［9-10］，文獻(xiàn)［9-10］驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此，為保證密集讀寫工作模式下，避免標(biāo)簽碰撞和讀寫器間干擾，EPC C1G2也規(guī)定了密集讀寫工作模式下讀寫器發(fā)射功率譜的波罩約束，如圖3所示。即信號(hào)在第一臨近信道的功率抑制比要小于-30 dB，在第二臨近信道的功率抑制比要小于-60 dB，Tari表示在PIE編碼中二進(jìn)制數(shù)據(jù)0的參考時(shí)間間隔。

圖2 信道劃分及臨近信道干擾

圖3 密集讀寫器模式下的功率譜波罩

由于世界各地?zé)o線電頻率管制，各國分配的RFID工作頻段均不相同。結(jié)合我國現(xiàn)狀，2007年工業(yè)和信息化部對800 MHz～900 MHz頻段射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用做出了規(guī)定［11］:UHF RFID的工作頻段為840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz，總帶寬為10 MHz，其有效輻射功率(ERP)分別為2 W和100 mW。信道帶寬為250 kHz，信道中心頻率為fc=840.125+N×0.25(MHz)和fc=920.125+M×0.25(MHz)(N、M為整數(shù)，取值為0～19)。鄰近信道功率抑制比:第1信道為-40 dB，第2信道為-60 dB。以跳頻擴(kuò)頻模式工作，每跳頻信道最大駐留時(shí)間為2 s。

因此，為滿足RFID密集讀寫的需要，避免標(biāo)簽和讀寫器干擾，從頻域角度，研究基于臨近信道抑制的密集讀寫方法十分必要。

3 密集讀寫濾波器

為了規(guī)避臨近信道干擾［12-13］，可在RFID讀寫器接收端I/Q兩路信號(hào)之后增加密集讀寫濾波器，從而使RFID讀寫器具有更好的信道選擇特性，提高密集讀寫下RFID系統(tǒng)性能。

3.1 RFID零中頻接收電路

由于RFID采用后向散射工作原理，因此，不像普通接收機(jī)。RFID讀寫器接收電路可采用I/Q兩路正交零中頻架構(gòu)［14］，如圖4所示。采用這種架構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)接受機(jī)本振和標(biāo)簽反向散射信號(hào)同頻，有效地降低了電路復(fù)雜度，并且經(jīng)過混頻后信號(hào)直接變?yōu)榛鶐盘?hào)，為后續(xù)信號(hào)的信道選擇和增益調(diào)制帶來了極大方便。(2)標(biāo)簽反向散射信號(hào)在零頻處沒有功率分布，零中頻接收機(jī)的直流失調(diào)問題對標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)沒有影響，并且不存在鏡頻干擾問題［15］。(3)有效地消除零點(diǎn)效應(yīng)，當(dāng)I路信號(hào)達(dá)到零點(diǎn)時(shí)，Q路信號(hào)剛好處于最大值。

圖4 零中頻接收機(jī)構(gòu)架

為抑制臨近信道干擾，可以在I/Q兩路正交零中頻架構(gòu)中增加密集讀寫濾波器，如圖5所示。

圖5 零中頻接收機(jī)+密集讀寫濾波器構(gòu)架

3.2 密集讀寫濾波器設(shè)計(jì)

為了獲得較好的幅頻特性和更為陡峭的過渡帶，采用多級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式設(shè)計(jì)密集讀寫濾波器。為了方便，本文采用4級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式，其中包括2個(gè)低通濾波器和2個(gè)高通濾波器，如圖6所示。

圖6 DRM Filter框圖

(1)四階橢圓低通濾波器

根據(jù)第2節(jié)描述的密集讀寫器模式下的功率譜波罩的約束條件，第1級(jí)采用四階橢圓低通濾波器，其參數(shù)為:通帶頻率為280 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為600 kHz，阻帶衰減為77.6 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設(shè)計(jì)第1級(jí)四階橢圓低通濾波器電路如圖7所示，對應(yīng)的頻響特性曲線如圖8所示。

圖7 四階橢圓低通濾波器電路圖

圖8 四階橢圓低通濾波器頻響特性曲線

(2)二階切比雪夫高通濾波器

第2級(jí)采用二階切比雪夫高通濾波器，在200 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其通帶頻率為200 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為5 kHz，阻帶衰減為26 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設(shè)計(jì)第2級(jí)二階切比雪夫高通濾波器電路如圖9所示，對應(yīng)的頻響特性曲線如圖10所示。

圖9 二階切比雪夫高通濾波器電路圖

圖10 二階切比雪夫高通濾波器頻響特性曲線

(3)二階切比雪夫低通濾波器

第3級(jí)采用二階切比雪夫低通濾波器，在280 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其通帶頻率為280 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為2.82 MHz，阻帶衰減為30 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設(shè)計(jì)第3級(jí)二階切比雪夫低通濾波器電路如圖11所示，對應(yīng)的頻響特性曲線如圖12所示。

圖11 二階切比雪夫低通濾波器電路圖

圖12 二階切比雪夫低通濾波器頻響特性曲線

(4)二階切比雪夫高通濾波器

第4級(jí)仍采用二階切比雪夫高通濾波器，在200 kHz頻點(diǎn)處有1 dB衰減。其電路如圖9所示，對應(yīng)的頻響特性曲線如圖10所示。此濾波器在較低連接頻率下進(jìn)行FM0編碼時(shí)，可以被重新配置為在5.5 kHz或12 kHz頻點(diǎn)處有3 dB衰減的一階濾波器。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)電路，可得密集讀寫濾波器電路如圖13所示，對應(yīng)的頻響特性曲線如圖14所示。從圖14可見，濾波器在中心頻率250 kHz處增益最大，為59.2 dB，而在第一臨近信道500 kHz處增益為20.6 dB，比中心頻率增益衰減約40 dB，在第二臨近信道750 kHz處系統(tǒng)增益增益為0.46 dB比中心頻率增益衰減約為60 dB。

圖13 密集讀寫濾波器電路圖

圖14 密集讀寫濾波器頻響特性曲線

4 性能測試

為便于比較，可分別采用基于AS3992 ROGER讀寫器和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器進(jìn)行性能測試。其中，AS3992 ROGER讀寫器內(nèi)置可配置的密集讀寫濾波器。根據(jù)第3節(jié)設(shè)計(jì)的密集讀寫濾波電路，配置AS3992 ROGER讀寫器的濾波器設(shè)置寄存器RX Filter Register(09)的選擇位參數(shù)為24，電路如圖15所示。而遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器沒有采用密集讀寫濾波器。

圖15 內(nèi)置可配置密集讀寫濾波器的AS3992芯片及其外圍電路

(1)功率譜測試

采用固緯頻譜儀GSP-830分別對AS3992 ROGER讀寫器和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器的臨近信道功率抑制比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)進(jìn)行測試，測試條件:在密集讀寫器環(huán)境下，將AS3992 ROGER和遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器的工作頻段設(shè)為920MHz-925MHz，同時(shí)與多標(biāo)簽進(jìn)行通信，測試結(jié)果分別如圖16和圖17所示。

圖16 AS3992 ROGER ACPR測試結(jié)果

圖17 遠(yuǎn)望谷XCRF-804 ACPR測試結(jié)果

測試結(jié)果表明:在信道帶寬為250 kHz，信道間隔為250 kHz的條件下，AS3992 ROGER讀寫器功率譜寬度比遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器功率譜寬度小，旁瓣也低得多。說明:采用密集讀寫濾波器后，AS3992 ROGER讀寫器對臨近信道有明顯的抑制作用，從而有助于減少信號(hào)對臨近信道的干擾。

(2)讀取率和識(shí)別率測試

在密集讀寫器環(huán)境下，擺放兩讀寫器天線位置，水平距離為30cm，兩天線距地面高度為1.5m，在空曠的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測試。將5個(gè)標(biāo)簽放在兩天線輻射角方向共同覆蓋區(qū)域?qū)ΨQ軸上，距離由近及遠(yuǎn)每次移動(dòng)5cm分別進(jìn)行測試，然后將標(biāo)簽的平均讀取速率和平均識(shí)別率的測試結(jié)果進(jìn)行比較，測試比較結(jié)果分別如圖18和圖19所示。

測試結(jié)果表明:采用密集讀寫濾波器的AS3992 ROGER讀寫器的標(biāo)簽讀取率和識(shí)別率明顯高于遠(yuǎn)望谷XCRF-804讀寫器。

圖18 多標(biāo)簽平均讀取速率測試結(jié)果比較

圖19 多標(biāo)簽平均識(shí)別率測試結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文在I/Q兩路正交零中頻接收機(jī)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，采用ADS設(shè)計(jì)了信道選擇性DRM濾波器，經(jīng)過系統(tǒng)性能測試，可以得出如下結(jié)論:

(1)在密集讀寫環(huán)境下，信道選擇性DRM濾波器可以最大限度地提高主信道信號(hào)增益，極大地降低對臨近信道信號(hào)的干擾，還可以有效地減少讀寫器因通信信號(hào)頻率重疊而造成的干擾碰撞，從而大大地提高UHF RFID讀寫器的讀取率和識(shí)別率。

(2)在I/Q兩路正交零中頻接收機(jī)構(gòu)架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)信道選擇性 DRM濾波器，在降低 UHF RFID系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，也降低了密集讀寫器的部署成本。

［1］Bhuptani M，Moradpour S，RFID Field Guide-Deploying Radio Frequency Identification Systems［M］.New Jersey:Sun Microsystems Press，2005.

［2］陳燕潘，周世杰.密集環(huán)境下RFID讀寫器組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.成都:電子科技大學(xué)，2011:1-4.

［3］王永華，詹宜巨.一種密集RFID讀寫器環(huán)境下信道分配算法［C］//2007儀表，自動(dòng)化及先進(jìn)集成技術(shù)大會(huì)論文集(一)，2007:1-3.

［4］Leong K，Ng M L，Cole P H.Synchronization of RFID Readers for Dense RFID Reader Environments［C］//International Symposium on Applications and the Internet，Phoenix，2006，1:23-27.

［5］Skeie T，Johannessen S.Highly Accurate Time Synchronization over Switched Ethernet［C］//Proceedings of 8th IEEE international Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2001，1:195-204.

［6］Engels D，Sarma S.The Reader Collision Problem［C］//International Conference on Systems，Man and Cybernetics，2002，3:4-6.

［7］Carbunar B，Ramanathan M.Redundant Reader Elimination in RFID Systems［C］//Second Annual IEEE Communications Society Conference on SECON，California，2005:1-3.

［8］EPCTMRadio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz～960 MHz Version 1.2.0［S］.2007.

［9］Leong K，Grasso A.Dense RFID Reader Deployment in Europe using Synchronization［J］.Journal of Communications，2006，1(7):1-3.

［10］Leong K，Ng M L，Cole P H.Positioning Analysis of Multiple Antennas in a Dense RFID Reader Environment［C］//International Symposium on Applications and the Internet，Phoenix，2006，1:23-27.

［11］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.中國800/900 MHz頻段射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)應(yīng)用規(guī)定(試行)［EB/OL］.工業(yè)和信息化部.2007年，205號(hào).

［12］Vaidya N，Das S R.RFID-Based Networks-Exploiting Diversity and Redundancy［J］.ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review，2008，12(1):2-14.

［13］胡圣波，孟新，姚秀倦.頻域波束合成的深空寬帶陣列信號(hào)處理［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(5):670-674.

［14］李斌，賴宗聲.射頻識(shí)別閱讀器中信道選擇性濾波器的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2010，33(2):1-2.

［15］Keaveney M.A High Performance RF front-end for HUF RFID Applications［C］//RF and Microwave IC Design 2008 IET Seminar，2008，5(1):1-5.