超高頻RFID閱讀器多相接收防碰撞技術(shù)

天津中興軟件有限責(zé)任公司 曾祥希

上海中興軟件有限責(zé)任公司 余 震

天津中興軟件有限責(zé)任公司 鬲 莉

1.引言

在超高頻無(wú)源射頻識(shí)別系統(tǒng)中，標(biāo)簽與閱讀器通訊時(shí)，閱讀器需要一直發(fā)送載波提供標(biāo)簽供電，標(biāo)簽通過(guò)調(diào)制反向散射將信息發(fā)送給閱讀器。閱讀器接收標(biāo)簽信號(hào)，經(jīng)過(guò)正交解調(diào)器解調(diào)成IQ兩路基帶信號(hào)，兩路信號(hào)相位差90o，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大、濾波等處理后再通過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成基帶模擬信號(hào)到基帶數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字基帶信號(hào)送入可編程邏輯器件或者中央處理機(jī)中，可編程邏輯器件或者中央處理機(jī)CPU中對(duì)IQ兩路分別進(jìn)行解碼，選擇符合反向鏈路編碼規(guī)則的通路輸出。

當(dāng)多標(biāo)簽同時(shí)處于閱讀器的信號(hào)覆蓋區(qū)域時(shí)，通過(guò)協(xié)議規(guī)定的防碰撞處理算法，可以將所有可以讀出的標(biāo)簽依次讀出，無(wú)論是采用ALOHA[2]或二進(jìn)制[4]樹分裂方法處理碰撞都會(huì)消耗一定的時(shí)間，標(biāo)簽數(shù)越多，則碰撞處理消耗的時(shí)間越多。實(shí)際處理時(shí)，不是所有的標(biāo)簽碰撞閱讀器都不能解調(diào)出有效的標(biāo)簽信號(hào)。由于各標(biāo)簽所處的空間位置不同，與閱讀器天線的距離也不同，這樣不同標(biāo)簽返回給閱讀器信號(hào)的強(qiáng)度和相位不同，強(qiáng)度和相位差導(dǎo)致了基帶IQ信號(hào)幅度差別。當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽信號(hào)同時(shí)被閱讀器收到時(shí)，如果在I路或Q路解調(diào)信號(hào)上，某一個(gè)標(biāo)簽信號(hào)的幅度明顯大于其它標(biāo)簽信號(hào)的幅度，則即使存在標(biāo)簽碰撞的情況，此標(biāo)簽信號(hào)也能被單獨(dú)解調(diào)出來(lái)。這種情況的出現(xiàn)會(huì)減少閱讀器對(duì)標(biāo)簽碰撞的處理時(shí)間，提高多標(biāo)簽的清點(diǎn)效率。

如果各標(biāo)簽信號(hào)在解調(diào)出的IQ基帶信號(hào)上表現(xiàn)的幅度相當(dāng)，則閱讀器無(wú)法識(shí)別有效的標(biāo)簽信號(hào)。本文提出了一種優(yōu)化多標(biāo)簽處理性能的方法，通過(guò)移相接收的基帶信號(hào)，生成多個(gè)相位接收信號(hào)，將被碰撞信號(hào)淹沒的標(biāo)簽信號(hào)顯現(xiàn)出來(lái)。這種多相位接收方法，不受標(biāo)簽協(xié)議的限制，可以和各種時(shí)分方法同時(shí)使用，有效的提高了系統(tǒng)的多標(biāo)簽處理能力。

該方法應(yīng)用在實(shí)際的18000-6C閱讀器上，數(shù)字移相生成的0o、45o、90o、135o四個(gè)接收相位同時(shí)解調(diào)FM0反向調(diào)制信號(hào)，多標(biāo)簽吞吐率較未采用多相位接收時(shí)提高了13.56%。

2.超高頻RFID反向散射信號(hào)

標(biāo)簽跟閱讀器的通訊使用反向散射調(diào)制的方式，在此過(guò)程中標(biāo)簽將要發(fā)射的數(shù)據(jù)的兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為它的天線的阻抗的變化。

超高頻RFID閱讀器接收標(biāo)簽信號(hào)時(shí)，需要發(fā)送載波能量，如圖1所示，以標(biāo)簽1為例，前向載波信號(hào)在空間傳輸L1長(zhǎng)度后到達(dá)標(biāo)簽，然后再經(jīng)過(guò)L1長(zhǎng)度后返回閱讀器。信號(hào)的波長(zhǎng)為λ，則接收到的反向散射信號(hào)的相位變化為2*L1/λ，對(duì)于超高頻RFID系統(tǒng)而言，其工作頻率為840MHz～960MHz，可以得知當(dāng)標(biāo)簽與閱讀器距離相差4cm則返回信號(hào)相位相差90o。

以tag1、tag2為例，如圖2所示，其基帶信號(hào)在IQ兩路上的投影幅度接近，兩路信號(hào)相互干擾，不能解調(diào)出標(biāo)簽信號(hào)。增加了圖示的45o、135o的接收相位后，兩路信號(hào)的投影幅度差別明顯，可以正確解調(diào)出標(biāo)簽信號(hào)。

圖1 閱讀器多標(biāo)簽接收示意圖

圖2 標(biāo)簽信號(hào)坐標(biāo)圖

3.數(shù)字移相多相位解調(diào)

解調(diào)后的I、Q信號(hào)輸入移相器進(jìn)行移相，通過(guò)N個(gè)子移相器生成N路信號(hào)S0S1S2….SN-1，各路信號(hào)之間的相位差為θ，θ的取值滿足θ=180o/N的關(guān)系，移相后的信號(hào)表達(dá)為：

在數(shù)字處理器的實(shí)現(xiàn)如圖4所示：其中圖4(a)為單路的移相器，4(b)為多相位接收系統(tǒng)。

圖4 多相位同步檢波實(shí)現(xiàn)

圖5是兩個(gè)標(biāo)簽碰撞解調(diào)的FPGA仿真波形，標(biāo)簽采用FM0編碼，F(xiàn)M0（即Bi-Phase Space）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼，根據(jù)FM0編碼的規(guī)則，無(wú)論傳送的數(shù)據(jù)是0還是1，在數(shù)據(jù)的起始處都需要發(fā)生跳變。圖中第1路是標(biāo)簽tag1信號(hào)，第2路是標(biāo)簽tag2信號(hào)；標(biāo)簽碰撞可根據(jù)一定的幅度和相位將tag1和tag2的信號(hào)疊加在一起，閱讀器在I和Q路收到的信號(hào)分別是這兩個(gè)標(biāo)簽在I路和Q路上的分量的疊加。

其中第3路S0是閱讀器接收的I路信號(hào)，第5路S2是閱讀器接收的Q路信號(hào)，這兩路信號(hào)分別在501和502處都不能滿足FM0編碼規(guī)則。我們對(duì)IQ信號(hào)進(jìn)行4個(gè)相位的移相處理，移相后的信號(hào)分別是S0、S1、S2、S3。從仿真的數(shù)據(jù)可以對(duì)比出，移相后的信號(hào)S1滿足FM0編碼規(guī)則，并解出標(biāo)簽tag1，S3路信號(hào)滿足FM0編碼規(guī)則，可以解出tag2。

圖5 FPGA仿真兩個(gè)標(biāo)簽的碰撞波形

4.性能測(cè)試

用18000-6C的閱讀器和100枚標(biāo)簽搭建的測(cè)試平臺(tái)顯示，數(shù)字移相生成的0o、45o、90o、135o四個(gè)接收相位同時(shí)解調(diào)FM0反向調(diào)制信號(hào)，相比原始的IQ路接收解調(diào)，多標(biāo)簽清點(diǎn)性能提升13.56%。

表1 清點(diǎn)性能對(duì)比

圖6 清點(diǎn)性能對(duì)比圖

5.結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種多相位解調(diào)的多標(biāo)簽信號(hào)碰撞處理方法，并在ISO18000-6C協(xié)議的閱讀器上進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：采用了多相位解調(diào)技術(shù)的閱讀器，其多標(biāo)簽處理性能提升了13.56%，本設(shè)計(jì)帶來(lái)的問(wèn)題時(shí)，由于采用多相位接收，需增加數(shù)字處理成本，測(cè)試的閱讀器采用FPGA進(jìn)行數(shù)字處理，由于采用了多相位接收，F(xiàn)PGA資源占用增加了3400個(gè)LEs，同時(shí)增加了8個(gè)M4K[9]（采用ALTERA CYCLONE[10]器件），如果繼續(xù)增加多相位接收的路數(shù)，資源占用會(huì)成比例增加，但性能提升會(huì)越來(lái)越不明顯。資源優(yōu)化的問(wèn)題，需在后續(xù)工作中改進(jìn)。

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