碼分射頻識別系統(tǒng)相關(guān)解擴的實現(xiàn)

杜平

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510640）

1 引言

隨著RFID（Radio Frequency IDentification，射頻識別）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對其性能的要求也越來越高。將碼分技術(shù)應(yīng)用到UHF RFID空中接口中，改變傳統(tǒng)RFID單信道讀取的方式，成為RFID發(fā)展的趨勢。如圖1所示的多信道接入系統(tǒng)，處在不同信道的標(biāo)簽可以同時向讀寫器應(yīng)答[1]。碼分射頻識別技術(shù)體制與ISO/IEC18000-6C相比，接入能力增強、抗干擾能力提高、降低碰撞概率、多個信道標(biāo)簽同時讀取、識別距離更遠(yuǎn)、系統(tǒng)設(shè)備管理能力增強，直接改善了標(biāo)簽讀取率，為工程應(yīng)用帶來更多方便[2]。

多標(biāo)簽碼分并行應(yīng)答相當(dāng)于移動通信CDMA的正交接入。讀寫器構(gòu)建一組正交碼分信道，標(biāo)簽通過讀寫器的激活指令隨機選擇一個信道作為應(yīng)答信道。各個信道的擴頻序列均正交，相互不受干擾，可以同時在對應(yīng)的信道上接收標(biāo)簽應(yīng)答。

圖1 碼分多信道RFID系統(tǒng)

本協(xié)議采用15比特m序列作為擴頻序列，讀寫器端預(yù)先保存各標(biāo)簽信道采用的m序列碼，接收到的多個信道數(shù)據(jù)與本地序列通過相關(guān)運算進行解擴。如果是本信道的數(shù)據(jù)，則會在序列結(jié)束為止出現(xiàn)相關(guān)峰值；如果不是此信道數(shù)據(jù)，則不會出現(xiàn)峰值[3]。

如圖2所示，以四信道為例，同時進行四次相關(guān)運算后，對相關(guān)結(jié)果和判決門限值進行比較。如果大于門限值，則認(rèn)為此信道正確地接收到了數(shù)據(jù)；如果小于等于門限值，則認(rèn)為沒有數(shù)據(jù)或發(fā)生了碰撞。

圖2 相關(guān)運算實現(xiàn)解擴

2 擴頻數(shù)據(jù)的同步頭捕獲

相關(guān)解擴需要找到接收信息的準(zhǔn)確相位，因此同步頭的捕獲是至關(guān)重要的，CD-RFID系統(tǒng)標(biāo)簽回復(fù)數(shù)據(jù)也采用了同步頭設(shè)計[4]。標(biāo)簽回應(yīng)讀寫器的命令是在讀寫器發(fā)送命令結(jié)束后75μs。讀寫器在發(fā)送命令結(jié)束后75μs前后一段時間內(nèi)進行同步頭持續(xù)搜索，這里取70～80μs作為搜索區(qū)間，相關(guān)運算按照每個時鐘周期進行一次更新。對10μs的計算結(jié)果進行比較，找出最大值。如果最大值大于判決門限，那么最大值出現(xiàn)的位置就是同步頭結(jié)束的相位，也就是標(biāo)簽信息的起始相位。

在80μs結(jié)束后，就可以輸出同步頭判決結(jié)果，造成的時間延時使得后續(xù)的解擴不能使用讀寫器直接接收的數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)相應(yīng)的延時。以下是基于FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）的尋找最大相關(guān)值及其出現(xiàn)位置的算法（其中Max為最大值，offset為Max出現(xiàn)的位置）：

3 多信道相關(guān)解擴的實現(xiàn)

3.1 并行加法器技術(shù)實現(xiàn)解擴

讀寫器將接收到的擴頻數(shù)據(jù)存儲到15位寄存器中，并在每個時鐘信號到來時進行更新。并行加法器的思路是以接收端擴頻碼序列m1作為加法器輸入的系數(shù)，對接收的信號進行累加，如圖3所示[5]。濾波輸出結(jié)果進入門限判決器進行門限判決，如果超過了設(shè)定門限，則表明此數(shù)據(jù)為m1序列擴頻的信道數(shù)據(jù)；如果未超過設(shè)定門限，則表明此數(shù)據(jù)不是m1序列擴頻的信道數(shù)據(jù)。對于多個信道的數(shù)據(jù)，應(yīng)構(gòu)建多個數(shù)字匹配濾波器。

圖3 并行加法器解擴結(jié)構(gòu)

數(shù)字匹配濾波器的表達(dá)式為：

其中，x(n)為輸入信號；h(-i)為濾波系數(shù)，由接收端擴頻碼決定，取值-1或1。m序列碼元為1時，取值為1；m序列碼元為0時，取值為-1。并行加法器的長度N 等于擴頻碼長度。當(dāng)輸入信號x(n)與本地擴頻碼h(-i)匹配時，此時輸出達(dá)到最大，將超出預(yù)先設(shè)定的門限，可以進行判決。

以擴頻序列15’b011_0010_1000_0111為例，生成的并行加法器后應(yīng)按照z(n)=-x(0)+x(1)+x(2)-x (3)-x (4)+x (5)-x (6)+x (7)-x (8)-x (9)-x (1 0)-x(11)+x(12)+x(13)+x(14)進行計算。當(dāng)擴頻序列和輸入數(shù)據(jù)相關(guān)時，計算結(jié)果峰值將會大于判決門限。當(dāng)輸入是擴頻序列原碼時，判決結(jié)果出現(xiàn)正的最大相關(guān)峰值，則應(yīng)判決為1；若結(jié)果為負(fù)的相關(guān)峰值，則應(yīng)判決為0。

3.2 判決門限的設(shè)定

RFID根據(jù)標(biāo)簽的遠(yuǎn)近不同，所讀取到的標(biāo)簽信號大小也有很大差別。由于遠(yuǎn)距離標(biāo)簽接收到的能量很小，因此反射回來的信號也非常??；近距離的標(biāo)簽則反之?？紤]到距離較遠(yuǎn)的標(biāo)簽，應(yīng)該把門限值設(shè)定得較小，這造成了噪聲信號或者其他信道數(shù)據(jù)的解擴結(jié)果會超過門限值的情況。如果為了照顧近距離的標(biāo)簽，將門限值設(shè)定得較大，那么遠(yuǎn)距離的標(biāo)簽信號不能通過判決，讀取距離被縮短。由此可見，采用一個固定的門限勢必不能滿足所有標(biāo)簽的要求。

把是否相關(guān)峰值加入判決中，可以彌補單純用門限判決產(chǎn)生的缺陷。所有標(biāo)簽都采用較小的設(shè)定門限，如果相關(guān)值超過了設(shè)定門限，再判斷是否出現(xiàn)了相關(guān)峰值，相關(guān)峰值能夠說明這段數(shù)據(jù)是擴頻序列相關(guān)數(shù)據(jù)還是噪聲。通過此方法，即使信號很小也能夠在噪聲中將其甄別出來。

4 結(jié)束語

本文就CD-RFID系統(tǒng)如何實現(xiàn)解擴進行了詳細(xì)闡述，所采用的相關(guān)解擴算法能夠在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)解擴，并且準(zhǔn)確率高。CD-RFID擴頻系統(tǒng)具有更強的抗干擾能力，在實際應(yīng)用中對遠(yuǎn)距離的標(biāo)簽讀取突顯出了其優(yōu)勢，靈敏度達(dá)到了-90dBm，在比較微弱的信號幅度下仍然能夠解碼出多個信道的標(biāo)簽信息。因此，碼分多信道系統(tǒng)為RFID系統(tǒng)的發(fā)展帶來了新的方向，將成為未來研究的熱點。

[1] 劉禮白. 無源標(biāo)簽碼分射頻識別并行應(yīng)答[J]. 移動通信, 2012(4): 43-47.

[2] 周曉光,王曉華. 射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006.

[3] 樊昌信. 通信原理[M]. 6版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2008.

[4] 趙榮黎. 直接序列擴展頻譜通信系統(tǒng)的同步捕獲與跟蹤[J]. 鐵道學(xué)報, 1993(2): 40-46.

[5] 王光,田斌,吳勉,等. 直接序列擴頻通信中m序列的同步方案及其FPGA實現(xiàn)[J]. 電子科技, 2006(3): 25-29.★