一種基于FPGA和DSP的UHF RFID接收平臺(tái)設(shè)計(jì)*

劉 丹，段小芳，熊 剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)是一項(xiàng)非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它是利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)[1]。目前RFID系統(tǒng)的工作頻率有低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波等，不同頻段的RFID系統(tǒng)工作原理不同，LF和HF頻段的RFID系統(tǒng)一般采用電磁耦合原理，而UHF和微波頻段的RFID系統(tǒng)一般采用電磁發(fā)射原理[2]。

國(guó)際通用的UHF頻段就是ISM公用頻段，如歐洲使用的865～868 MHz，美國(guó)和加拿大等國(guó)使用的902～928 MHz等頻段[3]，在我國(guó)一般選用902～928 MHz頻段。UHF RFID與HF和LF頻段相比，電波傳輸性能好、標(biāo)簽天線尺寸適中，適用于遠(yuǎn)距離識(shí)別和大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)人士的極大關(guān)注，典型應(yīng)用有鐵路車輛自動(dòng)識(shí)別、集裝箱識(shí)別，還可用于公路車輛識(shí)別與自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)等[4]。

RFID閱讀器的接收部分是閱讀器的核心，目前在RFID系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是零中頻結(jié)構(gòu)，但由于超高頻無(wú)源RFID系統(tǒng)工作機(jī)理的原因，很難抑制同頻信號(hào)對(duì)反向信號(hào)的干擾[5]。

本文通過(guò)對(duì)UHF RFID的工作原理進(jìn)行了分析，重點(diǎn)研究了工作在902MHz～928 MHz的UHF RFID上行鏈路信號(hào)的編碼和調(diào)制方式，提出了一種基于擬合預(yù)處理的上行鏈路信號(hào)處理算法，一定程度上降低了同頻能量信號(hào)所造成的干擾影響，最后基于FPGA+DSP的架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款UHF RFID上行鏈路信號(hào)接收平臺(tái)，并對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 UHF RFID工作原理

典型UHF RFID系統(tǒng)組成如圖1所示，包括閱讀器、天線、標(biāo)簽和上位機(jī)組成。閱讀器持續(xù)發(fā)送能量信號(hào)，在經(jīng)過(guò)標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽從能量信號(hào)中獲得工作所需的能量，通過(guò)反向散射調(diào)制射頻載波信號(hào)的幅度或相位來(lái)發(fā)送信息[6]。閱讀器接收來(lái)自標(biāo)簽的反向散射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端接收電路的放大、解調(diào)、濾波，送入基帶經(jīng)過(guò)判決識(shí)別出標(biāo)簽內(nèi)容，同時(shí)處理器與上位機(jī)通信，將解析的標(biāo)簽信號(hào)（如標(biāo)簽的ID號(hào)等）發(fā)送給上位機(jī)。

圖1 UHF RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閱讀器主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時(shí)接收來(lái)自上位機(jī)的控制指令，閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識(shí)別的有效距離。閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不同，可以是只讀或讀/寫裝置，它是RFID系統(tǒng)的核心。

天線是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去，閱讀器發(fā)射的射頻信號(hào)需通過(guò)天線發(fā)射出去。

標(biāo)簽是由IC芯片和天線組成的微型標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于和閱讀器進(jìn)行通信。標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，在接收到閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)后，將其中一部分整流為直流電源供標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，另一部分能量用于數(shù)據(jù)信息調(diào)整后反射回閱讀器。

上位機(jī)負(fù)責(zé)配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給閱讀器。

對(duì)于無(wú)源UHF RFID系統(tǒng)，由于標(biāo)簽的工作是通過(guò)讀寫器發(fā)出的高頻載波獲得能量，采用對(duì)載波的調(diào)制并反射載波來(lái)傳輸信號(hào)，這就決定了該系統(tǒng)是同頻系統(tǒng)，而且是發(fā)射和接收同時(shí)工作的系統(tǒng)。因此，讀寫器在接收到標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，也接收到強(qiáng)度比發(fā)射信號(hào)強(qiáng)得多的同頻載波信號(hào)。

2 接收平臺(tái)設(shè)計(jì)

接收部分是RFID閱讀器的核心，直接影響著閱讀器的性能，因此接收機(jī)架構(gòu)也是RFID研究的重點(diǎn)。UHF RFID系統(tǒng)的工作機(jī)理導(dǎo)致接收機(jī)在接收到標(biāo)簽信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)受到下行同頻能量信號(hào)的強(qiáng)干擾。本文提出了一種低中頻抗強(qiáng)干擾的結(jié)構(gòu)，即將載頻信號(hào)下變頻到合適的低中頻，然后通過(guò)基于自適應(yīng)擬合的預(yù)處理算法對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行降噪和消除干擾的處理后，再通過(guò)位同步、時(shí)鐘校正、解碼等解析成標(biāo)簽數(shù)據(jù)，從而降低了同頻信號(hào)對(duì)標(biāo)簽信號(hào)的影響，提高了接收靈敏度。

UHF RFID接收平臺(tái)包括接收天線、接收機(jī)、中頻信號(hào)處理平臺(tái)、顯控軟件四部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 接收天線

接收天線主要負(fù)責(zé)接收應(yīng)答器的信號(hào)并傳送給接收機(jī)進(jìn)行射頻信號(hào)處理。采用902～928 MHz超高頻高性能的RFID平板天線。天線采用9 dBi高增益、低駐波比設(shè)計(jì)，識(shí)讀距離可達(dá)10米。圓極化設(shè)計(jì)，對(duì)標(biāo)簽無(wú)方向性要求，盲區(qū)小，讀卡范圍廣，讀寫效率高。

2.2 射頻接收機(jī)

接收通道的鏈路框圖如圖3所示。采用一次混頻結(jié)構(gòu)，直接將射頻信號(hào)搬移到中頻?？紤]到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍有限，故整個(gè)鏈路采用固定增益模式，重點(diǎn)兼顧911.5 MHz（測(cè)試閱讀器工作頻率）大功率激勵(lì)信號(hào)對(duì)射頻接收通道的影響。

圖2 接收平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 射頻接收通道

2.3 中頻處理平臺(tái)

中頻處理采用FPGA+DSP的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。FPGA+DSP結(jié)構(gòu)靈活，適用于模塊化設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA完成高速中頻信號(hào)處理，DSP完成信號(hào)分析功能。具體處理流程如圖4所示。

圖4 中頻信號(hào)處理

輸入的中頻信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片完成相應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)送入FPGA，在FPGA內(nèi)要分別完成信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)識(shí)別、下變頻、降采樣處理后，送入DSP進(jìn)行處理，在DSP中要完成載波/碼速率估計(jì)、同步、解調(diào)、解碼、差錯(cuò)校驗(yàn)等處理。

由于應(yīng)答器下行能量信號(hào)和上行標(biāo)簽信號(hào)位于相同頻點(diǎn)，接收機(jī)在接收標(biāo)簽信號(hào)的同時(shí)也會(huì)接收到閱讀器發(fā)射的大功率能量信號(hào)，同時(shí)也會(huì)受到環(huán)境中的各種噪聲影響、傳播過(guò)程中的多徑效應(yīng)等因素，這些問題對(duì)接收信噪比有很大影響。

為降低頻偏分量信號(hào)和噪聲的干擾，本文提出了一種基于自適應(yīng)擬合的預(yù)處理算法，通過(guò)自動(dòng)跟蹤學(xué)習(xí)，使輸出信號(hào)與主輸出信號(hào)達(dá)到同幅和同相。最小均方LMS（Least Mean Square）算法是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的常用算法，其原理是通過(guò)一系列運(yùn)算調(diào)整參數(shù)使線性組合器的輸出信號(hào)與期望響應(yīng)之間的誤差均方值為最小。權(quán)系數(shù)更新算法采用LMS算法，公式表達(dá)式為：

其中X(n)為現(xiàn)在時(shí)刻的輸入向量，W(n)代表現(xiàn)在時(shí)刻的權(quán)系數(shù)向量，W(n+1)代表下一時(shí)刻的權(quán)系數(shù)向量。期望響應(yīng)信號(hào)d(n)與實(shí)際輸出信號(hào)y(n)之間的誤差為e(n)，μ為控制穩(wěn)定性和收斂速度的步長(zhǎng)因子。LMS算法的一個(gè)缺點(diǎn)是收斂速度慢，不易滿足實(shí)時(shí)解調(diào)的要求。為了獲得較快的收斂速度，對(duì)自適應(yīng)算法進(jìn)行改進(jìn)，新算法的基本思想是：當(dāng)權(quán)系數(shù)遠(yuǎn)離最佳系數(shù)即誤差較大時(shí)，使用較大的步長(zhǎng)，加快收斂，反之則使用較小步長(zhǎng)，從而使得穩(wěn)態(tài)失調(diào)較小，提高算法性能。這里采用Lorentzian函數(shù)作為μ(n)的變步長(zhǎng)自適應(yīng)算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)變化的跟蹤。其公式如下：

其中α是控制Lorentzian函數(shù)范圍的參數(shù)，δ是控制Lorentzian函數(shù)形狀的參數(shù)。設(shè)L為自適應(yīng)濾波器的長(zhǎng)度，該算法以濾波器權(quán)系數(shù)誤差

作為算法收斂和跟蹤性能的指標(biāo)。進(jìn)行降噪和消除干擾的處理后，再采用基帶解調(diào)算法就可以恢復(fù)出應(yīng)答器標(biāo)簽信號(hào)攜帶的信息。

基帶信號(hào)處理采用匹配濾波器實(shí)現(xiàn)判決比較，提高同步的速度，同時(shí)結(jié)合相位反饋環(huán)路調(diào)整來(lái)解決符號(hào)速率不夠精準(zhǔn)的問題?；鶐盘?hào)處理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 基帶信號(hào)處理

在基帶信號(hào)處理中，將應(yīng)答器上行鏈路基帶信號(hào)的“0”編碼、“1”編碼和幀頭編碼對(duì)應(yīng)的信號(hào)分別使用不同的波形進(jìn)行匹配。首先進(jìn)行幀頭匹配濾波處理，由于幀頭的波形長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)其相關(guān)匹配時(shí)性能較優(yōu)，同步的精度高。為了適應(yīng)信號(hào)有時(shí)發(fā)生突變的情況，還可以進(jìn)一步采取設(shè)置動(dòng)態(tài)門限的方式。幀頭匹配之后再實(shí)現(xiàn)應(yīng)答器數(shù)據(jù)信息的解調(diào)、解碼判決，利用幀頭濾波輸出與反饋信息的聯(lián)合，更加準(zhǔn)確的對(duì)采樣時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整處理，對(duì)齊后分別進(jìn)行“0”、“1”編碼波形的匹配處理，然后在最佳采樣點(diǎn)位置對(duì)匹配輸出進(jìn)行判決便可以得到最終的解調(diào)以及解碼結(jié)果。

對(duì)改進(jìn)的信號(hào)基帶解調(diào)方法進(jìn)行仿真，仿真設(shè)置信號(hào)碼速率為80 KHz，將預(yù)處理后的信號(hào)分別采用基于鎖相環(huán)的方法和改進(jìn)后的方法進(jìn)行比較，得到如圖6所示的解調(diào)性能曲線，基于自適應(yīng)擬合預(yù)處理的解調(diào)算法誤碼率低于常用的基于鎖相環(huán)的解調(diào)算法。

圖6 不同信噪比下兩種解調(diào)算法比較

2.4 顯控軟件

顯控軟件主要實(shí)現(xiàn)報(bào)文內(nèi)容顯示功能，在VC 6.0編譯環(huán)境下利用MFC實(shí)現(xiàn)軟件架構(gòu)，通過(guò)CPCI總線實(shí)現(xiàn)與中頻處理平臺(tái)的通信，主要功能包括接收中頻處理平臺(tái)的解碼信息，根據(jù)6 bit ASCII碼表對(duì)解碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，識(shí)別報(bào)文內(nèi)容，并以表格形式呈現(xiàn)。

3 接收平臺(tái)性能

為了測(cè)試本文接收平臺(tái)的性能，測(cè)試在閱讀器與標(biāo)簽正常通信的條件下進(jìn)行。閱讀器與標(biāo)簽垂直于地面上下放置，相距0.8 m，以確保閱讀器能夠有效讀取標(biāo)簽。接收平臺(tái)天線位于距離標(biāo)簽2 m的位置處接收標(biāo)簽信號(hào)，通過(guò)對(duì)5個(gè)標(biāo)簽連續(xù)交替讀取來(lái)測(cè)試接收平臺(tái)信息解析的準(zhǔn)確率。解析結(jié)果如圖7所示，讀取標(biāo)簽個(gè)數(shù)共計(jì)50個(gè)，其中正確標(biāo)簽個(gè)數(shù)為49個(gè)，有1個(gè)標(biāo)簽解析錯(cuò)誤，解析準(zhǔn)確率可達(dá)98%。

圖7 解析性能測(cè)試

此外，還對(duì)本平臺(tái)的靈敏度進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)將信號(hào)源頻率設(shè)置為902～928 MHz頻段內(nèi)的隨機(jī)頻點(diǎn)，其輸出連接平臺(tái)的射頻輸入，平臺(tái)的中頻輸出接口連接頻譜儀，通過(guò)調(diào)整信號(hào)源輸出電平，測(cè)試平臺(tái)的接收靈敏度，本平臺(tái)的接收靈敏度可達(dá)-115 dBm。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)UHF RFID系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)UHF RFID系統(tǒng)的上行鏈路信號(hào)進(jìn)行了分析，提出了一種基于自適應(yīng)擬合預(yù)處理的基帶信號(hào)解調(diào)算法，基于FPGA和DSP架構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了UHF RFID接收平臺(tái)，該平臺(tái)在接收距離2 m的情況下，靈敏度可達(dá)-115 dBm，解析準(zhǔn)確度可達(dá)98%。