UHF RFID讀寫器的設(shè)計方案

　　為了分析UHF RFID讀寫器系統(tǒng)抗干擾性能，本文提出了基于ISO18000-6 type B 協(xié)議下UHF RFID讀寫器的設(shè)計方案，并對其通信過程進行了Simulink仿真，給出了曼徹斯特編解碼以及2ASK調(diào)制解調(diào)的模型。

　　最后，結(jié)合實際中經(jīng)常遇到的高斯白噪聲信道分析了系統(tǒng)的信道抗干擾性能，給出了系統(tǒng)的誤碼率隨信噪比變化曲線。仿真表明本方案所設(shè)計的UHF RFID讀寫器系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。

　　0 引言

　　射頻識別系統(tǒng)是一種非接觸的自動識別系統(tǒng)，通過射頻無線信號自動識別目標(biāo)對象，并進行讀、寫數(shù)據(jù)等相關(guān)操作，這種無線獲取數(shù)據(jù)的方式在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標(biāo)簽和計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中讀寫器是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心，在系統(tǒng)工作中起著舉足輕重的作用，其性能的好壞直接影響到數(shù)據(jù)獲取的可靠性和有效性。而超高頻讀寫器在遠距離識別以及高速數(shù)據(jù)讀取方面有著顯著的優(yōu)勢，為此本文研究基于ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的Type B協(xié)議下的高頻讀寫器具有重要的現(xiàn)實意義。

　　1 RFID工作原理

　　不同的RFID系統(tǒng)，工作原理略有不同，但其依據(jù)的基本工作原理是一樣的。RFID系統(tǒng)讀寫器與電子標(biāo)簽基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由讀寫器模塊中振蕩器產(chǎn)生射頻振蕩信號，經(jīng)過載波形成電路產(chǎn)生載波信號，再經(jīng)過發(fā)送通道編碼、調(diào)制和功率放大后經(jīng)天線發(fā)出射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進入到工作區(qū)域，讀取讀寫器發(fā)送的信號，一部分用于產(chǎn)生能量驅(qū)動電源激活自身工作，一部分用于獲取信息，并根據(jù)指令將帶有自身信息的信號經(jīng)過編碼、調(diào)制后由天線發(fā)送給讀寫器。讀寫器再將讀取的信號傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進行相應(yīng)操作。

　　讀寫器在RFID 系統(tǒng)中扮演重要的角色，主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時接收來自主機系統(tǒng)的控制指令。各種讀寫器雖然在耦合方式、通信流程、數(shù)據(jù)傳輸方法，特別是在頻率范圍等方面有著根本的差別，但是在功能原理上，以及由此決定的構(gòu)造設(shè)計上，各種讀寫器是十分類似的。在ISO18000-6 Type B 協(xié)議下RFID 系統(tǒng)是基于讀寫器先發(fā)言原理工作，即讀寫器先發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進入到該工作區(qū)域時，首先產(chǎn)生感應(yīng)電流對自身激活，進而發(fā)射出帶有自身信息的信號，讀寫器讀取該信號后送到信息處理中心并進行相應(yīng)的處理。

　　2 UHF RFID讀寫器設(shè)計

　　超高頻射頻識別系統(tǒng)采用的頻率主要位于ISM 頻段，基于ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的射頻識別系統(tǒng)的頻率主要位于860~930 MHz，常用頻率為915 MHz.在該頻段下，電子標(biāo)簽的識別距離一般能達到1~10 m，而電子標(biāo)簽的識別距離取決于讀寫器的輸出功率，識別距離越遠，其被識別的準(zhǔn)確率越高，但同時讀寫器輸出功率越高，其造價及技術(shù)難度將越高，實際應(yīng)用中，一般根據(jù)系統(tǒng)要求來確定實施方案。

　　2.1 讀寫器的編解碼模型設(shè)立

　　在RFID 中，為了使讀寫器在讀取數(shù)據(jù)時能很好地解決同步的問題，往往不直接使用數(shù)據(jù)的NRZ 碼對射頻進行調(diào)制，而是將數(shù)據(jù)的NRZ 碼進行編碼變換后再對射頻信號進行調(diào)制。在ISO18000-6 TypeB協(xié)議下，使用的是曼徹斯特編碼。其編碼原則是，當(dāng)原始數(shù)據(jù)為“1”，將其編碼為“10”;當(dāng)原始數(shù)據(jù)為“0”，將其編碼為“01”。這種編碼的特點是每個碼元中間都有跳變，低頻能量較少，便于接收端提取時鐘信息。

　　仿真實現(xiàn)時，用一個頻率為原始數(shù)據(jù)發(fā)送頻率2倍的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運算即可實現(xiàn)曼徹斯特編碼。對曼徹斯特編碼進行解碼的目的是從接收到的曼徹斯特碼流中恢復(fù)出原始信號，仿真實現(xiàn)時可以使用和編碼相反的方法，即用一個頻率為原始碼流一半的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運算即可實現(xiàn)曼徹斯特解碼，其仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。曼徹斯特編解碼后的輸出信號與原始信號保持一致，符合要求。

　　2.2 讀寫器的調(diào)制解調(diào)建模

　　按照從讀寫器到電子標(biāo)簽的傳輸方向，讀寫器中發(fā)送的信號首先需要經(jīng)過編碼，然后通過調(diào)制器調(diào)制，最后傳送到傳輸通道上去，基帶數(shù)字信號往往具有豐富的低頻分量，因此必須用數(shù)字基帶信號對載波進行調(diào)制，以使信號與信道的特性相匹配。2ASK 調(diào)制是基于ISO18000-6標(biāo)準(zhǔn)下RFID 系統(tǒng)最常用的調(diào)制方式，其原理利用載波的幅度變化來傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。

　　2ASK信號可以表示成具有一定波形的二進制序列與正弦波的乘積，即：

　　式中：A 為振幅；Ts 為碼元持續(xù)時間；g（t）為持續(xù)時間為Ts 的基帶脈沖波形，為簡便起見，通常假設(shè)g（t）是高度為1、寬度等于Ts 的矩形脈沖。

　　解調(diào)和調(diào)制的實質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號搬移到載波位置，這一過程可以通過一個相乘器來實現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)信號的頻譜搬回到原始基帶位置，因此同樣可以用相乘器與載波相乘來實現(xiàn)。

　　在ISO18000-6 Type B協(xié)議下，RFID系統(tǒng)采用的是2ASK調(diào)制。以下仿真模型給出了讀寫器向電子標(biāo)簽傳輸過程中編碼及調(diào)制解調(diào)的仿真模型，前面已經(jīng)對曼徹斯特編碼給出了介紹，此處不再贅述。將經(jīng)過編碼信號與正弦波進行相乘并通過帶通濾波器后，可得到已調(diào)的高頻信號，解調(diào)時將已調(diào)信號與原正弦信號相乘再經(jīng)過低通濾波以及抽樣判決器，即可恢復(fù)出原始的編碼信號，在對接收到的已調(diào)信號進行解調(diào)時采用相同頻率的正弦波，其曼徹斯特編碼進行2ASK調(diào)制解調(diào)的仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

　　在本文中為了加快系統(tǒng)的仿真時間，將本地振蕩正弦波幅值設(shè)置為1，頻率設(shè)為915 Hz，設(shè)置脈沖發(fā)生器的采樣時間分別為0.1 s和0.05 s，帶通濾波器參數(shù)設(shè)置為600~1 100 Hz，低通濾波器的截止頻率為200 Hz，抽樣判決器的時間設(shè)為0.01 s.從圖5 中可以清楚的看到，信號經(jīng)過調(diào)制以及解調(diào)之后恢復(fù)的信號與原始信號保持一致。

　　2.3 UHF RFID讀寫器傳輸性能的研究

　　任何信號的傳輸都伴隨著噪聲，加性高斯白噪聲是最常見的一種噪聲，它存在于各種傳輸煤質(zhì)中，表現(xiàn)為信號圍繞平均值的一種隨機波動過程。加性高斯白噪聲的均值為0，方差表現(xiàn)為噪聲的功率的大小。本文對讀寫器與電子標(biāo)簽之間的信號傳輸性能的研究就是基于加性高斯白噪聲信道的基礎(chǔ)之上。

　　圖6給出UHF RFID讀寫器向電子標(biāo)簽傳輸方向的通信模塊仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。已調(diào)信號經(jīng)過一個加性高斯白噪聲信道傳輸后再經(jīng)帶通濾波器濾除多余的諧波后與正弦載波信號相乘進行解調(diào)，解調(diào)后的信號經(jīng)過放大再濾波以及抽樣判決就可以得到原始的基波信號。

　　在圖7 中將編碼信號與抽樣判決后的信號通過關(guān)系比較器進行比較，當(dāng)兩者的結(jié)果不一致時，輸出1，當(dāng)兩者結(jié)果一致時輸出0，再將結(jié)果與1一起輸入錯誤率統(tǒng)計模塊，即可得到誤碼率，考慮到信號傳輸過程中的延遲，故在原始信號后加一延遲模塊，延遲時間可由仿真圖形中進行估計。

　　2.4 誤碼率特性分析

　　本文所建立的UHF RFID 讀寫器仿真模型是建立在ISO18000 Type B 協(xié)議的基礎(chǔ)上的，其常用頻率為915 MHz，將載波信號頻率設(shè)為915 MHz.為了降低系統(tǒng)的仿真時間，將每個信號的抽樣數(shù)設(shè)為2，若增加信號的抽樣數(shù)時，所得的誤碼率將降低，但同時仿真時間將增大，取抽樣信號的功率為1 W，觀察信噪比從1~15 dB變化時，系統(tǒng)的誤碼率的變化，誤碼率曲線如圖8 所示，從圖中可以看出，當(dāng)信噪比達到12 dB時，誤碼率已達到10-4，系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。

　　3 結(jié)語

　　本文提出了基于ISO18000-6 type B 協(xié)議下UHF RFID讀寫器的設(shè)計方案，并對其通信過程進行了Simulink仿真，給出了曼徹斯特編解碼以及2ASK調(diào)制解調(diào)的模型。通過結(jié)合實際中經(jīng)常遇到的高斯白噪聲信道分析了系統(tǒng)的信道抗干擾性能，給出了在915 MHz頻率下，系統(tǒng)的誤碼率曲線，分析了系統(tǒng)的抗干擾性能，在SNR 達到12 dB，誤碼率達到10-4 ，系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。（作者：張媛，蘆海玉，朱武）