1 引言超高頻RFID系統空中介面標準包括ISO／IEC系列，F2C系列，以及中國正在研究制定的國家標準，數字接收機可實現軟體升級和多協議支持，相比模擬接收機具備易於調試、應用靈活的上風，因而在超高頻姍讀寫器中得到了廣泛應用．進步超高頻RFID讀寫器的讀取效果一直是近年來的研究重點．在經過詳盡分析和實驗驗證後，本文給出相關題目的解決辦法。超高頻RFID讀寫器是與標籤之間採用反向散射原理完成通訊，根據當前主要的UHF頻段空中介面標準ISO／IEC 18000-6C，標籤在無源狀態下以同頻半雙工方式通訊．基本的通訊過程是，讀寫器採用幅移鍵控(ASK)等方式來調製載波，在特定頻率的信道上將信息發送給一個或多個標籤．之後讀寫器仍然需要發射CW載波，在指定的時間內來等待標籤的應答。零中頻架構具有不需要中頻環節，能夠減小功耗，降低電路複雜度，易於調試等優點．零中頻RFID數字接收機電路框圖如圖1所示．天線接收進來的射頻信號通過環行器後直接進進下變頻器，轉換完成的基帶信號通過LNA放大、低通濾波，輸出兩路I、Q基帶信號交由基帶進行數字信號處理。

圖1 零中頻RFID數字接收機電路框圖讀寫器的通訊效果受到發射機輸出功率、接收機靈敏度、收發天線增益、收發隔離度、標籤功耗、標籤天線增益，以及環境狀況等參數的影響．其中，發射端最大有效全向發射功率(EIRP)受到國家無線電發射設備管制，收發隔離度受到環行器等器件隔離度限制(一般只能達到25dB)，在標籤、天線和環境等參數一定的條件下，接收機的性能對讀寫器整機性能起決定性作用。2 接收機性能影響因素分析超高頻RFID讀寫器接收機工作時也需要發射機發出無調製的載波．接收機接收到的包括標籤反射信號、天線雜訊、環境反射、發射機直接耦合，以及接收機自身的雜訊等。在標籤能獲得足夠工作能量的條件下，讀寫器的工作間隔主要取決於標籤反向散射信號在讀寫器的解調輸出能否滿足最低信噪比要求．根據文獻[3]，可用下面的公式來標示讀寫器決定的最大工作間隔：

其中，C是電磁波在自由空間的傳播速度，ω是電磁波信號的角頻率，Г是標籤功率反射係數，ξ是收發隔離係數，GR是讀寫器天線增益，Gt是標籤天線增益，分母中的Ppn表示本振的單邊帶通帶內相位雜訊功率，可以計算本振已知的相位雜訊數據或者使用頻譜分析儀(SPA)直接丈量獲得．分子中的PDATA表示標籤二進位數據序列的單邊帶通帶內信號功率，可以數值計算的方式得到．根據公式，在標籤參數、天線增益和收發隔離等參數一定的情況下，讀寫器的工作間隔取決於接收機的信噪比性能(SNR)，尤其是相位雜訊以及降噪處理效果。環境折反射干擾及相位雜訊主要在載波頻率四周，下變頻之後表現為低頻雜訊；基帶信號上混有常見的高頻雜訊，在密集讀寫器模式下，需要控制接收機帶寬在一定範圍以避免讀寫器之間相互干擾，因此需要對基帶信號作帶通濾波處理，以進步其信噪比。直流偏移是零中頻結構特有的一種干擾，是由於接收機中本振、發射機泄漏、環境反射等信號耦合到混頻器輸進端形成的。讀寫器收發同頻造成了直流偏移遠大於常規的接收機，加上常見工作間隔只有3—5米，載波泄漏情況還受天饋及環境影響，直流偏移具有時變性．直流偏移不僅破壞了後級電路的直流工作點，還影響放大濾波電路的線性度性能，使信噪比變差．使用環行器的單天線設計中，環行器隔離度有限導致發射泄漏到接收真箇強度大，直流偏移題目會更加嚴重，直流偏移、環境折反射引起的幅度相位干擾、本振相位雜訊、ADC量化雜訊等都可降低接收機的信噪比，進步其性能除了要在模擬射頻電路上進行改進，還必須在基帶信號處理演算法上採取相應措施。3 基帶數字信號處理為保證正確完成解碼，基帶數字信號處理需要完成雜訊與干擾的消除，以適當的方式完成ASK信號判決．關鍵的處理措施包括：過採樣與濾波、直流偏移校正、數據解碼等。3.1 過採樣與濾波根據奈奎斯特採樣定理，為了使採樣信號能恢復成原來的連續信號，採樣頻率至少應大於信號最高頻率的兩倍，過採樣是在奈奎斯特頻率的基礎上將採樣頻率進步一個過採樣倍律的水平，過採樣能夠降低有效帶寬內量化雜訊的功率，進步信噪比，相當於增加了ADC的分辯率，過採樣得到的數據可以用CIC濾波器進行抽取，使數據率回到正常水平，再級聯FIR濾波器進行帶通濾波，進一步降低雜訊功率，進步信噪比。以常見的碼率250kbps的ASK標籤返回信號為例，為了能夠和ADC晶元性能配合，選擇過採樣係數為40，則採樣速率為20MSI焉．抽取之後的碼率設定為回發數據碼率的8倍，即2Mbps，CIC濾波級數為3。FM0編碼的盡大部分信號功率都在第一零點內，通常第一零點帶寬位置為通訊速率的2倍，加進時鐘抖動後，其最大的第一零點帶寬可達通訊速率的2.5倍，因此，設置低通截止頻率為650kHz；考慮同步頭的V特徵點，可設置高通截止頻率為160kHz，以便在有限的資源條件下儘可能濾除帶外雜訊．圖2為設計得到的帶通濾波器幅頻特性曲線。

圖2 帶通濾波器的幅頻特性曲線3.2 直流偏移校正以電路硬體方式處理直流偏移的辦法包括：交流耦合、載波消除、諧波混頻、自校正補償等，其中諧波混頻處理、自校正補償方法均較複雜，而實現的效果有局限性．文獻[4]提到一種載波消除的處理方法，該方法需要同時在模擬射頻和基帶單元增加補償電路及軟體，增加了複雜程度和本錢，且調試困難．文獻[5]提到簡單的通過電容交流耦合方式即可濾除信號直流部分來減輕直流偏移的干擾，這種方式是所有方案中結構最簡單、本錢最低，因而應用最廣。標籤回發的數據幀同步頭包括若干個前導零加前同步碼，基帶程序在規定時間內探測到同步頭之後才能開始信息解碼接收。交流耦合方式雖可減輕信號過載造成的干擾，但由於讀寫器工作在突發通訊模式下，接收電路的階躍響應特性會在同步頭位置產生斜坡效應，往往導致同步判定錯誤，為處理斜坡，可以在基帶信號處理前進行中值校正，該方法僅需要對採集的數據進行滑動窗跟蹤和p-p值均勻計，其原理是：

上式中c是標定的ADC數據中值，i是數據序號，x(i)為原始數據值，Y(i)表示該點的校正結果數據，n為滑動窗的大小，j是滑動窗計算序號。除了部分數據頭部由於失真無法復原以外，能夠以較小的計算代價對通訊幀的同步頭數據進行還原，從而減輕直流偏移干擾對解碼同步的影響。3.3 數據解碼基帶數據解碼方法分為過零檢測和相干檢測兩種，過零檢測工作原理是設定一個閥值，對數據緩衝區內的每個數據樣本都與中值相比較，假如該數據樣本與中值的差值的盡對值大於閥值且大於均勻值，就判定為1，否則都判為0。由於該方法的實現簡便易行，甚至利用比較器就可以實現判決，在中低端讀寫器產品上使用廣泛。相干檢測則具備更好的解碼能力，能夠在輸進信嗓比較差的使用環境中達到遠優於過零檢測的性能，由於FM0編碼採用正交編碼方式，滿足：

解碼之前，需事先創建數據數組S0和S1作為表示FMO編碼的0和1的碼元模板．根據公式，輸進數據分別與S0和S1作相關運算，運算結果即表示了輸進信號與碼元0和碼元1之間的相關程度．碼元模板按照採樣倍數設置分段長度，相關運算也按照同樣方式分段進行。由於碼元模板S0和Sl也是正交的，所以與哪個的運算結果值大，則表明該輸人數據代表的是哪個碼元．由於標籤返回信號答應有±22％的頻偏，使得分段相干計算的起始位置難以界定．參考文獻[6]的設計採用的是分成多組相關器同時計算的方法進行處理，佔用FPGA資源較多．更好的方式是綜合運用過零檢測，間隔3-4個周期就對分段的起始位置進行校正，從而保證了分段計算過程與信號周期始終同步，這樣在不過分增加資源消耗的情況下仍然可以達到同樣的效果。4 驗證及分析根據上述分析設計樣機驗證平台，其中基帶的數字信號處理通過Altera CycloneII FPGA完成，實現的功能包括ADC驅動、FIFO緩衝、CIC濾波以及相關性判等，協議流程的處理交由FPGA內嵌的軟核CPU完成，上述功能塊按照外設的方式掛接在軟核CPU內部匯流排上．全部功能塊的設計以Altera提供的標準IP庫為基礎．測試時發射機天線埠輸出功率30dBm，工作頻率915MHz，使用7dBi的圓極化天線，標籤使用Alien公司產品．設置標籤間隔天線8m，控制標籤的回傳速率為250kdBs。ADC採集的原始數據曲線如下圖3所示(橫軸是採樣個數，縱軸是採樣數據值不同)。由於完整的通訊幀數據較多，在此僅僅給出包含同步頭和同步碼的I路前半部分數據及其處理結果。

圖3 ADC採集的原始數據曲線可以看出，在零中頻接收模擬輸出除了所需要的標籤回傳數據外，數據幀同步頭還混雜了直流偏移干擾以及高頻雜訊．由於間隔較遠，有用信號的p-p值僅有110，波形畸變嚴重，信噪比較差。經過CIC及帶通濾波，可以得到圖4所示的曲線，此時濾波器往除了混雜的雜訊，波形變得比較圓滑整潔，能夠較輕易的分辨出數據幀的同步頭和數據位．圖中同時顯示了過零檢測的解碼曲線(位於圖形下方，方波上邊標註的是過零檢測的0和1及其樣本點數目；下方標註解碼結果。2B4 ：0，表示第2位元組的第4位解碼為0)，該演算法在橫軸坐標240左邊出現了解碼判決錯誤(1B5：1，碼元0被判決為1)，表明處理畸變干擾能力有限。

圖4 直接過零檢測解碼的效果同時採用直流偏移校正和相干檢測方法對同一個數據進行處理，得到的曲線及效果參見圖5。解碼結果波形顯示演算法改善了同步頭的解碼效果。同時，橫軸坐標240左邊被正確的解碼(1B5：0)，證實了該演算法在遠間隔標籤返回信號幅度比較小或者標籤信號中值波動的情況下，仍然可以正確獲得EPC數據。

圖5 直流偏移校正及相干檢測解碼的效果5 結論本文通過分析零中頻架構超高頻RFID讀寫器數字接收機設計中的性能瓶頸，明確了影響接收性能的雜訊干擾、直流偏移及解碼題目的成因及解決思路．從基帶數字信號處理角度，在過採樣濾波處理基礎上，給出直流偏移校正和相關解碼等解決辦法．經過測試驗證，讀寫器最遠能夠穩定讀取10m左右間隔的標籤，且能夠自適應天饋和環境的變化，讀取效果比市場上常見產品更為穩定可靠．證實達到了進步讀寫器作用間隔的設計要求。
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