基于EPC C1 G2協議的超高頻RFID建模與仿真

邱秀清

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)

引 言

射頻識別技術(RFID)是一種非接觸的自動識別技術[1]。2007年 VDC(Venture Development Corporation)在全球RFID行業規劃中國版研究報告中指出：RFID伴隨著巨大推動力并以一種前所未有的方式登陸中國,得到了政府項目的廣泛支持以及越來越多全球制造商的積極擁護。中國的RFID運動已經順利完成強力起始階段,并有可能在未來五年內保持高速發展[2]。

RFID由于載波頻段不同,可以劃分為低頻(30～300 kHz)、中頻(300 kHz～ 3 M Hz)、高頻(3 ～ 30 M Hz)和超高頻(300 MHz～3 GHz)。其中,超高頻(UHF)頻段的有效作用距離最大,可以達到8～20 m,可廣泛應用于商業物流和交通運輸領域。

超高頻射頻識別系統的協議目前有很多種,主要可以分為兩大協議制定者：一是ISO(國際標準化組織);二是EPC Global。ISO組織目前針對UHF頻段制定了射頻識別協議ISO 18000-6,而EPC Global組織則制定了針對產品電子編碼超高頻射頻識別系統的標準。其中,EPC UHF Class l Generation2(EPC Cl G2)已逐步成為物流管理方面的主流標準,同時還被采納為ISO/IEC18000-6C標準[3],是當前最新的標簽與讀寫器通信協議。本文重點分析了EPC C1 G2標準下的數據編碼方式,同時,利用Matlab/Simulink[4]工具對EPC C1 G2標準下的 UHF RFID系統的發送鏈路和接收鏈路進行了建模和仿真。

1 發送鏈路的建模和仿真

1.1 發送鏈路編碼[5]

發送鏈路采用PIE編碼,如圖1所示。其中,Tari為讀寫器對標簽發信的基準時間間隔,是數據 0的持續時間,其值可以采用6.25～ 25 μ s 的任意值(一般推薦選擇 6.25 μ s、12.5 μ s或者 25 μ s);PW(脈沖寬度)可以采用 0.265Tari～0.525Tari的任意值 。若取 Tari=25 μ s,PW=0.5Tari,數據1的周期T1=2Tari,則數據0及數據1的PIE編碼格式如圖2所示。

圖1 Gen 2協議下的PIE符號

圖2 仿真系統中設定的PIE編碼格式

1.2 發送鏈路系統框架[6-7]

圖3為搭建的發送鏈路框架,包括PIE碼產生、升余弦濾波、希爾伯特變換、調制深度控制、量化、濾波、上變頻和放大器等模塊。其中,PIEcode模塊通過在Matlab下編寫S函數來實現[4]。

圖3 發送鏈路框架

1.3 發送鏈路仿真結果

在搭建的發送鏈路框架下得到的仿真結果如圖4～圖6所示。數據源發送的偽隨機PIE碼如圖4所示,經過升余弦濾波以后的波形如圖5所示。

圖4 數據源發送的偽隨機PIE碼

圖5 經過升余弦濾波以后的波形

發送的雙邊帶幅度調制信號如圖6所示。圖6(a)和圖6(b)調制深度分別為30%和100%的結果。

2 接收鏈路的建模和仿真

2.1 后向鏈路編碼[5]

2.1.1 FM0后向鏈路編碼

圖6 發送的雙邊帶幅度調制信號

FM0編碼又稱“雙相間隔碼編碼”,即：若信號在一個周期內未發生跳變,則表示二進制1;若信號在一個周期內發生跳變,則表示二進制 0。具體編碼方式如圖 7所示。在數字信號為100110的情況下,可具有兩種編碼輸出：001010110010和 110101001101。

圖7 數字信號與FM0編碼比較

2.1.2 Miller調制副載波

Miller調制副載波也是標簽到讀寫器通信時可選的數據編碼方式之一。Miller編碼規則是邏輯“0”的電平和前位有關,而邏輯“1”雖然在位中間有跳變,但是上跳還是下跳取決于前位結束時的電平。數據101100011010的Miller編碼如圖8所示。不同于基帶FM0編碼之處是,基帶Milier編碼僅在2個連續符號0間才發生相位翻轉,其他數據符號組合(01/10/11)不發生相位翻轉。

圖8 數據 101100011010的 Miller編碼

2.2 接收鏈路系統框架[6-7]

圖9為搭建的接收鏈路系統框架。在接收鏈路的搭建中,發射機先發送一個無調制的載波來激活標簽,接收鏈路采用FM0編解碼模塊。由于具有滯后性,引入一個位延時。另外,由于Free Space Path Loss模塊要求的輸入為complex型,因此在其前端引入了一個Product模塊,用于將輸入的Double信號轉換為Complex。在其后端引入了Complex to Real-Image模塊進行反轉換。這種巧妙的設計解決了模塊信號類型的不匹配問題。

圖9 接收鏈路系統框架

2.3 接收鏈路仿真結果

圖10 原始輸入信號以及進行FM0編碼和解碼以后信號

圖11 接收波形

圖10給出了原始輸入信號以及進行FM0編碼和解碼以后的信號。圖11(a)、11(b)分別為閱讀器和標簽距離1 m和5 m的接收波形。

[1]曾少林,易靈芝,王根平,等.高級加密標準算法在RFID數據安全中的應用[J].計算機測量與控制,2007,15(6)：792-793.

[2]VDC：中國 RFID 市場白皮書.[2010-03].http：//www.rfidinfo.com.cn/Tech/d111_1.html.

[3]張暉,王東輝.RFID技術及其應用的研究[J].微計算機信息 ,2007(11)：252-254.

[4]王正林,王勝開,陳國順,等.MATLAB/Simulink與控制系統仿真[M].2版.北京：電子工業出版社,2008.

[5]EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 M Hz～960 M Hz.Version 1.0.9,2005.

[6]Jin Li,Cheng Tao.Analysis and Simulation of UHF RFID System[C].ICSP 2006 Proceedings,Guilin,2006.

[7]韓益鋒.射頻識別閱讀器的研究與設計[D].上海：復旦大學,2005.