UHFRFID讀寫器系統設計

摘 要： 為了分析UHF RFID讀寫器系統抗干擾性能，提出了基于ISO18000?6 type B 協議下UHF RFID讀寫器的設計方法，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調制解調的模型。結合實際中經常遇到的高斯白噪聲信道分析了系統的信道抗干擾性能，給出了系統的誤碼率隨信噪比變化曲線。仿真表明該UHF RFID讀寫器系統具有較高的抗干擾性能。

關鍵詞： RFID； 讀寫器； 電子標簽； Simulink

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0148?03

射頻識別系統是一種非接觸的自動識別系統，通過射頻無線信號自動識別目標對象，并進行讀、寫數據等相關操作，這種無線獲取數據的方式在工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理眾多領域得到廣泛應用。RFID系統由閱讀器、電子標簽和計算機網絡構成，其中讀寫器是RFID系統信息控制和處理中心，在系統工作中起著舉足輕重的作用[1]，其性能的好壞直接影響到數據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據讀取方面有著顯著的優勢[2]，為此本文研究基于ISO 18000?6標準的Type B協議下的高頻讀寫器具有重要的現實意義。

1 RFID工作原理

不同的RFID系統，工作原理略有不同，但其依據的基本工作原理是一樣的。RFID系統讀寫器與電子標簽基本結構如圖1所示。由讀寫器模塊中振蕩器產生射頻振蕩信號，經過載波形成電路產生載波信號，再經過發送通道編碼、調制和功率放大后經天線發出射頻信號，當電子標簽進入到工作區域，讀取讀寫器發送的信號，一部分用于產生能量驅動電源激活自身工作，一部分用于獲取信息，并根據指令將帶有自身信息的信號經過編碼、調制后由天線發送給讀寫器。讀寫器再將讀取的信號傳送給數據處理模塊進行相應操作。

讀寫器在RFID系統中扮演重要的角色，主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接收來自主機系統的控制指令。各種讀寫器雖然在耦合方式、通信流程、數據傳輸方法，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，以及由此決定的構造設計上，各種讀寫器是十分類似的[3]。在ISO18000?6 Type B協議下RFID系統是基于讀寫器先發言原理工作，即讀寫器先發送出一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入到該工作區域時，首先產生感應電流對自身激活，進而發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的處理。

2 UHF RFID讀寫器設計

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

2.1 讀寫器的編解碼模型設立

在RFID中，為了使讀寫器在讀取數據時能很好地解決同步的問題，往往不直接使用數據的NRZ碼對射頻進行調制，而是將數據的NRZ碼進行編碼變換后再對射頻信號進行調制。在ISO18000?6 TypeB協議下，使用的是曼徹斯特編碼。其編碼原則是，當原始數據為“1”，將其編碼為“10”；當原始數據為“0”，將其編碼為“01”[4]。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。

仿真實現時，用一個頻率為原始數據發送頻率2倍的矩形波與原始數據做異或運算即可實現曼徹斯特編碼。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出原始信號，仿真實現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據做異或運算即可實現曼徹斯特解碼，其仿真模型如圖2所示，仿真結果如圖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 讀寫器的調制解調建模

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

解調和調制的實質一樣，均是頻譜搬移。調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。解調則是調制的反過程，即把在載頻位置的已調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[4]。

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

在本文中為了加快系統的仿真時間，將本地振蕩正弦波幅值設置為1，頻率設為915 Hz，設置脈沖發生器的采樣時間分別為0.1 s和0.05 s，帶通濾波器參數設置為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為0.01 s。從圖5中可以清楚的看到，信號經過調制以及解調之后恢復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中，表現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，方差表現為噪聲的功率的大小。本文對讀寫器與電子標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之上[5]。

圖6給出UHF RFID讀寫器向電子標簽傳輸方向的通信模塊仿真，仿真結果如圖7所示。已調信號經過一個加性高斯白噪聲信道傳輸后再經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，解調后的信號經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系比較器進行比較，當兩者的結果不一致時，輸出1，當兩者結果一致時輸出0，再將結果與1一起輸入錯誤率統計模塊，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 協議的基礎上的，其常用頻率為915 MHz，將載波信號頻率設為915 MHz。為了降低系統的仿真時間，將每個信號的抽樣數設為2，若增加信號的抽樣數時，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，系統的誤碼率的變化【5】，誤碼率曲線如圖8所示，從圖中可以看出，當信噪比達到12 dB時，誤碼率已達到10-4，系統具有較高的抗干擾性能。

3 結 語

本文針對ISO18000?6 Type B協議對UHF RFID讀寫器的通信過程進行了Simulink仿真，給出了曼徹斯特編解碼以及2ASK調制解調的模型，結合實際中經常遇到的高斯白噪聲信道分析了系統的信道抗干擾性能，并給出了在915 MHz頻率下，系統的誤碼率曲線，分析了系統的抗干擾性能，在SNR達到12 dB，誤碼率達到[10-4]，系統具有較高的抗干擾性能。

參考文獻

[1] 陳新河.無線射頻識別技術綜述[J].標準與技術追蹤，2005（7）：20?24.

[2] 鄒寧，徐松濤，牛建兵.基于Matlab/Simulink 的擴頻通信系統仿真及抗干擾研究[J].計算機與信息技術，2010（12）：10?13.

[3] 郭湘榮，武岳山.RFID讀寫器發射通道Simulink建模分析[J].計算機工程，2010，36（18）：291?293.

[4] 周陳峰.基于Simulink的UHF RFID數據傳輸分析與仿真[D].長沙：湖南大學，2009.

[5] 李蕾，肖忠源.基于RFID 系統的誤碼率研究[J].計算機安全，2008（1）：50?52.

[6] 韓晶.基于RFID標簽的定位原理和技術[J].電子科技，2012（3）：64?67.

[7] 邱方，楊律青，丁朝，等.基于RFIDUHF頻段的車輛防拆無源電子標簽分析與設計[J].現代電子技術，2013，36（1）：167?170.