超高頻射頻識(shí)別改進(jìn)型前向數(shù)據(jù)編碼設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

靳 釗，劉 策，喬麗萍，劉立東，郭 晨，高 濤

(1.長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，西安710064;2.休斯敦大學(xué)，休斯敦，德克薩斯，美國(guó);3.西藏民族學(xué)院信息工程學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712082)

RFID(Radio Frequency Identification)是近年來(lái)興起的一種發(fā)展很快的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［1-3］。它通過(guò)非接觸的雙向通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。RFID作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，在生產(chǎn)、零售、物流、交通、設(shè)備和資產(chǎn)管理等各個(gè)領(lǐng)域均有著非常廣闊的應(yīng)用前景［4-5］。在我國(guó)正在大力推進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，RFID標(biāo)簽作為信息載體，在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位［6-7］。

ISO/IEC 18000-6C［8］協(xié)議中閱讀器到標(biāo)簽的前向鏈路使用脈沖間隔編碼(PIE)，即利用編碼符號(hào)的不同時(shí)間長(zhǎng)度代表不同的信息。PIE編碼雖然也能夠提供給標(biāo)簽工作所需的能量，但是由于數(shù)據(jù)0的時(shí)間長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)1的時(shí)間長(zhǎng)度不一樣，解碼時(shí)需要使用一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)來(lái)對(duì)高電平信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)需要通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，才能解碼出數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1。這種解碼機(jī)制本質(zhì)上存在3個(gè)問(wèn)題:(1)為了保證解碼的準(zhǔn)確度，需要采樣時(shí)鐘的頻率和精度都較高，這對(duì)時(shí)鐘產(chǎn)生電路要求較高，加大了設(shè)計(jì)難度;(2)時(shí)鐘頻率越高，時(shí)鐘網(wǎng)路翻轉(zhuǎn)率就越大，電路產(chǎn)生的功耗也就越大，實(shí)際芯片的測(cè)試表明，解碼模塊的功耗是基帶總功耗的40%以上，已經(jīng)成為標(biāo)簽性能提升的瓶頸;(3)非等長(zhǎng)編碼也不利于數(shù)據(jù)傳輸效率的提高。

本文對(duì)ISO/IEC18000-6C空中接口協(xié)議的物理層參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新的閱讀器到標(biāo)簽的前向鏈路的數(shù)據(jù)編碼方式，通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)對(duì)該方案的功能和性能加以驗(yàn)證。

1 編碼方式介紹

常用的編碼方式，主要包括:單極性非歸零碼、雙極性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性歸零碼、差分碼、多電平碼等［9］，其波形如圖1所示。單極性非歸零碼抗噪性能差，傳輸距離短。雙極性非歸零碼抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)，但需要額外的電平轉(zhuǎn)化電路。單極性歸零碼可以直接提取同步信號(hào)，但是發(fā)送能量小且占用頻帶寬。雙極性歸零碼可以保持收發(fā)間正確的比特同步，因此也叫做自同步方式［10］。差分碼代表的信息符號(hào)與碼元本身電位或極性無(wú)關(guān)，僅與相鄰碼元的電位變化有關(guān)。多進(jìn)制碼可在碼元速率一定時(shí)提高信息速率，適合高數(shù)據(jù)速率傳輸系統(tǒng)。

圖1 常見(jiàn)的編碼方式

2 改進(jìn)的前向編碼

在無(wú)源UHF RFID系統(tǒng)中，選擇前向鏈路的編碼類(lèi)型時(shí)，主要從以下3個(gè)方面考慮:(1)載波攜帶盡可能多的能量，即碼元的平均高電平比例盡可能高;(2)低電壓持續(xù)時(shí)間盡可能短，保證芯片靠?jī)?chǔ)能電容供電的時(shí)間盡可能少;(3)解碼代價(jià)低，即標(biāo)簽芯片為實(shí)現(xiàn)解碼所需要的電路資源盡可能少。

本文從上述需求出發(fā)，在雙極性非歸零碼和曼徹斯特碼(Manchester Code)［11-12］的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型曼徹斯特碼MMC(Modulated Manchester Code)方式，如圖2所示，其中Dperiod表示碼元周期，LLW表示單位時(shí)間長(zhǎng)度的低電平脈沖，HLW表示單位時(shí)間長(zhǎng)度的高電平脈沖。其編碼原則如下:

(1)對(duì)于“0”，采用數(shù)據(jù)0編碼符號(hào)直接編碼，如圖2(a)所示，;

(2)對(duì)于“1”，其編碼方式又分為以下兩種情況:

①單獨(dú)一個(gè)“1”的情況，采用數(shù)據(jù)1的第一種編碼方式，如圖2(b)所示;

②連續(xù)多個(gè)“1”的情況，需要對(duì)排名為奇數(shù)的“1”采用數(shù)據(jù)1的第一種編碼方式，如圖2(b)所示;而對(duì)排名為偶數(shù)的“1”采用數(shù)據(jù)1的第二種編碼方式，如圖2(c)所示。

圖2 MMC編碼方式

3 前向編碼性能分析

本節(jié)對(duì)提出的前向編碼分別在時(shí)域和頻域內(nèi)進(jìn)行分析。時(shí)域分析和頻域分析主要是在不同數(shù)據(jù)率和調(diào)制方式下，對(duì)時(shí)域波形、時(shí)域評(píng)估參數(shù)、頻譜和頻域評(píng)估參數(shù)的仿真分析。

為了評(píng)估前向MMC的性能，對(duì)前向曼徹斯特碼MC(Manchester Code)和前向PIE碼進(jìn)行對(duì)比分析，前向鏈路仿真采用相同的仿真條件，詳細(xì)的仿真參數(shù)說(shuō)明如表1所示。

在不同的信道條件下，分別對(duì)不同編碼方案的誤碼率特性進(jìn)行分析。設(shè)定信道模型分別為高斯白噪聲信道、瑞利信道和萊斯信道。采用低通等效模型進(jìn)行仿真，假設(shè)理想同步，調(diào)制方式為DSB-ASK，檢測(cè)方式為相干檢測(cè)，幀長(zhǎng)取32，仿真長(zhǎng)度為1，000，000幀，對(duì)結(jié)果求統(tǒng)計(jì)平均。

由圖3可知，在3種信道下，曼徹斯特碼、MMC碼，PIE碼的誤碼率呈遞增趨勢(shì)。

時(shí)域仿真中，待編碼的數(shù)據(jù)均為”01101”，編碼后速率為80 kbit/s，采樣率(每個(gè)碼元采樣點(diǎn)數(shù))為1 000，升余弦濾波器滾降因子為0.5，閱讀器發(fā)射功率固定取為33 dBm。

圖3 前向鏈路誤碼率

從表2中可以看出，所提出的MMC具有最高的高電平持續(xù)時(shí)間比例，其次是PIE碼，最小的是MC。對(duì)于不同的調(diào)制方式，DSB-ASK高電平比例最高，SSB-ASK最低。

由于上述編碼均采用二元碼，因此，其峰均比主要與高低電平的比例有關(guān)，高電平比例越高，峰均比(峰值功率/平均功率)越小，功率的時(shí)間分布越均勻。正如表2中所示，MMC具有最小的峰均比，其次是PIE碼，最大的是MC。對(duì)于不同的調(diào)制方式，各自的峰均比差別不大。

表2 前向鏈路時(shí)域分析結(jié)果

4 芯片實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

以本文提出的MMC前向編碼方式為基礎(chǔ)，對(duì)UHF射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片的基帶和模擬前端進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。上述標(biāo)簽芯片經(jīng)TSMC 0.18 μm CMOS mixed signal工藝流片，所實(shí)現(xiàn)芯片的顯微照片圖4所示，芯片尺寸為 910 μm ×730 μm。

通過(guò)凸點(diǎn)將芯片以倒裝成標(biāo)簽，測(cè)試使用的閱讀器需更改基帶代碼以兼容前向MMC編碼，其發(fā)射功率設(shè)置為4W EIRP，標(biāo)簽天線增益為2 dBi。在室內(nèi)自由空間進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)簽最遠(yuǎn)可讀距離(Read Range)為6.8 m，最高讀取可達(dá)108次/s(靠近閱讀器天線)。表3給出了該標(biāo)簽在不同的識(shí)讀距離下的讀速率測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出，隨著讀距離增大，標(biāo)簽芯片獲取能量減少，數(shù)據(jù)傳輸速率降低，標(biāo)簽讀速率逐漸變慢。保持閱讀器功率不變，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行寫(xiě)存儲(chǔ)器操作，存儲(chǔ)器各位默認(rèn)的初始值全為“F”，我們按照從高位到低位的順序，對(duì)存儲(chǔ)器中的EPC碼和用戶(hù)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入操作。由于芯片完成寫(xiě)操作所需功耗較大，因此其寫(xiě)距離(Write Range)通常較讀距離近很多，距離越遠(yuǎn)寫(xiě)操作越困難。實(shí)測(cè)標(biāo)簽的最大寫(xiě)距離為3 m。

圖4 芯片的顯微照片

表3 標(biāo)簽讀取效果測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)型曼徹斯特編碼方案，分別對(duì)數(shù)據(jù)“0”、奇數(shù)序“1”和偶數(shù)序“1”實(shí)行不同編碼。該編碼方案能攜帶更多的能量，盡可能壓縮低電壓持續(xù)時(shí)間，同時(shí)降低解碼代價(jià)。使用本編碼實(shí)現(xiàn)的標(biāo)簽芯片，經(jīng)實(shí)測(cè)表明性能良好。該方案為射頻識(shí)別自主協(xié)議的制定和國(guó)產(chǎn)化射頻識(shí)別芯片的研制提供了一種有意義的嘗試。

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