一種低信噪比下的RFID信號解調方法*

張 焱，張 芳，熊 剛

(中國電子科技集團第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

無線射頻識別技術(RFID，Radio Frequency Identification)是一種自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現物體的自動識別。隨著無線通信、集成電路等產業的發展，RFID技術在各領域迅速興起，形成巨大的產業鏈。目前超高頻段860～930 MHz的RFID產品已廣泛用于物流、交通、物品識別、生產等很多方面，近年越來越被業界人士所重視［1］。RFID產品大多采用幅移鍵控(ASK，Amplitude Shift Keying)調制作為標簽反射信號的調制方式［2］，讀寫器需要進行正確的解調以得到傳輸信息［1］。然而，由于硬件等因素限制，導致讀寫器所能收到的反射調制信號微弱，而背景噪聲功率卻非常強。在讀寫器和標簽數據通信時，信號需要經過一段距離進行傳輸，易遭到電磁干擾和噪聲的破壞，并且，隨著距離增加，信號環境更加惡劣，信噪比變低，因此需對信號進行消除干擾和降噪，以此提高可靠性和數據傳輸的準確性。文中利用改進的RFID信號解調方法，可以在較低的信噪比條件下正確解調出信號，獲取標簽信息。

1 低信噪比下RFID信號分析

電磁波從天線向周圍空間發射，會遇到不同目標，反射能量中的一部分最終將返回發射天線。在雷達技術中，用這種方式測量目標的距離和方位;對RFID系統來說，也可采用反向散射的系統，利用電磁波反射完成從電子標簽到讀寫器的數據傳輸［3］。RFID讀寫器發出微波查詢(能量)信號，電子標簽收到能量信號后，將其一部分整流為直流電源，供電子標簽內的電路工作使用，另一部分微波能量信號被電子標簽內保存的數據信息調制(ASK)后反射回讀寫器。讀寫器接收反射回的信號，提取出標簽中保存的標識性數據信息。如圖1所示。

圖1 RFID工作原理Fig.1 Operation principle of RFID

工作過程中，讀寫器發出的微波信號與接收發射回的標簽信號是同時存在的，反射回去的信號強度較發射信號要弱得多，因此，技術難點在于同頻接收并解調。此時RFID信號為ASK信號與同頻單音能量信號的疊加。由于讀寫器到標簽的能量信號功率較大，還將導致接收的反射信號調制指數很低，并且標簽信號很微弱，也同時受到各種噪聲影響，所以需解調的信號一般處于低信噪比環境下［4］，如圖2所示。

圖2 低信噪比下的RFID波形Fig.2 RFID signal waveform at low SNR

由于傳播過程中多徑效應與接收機載波泄露、直流偏移等因素［4］，RFID信號還表現出明顯的衰落現象，時域幅度變化較為劇烈。這些問題將會嚴重惡化接收信噪比，導致RFID讀寫器的接收距離下降和解調誤碼率增加，讀寫器性能急劇下降。進一步放大包絡信號圖形可以觀察到局部波形起伏變化的特點，如圖3所示。

圖3 信號的劇烈起伏變化Fig.3 Dramatic changes of the signal

2 改進的信號解調算法

2.1 基于自適應擬合的預處理

為降低噪聲干擾，首先需要對接收信號進行正交下變頻，再加入帶通濾波器處理。帶通濾波器可以實現頻譜匹配，達到最大信噪比輸出，這樣可以在一定程度上降低后續運算中非線性處理帶來的信噪比損失。從圖3可以看出，此時的標簽信號調制波形是“懸浮”在直流分量與殘余載波信號的起伏包絡上。為了恢復信號的基帶調制波形，則需要進行預處理，去除掉這些干擾并減小噪聲的影響，否則將無法正確解調出RFID信息。傳統的去噪方法大多數是通過傅里葉變換等得到信號的頻譜，濾波去除掉其它干擾和噪聲，然后再使用反變換重新獲得原始信號，這種方法只能適用于信號和干擾的頻帶沒有重疊的情況。但由于標簽信號和讀寫器的能量信號處于同頻，在頻譜上有重疊，所以需要采用新的去干擾方法。

下面采用了一種基于自適應擬合的預處理思路，能有效地擬合出RFID信號的變化包絡曲線，然后進行去擾，獲得基帶信號。自適應算法通過自動跟蹤學習，最終使輸出信號y(n)與主輸出信號達到同幅和同相。LMS算法是實現自適應的常用算法，其原理是通過一系列運算調整參數使線性組合器的輸出信號與期望響應之間的誤差均方值為最小。權系數更新算法采用LMS算法，公式表達式為

式中，X(n)為現在時刻的輸入向量，W(n)代表現在時刻的權系數向量，W(n+1)代表下一時刻的權系數向量。期望響應信號d(n)與實際輸出信號y(n)之間的誤差為e(n)，μ為控制穩定性和收斂速度的步長因子。LMS算法的一個缺點是收斂速度慢，不易滿足實時解調的要求。為了獲得較快的收斂速度，對自適應算法進行改進，新算法的基本思想是:當權系數遠離最佳系數即誤差較大時，使用較大的步長，加快收斂，反之則使用較小步長，從而使得穩態失調較小，提高算法性能。這里采用洛倫特函數作為μ(n)的變步長自適應算法［5］，可實現對信號變化的跟蹤。其公式如下:

式中，α是洛倫特函數范圍的參量，δ是洛倫特函數形狀的參量。設L為自適應濾波器的長度，該算法以濾波器權系數誤差作為算法收斂和跟蹤性能的指標。進行降噪和消除干擾的處理后，再采用基帶解調算法就可以恢復出RFID標簽信號攜帶的信息。

2.2 基帶信號同步和解調

常用的同步方法有鎖相環法和超前—延遲滯后門同步器等。基于鎖相環的方法基本思想是使用鎖相環路來提取信號的同步時鐘，假設接收機收到的信號為 y(t)，即γ(t)，其中，h(t)是信道沖激響應;bn是傳輸的信息序列;γ(t)表示接收機的輸出噪聲;1/Ts為符號速率;τ0代表定時相位。如果記s(t)為接收信號中的有效信號分量，則均值為0，其相關函數是周期性的，周期為Ts，且s2(t)的期望也是周期的，周期也為Ts，利用E［s2(t)］可以提取離散的時鐘分量，并以傅里葉級數的方式表示為:

實際發送信號功率譜密度限于1/Ts頻率以內，因此E［s2(t)］含頻率為1/Ts的離散時鐘分量。將接收信號平方后，通過一個窄帶濾波器可將時鐘分量提取，濾波器一般用鎖相環路實現。這種同步方法可避免符號速率誤差影響，但處理速度很慢。超前—滯后同步算法利用信號波形的對稱性，即經過匹配或相關處理后的輸出信號是對稱的或部分對稱的，對于矩形脈沖，若匹配濾波的輸出在t=T時達到最大，則只要樣值在峰值上，就一定能保證信號的同步。適當的采樣時刻是在t=T－Δ和t=T+Δ之間的中點。該方法的處理速度比基于鎖相環的思路更快。

下面的方案采取綜合思路:一方面利用匹配濾波器實現超前—滯后型判決比較，提高同步的速度，同時結合相位反饋環路調整來解決符號速率不夠精準的問題。改進結構如圖4所示。

圖4 改進的同步解調結構Fig.4 Improved structure of synchronization and demodulation

在圖3中，把RFID基帶信號的“0”編碼、“1”編碼和幀頭編碼對應的信號分別使用了不同的波形進行匹配。應首先進行幀頭匹配濾波處理，由于幀頭的波形長度較長，對其相關匹配時性能較優，同步的精度高。為了適應信號有時發生突變的情況，還可以進一步采取設置動態門限的方式。幀頭匹配之后再實現RFID數據信息的解調判決，利用幀頭濾波輸出與反饋信息的聯合，更加準確的對采樣時刻進行調整處理，對齊后分別進行“1”、“0”編碼波形的匹配處理，然后在最佳采樣點位置對匹配輸出進行判決便可以得到最終的解調結果。

3 性能仿真和分析

仿真分析1:對基于自適應降噪的預處理方法進行仿真。根據合理經驗值設置初始參數，算法將具有更好的擬合性能。以遵循AAR S－918標準的信號為仿真目標，采樣率設為800 kHz，選取α=1/16，δ=0.04，可得RFID信號包絡變化曲線估計值。

圖5 RFID信號在自適應降噪后的幅度波形對比Fig.5 Contrast for the RFID signal before and after adaptive denoising

LMS算法的包絡擬合是對逐個樣點進行的，當曲線產生變化時，自適應算法進行權系數的遞推和修正，重新實現信號的跟蹤。基于洛倫特函數的LMS算法得的多項式具有很好的擬合效果，不需包絡形狀先驗知識，且可以濾除包絡局部不平滑成分，圖5(a)中，曲線①表示由自適應擬合算法處理后，RFID信號中混雜的噪聲與直流偏移等的包絡。如圖5(b)所示，去除掉這些干擾包絡后，可以得到基帶信號波形。

仿真分析2:對改進的信號基帶解調方法進行仿真，在S－918標準中，對信號幀格式和編碼方式做了規定，即基帶數據碼對應關系:數據碼“1”表示成“10101100”，數據碼“0”表示成“11001010”，數據幀頭也即幀標記表示成“1010101010101100”。仿真設置信號碼速率為80 kHz，將預處理后的信號分別采用基于鎖相環的方法和改進后的方法進行比較，得到圖6所示的解調性能曲線。

圖6 不同信噪比下兩種方法解調性能曲線Fig.6 Performance curve of two demodulation methods for different SNR

從圖6中可以看出，改進的解調算法在信噪比為1.5 dB時，解調誤碼率已達到10－2量級，SNR=3 dB左右時能完全正確解調RFID信息。新方法比起傳統方法僅需更低的解調信噪比。

4 結語

文中提出了一種低信噪比下RFID信號解調方法，采用了自適應降噪的預處理思路，并對傳統的同步算法進行了改進。該方法增強了對干擾噪聲的抑制能力，解調性能也有很大提高，在信噪比達到3 dB時可成功解調信號。該算法今后將進一步優化，為解決低信噪比下的RFID信號處理提供一種更有效的手段，也對遠距離RFID接收技術發展發揮更重要作用。

［1］孟強.應用RFID技術實現地鐵列車精確定位的研究［J］.科技信息，2010(33):34 －36.MENG Qiang.Research on Accurate Positioning for Subway Train by RFID Technique.［J］.Science and Technology Information ，2010(33):34－36.

［2］陸昊，陸安江，張正平.RFID技術在物流中的應用與研究［J］.通信技術，2011，44(11):56 －58.LU Hao，LU An－jiang，ZHANG Zheng－ping.Application of RFID Technology for Logistics.［J］.Communications Technology，2011，44(11):56 －58.

［3］張愛民，梁書劍.RFID技術發展與應用綜述［J］.通信技術，2011，44(08):16 －19.ZHANG Ai－ming，LIANG Shu－jian.Summary of RFID Technique on Development and Application［J］.Communications Technology，2011，44(08):16 －19.

［4］WANT R.An Introduction to RFID Technology［J］.IEEE Pervasive Computing，2006，5(01):25 －33.

［5］WIDROW B，STEARNS S D.Adaptive Signal Processing［M］.Englewood Cliffs，NJ:Prentice Hall，1985.