基于虛擬儀器的RFID的物理層實現

朱良峰，周 亮，顧 剛

（1.江蘇省質量技術監督通信產品質量檢驗站，南京 210003；2.中通維易科技服務有限公司，南京 210003；3.江蘇中博通信有限公司，南京 210003）

無線射頻識別RFID[1]（Radio Frequency Identi fi cation）主要利用射頻信號和空間耦合來實現對物體的自動識別，是一種非接觸式的自動識別技術。RFID系統通常由電子標簽（Tag）和閱讀器（Reader）兩個部分組成。閱讀器通過控制射頻模塊將標簽經過編碼的控制信號進行調制發射，同時接收解調標簽的應答信號，并對接收的標簽信息進行解碼，將信息傳輸到控制系統以供處理。每個電子標簽都具有惟一的電子編碼以標識目標對象。

本文采用UHF Class 1 Generation 2（C1G2）[2-3]的RFID系統標準，該標準為EPCglobal制定的第二代標簽標準。EPC C1G2協議采用的是無源標簽，該標簽后向散射電磁波，與傳統的電磁波鏈路不同：讀寫器需要提供能量給該射頻標簽以滿足其工作需要，同時需要對頻譜進行有效的管理來避免干擾，此外對于低復雜度的射頻標簽的要求限制了調制和編碼方式。

ASK調制不同于OOK調制，其能夠提供連續的能量，且能被簡單的包絡檢波器檢測。而PR-ASK調制適用于密集讀寫器環境下的通信。因此標準規定：閱讀器向標簽發送信息，采用的調制方式有三種：DSB-ASK（雙邊帶幅移鍵控）、SSB-ASK（單邊帶幅移鍵控）或PR-ASK（反向幅移鍵控）；標簽采用2ASK或BPSK調制方式向閱讀器發送信息。

1 物理層調制方式

C1G2協議基于2ASK調制為基礎，提出閱讀器調制方式為DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK。2ASK信號表達式為：

式中，am為輸入碼元；am=0,1；g（n-m）是矩形脈沖函數，其幅度為1，寬度為碼元傳輸速率倒數。

與2ASK調制方式可以方便的控制調制深度不同，DSB-ASK的信號碼元am取值為a0或a1，分別代表邏輯‘0'和‘1'。

為保證RFID系統用于某些帶寬受限的環境中，通常采用SSB-ASK調制方式以有效的改善頻帶利用率。將DSB-ASK經過單邊帶濾波或者希爾伯特變換得到SSB-ASK信號。

PR-ASK信號表達式：

式中，bm=-bm-1，b0=1（bm的取值為±1）。

由上述分析可知，通過PR-ASK調制方式提供給標簽的能量是標準規定的三種調制方式中最大的，因為PR-ASK每次發送符號時改變相位，不改變幅度。當傳輸信道信噪比一定時，PRASK的誤碼率遠小于DSB-ASK和SSB-ASK。

2 基于軟件無線電實現信號調制

軟件無線電（SDR）是指在由數字信號處理器DSP和通用微處理器組成的通用硬件平臺上運行的軟件模塊，用于實現信號調制、調諧/檢測（解調）等功能。基于數字信號處理技術的軟件無線電完全可以實現通信技術中的各種調制[4]。

從理論上來說，任何一個信號都可以用正交調制的方法來實現。信號的時域表達式通常都可以表示為：

對其進行正交分解可得：

圖1 軟件無線電調制通用模型

2.1 RFID中幾種調制方式的正交分量

2.1.1 DSB-ASK、PR-ASK調制的I、Q分量

分析計算可知，DSB-ASK、PR-ASK調制信號IQ分量為：

2.1.2 SSB-ASK調制的I、Q分量

單邊帶調制一般有兩種方法：濾波法和相移法。由于DSB調制信號具有豐富的低頻成分且上、下邊帶之間的間隔很窄。若采用濾波法，為有效的抑制無用的邊帶，在截止頻率fc附近單邊帶濾波器需具有陡峭的截止特性，這使得濾波器的設計和制作很困難，甚至難以實現[6]。因此本文利用相移法完成單邊帶信號的調制。

2.1.3 2PSK調制的I、Q分量

2PSK信號的時域表達式為：

式中，an與2ASK不同，在2PSK調制中，選擇雙極性，即an為1或-1（分別對應于相位為0或π），對于2PSK而言，其調制后的Q分量剛好為零（其意義不同于2ASK），由此可以得出2PSK的正交調制的IQ分量分別為：

3 基于虛擬儀器的調制方式的實現

3.1 硬件平臺

該調制主要基于LabVIEW控制的PXI儀器實現。該系統由以下硬件組成：PXI-5670 RF矢量信號發生器、PXI-5660 RF矢量信號分析儀。系統框圖如下圖所示。

圖2 系統框圖

3.2 基于虛擬儀器的LabVIEW實現

調用LabVIEW計算模塊，先由輸入參數計算出相應的傳輸參數，再對基帶數據進行映射，得出DSB-ASK調制信號I/Q兩路數據，最后將其發送。

將DSB-ASK信號進行希爾伯特濾波，得出SSB-ASK的Q分量，其輸出的即為SSB-ASK信號的I分量，最后將兩路信號進行發送。

通過LabVIEW基礎模塊，實現相鄰符號間的相位翻轉，從而實現PR-ASK調制。LabVIEW實現2PSK調制的方法與DSBASK方法類似，本文不再贅述。

4 基帶調制結果

4.1 DSB-ASK調制波形

圖3 調制波形

4.2 SSB-ASK調制波形

圖4 調制波形

DSB-ASK和SSB-ASK頻譜如下：

圖5 DSB-ASK及SSB-ASK頻譜圖

4.3 PR-ASK調制波形

圖6 調制波形

PR-ASK調制在包絡上無明顯變化，主要反映在調制后的波形其相鄰符號間發生180度的相位變化。

5 結束語

由以上基帶調制結果可以看出，基于NI PXI模塊化儀器可很好的實現RFID中的三種重要調制方式。無線通信技術的飛速發展推動了測試儀器的技術變革，離不開強有力的測試儀器保證新型無線通信設備穩定可靠地運行。以軟件為中心的模塊化射頻測試系統。軟件定義無線電（SDR）技術針對構建多頻、多模、多功能無無線通信及測試設備提供了快速有效的解決方案，可以更靈活高效地適應并滿足下一代無線通信測試的多種挑戰。