一種基于FPGA和DSP的UHF RFID接收平臺設計*

劉 丹，段小芳，熊 剛

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）技術是一項非接觸的自動識別技術，它是利用射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[1]。目前RFID系統的工作頻率有低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波等，不同頻段的RFID系統工作原理不同，LF和HF頻段的RFID系統一般采用電磁耦合原理，而UHF和微波頻段的RFID系統一般采用電磁發射原理[2]。

國際通用的UHF頻段就是ISM公用頻段，如歐洲使用的865～868 MHz，美國和加拿大等國使用的902～928 MHz等頻段[3]，在我國一般選用902～928 MHz頻段。UHF RFID與HF和LF頻段相比，電波傳輸性能好、標簽天線尺寸適中，適用于遠距離識別和大規模應用等優點，受到業內人士的極大關注，典型應用有鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用于公路車輛識別與自動收費系統等[4]。

RFID閱讀器的接收部分是閱讀器的核心，目前在RFID系統中應用最廣泛的是零中頻結構，但由于超高頻無源RFID系統工作機理的原因，很難抑制同頻信號對反向信號的干擾[5]。

本文通過對UHF RFID的工作原理進行了分析，重點研究了工作在902MHz～928 MHz的UHF RFID上行鏈路信號的編碼和調制方式，提出了一種基于擬合預處理的上行鏈路信號處理算法，一定程度上降低了同頻能量信號所造成的干擾影響，最后基于FPGA+DSP的架構設計并實現了一款UHF RFID上行鏈路信號接收平臺，并對算法進行了驗證。

1 UHF RFID工作原理

典型UHF RFID系統組成如圖1所示，包括閱讀器、天線、標簽和上位機組成。閱讀器持續發送能量信號，在經過標簽時，標簽從能量信號中獲得工作所需的能量，通過反向散射調制射頻載波信號的幅度或相位來發送信息[6]。閱讀器接收來自標簽的反向散射信號，信號經過射頻前端接收電路的放大、解調、濾波，送入基帶經過判決識別出標簽內容，同時處理器與上位機通信，將解析的標簽信號（如標簽的ID號等）發送給上位機。

圖1 UHF RFID系統結構

閱讀器主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接收來自上位機的控制指令，閱讀器的頻率決定了RFID系統工作的頻段，其功率決定了射頻識別的有效距離。閱讀器根據使用的結構和技術的不同，可以是只讀或讀/寫裝置，它是RFID系統的核心。

天線是將電流信號轉換為電磁波發射出去，閱讀器發射的射頻信號需通過天線發射出去。

標簽是由IC芯片和天線組成的微型標簽，其內置的射頻天線用于和閱讀器進行通信。標簽是RFID系統真正的數據載體，在接收到閱讀器發送的射頻信號后，將其中一部分整流為直流電源供標簽內的電路工作，另一部分能量用于數據信息調整后反射回閱讀器。

上位機負責配置、監控以及發送指令給閱讀器。

對于無源UHF RFID系統，由于標簽的工作是通過讀寫器發出的高頻載波獲得能量，采用對載波的調制并反射載波來傳輸信號，這就決定了該系統是同頻系統，而且是發射和接收同時工作的系統。因此，讀寫器在接收到標簽發射信號的同時，也接收到強度比發射信號強得多的同頻載波信號。

2 接收平臺設計

接收部分是RFID閱讀器的核心，直接影響著閱讀器的性能，因此接收機架構也是RFID研究的重點。UHF RFID系統的工作機理導致接收機在接收到標簽信號的同時，也會受到下行同頻能量信號的強干擾。本文提出了一種低中頻抗強干擾的結構，即將載頻信號下變頻到合適的低中頻，然后通過基于自適應擬合的預處理算法對中頻信號進行降噪和消除干擾的處理后，再通過位同步、時鐘校正、解碼等解析成標簽數據，從而降低了同頻信號對標簽信號的影響，提高了接收靈敏度。

UHF RFID接收平臺包括接收天線、接收機、中頻信號處理平臺、顯控軟件四部分組成，其硬件結構如圖2所示。

2.1 接收天線

接收天線主要負責接收應答器的信號并傳送給接收機進行射頻信號處理。采用902～928 MHz超高頻高性能的RFID平板天線。天線采用9 dBi高增益、低駐波比設計，識讀距離可達10米。圓極化設計，對標簽無方向性要求，盲區小，讀卡范圍廣，讀寫效率高。

2.2 射頻接收機

接收通道的鏈路框圖如圖3所示。采用一次混頻結構，直接將射頻信號搬移到中頻。考慮到系統的動態范圍有限，故整個鏈路采用固定增益模式，重點兼顧911.5 MHz（測試閱讀器工作頻率）大功率激勵信號對射頻接收通道的影響。

圖2 接收平臺硬件結構

圖3 射頻接收通道

2.3 中頻處理平臺

中頻處理采用FPGA+DSP的架構實現。FPGA+DSP結構靈活，適用于模塊化設計，FPGA完成高速中頻信號處理，DSP完成信號分析功能。具體處理流程如圖4所示。

圖4 中頻信號處理

輸入的中頻信號由模數轉換芯片完成相應的ADC轉換，得到的數字信號送入FPGA，在FPGA內要分別完成信號檢測、信號識別、下變頻、降采樣處理后，送入DSP進行處理，在DSP中要完成載波/碼速率估計、同步、解調、解碼、差錯校驗等處理。

由于應答器下行能量信號和上行標簽信號位于相同頻點，接收機在接收標簽信號的同時也會接收到閱讀器發射的大功率能量信號，同時也會受到環境中的各種噪聲影響、傳播過程中的多徑效應等因素，這些問題對接收信噪比有很大影響。

為降低頻偏分量信號和噪聲的干擾，本文提出了一種基于自適應擬合的預處理算法，通過自動跟蹤學習，使輸出信號與主輸出信號達到同幅和同相。最小均方LMS（Least Mean Square）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：

其中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Lorentzian函數作為μ(n)的變步長自適應算法，可實現對信號變化的跟蹤。其公式如下：

其中α是控制Lorentzian函數范圍的參數，δ是控制Lorentzian函數形狀的參數。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應答器標簽信號攜帶的信息。

基帶信號處理采用匹配濾波器實現判決比較，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。基帶信號處理結構如圖5所示。

圖5 基帶信號處理

在基帶信號處理中，將應答器上行鏈路基帶信號的“0”編碼、“1”編碼和幀頭編碼對應的信號分別使用不同的波形進行匹配。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應答器數據信息的解調、解碼判決，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“0”、“1”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以及解碼結果。

對改進的信號基帶解調方法進行仿真，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，得到如圖6所示的解調性能曲線，基于自適應擬合預處理的解調算法誤碼率低于常用的基于鎖相環的解調算法。

圖6 不同信噪比下兩種解調算法比較

2.4 顯控軟件

顯控軟件主要實現報文內容顯示功能，在VC 6.0編譯環境下利用MFC實現軟件架構，通過CPCI總線實現與中頻處理平臺的通信，主要功能包括接收中頻處理平臺的解碼信息，根據6 bit ASCII碼表對解碼數據進行解析，識別報文內容，并以表格形式呈現。

3 接收平臺性能

為了測試本文接收平臺的性能，測試在閱讀器與標簽正常通信的條件下進行。閱讀器與標簽垂直于地面上下放置，相距0.8 m，以確保閱讀器能夠有效讀取標簽。接收平臺天線位于距離標簽2 m的位置處接收標簽信號，通過對5個標簽連續交替讀取來測試接收平臺信息解析的準確率。解析結果如圖7所示，讀取標簽個數共計50個，其中正確標簽個數為49個，有1個標簽解析錯誤，解析準確率可達98%。

圖7 解析性能測試

此外，還對本平臺的靈敏度進行了測試，通過將信號源頻率設置為902～928 MHz頻段內的隨機頻點，其輸出連接平臺的射頻輸入，平臺的中頻輸出接口連接頻譜儀，通過調整信號源輸出電平，測試平臺的接收靈敏度，本平臺的接收靈敏度可達-115 dBm。

4 結 語

本文對UHF RFID系統的工作原理進行了簡單介紹，對UHF RFID系統的上行鏈路信號進行了分析，提出了一種基于自適應擬合預處理的基帶信號解調算法，基于FPGA和DSP架構設計并實現了UHF RFID接收平臺，該平臺在接收距離2 m的情況下，靈敏度可達-115 dBm，解析準確度可達98%。