UHF RFID讀寫器的設計方案

射頻識別系統(tǒng)是一種非接觸的自動識別系統(tǒng)，通過射頻無線信號自動識別目標對象，并進行讀、寫數(shù)據(jù)等相關操作，這種無線獲取數(shù)據(jù)的方式在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理眾多領域得到廣泛應用。

RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標簽和計算機網(wǎng)絡構成，其中讀寫器是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心，在系統(tǒng)工作中起著舉足輕重的作用，其性能的好壞直接影響到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取方面有著顯著的優(yōu)勢，為此本文研究基于ISO 18000-6標準的Type B協(xié)議下的高頻讀寫器具有重要的現(xiàn)實意義。

1 RFID工作原理

不同的RFID系統(tǒng)，工作原理略有不同，但其依據(jù)的基本工作原理是一樣的。RFID系統(tǒng)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(chǎn)生射頻振蕩信號，經(jīng)過載波形成電路產(chǎn)生載波信號，再經(jīng)過發(fā)送通道編碼、調(diào)制和功率放大后經(jīng)天線發(fā)出射頻信號，當電子標簽進入到工作區(qū)域，讀取讀寫器發(fā)送的信號，一部分用于產(chǎn)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(jù)指令將帶有自身信息的信號經(jīng)過編碼、調(diào)制后由天線發(fā)送給讀寫器。讀寫器再將讀取的信號傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進行相應操作。

讀寫器在RFID 系統(tǒng)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(tǒng)的控制指令。各種讀寫器雖然在耦合方式、通信流程、數(shù)據(jù)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。在ISO18000-6 Type B 協(xié)議下RFID 系統(tǒng)是基于讀寫器先發(fā)言原理工作，即讀寫器先發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入到該工作區(qū)域時，首先產(chǎn)生感應電流對自身激活，進而發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(shù)據(jù)時能很好地解決同步的問題，往往不直接使用數(shù)據(jù)的NRZ 碼對射頻進行調(diào)制，而是將數(shù)據(jù)的NRZ 碼進行編碼變換后再對射頻信號進行調(diào)制。在ISO18000-6 TypeB協(xié)議下，使用的是曼徹斯特編碼。其編碼原則是，當原始數(shù)據(jù)為“1”,將其編碼為“10”;當原始數(shù)據(jù)為“0”,將其編碼為“01”.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(xiàn)時，用一個頻率為原始數(shù)據(jù)發(fā)送頻率2倍的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運算即可實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)做異或運算即可實現(xiàn)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(diào)制解調(diào)建模

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

2ASK信號可以表示成具有一定波形的二進制序列與正弦波的乘積，即：

式中：A 為振幅;Ts 為碼元持續(xù)時間;g(t)為持續(xù)時間為Ts 的基帶脈沖波形，為簡便起見，通常假設g(t)是高度為1、寬度等于Ts 的矩形脈沖。

解調(diào)和調(diào)制的實質一樣，均是頻譜搬移。調(diào)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(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過程，即把在載頻位置的已調(diào)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(xiàn)。

在ISO18000-6 Type B協(xié)議下，RFID系統(tǒng)采用的是2ASK調(diào)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(diào)制解調(diào)的仿真模型，前面已經(jīng)對曼徹斯特編碼給出了介紹，此處不再贅述。將經(jīng)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(diào)的高頻信號，解調(diào)時將已調(diào)信號與原正弦信號相乘再經(jīng)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(diào)信號進行解調(diào)時采用相同頻率的正弦波，其曼徹斯特編碼進行2ASK調(diào)制解調(diào)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(tǒng)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(fā)生器的采樣時間分別為0.1 s和0.05 s,帶通濾波器參數(shù)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(jīng)過調(diào)制以及解調(diào)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(xiàn)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(xiàn)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。

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(diào)信號經(jīng)過一個加性高斯白噪聲信道傳輸后再經(jīng)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(diào)，解調(diào)后的信號經(jīng)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(tǒng)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(xié)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(tǒng)的仿真時間，將每個信號的抽樣數(shù)設為2,若增加信號的抽樣數(shù)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(tǒng)的誤碼率的變化，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(tǒng)具有較高的抗干擾性能。

3 結語

本文提出了基于ISO18000-6 type B 協(xié)議下UHF RFID讀寫器的設計方案，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(diào)制解調(diào)的模型。通過結合實際中經(jīng)常遇到的高斯白噪聲信道分析了系統(tǒng)的信道抗干擾性能，給出了在915 MHz頻率下，系統(tǒng)的誤碼率曲線，分析了系統(tǒng)的抗干擾性能，在SNR 達到12 dB,誤碼率達到10-4 ,系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。