UHF RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方案

射頻識(shí)別系統(tǒng)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)射頻無(wú)線信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并進(jìn)行讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)等相關(guān)操作，這種無(wú)線獲取數(shù)據(jù)的方式在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

RFID系統(tǒng)由閱讀器、電子標(biāo)簽和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中讀寫(xiě)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(xiě)器在遠(yuǎn)距離識(shí)別以及高速數(shù)據(jù)讀取方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，為此本文研究基于ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的Type B協(xié)議下的高頻讀寫(xiě)器具有重要的現(xiàn)實(shí)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(xiě)器與電子標(biāo)簽基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由讀寫(xiě)器模塊中振蕩器產(chǎn)生射頻振蕩信號(hào)，經(jīng)過(guò)載波形成電路產(chǎn)生載波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到工作區(qū)域，讀取讀寫(xiě)器發(fā)送的信號(hào)，一部分用于產(chǎn)生能量驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后由天線發(fā)送給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器再將讀取的信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行相應(yīng)操作。

讀寫(xiě)器在RFID 系統(tǒng)中扮演重要的角色，主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時(shí)接收來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的控制指令。各種讀寫(xiě)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(gòu)造設(shè)計(jì)上，各種讀寫(xiě)器是十分類(lèi)似的。在ISO18000-6 Type B 協(xié)議下RFID 系統(tǒng)是基于讀寫(xiě)器先發(fā)言原理工作，即讀寫(xiě)器先發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入到該工作區(qū)域時(shí)，首先產(chǎn)生感應(yīng)電流對(duì)自身激活，進(jìn)而發(fā)射出帶有自身信息的信號(hào)，讀寫(xiě)器讀取該信號(hào)后送到信息處理中心并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2 UHF RFID讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)

超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)采用的頻率主要位于ISM 頻段，基于ISO 18000-6標(biāo)準(zhǔn)的射頻識(shí)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(biāo)簽的識(shí)別距離一般能達(dá)到1~10 m,而電子標(biāo)簽的識(shí)別距離取決于讀寫(xiě)器的輸出功率，識(shí)別距離越遠(yuǎn)，其被識(shí)別的準(zhǔn)確率越高，但同時(shí)讀寫(xiě)器輸出功率越高，其造價(jià)及技術(shù)難度將越高，實(shí)際應(yīng)用中，一般根據(jù)系統(tǒng)要求來(lái)確定實(shí)施方案。

2.1 讀寫(xiě)器的編解碼模型設(shè)立

在RFID 中，為了使讀寫(xiě)器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)能很好地解決同步的問(wèn)題，往往不直接使用數(shù)據(jù)的NRZ 碼對(duì)射頻進(jìn)行調(diào)制，而是將數(shù)據(jù)的NRZ 碼進(jìn)行編碼變換后再對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)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(dāng)原始數(shù)據(jù)為“1”,將其編碼為“10”;當(dāng)原始數(shù)據(jù)為“0”,將其編碼為“01”.這種編碼的特點(diǎn)是每個(gè)碼元中間都有跳變，低頻能量較少，便于接收端提取時(shí)鐘信息。

仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，用一個(gè)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(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編碼。對(duì)曼徹斯特編碼進(jìn)行解碼的目的是從接收到的曼徹斯特碼流中恢復(fù)出原始信號(hào)，仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)可以使用和編碼相反的方法，即用一個(gè)頻率為原始碼流一半的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)曼徹斯特解碼，其仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。曼徹斯特編解碼后的輸出信號(hào)與原始信號(hào)保持一致，符合要求。

2.2 讀寫(xiě)器的調(diào)制解調(diào)建模

按照從讀寫(xiě)器到電子標(biāo)簽的傳輸方向，讀寫(xiě)器中發(fā)送的信號(hào)首先需要經(jīng)過(guò)編碼，然后通過(guò)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(hào)往往具有豐富的低頻分量，因此必須用數(shù)字基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，以使信號(hào)與信道的特性相匹配。2ASK 調(diào)制是基于ISO18000-6標(biāo)準(zhǔn)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(lái)傳遞數(shù)字信息，而其頻率和初始相位保持不變。

2ASK信號(hào)可以表示成具有一定波形的二進(jìn)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(shí)間;g(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)s 的基帶脈沖波形，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，通常假設(shè)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(shí)質(zhì)一樣，均是頻譜搬移。調(diào)制是把基帶信號(hào)搬移到載波位置，這一過(guò)程可以通過(guò)一個(gè)相乘器來(lái)實(shí)現(xiàn)。解調(diào)則是調(diào)制的反過(guò)程，即把在載頻位置的已調(diào)信號(hào)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(lái)實(shí)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(xiě)器向電子標(biāo)簽傳輸過(guò)程中編碼及調(diào)制解調(diào)的仿真模型，前面已經(jīng)對(duì)曼徹斯特編碼給出了介紹，此處不再贅述。將經(jīng)過(guò)編碼信號(hào)與正弦波進(jìn)行相乘并通過(guò)帶通濾波器后，可得到已調(diào)的高頻信號(hào)，解調(diào)時(shí)將已調(diào)信號(hào)與原正弦信號(hào)相乘再經(jīng)過(guò)低通濾波以及抽樣判決器，即可恢復(fù)出原始的編碼信號(hào)，在對(duì)接收到的已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)采用相同頻率的正弦波，其曼徹斯特編碼進(jìn)行2ASK調(diào)制解調(diào)的仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。

在本文中為了加快系統(tǒng)的仿真時(shí)間，將本地振蕩正弦波幅值設(shè)置為1,頻率設(shè)為915 Hz,設(shè)置脈沖發(fā)生器的采樣時(shí)間分別為0.1 s和0.05 s,帶通濾波器參數(shù)設(shè)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(shí)間設(shè)為0.01 s.從圖5 中可以清楚的看到，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制以及解調(diào)之后恢復(fù)的信號(hào)與原始信號(hào)保持一致。

2.3 UHF RFID讀寫(xiě)器傳輸性能的研究

任何信號(hào)的傳輸都伴隨著噪聲，加性高斯白噪聲是最常見(jiàn)的一種噪聲，它存在于各種傳輸煤質(zhì)中，表現(xiàn)為信號(hào)圍繞平均值的一種隨機(jī)波動(dòng)過(guò)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(duì)讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間的信號(hào)傳輸性能的研究就是基于加性高斯白噪聲信道的基礎(chǔ)之上。

圖6給出UHF RFID讀寫(xiě)器向電子標(biāo)簽傳輸方向的通信模塊仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。已調(diào)信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)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(hào)相乘進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大再濾波以及抽樣判決就可以得到原始的基波信號(hào)。

在圖7 中將編碼信號(hào)與抽樣判決后的信號(hào)通過(guò)關(guān)系比較器進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的結(jié)果不一致時(shí)，輸出1,當(dāng)兩者結(jié)果一致時(shí)輸出0,再將結(jié)果與1一起輸入錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)模塊，即可得到誤碼率，考慮到信號(hào)傳輸過(guò)程中的延遲，故在原始信號(hào)后加一延遲模塊，延遲時(shí)間可由仿真圖形中進(jìn)行估計(jì)。

2.4 誤碼率特性分析

本文所建立的UHF RFID 讀寫(xiě)器仿真模型是建立在ISO18000 Type B 協(xié)議的基礎(chǔ)上的，其常用頻率為915 MHz,將載波信號(hào)頻率設(shè)為915 MHz.為了降低系統(tǒng)的仿真時(shí)間，將每個(gè)信號(hào)的抽樣數(shù)設(shè)為2,若增加信號(hào)的抽樣數(shù)時(shí)，所得的誤碼率將降低，但同時(shí)仿真時(shí)間將增大，取抽樣信號(hào)的功率為1 W,觀察信噪比從1~15 dB變化時(shí)，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(dāng)信噪比達(dá)到12 dB時(shí)，誤碼率已達(dá)到10-4,系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于ISO18000-6 type B 協(xié)議下UHF RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其通信過(guò)程進(jìn)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(guò)結(jié)合實(shí)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(dá)到12 dB,誤碼率達(dá)到10-4 ,系統(tǒng)具有較高的抗干擾性能。