基于虚拟无线电的RFID读写器实现方案

摘要：随着通用计算机性能的不断提高，虚拟无线电技术得以发展。根据虚拟无线电处理基带信号具有更好的灵活性、通用性和开放性的优点以及ISO／IEC 18000-6C标准中超高频RFID读写器的特桂，在此提出了一种基于虚拟无线电的超高频RFID读写器的实现方案。该方案介绍了常见RFID系统的结构和工作原理，重点阐述了基于虚拟无线电的RFID读写器的整体结构和工作流程，并对接收端算法做了研究与实现。
关键词：虚拟无线电；超高频；射频识别；读写器；电子标签

0 引言
    近年来，随着多核CPU的出现与应用，个人计算机在计算能力和性能上大幅度提高，在某种程度上可以与传统的专用数字信号处理器媲美，因此在一台计算机上设计通用的软件无线电平台已成为一种可能。研究基于多核PC的软件无线电平台，能够在在一台计算机上实现多种通信协议，而且易于开发和软件升级，无论从开发者角度讲，还是从用户角度讲，都极大地方便了各自的工作和体验，具有重要的研究价值和商业应用价值。虚拟无线电是一种真正意义上的软件无线电。它采用高性能的模／数和数／模转换器，对宽带射频信号直接进行变换，所有无线电功能用运行于工作站或个人计算机上的应用程序来实现。虚拟无线电技术主要有如下特点：易于实验；开发快捷；与其他应用结合；改进功能实现。无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种非接触的射频识别技术，其基本原理是通过射频信号与空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。现有的RFID读写器一般采用ASIC，DSP，FPGA或ARM对基带信号进行处理，此方法处理基带信号方法不灵活，且需要设计人员掌握每种嵌入式系统的开发方法，因此技术门槛比较高，开发周期较长。随着通用计算机性能的不断提高，使得基于通用处理器实现通信系统成为可能，根据虚拟无线电的上述特点，本文提出了基于虚拟无线电实现RFID读写器的方案。

1 RFID系统结构与工作原理
    常见的RFID系统包括4部分：标签、天线、读写器和控制器(即PC主机)组成。如图1所示。

     RFID系统的工作原理为读写器通过天线发出含有信息的一定频率的射频信号，当标签进入读写器的识别区域内，标签周围形成电磁场，其天线通过耦合产生感应电流，从而获得能量漱活内部微芯片电路。此时标签根据读写器发出的信息决定是否响应，即是否反向散射数据；需要响应时，标签通过天线将存储在标签中的信息转换成电磁波，然后发送给读写器；读写器接收到标签反射的信号时，将信号进行解调和解码，识别出标签反向散射的数据，然后通过标准的网络接口传送给控制器；控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定对这些数据进行管理和控制。
    按照读写器发射频率的不同，RFID系统可以分为低频(135 kHz以下)，高频(13．56 MHz)，超高频(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等几大类。其中，超高频RFID系统一般采用电磁反向散射原理来实现读写器和电子标签之间的通信过程。
    本文介绍的基于虚拟无线电实现的RFID读写器符合ISO／IEC 18000-6C标准。ISO／IEC 18000-6C标准是信息技术领域关于超高频RFID技术的空中通信技术标准。该标准采用开放的体系结构，充分考虑了标签低处理能力、低功耗和低成本要求，在射频频段选择、物理层数据编码及调制方式、防冲突算法、标签访问控制和隐私保护等技术方面采取了一系列改进；其中，读写器到标签的前向链路的调制方式为ASK，采用PIE编码，标签到读写器的反向链路的调制方式为ASK或PSK，采用FM0编码或者Miller编码，并对传输数据采用差错控制编码技术(CRC16校验)。本文介绍的读写器到标签的前向链路采用ASK调制方式和PIE编码，标签到读写器的反向链路采用ASK调制方式和FM0编码。

2 基于虚拟无线电实现读写器的方法
2．1 读写器的结构
    该读写器的结构如图2所示，主要由4部分组成：主控部分、FPGA逻辑控翻模块、射频前端模块及天线。主控部分：主控部分选择通用PC，标签识别层数据处理和基带信号处理在PC中完成，通过PCIe接口和逻辑控制模块连接；FPGA逻辑控制模块：主要负责有AD／DA控制、RF切换、功放、发送和接收数据控制的功能；射频前端模块：其中射频收发功能采用LMS6002D芯片实现，该芯片集成LNA／PA驱动、IX／RX混频器、TX／RX滤波器、频率综合器、接收增益控制发送功率控制等子模块，能够完成射频模拟前端的大部分功能天线。

2．2 工作流程
    读写器工作流程分为读写器发送指令与接收标签反向散射的数据信息2部分。
    读写器发送指令的工作流程：
    (1)应用层程序发出调用标签识别层模块的命令，标签识别层模块产生要发送的访问标签的指令，并将指令送至基带处理模块；
    (2)基带处理模块对标签识别层指令进行编码调制，生成基带信号，基带信号分成I，Q两路通过PCIe接口传入FPGA的FIFO；
    (3)FIFO中的数据被打包成串行基带信号送至射频前端模块；
    (4)串行基带信号进入射频前端模块经过DA变换、功率放大、上变频后被调制到超高频频段，然后送至带通滤波器进行滤波；
    (5)滤波以后，信号被送至功率放大器放大，然后送至天线发送出去。
    读写器接收标签反向散射的数据信息的工作流程：
    (1)标签接收到读写器发来的信号，获得能量被上电激活，开始执行读写器命令，并进行判断是否需要应答，需要应答时，将应答信息以反向散射方式通过天线送至射频前端模块；
    (2)射频前端模块将接收到的信号送至带通滤波器进行滤波，滤波后通过低噪放、下变频、AD变换等部分，载波信号恢复为基带信号并传入FPGA的FIFO；
    (3)FIFO中的数据通过PCIe接口被送至PC中的基带处理模块；
    (4)基带信号处理模块对接收到的数字基带信号进行解调，将结果传递给标签识别层；
    (5)标签识别层根据接收到的标签反向散射的数据进行CRC校验，解出标签反向散射的信息并做出判断，决定下一次发送的指令。
2．3 主控部分
2．3．1 主控部分软件设计
    系统的主控部分为PC，结构图如图2读写器的结构图左边部分所示。主控部分的工作主要包括：完成基带信号处理、标签识别处理和驱动层与应用层的数据通信。
    工作原理：启动时，通过PC配置射频参数，射频参数存入缓冲区寄存器中，初始化内存；应用程序发出对标签的应用功能指令，该指令通过应用程序接口调用标签识别处理模块，标签识别处理模块发出相应的指令给基带处理模块，基带处理模块对指令进行编码调制形成基带信号，通过PCIe接口将基带信号发送给射频板；主控部分通过PCIe接口接收射频板传送来的基带信号，基带处理模块对基带信号进行解调，形成标签反向散射的指令格式，传至标签识别处理模块，标签识别处理模块对指令进行相关CRC校验对做出相应的响应。软件流程如图3所示。

2．3．2 防冲突软件设计
    为防止多个标签同时响应，读写器发送的Query指令中令Q不等于0，Q为(0～15)，标签接收到Query指令后，会选择(0～2Q-1)给Slot Counter，当Slot Counter=0时，标签反向散射数据，Slot Counter不为0时标签不响应，如果标签无响应，则连续发送QueryReq，每发送一次QueryReq，标签的Slot Counter的值会减1，直到Slot Counter=0，标签响应为止。其流程图如图4所示。

3 接收端算法研究与实现
    接收端算法：接收端接收的信号为(A／2)g(t)，经过I／Q两路解调、低通滤波、隔直流后分别为(A／2)g(t)sinθ和(A／2)g(t)cosθ，如果只采用单路接收信号，当接收信号的相位和本振信号的相位相差θ为90°或者0°，则接收到的信号(A／2)g(t)sinθ或(A／2)g(t)cosθ可能始终为0，即有用信号没有解调出来。为了避免射频场中存在的盲点，系统接收端采用两路正交混频结构，即：
    
    将I，Q两路信号平方后求和得出(A2／4)g2(t)，无论接收信号的相位和本振信号的相位相差θ为多少，总能解调出有用信号。
    对于本方案，接收端基带信号处理在PC中完成，PC中接收到的I，Q两路的数据存在一个数组RECEIVE[N]中，针对接收端算法的其体实现步骤如图5所示。

    (1)首先解调出I，Q两路信号：即：
    RECEIVE_I=RECEIVE(1，1：2：N)
    RECEIVE_Q=RECEIVE(1，2：2：N)
    RECEIVE_data2=RECEIVE_I2+RECEIVE_Q2
    ／／N为接收数据所在数组的大小
    (2)求接收信号的均值，即求信号的直流分量
    sum=O
    for i=1：N／2
    sum=sum+RECEIVE_data[i]
    end
    ave_sum=(sum／(N／2))
    (3)去直流分量
    RECEIVE_data=RECEIVE_data-ave_sum
    (4)做相关，找到同步点
    在该系统中，标签反向散射的数据有加短前导Frame_Sync和长前导Preamble两种形式，读写器发送的Query指令中的TRext位决定了标签反向散射的数据的前导形式，本方案中标签反向散射的数据采用加前导Preamble的方式。
    首先，生成本地的Preamble信号，即编码调制后为Preamble[m]，将Preamble[m]与接收到的RECEIVE_data做相关，找到最大点，取出标签反向散射的数据。
    
    以读写器发送Query指令为例，在采样率为10 MHz，标签反向链路频率为200 kHz时，标签响应时反向散射信号Preamble+RN16(16位随机码)，通过上述过程，解调出数据如图6所示，显示方式为：数据以两路A，B方式，其中A为上部分，B为下部分，如RN16[N]，则有：
    
    (5)解调标签反向散射的数据
    根据射频部分的采样率和标签反向散射数据的调制方式，对0和1进行编码调制，生成0和1的本地基带信号，将其与接收的数据进行相关，并进行判断，解调出标签反向散射的数据。
    

    对图6中的数据进行解调得出此次标签反向散射的随机数为：1101 0001 0100 0011。

4 结语
    本文提出的基于虚拟无线电的RFID读写器的实现方案，从系统级角度对基于虚拟无线电的RFID读写器的硬件平台及主控部分进行了阐述，并对接收端算法进行了研究与实现。虚拟无线电技术易于实验、开发快捷、与其他应用结合、改进功能盼特点，使得基于虚拟无线电的超高频RPID读写器具有灵活处理基带信号、支持开发多种协议的优点。实践结果表明，基于虚拟无线电实现超高频RFID读写器的方案具有可行性。