超高频RFID密集读写器临近信道抑制滤波器设计*

柴永强，胡圣波，2*

(1.贵州师范大学智能信息处理研究所，贵阳550001;2.贵州省教育厅射频识别与传感网络工程中心，贵阳550001)

在大规模密集UHF RFID读写器的部署应用场所［1］，读写器与标签之间会因邻近信道干扰而发生通信冲突，从而导致标签识别率降低或者无法根本读取标签数据。因此，在密集读写环境下，邻近信道干扰引起的碰撞已成为制约密集读写环境下RFID性能的瓶颈之一。

目前，针对这一问题，国内主要从减少读写器重复覆盖区域方面着手，通过部署调整天线位置和读写器配置参数来规划RFID射频网络，从而降低冲突提高系统性能，但是部署模型和信道分配算法较为复杂［2-3］。而国外主要从空分复用(SDM)、频分复用(FDM)和时分复用(TDM)这3个方面着手来研究密集读写器环境下RFID读写器通信干扰问题，并提出了读写器“同步”概念和“Listen Before Talk”通信机制［4-5］。这种基于同步的通信机制，通过网络将所有的读写器互联起来并由中央处理单元统一控制，以保证所有读写器配置相同并且严格同步，即所有读写器在同一时刻开始“侦听”，在侦听周期结束之后，又开始同步地进行“会话”。中央处理单元给所有RFID读写器动态地分配通信子信道，从而使信道的频谱利用率达到最优。但是这种通信机制需要额外的“LBT传感器”硬件支撑和更为复杂的应用系统配置，增加了部署成本和系统开销。因此，为了降低成本密集部署读写器，本文从频域着手，通过设计一种临近信道抑制滤波器，研究一种基于临近信道抑制的密集读写方法。本文的组织结构是:第1节引出临近信道干扰;第2节描述EPC C1 G2密集读写模式下频谱规范;第3节设计密集读写滤波器;第4节性能测试;最后总结全文。

1 密集读写器模式下临近信道干扰

密集读写器模式下临近信道干扰［6-7］是:在密集读写器环境下RFID读写器因邻近信道信号频率重复覆盖而发生通信冲突，并导致标签识别率降低或者无法读取标签数据的现象。

本文中研究的RFID读写器干扰碰撞问题是指:一台RFID读写器的查询信号对另一台进行实时通信RFID读写器的干扰和碰撞，如图1所示。当Reader 1访问标签时，标签会产生一个信号强度较弱的应答信号，如果此时在临近区域内工作的Reader 2产生一个信号强度较强的查询信号，那么此查询信号会很容易使标签对Reader 1产生的应答信号产生失真变形，从而导致Reader 1和标签之间不能建立正常的通信链路。

图1 读写器干扰碰撞

在大规模密集UHF RFID读写器部署应用场所，要求RFID读写器的射频信号能够覆盖一个大面积区域，需要通过切实有效的方法对多读写器进行管理控制，将实时完整的RFID数据与应用系统互联。但是密集读写器模式下临近信道干扰问题，不仅会降低整个RFID射频网络的频带利用率，还会引起系统信息安全风险，从而使RFID系统性能下降。

2 密集读写器模式及其频谱规范

EPC C1 G2是在860 MHz～960 MHz超高频段内进行RFID通信的标准协议。EPC C1 G2定义了两种读写器模式［8］:多读写器模式和密集读写器模式。多读写器模式是指在操作环境中激活读写器的数量少于可利用通信信道的数量，而密集读写器模式是指在操作环境中激活读写器的数量多于或等于可利用通信信道的数量。本文主要讨论密集读写器模式。

由于RFID系统采用后向散射通信方式，电子标签需要获取读写器发送的RF能量，其传回读写器的信号十分微弱，极易受到干扰。为避免标签碰撞和读写器间干扰，EPC C1G2对RFID系统信道进行了划分，如图2所示。按照EPC C1G2的信道划分，当某个读写器工作频带过宽，有可能影响其他工作在临近信道的读写器读写能力［9-10］，文献［9-10］验证了这一点。因此，为保证密集读写工作模式下，避免标签碰撞和读写器间干扰，EPC C1G2也规定了密集读写工作模式下读写器发射功率谱的波罩约束，如图3所示。即信号在第一临近信道的功率抑制比要小于-30 dB，在第二临近信道的功率抑制比要小于-60 dB，Tari表示在PIE编码中二进制数据0的参考时间间隔。

图2 信道划分及临近信道干扰

图3 密集读写器模式下的功率谱波罩

由于世界各地无线电频率管制，各国分配的RFID工作频段均不相同。结合我国现状，2007年工业和信息化部对800 MHz～900 MHz频段射频识别技术应用做出了规定［11］:UHF RFID的工作频段为840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz，总带宽为10 MHz，其有效辐射功率(ERP)分别为2 W和100 mW。信道带宽为250 kHz，信道中心频率为fc=840.125+N×0.25(MHz)和fc=920.125+M×0.25(MHz)(N、M为整数，取值为0～19)。邻近信道功率抑制比:第1信道为-40 dB，第2信道为-60 dB。以跳频扩频模式工作，每跳频信道最大驻留时间为2 s。

因此，为满足RFID密集读写的需要，避免标签和读写器干扰，从频域角度，研究基于临近信道抑制的密集读写方法十分必要。

3 密集读写滤波器

为了规避临近信道干扰［12-13］，可在RFID读写器接收端I/Q两路信号之后增加密集读写滤波器，从而使RFID读写器具有更好的信道选择特性，提高密集读写下RFID系统性能。

3.1 RFID零中频接收电路

由于RFID采用后向散射工作原理，因此，不像普通接收机。RFID读写器接收电路可采用I/Q两路正交零中频架构［14］，如图4所示。采用这种架构具有如下优点:(1)接受机本振和标签反向散射信号同频，有效地降低了电路复杂度，并且经过混频后信号直接变为基带信号，为后续信号的信道选择和增益调制带来了极大方便。(2)标签反向散射信号在零频处没有功率分布，零中频接收机的直流失调问题对标签响应信号没有影响，并且不存在镜频干扰问题［15］。(3)有效地消除零点效应，当I路信号达到零点时，Q路信号刚好处于最大值。

图4 零中频接收机构架

为抑制临近信道干扰，可以在I/Q两路正交零中频架构中增加密集读写滤波器，如图5所示。

图5 零中频接收机+密集读写滤波器构架

3.2 密集读写滤波器设计

为了获得较好的幅频特性和更为陡峭的过渡带，采用多级滤波器级联的方式设计密集读写滤波器。为了方便，本文采用4级滤波器级联的方式，其中包括2个低通滤波器和2个高通滤波器，如图6所示。

图6 DRM Filter框图

(1)四阶椭圆低通滤波器

根据第2节描述的密集读写器模式下的功率谱波罩的约束条件，第1级采用四阶椭圆低通滤波器，其参数为:通带频率为280 kHz，通带衰减为1 dB，阻带频率为600 kHz，阻带衰减为77.6 dB。采用安捷伦ADS软件，可设计第1级四阶椭圆低通滤波器电路如图7所示，对应的频响特性曲线如图8所示。

图7 四阶椭圆低通滤波器电路图

图8 四阶椭圆低通滤波器频响特性曲线

(2)二阶切比雪夫高通滤波器

第2级采用二阶切比雪夫高通滤波器，在200 kHz频点处有1 dB衰减。其通带频率为200 kHz，通带衰减为1 dB，阻带频率为5 kHz，阻带衰减为26 dB。采用安捷伦ADS软件，可设计第2级二阶切比雪夫高通滤波器电路如图9所示，对应的频响特性曲线如图10所示。

图9 二阶切比雪夫高通滤波器电路图

图10 二阶切比雪夫高通滤波器频响特性曲线

(3)二阶切比雪夫低通滤波器

第3级采用二阶切比雪夫低通滤波器，在280 kHz频点处有1 dB衰减。其通带频率为280 kHz，通带衰减为1 dB，阻带频率为2.82 MHz，阻带衰减为30 dB。采用安捷伦ADS软件，可设计第3级二阶切比雪夫低通滤波器电路如图11所示，对应的频响特性曲线如图12所示。

图11 二阶切比雪夫低通滤波器电路图

图12 二阶切比雪夫低通滤波器频响特性曲线

(4)二阶切比雪夫高通滤波器

第4级仍采用二阶切比雪夫高通滤波器，在200 kHz频点处有1 dB衰减。其电路如图9所示，对应的频响特性曲线如图10所示。此滤波器在较低连接频率下进行FM0编码时，可以被重新配置为在5.5 kHz或12 kHz频点处有3 dB衰减的一阶滤波器。

根据以上设计电路，可得密集读写滤波器电路如图13所示，对应的频响特性曲线如图14所示。从图14可见，滤波器在中心频率250 kHz处增益最大，为59.2 dB，而在第一临近信道500 kHz处增益为20.6 dB，比中心频率增益衰减约40 dB，在第二临近信道750 kHz处系统增益增益为0.46 dB比中心频率增益衰减约为60 dB。

图13 密集读写滤波器电路图

图14 密集读写滤波器频响特性曲线

4 性能测试

为便于比较，可分别采用基于AS3992 ROGER读写器和远望谷XCRF-804读写器进行性能测试。其中，AS3992 ROGER读写器内置可配置的密集读写滤波器。根据第3节设计的密集读写滤波电路，配置AS3992 ROGER读写器的滤波器设置寄存器RX Filter Register(09)的选择位参数为24，电路如图15所示。而远望谷XCRF-804读写器没有采用密集读写滤波器。

图15 内置可配置密集读写滤波器的AS3992芯片及其外围电路

(1)功率谱测试

采用固纬频谱仪GSP-830分别对AS3992 ROGER读写器和远望谷XCRF-804读写器的临近信道功率抑制比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)进行测试，测试条件:在密集读写器环境下，将AS3992 ROGER和远望谷XCRF-804读写器的工作频段设为920MHz-925MHz，同时与多标签进行通信，测试结果分别如图16和图17所示。

图16 AS3992 ROGER ACPR测试结果

图17 远望谷XCRF-804 ACPR测试结果

测试结果表明:在信道带宽为250 kHz，信道间隔为250 kHz的条件下，AS3992 ROGER读写器功率谱宽度比远望谷XCRF-804读写器功率谱宽度小，旁瓣也低得多。说明:采用密集读写滤波器后，AS3992 ROGER读写器对临近信道有明显的抑制作用，从而有助于减少信号对临近信道的干扰。

(2)读取率和识别率测试

在密集读写器环境下，摆放两读写器天线位置，水平距离为30cm，两天线距地面高度为1.5m，在空旷的室内环境下进行测试。将5个标签放在两天线辐射角方向共同覆盖区域对称轴上，距离由近及远每次移动5cm分别进行测试，然后将标签的平均读取速率和平均识别率的测试结果进行比较，测试比较结果分别如图18和图19所示。

测试结果表明:采用密集读写滤波器的AS3992 ROGER读写器的标签读取率和识别率明显高于远望谷XCRF-804读写器。

图18 多标签平均读取速率测试结果比较

图19 多标签平均识别率测试结果比较

5 结论

本文在I/Q两路正交零中频接收机构架的基础上，采用ADS设计了信道选择性DRM滤波器，经过系统性能测试，可以得出如下结论:

(1)在密集读写环境下，信道选择性DRM滤波器可以最大限度地提高主信道信号增益，极大地降低对临近信道信号的干扰，还可以有效地减少读写器因通信信号频率重叠而造成的干扰碰撞，从而大大地提高UHF RFID读写器的读取率和识别率。

(2)在I/Q两路正交零中频接收机构架的基础上，设计信道选择性 DRM滤波器，在降低 UHF RFID系统复杂度的同时，也降低了密集读写器的部署成本。

［1］Bhuptani M，Moradpour S，RFID Field Guide-Deploying Radio Frequency Identification Systems［M］.New Jersey:Sun Microsystems Press，2005.

［2］陈燕潘，周世杰.密集环境下RFID读写器组网关键技术研究［D］.成都:电子科技大学，2011:1-4.

［3］王永华，詹宜巨.一种密集RFID读写器环境下信道分配算法［C］//2007仪表，自动化及先进集成技术大会论文集(一)，2007:1-3.

［4］Leong K，Ng M L，Cole P H.Synchronization of RFID Readers for Dense RFID Reader Environments［C］//International Symposium on Applications and the Internet，Phoenix，2006，1:23-27.

［5］Skeie T，Johannessen S.Highly Accurate Time Synchronization over Switched Ethernet［C］//Proceedings of 8th IEEE international Conference on Emerging Technologies and Factory Automation，2001，1:195-204.

［6］Engels D，Sarma S.The Reader Collision Problem［C］//International Conference on Systems，Man and Cybernetics，2002，3:4-6.

［7］Carbunar B，Ramanathan M.Redundant Reader Elimination in RFID Systems［C］//Second Annual IEEE Communications Society Conference on SECON，California，2005:1-3.

［8］EPCTMRadio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz～960 MHz Version 1.2.0［S］.2007.

［9］Leong K，Grasso A.Dense RFID Reader Deployment in Europe using Synchronization［J］.Journal of Communications，2006，1(7):1-3.

［10］Leong K，Ng M L，Cole P H.Positioning Analysis of Multiple Antennas in a Dense RFID Reader Environment［C］//International Symposium on Applications and the Internet，Phoenix，2006，1:23-27.

［11］中华人民共和国工业和信息化部.中国800/900 MHz频段射频识别(RFID)技术应用规定(试行)［EB/OL］.工业和信息化部.2007年，205号.

［12］Vaidya N，Das S R.RFID-Based Networks-Exploiting Diversity and Redundancy［J］.ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review，2008，12(1):2-14.

［13］胡圣波，孟新，姚秀倦.频域波束合成的深空宽带阵列信号处理［J］.空间科学学报，2011，31(5):670-674.

［14］李斌，赖宗声.射频识别阅读器中信道选择性滤波器的设计［J］.电子器件，2010，33(2):1-2.

［15］Keaveney M.A High Performance RF front-end for HUF RFID Applications［C］//RF and Microwave IC Design 2008 IET Seminar，2008，5(1):1-5.