码分射频识别系统相关解扩的实现

杜平

（广东科学技术职业学院，广东 广州 510640）

1 引言

随着RFID（Radio Frequency IDentification，射频识别）技术的广泛应用，对其性能的要求也越来越高。将码分技术应用到UHF RFID空中接口中，改变传统RFID单信道读取的方式，成为RFID发展的趋势。如图1所示的多信道接入系统，处在不同信道的标签可以同时向读写器应答[1]。码分射频识别技术体制与ISO/IEC18000-6C相比，接入能力增强、抗干扰能力提高、降低碰撞概率、多个信道标签同时读取、识别距离更远、系统设备管理能力增强，直接改善了标签读取率，为工程应用带来更多方便[2]。

多标签码分并行应答相当于移动通信CDMA的正交接入。读写器构建一组正交码分信道，标签通过读写器的激活指令随机选择一个信道作为应答信道。各个信道的扩频序列均正交，相互不受干扰，可以同时在对应的信道上接收标签应答。

图1 码分多信道RFID系统

本协议采用15比特m序列作为扩频序列，读写器端预先保存各标签信道采用的m序列码，接收到的多个信道数据与本地序列通过相关运算进行解扩。如果是本信道的数据，则会在序列结束为止出现相关峰值；如果不是此信道数据，则不会出现峰值[3]。

如图2所示，以四信道为例，同时进行四次相关运算后，对相关结果和判决门限值进行比较。如果大于门限值，则认为此信道正确地接收到了数据；如果小于等于门限值，则认为没有数据或发生了碰撞。

图2 相关运算实现解扩

2 扩频数据的同步头捕获

相关解扩需要找到接收信息的准确相位，因此同步头的捕获是至关重要的，CD-RFID系统标签回复数据也采用了同步头设计[4]。标签回应读写器的命令是在读写器发送命令结束后75μs。读写器在发送命令结束后75μs前后一段时间内进行同步头持续搜索，这里取70～80μs作为搜索区间，相关运算按照每个时钟周期进行一次更新。对10μs的计算结果进行比较，找出最大值。如果最大值大于判决门限，那么最大值出现的位置就是同步头结束的相位，也就是标签信息的起始相位。

在80μs结束后，就可以输出同步头判决结果，造成的时间延时使得后续的解扩不能使用读写器直接接收的数据，需要对数据相应的延时。以下是基于FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的寻找最大相关值及其出现位置的算法（其中Max为最大值，offset为Max出现的位置）：

3 多信道相关解扩的实现

3.1 并行加法器技术实现解扩

读写器将接收到的扩频数据存储到15位寄存器中，并在每个时钟信号到来时进行更新。并行加法器的思路是以接收端扩频码序列m1作为加法器输入的系数，对接收的信号进行累加，如图3所示[5]。滤波输出结果进入门限判决器进行门限判决，如果超过了设定门限，则表明此数据为m1序列扩频的信道数据；如果未超过设定门限，则表明此数据不是m1序列扩频的信道数据。对于多个信道的数据，应构建多个数字匹配滤波器。

图3 并行加法器解扩结构

数字匹配滤波器的表达式为：

其中，x(n)为输入信号；h(-i)为滤波系数，由接收端扩频码决定，取值-1或1。m序列码元为1时，取值为1；m序列码元为0时，取值为-1。并行加法器的长度N 等于扩频码长度。当输入信号x(n)与本地扩频码h(-i)匹配时，此时输出达到最大，将超出预先设定的门限，可以进行判决。

以扩频序列15’b011_0010_1000_0111为例，生成的并行加法器后应按照z(n)=-x(0)+x(1)+x(2)-x (3)-x (4)+x (5)-x (6)+x (7)-x (8)-x (9)-x (1 0)-x(11)+x(12)+x(13)+x(14)进行计算。当扩频序列和输入数据相关时，计算结果峰值将会大于判决门限。当输入是扩频序列原码时，判决结果出现正的最大相关峰值，则应判决为1；若结果为负的相关峰值，则应判决为0。

3.2 判决门限的设定

RFID根据标签的远近不同，所读取到的标签信号大小也有很大差别。由于远距离标签接收到的能量很小，因此反射回来的信号也非常小；近距离的标签则反之。考虑到距离较远的标签，应该把门限值设定得较小，这造成了噪声信号或者其他信道数据的解扩结果会超过门限值的情况。如果为了照顾近距离的标签，将门限值设定得较大，那么远距离的标签信号不能通过判决，读取距离被缩短。由此可见，采用一个固定的门限势必不能满足所有标签的要求。

把是否相关峰值加入判决中，可以弥补单纯用门限判决产生的缺陷。所有标签都采用较小的设定门限，如果相关值超过了设定门限，再判断是否出现了相关峰值，相关峰值能够说明这段数据是扩频序列相关数据还是噪声。通过此方法，即使信号很小也能够在噪声中将其甄别出来。

4 结束语

本文就CD-RFID系统如何实现解扩进行了详细阐述，所采用的相关解扩算法能够在较短的时间内实现解扩，并且准确率高。CD-RFID扩频系统具有更强的抗干扰能力，在实际应用中对远距离的标签读取突显出了其优势，灵敏度达到了-90dBm，在比较微弱的信号幅度下仍然能够解码出多个信道的标签信息。因此，码分多信道系统为RFID系统的发展带来了新的方向，将成为未来研究的热点。

[1] 刘礼白. 无源标签码分射频识别并行应答[J]. 移动通信, 2012(4): 43-47.

[2] 周晓光,王晓华. 射频识别（RFID）技术原理与应用实例[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.

[3] 樊昌信. 通信原理[M]. 6版. 北京: 国防工业出版社, 2008.

[4] 赵荣黎. 直接序列扩展频谱通信系统的同步捕获与跟踪[J]. 铁道学报, 1993(2): 40-46.

[5] 王光,田斌,吴勉,等. 直接序列扩频通信中m序列的同步方案及其FPGA实现[J]. 电子科技, 2006(3): 25-29.★