一种基于FPGA和DSP的UHF RFID接收平台设计*

2019-12-11段小芳

通信技术 2019年12期

刘丹，段小芳，熊刚

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610041）

0 引言

射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术是一项非接触的自动识别技术，它是利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[1]。目前RFID系统的工作频率有低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波等，不同频段的RFID系统工作原理不同，LF和HF频段的RFID系统一般采用电磁耦合原理，而UHF和微波频段的RFID系统一般采用电磁发射原理[2]。

国际通用的UHF频段就是ISM公用频段，如欧洲使用的865～868 MHz，美国和加拿大等国使用的902～928 MHz等频段[3]，在我国一般选用902～928 MHz频段。UHF RFID与HF和LF频段相比，电波传输性能好、标签天线尺寸适中，适用于远距离识别和大规模应用等优点，受到业内人士的极大关注，典型应用有铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统等[4]。

RFID阅读器的接收部分是阅读器的核心，目前在RFID系统中应用最广泛的是零中频结构，但由于超高频无源RFID系统工作机理的原因，很难抑制同频信号对反向信号的干扰[5]。

本文通过对UHF RFID的工作原理进行了分析，重点研究了工作在902MHz～928 MHz的UHF RFID上行链路信号的编码和调制方式，提出了一种基于拟合预处理的上行链路信号处理算法，一定程度上降低了同频能量信号所造成的干扰影响，最后基于FPGA+DSP的架构设计并实现了一款UHF RFID上行链路信号接收平台，并对算法进行了验证。

1 UHF RFID工作原理

典型UHF RFID系统组成如图1所示，包括阅读器、天线、标签和上位机组成。阅读器持续发送能量信号，在经过标签时，标签从能量信号中获得工作所需的能量，通过反向散射调制射频载波信号的幅度或相位来发送信息[6]。阅读器接收来自标签的反向散射信号，信号经过射频前端接收电路的放大、解调、滤波，送入基带经过判决识别出标签内容，同时处理器与上位机通信，将解析的标签信号（如标签的ID号等）发送给上位机。

图1 UHF RFID系统结构

阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自上位机的控制指令，阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的不同，可以是只读或读/写装置，它是RFID系统的核心。

天线是将电流信号转换为电磁波发射出去，阅读器发射的射频信号需通过天线发射出去。

标签是由IC芯片和天线组成的微型标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。标签是RFID系统真正的数据载体，在接收到阅读器发送的射频信号后，将其中一部分整流为直流电源供标签内的电路工作，另一部分能量用于数据信息调整后反射回阅读器。

上位机负责配置、监控以及发送指令给阅读器。

对于无源UHF RFID系统，由于标签的工作是通过读写器发出的高频载波获得能量，采用对载波的调制并反射载波来传输信号，这就决定了该系统是同频系统，而且是发射和接收同时工作的系统。因此，读写器在接收到标签发射信号的同时，也接收到强度比发射信号强得多的同频载波信号。

2 接收平台设计

接收部分是RFID阅读器的核心，直接影响着阅读器的性能，因此接收机架构也是RFID研究的重点。UHF RFID系统的工作机理导致接收机在接收到标签信号的同时，也会受到下行同频能量信号的强干扰。本文提出了一种低中频抗强干扰的结构，即将载频信号下变频到合适的低中频，然后通过基于自适应拟合的预处理算法对中频信号进行降噪和消除干扰的处理后，再通过位同步、时钟校正、解码等解析成标签数据，从而降低了同频信号对标签信号的影响，提高了接收灵敏度。

UHF RFID接收平台包括接收天线、接收机、中频信号处理平台、显控软件四部分组成，其硬件结构如图2所示。

2.1 接收天线

接收天线主要负责接收应答器的信号并传送给接收机进行射频信号处理。采用902～928 MHz超高频高性能的RFID平板天线。天线采用9 dBi高增益、低驻波比设计，识读距离可达10米。圆极化设计，对标签无方向性要求，盲区小，读卡范围广，读写效率高。

2.2 射频接收机

接收通道的链路框图如图3所示。采用一次混频结构，直接将射频信号搬移到中频。考虑到系统的动态范围有限，故整个链路采用固定增益模式，重点兼顾911.5 MHz（测试阅读器工作频率）大功率激励信号对射频接收通道的影响。

图2 接收平台硬件结构

图3 射频接收通道

2.3 中频处理平台

中频处理采用FPGA+DSP的架构实现。FPGA+DSP结构灵活，适用于模块化设计，FPGA完成高速中频信号处理，DSP完成信号分析功能。具体处理流程如图4所示。

图4 中频信号处理

输入的中频信号由模数转换芯片完成相应的ADC转换，得到的数字信号送入FPGA，在FPGA内要分别完成信号检测、信号识别、下变频、降采样处理后，送入DSP进行处理，在DSP中要完成载波/码速率估计、同步、解调、解码、差错校验等处理。

由于应答器下行能量信号和上行标签信号位于相同频点，接收机在接收标签信号的同时也会接收到阅读器发射的大功率能量信号，同时也会受到环境中的各种噪声影响、传播过程中的多径效应等因素，这些问题对接收信噪比有很大影响。

为降低频偏分量信号和噪声的干扰，本文提出了一种基于自适应拟合的预处理算法，通过自动跟踪学习，使输出信号与主输出信号达到同幅和同相。最小均方LMS（Least Mean Square）算法是实现自适应的常用算法，其原理是通过一系列运算调整参数使线性组合器的输出信号与期望响应之间的误差均方值为最小。权系数更新算法采用LMS算法，公式表达式为：

其中X(n)为现在时刻的输入向量，W(n)代表现在时刻的权系数向量，W(n+1)代表下一时刻的权系数向量。期望响应信号d(n)与实际输出信号y(n)之间的误差为e(n)，μ为控制稳定性和收敛速度的步长因子。LMS算法的一个缺点是收敛速度慢，不易满足实时解调的要求。为了获得较快的收敛速度，对自适应算法进行改进，新算法的基本思想是：当权系数远离最佳系数即误差较大时，使用较大的步长，加快收敛，反之则使用较小步长，从而使得稳态失调较小，提高算法性能。这里采用Lorentzian函数作为μ(n)的变步长自适应算法，可实现对信号变化的跟踪。其公式如下：

其中α是控制Lorentzian函数范围的参数，δ是控制Lorentzian函数形状的参数。设L为自适应滤波器的长度，该算法以滤波器权系数误差

作为算法收敛和跟踪性能的指标。进行降噪和消除干扰的处理后，再采用基带解调算法就可以恢复出应答器标签信号携带的信息。

基带信号处理采用匹配滤波器实现判决比较，提高同步的速度，同时结合相位反馈环路调整来解决符号速率不够精准的问题。基带信号处理结构如图5所示。

图5 基带信号处理

在基带信号处理中，将应答器上行链路基带信号的“0”编码、“1”编码和帧头编码对应的信号分别使用不同的波形进行匹配。首先进行帧头匹配滤波处理，由于帧头的波形长度较长，对其相关匹配时性能较优，同步的精度高。为了适应信号有时发生突变的情况，还可以进一步采取设置动态门限的方式。帧头匹配之后再实现应答器数据信息的解调、解码判决，利用帧头滤波输出与反馈信息的联合，更加准确的对采样时刻进行调整处理，对齐后分别进行“0”、“1”编码波形的匹配处理，然后在最佳采样点位置对匹配输出进行判决便可以得到最终的解调以及解码结果。

对改进的信号基带解调方法进行仿真，仿真设置信号码速率为80 KHz，将预处理后的信号分别采用基于锁相环的方法和改进后的方法进行比较，得到如图6所示的解调性能曲线，基于自适应拟合预处理的解调算法误码率低于常用的基于锁相环的解调算法。

图6 不同信噪比下两种解调算法比较

2.4 显控软件

显控软件主要实现报文内容显示功能，在VC 6.0编译环境下利用MFC实现软件架构，通过CPCI总线实现与中频处理平台的通信，主要功能包括接收中频处理平台的解码信息，根据6 bit ASCII码表对解码数据进行解析，识别报文内容，并以表格形式呈现。

3 接收平台性能

为了测试本文接收平台的性能，测试在阅读器与标签正常通信的条件下进行。阅读器与标签垂直于地面上下放置，相距0.8 m，以确保阅读器能够有效读取标签。接收平台天线位于距离标签2 m的位置处接收标签信号，通过对5个标签连续交替读取来测试接收平台信息解析的准确率。解析结果如图7所示，读取标签个数共计50个，其中正确标签个数为49个，有1个标签解析错误，解析准确率可达98%。