基于虛擬無線電的RFID讀寫器實現(xiàn)方案

摘要：隨著通用計算機性能的不斷提高，虛擬無線電技術(shù)得以發(fā)展。根據(jù)虛擬無線電處理基帶信號具有更好的靈活性、通用性和開放性的優(yōu)點以及ISO／IEC 18000-6C標準中超高頻RFID讀寫器的特桂，在此提出了一種基于虛擬無線電的超高頻RFID讀寫器的實現(xiàn)方案。該方案介紹了常見RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，重點闡述了基于虛擬無線電的RFID讀寫器的整體結(jié)構(gòu)和工作流程，并對接收端算法做了研究與實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：虛擬無線電；超高頻；射頻識別；讀寫器；電子標簽

0 引言
近年來，隨著多核CPU的出現(xiàn)與應(yīng)用，個人計算機在計算能力和性能上大幅度提高，在某種程度上可以與傳統(tǒng)的專用數(shù)字信號處理器媲美，因此在一臺計算機上設(shè)計通用的軟件無線電平臺已成為一種可能。研究基于多核PC的軟件無線電平臺，能夠在在一臺計算機上實現(xiàn)多種通信協(xié)議，而且易于開發(fā)和軟件升級，無論從開發(fā)者角度講，還是從用戶角度講，都極大地方便了各自的工作和體驗，具有重要的研究價值和商業(yè)應(yīng)用價值。虛擬無線電是一種真正意義上的軟件無線電。它采用高性能的模／數(shù)和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，對寬帶射頻信號直接進行變換，所有無線電功能用運行于工作站或個人計算機上的應(yīng)用程序來實現(xiàn)。虛擬無線電技術(shù)主要有如下特點：易于實驗；開發(fā)快捷；與其他應(yīng)用結(jié)合；改進功能實現(xiàn)。無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸的射頻識別技術(shù)，其基本原理是通過射頻信號與空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。現(xiàn)有的RFID讀寫器一般采用ASIC，DSP，F(xiàn)PGA或ARM對基帶信號進行處理，此方法處理基帶信號方法不靈活，且需要設(shè)計人員掌握每種嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法，因此技術(shù)門檻比較高，開發(fā)周期較長。隨著通用計算機性能的不斷提高，使得基于通用處理器實現(xiàn)通信系統(tǒng)成為可能，根據(jù)虛擬無線電的上述特點，本文提出了基于虛擬無線電實現(xiàn)RFID讀寫器的方案。

1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
常見的RFID系統(tǒng)包括4部分：標簽、天線、讀寫器和控制器(即PC主機)組成。如圖1所示。

RFID系統(tǒng)的工作原理為讀寫器通過天線發(fā)出含有信息的一定頻率的射頻信號，當標簽進入讀寫器的識別區(qū)域內(nèi)，標簽周圍形成電磁場，其天線通過耦合產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量漱活內(nèi)部微芯片電路。此時標簽根據(jù)讀寫器發(fā)出的信息決定是否響應(yīng)，即是否反向散射數(shù)據(jù)；需要響應(yīng)時，標簽通過天線將存儲在標簽中的信息轉(zhuǎn)換成電磁波，然后發(fā)送給讀寫器；讀寫器接收到標簽反射的信號時，將信號進行解調(diào)和解碼，識別出標簽反向散射的數(shù)據(jù)，然后通過標準的網(wǎng)絡(luò)接口傳送給控制器；控制器根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設(shè)定對這些數(shù)據(jù)進行管理和控制。
按照讀寫器發(fā)射頻率的不同，RFID系統(tǒng)可以分為低頻(135 kHz以下)，高頻(13．56 MHz)，超高頻(860～960 MHz)和微波(2．4 GHz以上)等幾大類。其中，超高頻RFID系統(tǒng)一般采用電磁反向散射原理來實現(xiàn)讀寫器和電子標簽之間的通信過程。
本文介紹的基于虛擬無線電實現(xiàn)的RFID讀寫器符合ISO／IEC 18000-6C標準。ISO／IEC 18000-6C標準是信息技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于超高頻RFID技術(shù)的空中通信技術(shù)標準。該標準采用開放的體系結(jié)構(gòu)，充分考慮了標簽低處理能力、低功耗和低成本要求，在射頻頻段選擇、物理層數(shù)據(jù)編碼及調(diào)制方式、防沖突算法、標簽訪問控制和隱私保護等技術(shù)方面采取了一系列改進；其中，讀寫器到標簽的前向鏈路的調(diào)制方式為ASK，采用PIE編碼，標簽到讀寫器的反向鏈路的調(diào)制方式為ASK或PSK，采用FM0編碼或者Miller編碼，并對傳輸數(shù)據(jù)采用差錯控制編碼技術(shù)(CRC16校驗)。本文介紹的讀寫器到標簽的前向鏈路采用ASK調(diào)制方式和PIE編碼，標簽到讀寫器的反向鏈路采用ASK調(diào)制方式和FM0編碼。

2 基于虛擬無線電實現(xiàn)讀寫器的方法
2．1 讀寫器的結(jié)構(gòu)
該讀寫器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由4部分組成：主控部分、FPGA邏輯控翻模塊、射頻前端模塊及天線。主控部分：主控部分選擇通用PC，標簽識別層數(shù)據(jù)處理和基帶信號處理在PC中完成，通過PCIe接口和邏輯控制模塊連接；FPGA邏輯控制模塊：主要負責有AD／DA控制、RF切換、功放、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)控制的功能；射頻前端模塊：其中射頻收發(fā)功能采用LMS6002D芯片實現(xiàn)，該芯片集成LNA／PA驅(qū)動、IX／RX混頻器、TX／RX濾波器、頻率綜合器、接收增益控制發(fā)送功率控制等子模塊，能夠完成射頻模擬前端的大部分功能天線。