基于虛擬無(wú)線(xiàn)電的RFID讀寫(xiě)器實(shí)現方案

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

0 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)多核CPU的出現與應用，個(gè)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的專(zhuān)用數字信號處理器媲美，因此在一臺計算機上設計通用的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺已成為一種可能。研究基于多核PC的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺，能夠在在一臺計算機上實(shí)現多種通信協(xié)議，而且易于開(kāi)發(fā)和軟件升級，無(wú)論從開(kāi)發(fā)者角度講，還是從用戶(hù)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?jì)r(jià)值和商業(yè)應用價(jià)值。虛擬無(wú)線(xiàn)電是一種真正意義上的軟件無(wú)線(xiàn)電。它采用高性能的模／數和數／模轉換器，對寬帶射頻信號直接進(jìn)行變換，所有無(wú)線(xiàn)電功能用運行于工作站或個(gè)人計算機上的應用程序來(lái)實(shí)現。虛擬無(wú)線(xiàn)電技術(shù)主要有如下特點(diǎn)：易于實(shí)驗；開(kāi)發(fā)快捷；與其他應用結合；改進(jìn)功能實(shí)現。無(wú)線(xiàn)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(guò)射頻信號與空間耦合傳輸特性，實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別?，F有的RFID讀寫(xiě)器一般采用ASIC，DSP，FPGA或ARM對基帶信號進(jìn)行處理，此方法處理基帶信號方法不靈活，且需要設計人員掌握每種嵌入式系統的開(kāi)發(fā)方法，因此技術(shù)門(mén)檻比較高，開(kāi)發(fā)周期較長(cháng)。隨著(zhù)通用計算機性能的不斷提高，使得基于通用處理器實(shí)現通信系統成為可能，根據虛擬無(wú)線(xiàn)電的上述特點(diǎn)，本文提出了基于虛擬無(wú)線(xiàn)電實(shí)現RFID讀寫(xiě)器的方案。

1 RFID系統結構與工作原理
常見(jiàn)的RFID系統包括4部分：標簽、天線(xiàn)、讀寫(xiě)器和控制器(即PC主機)組成。如圖1所示。

RFID系統的工作原理為讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)出含有信息的一定頻率的射頻信號，當標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的識別區域內，標簽周?chē)纬呻姶艌?chǎng)，其天線(xiàn)通過(guò)耦合產(chǎn)生感應電流，從而獲得能量漱活內部微芯片電路。此時(shí)標簽根據讀寫(xiě)器發(fā)出的信息決定是否響應，即是否反向散射數據；需要響應時(shí)，標簽通過(guò)天線(xiàn)將存儲在標簽中的信息轉換成電磁波，然后發(fā)送給讀寫(xiě)器；讀寫(xiě)器接收到標簽反射的信號時(shí)，將信號進(jìn)行解調和解碼，識別出標簽反向散射的數據，然后通過(guò)標準的網(wǎng)絡(luò )接口傳送給控制器；控制器根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定對這些數據進(jìn)行管理和控制。
按照讀寫(xiě)器發(fā)射頻率的不同，RFID系統可以分為低頻(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(lèi)。其中，超高頻RFID系統一般采用電磁反向散射原理來(lái)實(shí)現讀寫(xiě)器和電子標簽之間的通信過(guò)程。
本文介紹的基于虛擬無(wú)線(xiàn)電實(shí)現的RFID讀寫(xiě)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(kāi)放的體系結構，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、物理層數據編碼及調制方式、防沖突算法、標簽訪(fǎng)問(wèn)控制和隱私保護等技術(shù)方面采取了一系列改進(jìn)；其中，讀寫(xiě)器到標簽的前向鏈路的調制方式為ASK，采用PIE編碼，標簽到讀寫(xiě)器的反向鏈路的調制方式為ASK或PSK，采用FM0編碼或者M(jìn)iller編碼，并對傳輸數據采用差錯控制編碼技術(shù)(CRC16校驗)。本文介紹的讀寫(xiě)器到標簽的前向鏈路采用ASK調制方式和PIE編碼，標簽到讀寫(xiě)器的反向鏈路采用ASK調制方式和FM0編碼。

2 基于虛擬無(wú)線(xiàn)電實(shí)現讀寫(xiě)器的方法
2．1 讀寫(xiě)器的結構
該讀寫(xiě)器的結構如圖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(xiàn)。主控部分：主控部分選擇通用PC，標簽識別層數據處理和基帶信號處理在PC中完成，通過(guò)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)送和接收數據控制的功能；射頻前端模塊：其中射頻收發(fā)功能采用LMS6002D芯片實(shí)現，該芯片集成LNA／PA驅動(dòng)、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(xiàn)。