中心議題：

• 電路總體結構
• 解調器設計
• 解碼器設計

解決方案：

• 物理層數(shù)據(jù)編碼進行改進
• 調制方式進行改進

摘要: 根據(jù)UH F RFID閱讀器實現(xiàn)的IQ 兩路正交調制解調的零中頻方案， 設計和實現(xiàn)了閱讀器基帶處理芯片接收端電路，包括電路總體結構及解調器、解碼器等關鍵模塊的設計， 完成其RTL設計、仿真及FPGA原型驗證。該設計在物理層數(shù)據(jù)編碼、調制方式及其他關鍵技術進行了改進， 性能上有很大的提高。

UHF RFID技術將廣泛應用于各個行業(yè)領域， 可靠的閱讀器是UHF RFID系統(tǒng)的重要組成部分， 而基帶處理芯片能夠為閱讀器設計提供基帶信號處理解決方案。結合UHF RFID技術本身所固有的特點， 本文的閱讀器設計采用了IQ 兩路正交調制解調的零中頻方案。整個閱讀器由射頻前端和基帶處理兩個部分組成， 射頻前端對發(fā)送基帶信號進行上變頻和功率放大等處理后發(fā)射給電子標簽， 然后在接收到標簽的返回信號時， 對接收信號進行放大、濾波、下變頻等處理后將基帶信號傳輸給基帶處理芯片。

本文介紹基于ISO / IEC 18000 6C 協(xié)議的UHF RF ID閱讀器基帶處理芯片接收端電路的設計， 該電路可以與基帶處理發(fā)送端、中央處理器( CPU )集成， 共同構成整個基帶處理芯片。

1  電路總體結構

UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路的總體結構如圖1所示， 主要包括輸入基帶信號低通濾波器、解調器、解碼器、數(shù)據(jù)串并轉換模塊、信息傳遞接口(MPI)模塊和接收機控制模塊六個功能模塊。

從ADC 采樣進來的兩路基帶正交信號i_data i和i_dataq首先經(jīng)過低通濾波器FIR _ filter進行濾波， 以便后級電路對信號進行處理。

UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路框圖
                           
                                                     圖1  UHF RFID閱讀器基帶處理接收端電路框圖

濾波后的I和Q信號進入解調器demodu lator， 調制方式自動識別子模塊mode_d iscrim inator首先識別接收信號的調制方式， 之后選擇對接收信號進行ASK或者PSK 解調得到?jīng)]有實現(xiàn)位同步的信號， 最后位同步子模塊bit_synchrono izer從該信號提取出位同步時鐘并判決得到同步二進制數(shù)據(jù)流。解調后數(shù)據(jù)流與提取出來的同步時鐘脈沖一起輸出到解碼器decoder， 按照FM0或M iller編碼規(guī)則對數(shù)據(jù)進行解碼，同時檢查編碼規(guī)則并對編碼規(guī)則錯誤進行計數(shù)。若沒有出現(xiàn)編碼規(guī)則錯誤， 還將在CRC 校驗子模塊crc_verifier中對解碼后的數(shù)據(jù)進行CRC 16校驗。

解碼出來的信號是串行的， 而在信息傳遞接口模塊rx_mp i中的接收緩存是并行輸入的， 所以將數(shù)據(jù)存入緩存中之前由數(shù)據(jù)串并轉換模塊serial_to_para lle l完成串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)。該模塊產(chǎn)生接收緩存的寫數(shù)據(jù)、寫地址和寫使能信號， 并對接收到的數(shù)據(jù)進行計數(shù)， 計數(shù)結果放在rx_mp i中指定的寄存器中供CPU 查詢。數(shù)據(jù)串并轉換模塊同時檢測緩存是否溢出并給出緩存溢出錯誤標志信號，在每一幀數(shù)據(jù)結束處給出幀結束脈沖信號。

信息傳遞接口模塊rx_mp i主要負責基帶處理電路(包括接收端、發(fā)送端)和CPU 之間的數(shù)據(jù)通信。
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該模塊首先把接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩存中， 并在結束時置數(shù)據(jù)準備好標志寄存器DATA _RDY 有效(在出現(xiàn)幀起始檢測發(fā)生超時錯誤時也置數(shù)據(jù)準備好標志寄存器DATA _RDY 有效)以通知CPU 取走數(shù)據(jù)，同時寄存各種錯誤標志信號和錯誤計數(shù)值到相應寄存器供CPU 查詢。除此， rx _mp i還負責接收來自CPU的指令信息并配置相應的控制寄存器。

接收機控制模塊receiver_ctrl是接收部分的中央控制模塊， 根據(jù)控制寄存器中的配置信息輸出各個模塊需要的控制信號， 用以配置各個功能模塊的工作模式。

2  解調器設計

解調器主要包括ASK 解調、PSK解調、解調模式識別和位同步四個子模塊。解調模式識別子模塊根據(jù)CPU 的配置或接收信號的特征決定采用ASK 或PSK 解調方法對信號進行解調， 位同步子模塊從接收數(shù)據(jù)中提取位時鐘信號用來重新同步接收數(shù)據(jù)。

2. 1  ASK解調子模塊

當閱讀器接收來自電子標簽的信號采用ASK調制時， 接收信號可以用如下表達式表示:
                    
式中， am 為輸入碼元， 取0或1; g ( n - m )是幅度為1、寬度為單個碼元持續(xù)時間的波形函數(shù); 接收信號的載波頻率ω‘c與接收機本地載波頻率ωc 存在頻率偏移， 且兩者之間還有相位差△φ， 與閱讀器發(fā)射天線和電子標簽之間的距離有關; n0 為接收到的加性噪聲。

一般的ASK解調在對S ( n )進行正交分解得同相和正交分量I 和Q 后， 求其平方和與開方。可得：
                      
即: 對A ( n )進行抽取判決， 便可以恢復出碼元信號。

本文根據(jù)UHF RFID 技術的特殊性， 采用如下方法對ASK 調制信號進行解調: 雖然I’和Q‘隨著閱讀器與標簽之間距離的改變而變化， 變化時強時弱，但是I’和Q‘具有功率互補性， 即在I’最弱的時候Q‘最強或者相反。根據(jù)這個特點， 本文在每幀標簽返回信號的幀前導序列出現(xiàn)時比較I’和Q‘的強度， 然后選擇信號比較強的一路分量進行判決。

ASK 解調示意圖
                        
                                                                        圖2  ASK 解調示意圖

2. 2  PSK 解調子模塊

當閱讀器接收來自電子標簽的信號采用PSK調制時， 接收信號可以用如下表達式表示:
                     
式中A0 為信號穩(wěn)定幅度值， Φm 為調制相位值(BPSK調制時取0或π)， g ( n - m )、頻率偏移、相位差△φ 、n0 與對式( 1)的描述相同。

載波頻偏和相差將會影響PSK 信號的正確解調， 所以在對PSK 信號進行解調時必須進行載波同步。PSK 解調的具體實現(xiàn)電路如圖3所示， 由相位旋轉、相位誤差提取和二階相位跟蹤環(huán)三部分組成。

PSK解調示意圖
                                                     
                                                                   圖3  PSK解調示意圖
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在相位旋轉過程中有四個乘法運算， 而若在用硬件實現(xiàn)時直接調用四個硬件乘法器， 將會消耗很大的硬件資源。所以本文在設計中只使用一個乘法器， 然后用一個計數(shù)器來控制分時復用， 從而節(jié)省資源。

為實現(xiàn)相位跟蹤， 相位誤差提取部分根據(jù)MAP算法來估計得到相位誤差信號θe ( n )。θe ( n )反映了環(huán)路跟蹤相位的程度， 但不能直接用于相位旋轉，因為: 1.存在噪聲干擾; 2.由于存在載波頻率偏移，載波相位誤差會隨時間積累。所以需要對θe ( n)進行濾波和積分， 進而實現(xiàn)相位跟蹤， 其實現(xiàn)如圖3中的二階相位跟蹤環(huán)部分所示。

設計中， K 1、K 2 分別取值1 /256、1 /8。用硬件實現(xiàn)時， 乘K 1、K 2 的運算可以用簡單的右移運算來完成， 而不必調用復雜的硬件除法器。

3  解碼器設計

解碼器包括FM0解碼器、M iller解碼器、CRC 校驗器、幀起始超時檢測和解碼結果同步輸出控制五個主要子模塊。FM 0 /M iller解碼后的數(shù)據(jù)data 若需要進行CRC 校驗， 則進入CRC 校驗器進行CRC校驗并輸出校驗結果。由于幀結束在有的情況下不能完全確定， 而需要借助CRC 校驗來確定幀的結尾， 所以在解碼器r中還有一個解碼結果同步輸出子模塊用來控制同步解碼結果輸出。幀起始超時檢測模塊是用來進行幀起始超時檢測的， 當輸入有效數(shù)據(jù)后超過規(guī)定時間沒有檢測到正確的幀起始序列， 則輸出錯誤標志脈沖。

3. 1  FM0解碼子模塊

FM0解碼子模塊由幀起始檢測、FM0 解碼/編碼規(guī)則檢測/幀結束檢測以及輸出同步脈沖產(chǎn)生三部分組成， 如圖4所示。

 FM0解碼子模塊框圖                                

                                     
                                                                     圖4  FM0解碼子模塊框圖

幀起始檢測部分中設有一個十八位的移位寄存器data_ r[ 17: 0] ， 當檢測到幀起始序列(即data_ r[ 11: 0] = “ 110 100 100 011”) 時， 幀起始信號o _start輸出一個脈沖， 并置indecode有效， 表示開始接收到新的幀數(shù)據(jù); FM0 解碼/編碼規(guī)則檢測/幀結束檢測部分， 在indecode有效時， 在解碼同步脈沖信號o_pu lse的同步下對data _r[ 2: 0]進行分析判斷， 若data_r[ 0]與data_r[ 1]相同則輸出o_data= ?1  ， 反之則輸出o_data= “0”； 同時檢測da ta_r[ 1]與data_r[ 2] ， 若兩個相同， 則出現(xiàn)了不符合FM0編碼規(guī)則的情況， 輸出編碼規(guī)則錯誤標志信號o _code_err為“1”; 在o_start脈沖后對i_pu lse進行二分頻得解碼輸出同步脈沖o _pulse， o_pu lse 用于同步解碼過程和解碼后數(shù)據(jù)輸出。

幀結束檢測采用計數(shù)檢測和幀結尾序列檢測結合的方法， 當data_r[ 7: 0] =  “00 000 000”或接收到的數(shù)據(jù)比特數(shù)到達幀數(shù)據(jù)長度length則表示檢測到了幀結尾。但是注意若采用后者的方法， 由于結尾有一個比特的模糊， 即可能會多接收一個多余的?1  。

3. 2  M iller解碼子模塊

密勒解碼子模塊包括幀前導序列檢測與副載波解調部分、密勒解碼部分， 如圖5所示。電子標簽返回閱讀器的數(shù)據(jù)是突發(fā)傳輸?shù)模?每一次數(shù)據(jù)傳輸前有幀前導序列， 所以在進行解碼之前需檢測到該序列。幀前導序列檢測與副載波解調部分在檢測幀前導序列后， 對信號進行副載波解調， 得到密勒編碼基帶波形。密勒解碼部分根據(jù)密勒編碼規(guī)則， 對密勒編碼基帶波形進行解碼， 并檢查傳輸數(shù)據(jù)是否違反編碼規(guī)則， 從而統(tǒng)計數(shù)據(jù)傳輸質量。

M iller解碼子模塊框圖
                          
                                                              圖5  M iller解碼子模塊框圖
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幀前導序列檢測與副載波解調部分首先對接收數(shù)據(jù)碼流進行相位翻轉檢測， 于相位翻轉(碼流中出現(xiàn)大凹槽或大凸槽)處在相位翻轉標志信號phase_invert上輸出一個脈沖。在幀前導序列中， 只有傳輸比特“1 ”時符號中間發(fā)生相位翻轉， 所以在進行幀前導序列檢測時若檢測到phase_ invert上有一個脈沖， 便可認為碼流中出現(xiàn)了一個“1” 。為增強抗干擾能力， 還需結合使用一個計數(shù)器cnt_ ipu l_sta對輸入數(shù)據(jù)同步脈沖i_pulse 進行計數(shù)以計量相鄰兩個相位翻轉的時間間隔， 當遇見phase _ invert脈沖或cnt_ipul_sta計數(shù)到2×M 時便清零重新計數(shù)。整個解調過程用一個有限狀態(tài)機控制。

經(jīng)過副載波解調， 得到密勒編碼基帶數(shù)據(jù)data及其同步脈沖信號data_pu lse。在密勒解碼模塊， 設置長度為10的移位寄存器data_r[ 9: 0]， 在data_pulse的同步下將data 逐位移入data_r[ 9: 0]。隨后根據(jù)data_r[ 9: 0]的內容進行密勒解碼。解碼過程中有一個計數(shù)器對解碼后的比特進行計數(shù)， 當計數(shù)結果和幀數(shù)據(jù)長度相同或者檢測到幀結尾序列(即data _ r[ 7: 0] =8’b01 000 000或8’b10 111 111)時， 則輸出o_end脈沖表示解碼結束， 停止解碼， 等待下一幀數(shù)據(jù)的到來。

4  設計實現(xiàn)與仿真驗證

以上設計方案采用V er ilog HDL實現(xiàn)， 并在NCVerilog中進行功能仿真。對解調器模塊和解碼器模塊的仿真結果分別如下圖6、圖7、圖8、圖9所示。

ASK解調模塊仿真結果——相位偏移為10°

圖6  ASK解調模塊仿真結果——相位偏移為10°

PSK解調模塊仿真結果

圖7  PSK解調模塊仿真結果

FM 0解碼模塊仿真結果—— 解碼正確

圖8  FM 0解碼模塊仿真結果—— 解碼正確

M iller解碼模塊仿真結果——解碼正確

圖9  M iller解碼模塊仿真結果——解碼正確

本文還選用A ltera的EP3C16Q240C8N FPGA，根據(jù)具體應用開發(fā)了閱讀器的基帶處理電路板， FPGA 中包括了嵌入式處理器軟核N IOS II、基帶處理接收端電路RTL和發(fā)送端電路RTL代碼， 由該基帶處理板與射頻前端電路一起組成UHF RFID 閱讀器的驗證平臺。通過該驗證平臺本文完成了基帶處理接收端電路RTL設計的原型驗證。

軟件仿真結果表明， 解調器能在各種不同相位偏移情況下對接收到的ASK 信號進行正確解調， 對頻率偏移量處于快捕帶內的PSK 調制信號能夠很快實現(xiàn)載波相位跟蹤進而實現(xiàn)正確解調; 解碼器能夠對正確的FM0 /M iller輸入數(shù)據(jù)進行解碼， 并且可以檢測到幀起始檢測超時錯誤和違反FM0 /M iller編碼規(guī)則錯誤的情況。FPGA 原型驗證結果表明，整個閱讀器基帶處理電路包括其接收端電路可以滿足設計要求。