基于虛擬無線電的RFID讀寫器實現方案

摘要：隨著通用計算機性能的不斷提高，虛擬無線電技術得以發展。根據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讀寫器的實現方案。該方案介紹了常見RFID系統的結構和工作原理，重點闡述了基于虛擬無線電的RFID讀寫器的整體結構和工作流程，并對接收端算法做了研究與實現。
關鍵詞：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的出現與應用，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的專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多種通信協議，而且易于開發和軟件升級，無論從開發者角度講，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應用價值。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／數和數／模轉換器，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用程序來實現。虛擬無線電技術主要有如下特點：易于實驗；開發快捷；與其他應用結合；改進功能實現。無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)是一種非接觸的射頻識別技術，其基本原理是通過射頻信號與空間耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。現有的RFID讀寫器一般采用ASIC，DSP，FPGA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，且需要設計人員掌握每種嵌入式系統的開發方法，因此技術門檻比較高，開發周期較長。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通信系統成為可能，根據虛擬無線電的上述特點，本文提出了基于虛擬無線電實現RFID讀寫器的方案。

1 RFID系統結構與工作原理
常見的RFID系統包括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系統的工作原理為讀寫器通過天線發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域內，標簽周圍形成電磁場，其天線通過耦合產生感應電流，從而獲得能量漱活內部微芯片電路。此時標簽根據讀寫器發出的信息決定是否響應，即是否反向散射數據；需要響應時，標簽通過天線將存儲在標簽中的信息轉換成電磁波，然后發送給讀寫器；讀寫器接收到標簽反射的信號時，將信號進行解調和解碼，識別出標簽反向散射的數據，然后通過標準的網絡接口傳送給控制器；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行管理和控制。
按照讀寫器發射頻率的不同，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。其中，超高頻RFID系統一般采用電磁反向散射原理來實現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的RFID讀寫器符合ISO／IEC 18000-6C標準。ISO／IEC 18000-6C標準是信息技術領域關于超高頻RFID技術的空中通信技術標準。該標準采用開放的體系結構，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、標簽訪問控制和隱私保護等技術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制方式為ASK，采用PIE編碼，標簽到讀寫器的反向鏈路的調制方式為ASK或PSK，采用FM0編碼或者Miller編碼，并對傳輸數據采用差錯控制編碼技術(CRC16校驗)。本文介紹的讀寫器到標簽的前向鏈路采用ASK調制方式和PIE編碼，標簽到讀寫器的反向鏈路采用ASK調制方式和FM0編碼。

2 基于虛擬無線電實現讀寫器的方法
2．1 讀寫器的結構
該讀寫器的結構如圖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。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、發送和接收數據控制的功能；射頻前端模塊：其中射頻收發功能采用LMS6002D芯片實現，該芯片集成LNA／PA驅動、IX／RX混頻器、TX／RX濾波器、頻率綜合器、接收增益控制發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。