基于EPC C1G2協議的RFID系統數據編碼

段 宏， 鄒傳云， 張剛建

（西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010）

0 引言

超高頻無線射頻識別（UHF RFID，Ultra High Frequency Radio Frequency Identification）系統中的數據編碼技術的實現難易程度直接關系著整個系統的實現和成本。首先，對符合EPC C1G2協議的UHF RFID系統前向鏈路的數據編碼方式進行了分析和實現。然后，對反向鏈路的數據編碼方式實現進行了設計并利用Simulink進行了仿真分析。

1 前向鏈路數據編碼

RFID讀寫器到標簽的通信(即前向鏈路通信)使用開關控制方式發送數據。其數據的編碼方式采用脈沖間隔碼（PIE，Pulse-interval encoding）。

PIE碼的原理是通過定義脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數據。如圖1所示，PW（Pulse Width）為脈沖寬度，Tari是讀寫器到標簽發送信號的參考時間間隔，也稱為基準時間間隔，同時也是數據0發送信號的持續時間間隔。高位值1代表讀寫器所發送的連續載波，低位值 0代表讀寫器所發送的減弱的連續載波[1-2]。這里的字符1的周期采用2.0Tari。

圖1 PIE碼的定義

由于PIE碼其編碼后字符0和字符1的信號周期不同，利用數字邏輯的基本原理實現PIE編碼非常困難[3]。但由于讀寫器帶有MPU ( Micro Processor Unit,其全稱為微處理單元),因此可以首先對待編碼的數據進行預處理，即將“0”轉換為“1 0”，將“1”轉換為“1 1 1 0”，再進行發送信號的調制。用軟件的方法編程實現PIE碼的數據預處理極為簡單，例如可以使用執行效率較高的標準C代碼實現。例如，要傳輸的的數據為1 0 1 1 0 1 1 1 0 0，則預處理后的數據為1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0。以下是用標準C代碼實現的PIE碼編碼的程序主要部分。其中*p指向輸入數據數組，*q指向輸出數據數組。

2 反向鏈路的編碼

標簽到讀寫器的通信(即反向鏈路通信)使用反向散射技術發送數據。標簽的能量來源于天線的射頻場,當讀寫器向標簽提供能量時,標簽交替的改變其天線前端的有效阻抗,以達到改變標簽的射頻反射率的目的,從而將信息傳送回讀寫器。[4]標簽到讀寫器的反向數據傳輸可以采用兩種編碼方式：一種是采用FM0（bi-phase space,其全稱為雙向間隔碼）碼對基帶信號調制，一種為采用密勒碼（Miller）以數據速率對子載波進行調制。至于采用何種編碼方式，這取決于讀寫器[1]。

2.1 FM0碼的編碼模型搭建及仿真

FM0碼在每個數據的邊界翻轉相位，數據“0”在符號中間位置也翻轉相位，數據“1”在整個字符周期內沒有相位翻轉。由 FM0碼的編碼規則可以知道利用簡單的邏輯器件和觸發器能夠實現編碼。

根據FM0編碼規則，如圖2利用Simulink平臺搭建了其仿真模型，其中主要用到了觸發器和一些基本的邏輯器件，硬件實現成本極低。首先運用數電基本知識，用兩個D觸發器和一些基本的邏輯器件搭建模型將任意一個輸入信號 Qn進行FM0編碼，可以得到兩個信號。若輸入的信號為 Q1Q2Q3… Qn，則進行FM0編碼后可得到兩路信號：A路信號和B路信號。但對于輸入信號 Q1Q2Q3… Qn而言，其編碼后的信號應該是一路信號，而不是分開的兩路信號。接下來的思路為利用時鐘信號分別和A、B兩路信號進行邏輯與運算，將A、B兩路每個信號的后半周期歸零，再將B路信號延時半周期后與 A 路信號疊加即得到一路信號，合并信號的模型如圖3。如圖4為該仿真模型的Scope掃描圖，由該圖可知該編碼模型存在一個碼元周期的延遲，不過這不影響其編碼效果。

圖2 FM0碼編碼仿真模型

圖3 A、B兩路信號合并模型

2.2 Miller碼的編碼模型搭建及仿真

Miller碼的編碼規則為：對于連續兩個數據“0”，在符號的邊界發生相位翻轉，符號中間位置不翻轉相位。對于單個的數據“0”，則保持其前面的相位不變化；對于數據符號“1”，在符號的中間位置相位翻轉，邊界位置不變化，即用1 0或0 1表示數據符號“1”。UHF RFID系統中Miller碼序列每個數據位可能包含2、4或8個副載波周期。假定Miller碼序列中含2個副載波周期。由于Miller碼的特殊編碼規則，在數據校驗時有其獨特的優勢[5]。

一般來說，密勒碼可由雙相碼的下降沿去觸發雙穩電路產生。根據Miller的編碼規則，使用簡單的邏輯器件和J-K觸發器實現Miller碼的編碼[6]。具體的的基帶Miller的編碼實現可參考上文中 FM0碼的編碼方法搭建仿真模型。一旦基帶Miller碼編碼成功，當M=2(2個副載波周期)時，將基帶Miller碼與二倍周期于基帶Miller碼的時鐘信號進行邏輯異或運算，即可得到包含兩個副載波周期的Miller碼。如圖5為包含2個副載波周期的Miller碼的形成仿真模型。圖6為圖5所示的仿真模型的Scope掃描圖。

圖4 FM0碼編碼模型仿真波形

圖5 包含2個副載波周期的Miller碼形成模型

圖6 Miller碼的編碼仿真波形

從圖6可知該方案實現了包含兩個副載波周期的Miller碼的編碼。該編碼方案存在一個碼元周期的延遲。

3 結語

符合EPC C1G2協議的UHF RFID系統的數據編碼直接決定著整個系統的性能、效率、系統復雜程度、成本和應用普及程度。對于讀寫器端而言，由于有較好電源供應且一般的讀寫器都有 MPU，其編碼較易實現，前向鏈路 PIE碼可采用軟件編碼后再調制發送信號。反向鏈路中的 FM0碼可用觸發器和邏輯器件實現，其編碼時在得到分開的兩路信號后，利用時鐘信號分別和兩路信號進行邏輯與運算，再疊加得到編碼信號。由于RFID系統中發送的Miller碼序列每個信號中都含有多個副載波周期，基帶Miller編碼可以參照處理 FM0碼的處理方式進行編碼，再與時鐘信號進行異或運算即可得到多載波周期Miller碼序列。這里提出了該系統的編碼解決方案，且進行了反向鏈路的仿真實現，有助于新系統的實現。

[1] EPC global. EPCTMRadio-Frequency Identity Protocols Class1 Generation2 UHF RFID Protocol for Communications at 860～960 MHz Version 1.2.0[S].USA：[s.n.],2008：24-36.

[2] 單承贛，梁華東，焦宗東.IS018000_6中的FMO編碼和PIE編碼的編碼技術[J].中國電子商情,2007(01)：47-48.

[3] 周曉光，王曉華，王偉.射頻識別（RFID）系統設計、仿真與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008：217.

[4] 張予帥，蔣泰，蘇平,等.ISO18000_6TypeB與TypeC標準的分析與比較[J].廣西科學院學報,2009,25（04）：336-339.

[5] 趙鴻，彭碧玉，王宏卓.基于VHDL的CRC校驗及其在測控通信中的應用[J].通信技術,2010,43（02）：29-30.

[6] 黃銀龍，張輝，徐旭,等.車輛管理RFID電子標簽內存規劃研究[J].通信技術,2010,43（02）：141-142.