超高頻RFID密集讀寫器臨近信道抑制濾波器設計*

柴永強，胡圣波，2*

(1.貴州師范大學智能信息處理研究所，貴陽550001;2.貴州省教育廳射頻識別與傳感網絡工程中心，貴陽550001)

在大規模密集UHF RFID讀寫器的部署應用場所［1］，讀寫器與標簽之間會因鄰近信道干擾而發生通信沖突，從而導致標簽識別率降低或者無法根本讀取標簽數據。因此，在密集讀寫環境下，鄰近信道干擾引起的碰撞已成為制約密集讀寫環境下RFID性能的瓶頸之一。

目前，針對這一問題，國內主要從減少讀寫器重復覆蓋區域方面著手，通過部署調整天線位置和讀寫器配置參數來規劃RFID射頻網絡，從而降低沖突提高系統性能，但是部署模型和信道分配算法較為復雜［2-3］。而國外主要從空分復用(SDM)、頻分復用(FDM)和時分復用(TDM)這3個方面著手來研究密集讀寫器環境下RFID讀寫器通信干擾問題，并提出了讀寫器“同步”概念和“Listen Before Talk”通信機制［4-5］。這種基于同步的通信機制，通過網絡將所有的讀寫器互聯起來并由中央處理單元統一控制，以保證所有讀寫器配置相同并且嚴格同步，即所有讀寫器在同一時刻開始“偵聽”，在偵聽周期結束之后，又開始同步地進行“會話”。中央處理單元給所有RFID讀寫器動態地分配通信子信道，從而使信道的頻譜利用率達到最優。但是這種通信機制需要額外的“LBT傳感器”硬件支撐和更為復雜的應用系統配置，增加了部署成本和系統開銷。因此，為了降低成本密集部署讀寫器，本文從頻域著手，通過設計一種臨近信道抑制濾波器，研究一種基于臨近信道抑制的密集讀寫方法。本文的組織結構是:第1節引出臨近信道干擾;第2節描述EPC C1 G2密集讀寫模式下頻譜規范;第3節設計密集讀寫濾波器;第4節性能測試;最后總結全文。

1 密集讀寫器模式下臨近信道干擾

密集讀寫器模式下臨近信道干擾［6-7］是:在密集讀寫器環境下RFID讀寫器因鄰近信道信號頻率重復覆蓋而發生通信沖突，并導致標簽識別率降低或者無法讀取標簽數據的現象。

本文中研究的RFID讀寫器干擾碰撞問題是指:一臺RFID讀寫器的查詢信號對另一臺進行實時通信RFID讀寫器的干擾和碰撞，如圖1所示。當Reader 1訪問標簽時，標簽會產生一個信號強度較弱的應答信號，如果此時在臨近區域內工作的Reader 2產生一個信號強度較強的查詢信號，那么此查詢信號會很容易使標簽對Reader 1產生的應答信號產生失真變形，從而導致Reader 1和標簽之間不能建立正常的通信鏈路。

圖1 讀寫器干擾碰撞

在大規模密集UHF RFID讀寫器部署應用場所，要求RFID讀寫器的射頻信號能夠覆蓋一個大面積區域，需要通過切實有效的方法對多讀寫器進行管理控制，將實時完整的RFID數據與應用系統互聯。但是密集讀寫器模式下臨近信道干擾問題，不僅會降低整個RFID射頻網絡的頻帶利用率，還會引起系統信息安全風險，從而使RFID系統性能下降。

2 密集讀寫器模式及其頻譜規范

EPC C1 G2是在860 MHz～960 MHz超高頻段內進行RFID通信的標準協議。EPC C1 G2定義了兩種讀寫器模式［8］:多讀寫器模式和密集讀寫器模式。多讀寫器模式是指在操作環境中激活讀寫器的數量少于可利用通信信道的數量，而密集讀寫器模式是指在操作環境中激活讀寫器的數量多于或等于可利用通信信道的數量。本文主要討論密集讀寫器模式。

由于RFID系統采用后向散射通信方式，電子標簽需要獲取讀寫器發送的RF能量，其傳回讀寫器的信號十分微弱，極易受到干擾。為避免標簽碰撞和讀寫器間干擾，EPC C1G2對RFID系統信道進行了劃分，如圖2所示。按照EPC C1G2的信道劃分，當某個讀寫器工作頻帶過寬，有可能影響其他工作在臨近信道的讀寫器讀寫能力［9-10］，文獻［9-10］驗證了這一點。因此，為保證密集讀寫工作模式下，避免標簽碰撞和讀寫器間干擾，EPC C1G2也規定了密集讀寫工作模式下讀寫器發射功率譜的波罩約束，如圖3所示。即信號在第一臨近信道的功率抑制比要小于-30 dB，在第二臨近信道的功率抑制比要小于-60 dB，Tari表示在PIE編碼中二進制數據0的參考時間間隔。

圖2 信道劃分及臨近信道干擾

圖3 密集讀寫器模式下的功率譜波罩

由于世界各地無線電頻率管制，各國分配的RFID工作頻段均不相同。結合我國現狀，2007年工業和信息化部對800 MHz～900 MHz頻段射頻識別技術應用做出了規定［11］:UHF RFID的工作頻段為840 MHz～845 MHz和920 MHz～925 MHz，總帶寬為10 MHz，其有效輻射功率(ERP)分別為2 W和100 mW。信道帶寬為250 kHz，信道中心頻率為fc=840.125+N×0.25(MHz)和fc=920.125+M×0.25(MHz)(N、M為整數，取值為0～19)。鄰近信道功率抑制比:第1信道為-40 dB，第2信道為-60 dB。以跳頻擴頻模式工作，每跳頻信道最大駐留時間為2 s。

因此，為滿足RFID密集讀寫的需要，避免標簽和讀寫器干擾，從頻域角度，研究基于臨近信道抑制的密集讀寫方法十分必要。

3 密集讀寫濾波器

為了規避臨近信道干擾［12-13］，可在RFID讀寫器接收端I/Q兩路信號之后增加密集讀寫濾波器，從而使RFID讀寫器具有更好的信道選擇特性，提高密集讀寫下RFID系統性能。

3.1 RFID零中頻接收電路

由于RFID采用后向散射工作原理，因此，不像普通接收機。RFID讀寫器接收電路可采用I/Q兩路正交零中頻架構［14］，如圖4所示。采用這種架構具有如下優點:(1)接受機本振和標簽反向散射信號同頻，有效地降低了電路復雜度，并且經過混頻后信號直接變為基帶信號，為后續信號的信道選擇和增益調制帶來了極大方便。(2)標簽反向散射信號在零頻處沒有功率分布，零中頻接收機的直流失調問題對標簽響應信號沒有影響，并且不存在鏡頻干擾問題［15］。(3)有效地消除零點效應，當I路信號達到零點時，Q路信號剛好處于最大值。

圖4 零中頻接收機構架

為抑制臨近信道干擾，可以在I/Q兩路正交零中頻架構中增加密集讀寫濾波器，如圖5所示。

圖5 零中頻接收機+密集讀寫濾波器構架

3.2 密集讀寫濾波器設計

為了獲得較好的幅頻特性和更為陡峭的過渡帶，采用多級濾波器級聯的方式設計密集讀寫濾波器。為了方便，本文采用4級濾波器級聯的方式，其中包括2個低通濾波器和2個高通濾波器，如圖6所示。

圖6 DRM Filter框圖

(1)四階橢圓低通濾波器

根據第2節描述的密集讀寫器模式下的功率譜波罩的約束條件，第1級采用四階橢圓低通濾波器，其參數為:通帶頻率為280 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為600 kHz，阻帶衰減為77.6 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設計第1級四階橢圓低通濾波器電路如圖7所示，對應的頻響特性曲線如圖8所示。

圖7 四階橢圓低通濾波器電路圖

圖8 四階橢圓低通濾波器頻響特性曲線

(2)二階切比雪夫高通濾波器

第2級采用二階切比雪夫高通濾波器，在200 kHz頻點處有1 dB衰減。其通帶頻率為200 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為5 kHz，阻帶衰減為26 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設計第2級二階切比雪夫高通濾波器電路如圖9所示，對應的頻響特性曲線如圖10所示。

圖9 二階切比雪夫高通濾波器電路圖

圖10 二階切比雪夫高通濾波器頻響特性曲線

(3)二階切比雪夫低通濾波器

第3級采用二階切比雪夫低通濾波器，在280 kHz頻點處有1 dB衰減。其通帶頻率為280 kHz，通帶衰減為1 dB，阻帶頻率為2.82 MHz，阻帶衰減為30 dB。采用安捷倫ADS軟件，可設計第3級二階切比雪夫低通濾波器電路如圖11所示，對應的頻響特性曲線如圖12所示。

圖11 二階切比雪夫低通濾波器電路圖

圖12 二階切比雪夫低通濾波器頻響特性曲線

(4)二階切比雪夫高通濾波器

第4級仍采用二階切比雪夫高通濾波器，在200 kHz頻點處有1 dB衰減。其電路如圖9所示，對應的頻響特性曲線如圖10所示。此濾波器在較低連接頻率下進行FM0編碼時，可以被重新配置為在5.5 kHz或12 kHz頻點處有3 dB衰減的一階濾波器。

根據以上設計電路，可得密集讀寫濾波器電路如圖13所示，對應的頻響特性曲線如圖14所示。從圖14可見，濾波器在中心頻率250 kHz處增益最大，為59.2 dB，而在第一臨近信道500 kHz處增益為20.6 dB，比中心頻率增益衰減約40 dB，在第二臨近信道750 kHz處系統增益增益為0.46 dB比中心頻率增益衰減約為60 dB。

圖13 密集讀寫濾波器電路圖

圖14 密集讀寫濾波器頻響特性曲線

4 性能測試

為便于比較，可分別采用基于AS3992 ROGER讀寫器和遠望谷XCRF-804讀寫器進行性能測試。其中，AS3992 ROGER讀寫器內置可配置的密集讀寫濾波器。根據第3節設計的密集讀寫濾波電路，配置AS3992 ROGER讀寫器的濾波器設置寄存器RX Filter Register(09)的選擇位參數為24，電路如圖15所示。而遠望谷XCRF-804讀寫器沒有采用密集讀寫濾波器。

圖15 內置可配置密集讀寫濾波器的AS3992芯片及其外圍電路

(1)功率譜測試

采用固緯頻譜儀GSP-830分別對AS3992 ROGER讀寫器和遠望谷XCRF-804讀寫器的臨近信道功率抑制比(Adjacent Channel Power Ratio，ACPR)進行測試，測試條件:在密集讀寫器環境下，將AS3992 ROGER和遠望谷XCRF-804讀寫器的工作頻段設為920MHz-925MHz，同時與多標簽進行通信，測試結果分別如圖16和圖17所示。

圖16 AS3992 ROGER ACPR測試結果

圖17 遠望谷XCRF-804 ACPR測試結果

測試結果表明:在信道帶寬為250 kHz，信道間隔為250 kHz的條件下，AS3992 ROGER讀寫器功率譜寬度比遠望谷XCRF-804讀寫器功率譜寬度小，旁瓣也低得多。說明:采用密集讀寫濾波器后，AS3992 ROGER讀寫器對臨近信道有明顯的抑制作用，從而有助于減少信號對臨近信道的干擾。

(2)讀取率和識別率測試

在密集讀寫器環境下，擺放兩讀寫器天線位置，水平距離為30cm，兩天線距地面高度為1.5m，在空曠的室內環境下進行測試。將5個標簽放在兩天線輻射角方向共同覆蓋區域對稱軸上，距離由近及遠每次移動5cm分別進行測試，然后將標簽的平均讀取速率和平均識別率的測試結果進行比較，測試比較結果分別如圖18和圖19所示。

測試結果表明:采用密集讀寫濾波器的AS3992 ROGER讀寫器的標簽讀取率和識別率明顯高于遠望谷XCRF-804讀寫器。

圖18 多標簽平均讀取速率測試結果比較

圖19 多標簽平均識別率測試結果比較

5 結論

本文在I/Q兩路正交零中頻接收機構架的基礎上，采用ADS設計了信道選擇性DRM濾波器，經過系統性能測試，可以得出如下結論:

(1)在密集讀寫環境下，信道選擇性DRM濾波器可以最大限度地提高主信道信號增益，極大地降低對臨近信道信號的干擾，還可以有效地減少讀寫器因通信信號頻率重疊而造成的干擾碰撞，從而大大地提高UHF RFID讀寫器的讀取率和識別率。

(2)在I/Q兩路正交零中頻接收機構架的基礎上，設計信道選擇性 DRM濾波器，在降低 UHF RFID系統復雜度的同時，也降低了密集讀寫器的部署成本。

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