碼分射頻識別系統相關解擴的實現

杜平

（廣東科學技術職業學院，廣東 廣州 510640）

1 引言

隨著RFID（Radio Frequency IDentification，射頻識別）技術的廣泛應用，對其性能的要求也越來越高。將碼分技術應用到UHF RFID空中接口中，改變傳統RFID單信道讀取的方式，成為RFID發展的趨勢。如圖1所示的多信道接入系統，處在不同信道的標簽可以同時向讀寫器應答[1]。碼分射頻識別技術體制與ISO/IEC18000-6C相比，接入能力增強、抗干擾能力提高、降低碰撞概率、多個信道標簽同時讀取、識別距離更遠、系統設備管理能力增強，直接改善了標簽讀取率，為工程應用帶來更多方便[2]。

多標簽碼分并行應答相當于移動通信CDMA的正交接入。讀寫器構建一組正交碼分信道，標簽通過讀寫器的激活指令隨機選擇一個信道作為應答信道。各個信道的擴頻序列均正交，相互不受干擾，可以同時在對應的信道上接收標簽應答。

圖1 碼分多信道RFID系統

本協議采用15比特m序列作為擴頻序列，讀寫器端預先保存各標簽信道采用的m序列碼，接收到的多個信道數據與本地序列通過相關運算進行解擴。如果是本信道的數據，則會在序列結束為止出現相關峰值；如果不是此信道數據，則不會出現峰值[3]。

如圖2所示，以四信道為例，同時進行四次相關運算后，對相關結果和判決門限值進行比較。如果大于門限值，則認為此信道正確地接收到了數據；如果小于等于門限值，則認為沒有數據或發生了碰撞。

圖2 相關運算實現解擴

2 擴頻數據的同步頭捕獲

相關解擴需要找到接收信息的準確相位，因此同步頭的捕獲是至關重要的，CD-RFID系統標簽回復數據也采用了同步頭設計[4]。標簽回應讀寫器的命令是在讀寫器發送命令結束后75μs。讀寫器在發送命令結束后75μs前后一段時間內進行同步頭持續搜索，這里取70～80μs作為搜索區間，相關運算按照每個時鐘周期進行一次更新。對10μs的計算結果進行比較，找出最大值。如果最大值大于判決門限，那么最大值出現的位置就是同步頭結束的相位，也就是標簽信息的起始相位。

在80μs結束后，就可以輸出同步頭判決結果，造成的時間延時使得后續的解擴不能使用讀寫器直接接收的數據，需要對數據相應的延時。以下是基于FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）的尋找最大相關值及其出現位置的算法（其中Max為最大值，offset為Max出現的位置）：

3 多信道相關解擴的實現

3.1 并行加法器技術實現解擴

讀寫器將接收到的擴頻數據存儲到15位寄存器中，并在每個時鐘信號到來時進行更新。并行加法器的思路是以接收端擴頻碼序列m1作為加法器輸入的系數，對接收的信號進行累加，如圖3所示[5]。濾波輸出結果進入門限判決器進行門限判決，如果超過了設定門限，則表明此數據為m1序列擴頻的信道數據；如果未超過設定門限，則表明此數據不是m1序列擴頻的信道數據。對于多個信道的數據，應構建多個數字匹配濾波器。

圖3 并行加法器解擴結構

數字匹配濾波器的表達式為：

其中，x(n)為輸入信號；h(-i)為濾波系數，由接收端擴頻碼決定，取值-1或1。m序列碼元為1時，取值為1；m序列碼元為0時，取值為-1。并行加法器的長度N 等于擴頻碼長度。當輸入信號x(n)與本地擴頻碼h(-i)匹配時，此時輸出達到最大，將超出預先設定的門限，可以進行判決。

以擴頻序列15’b011_0010_1000_0111為例，生成的并行加法器后應按照z(n)=-x(0)+x(1)+x(2)-x (3)-x (4)+x (5)-x (6)+x (7)-x (8)-x (9)-x (1 0)-x(11)+x(12)+x(13)+x(14)進行計算。當擴頻序列和輸入數據相關時，計算結果峰值將會大于判決門限。當輸入是擴頻序列原碼時，判決結果出現正的最大相關峰值，則應判決為1；若結果為負的相關峰值，則應判決為0。

3.2 判決門限的設定

RFID根據標簽的遠近不同，所讀取到的標簽信號大小也有很大差別。由于遠距離標簽接收到的能量很小，因此反射回來的信號也非常小；近距離的標簽則反之。考慮到距離較遠的標簽，應該把門限值設定得較小，這造成了噪聲信號或者其他信道數據的解擴結果會超過門限值的情況。如果為了照顧近距離的標簽，將門限值設定得較大，那么遠距離的標簽信號不能通過判決，讀取距離被縮短。由此可見，采用一個固定的門限勢必不能滿足所有標簽的要求。

把是否相關峰值加入判決中，可以彌補單純用門限判決產生的缺陷。所有標簽都采用較小的設定門限，如果相關值超過了設定門限，再判斷是否出現了相關峰值，相關峰值能夠說明這段數據是擴頻序列相關數據還是噪聲。通過此方法，即使信號很小也能夠在噪聲中將其甄別出來。

4 結束語

本文就CD-RFID系統如何實現解擴進行了詳細闡述，所采用的相關解擴算法能夠在較短的時間內實現解擴，并且準確率高。CD-RFID擴頻系統具有更強的抗干擾能力，在實際應用中對遠距離的標簽讀取突顯出了其優勢，靈敏度達到了-90dBm，在比較微弱的信號幅度下仍然能夠解碼出多個信道的標簽信息。因此，碼分多信道系統為RFID系統的發展帶來了新的方向，將成為未來研究的熱點。

[1] 劉禮白. 無源標簽碼分射頻識別并行應答[J]. 移動通信, 2012(4): 43-47.

[2] 周曉光,王曉華. 射頻識別（RFID）技術原理與應用實例[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006.

[3] 樊昌信. 通信原理[M]. 6版. 北京: 國防工業出版社, 2008.

[4] 趙榮黎. 直接序列擴展頻譜通信系統的同步捕獲與跟蹤[J]. 鐵道學報, 1993(2): 40-46.

[5] 王光,田斌,吳勉,等. 直接序列擴頻通信中m序列的同步方案及其FPGA實現[J]. 電子科技, 2006(3): 25-29.★