基于虛擬儀器的RFID的物理層實(shí)現(xiàn)

朱良峰，周 亮，顧 剛

（1.江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督通信產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)站，南京 210003；2.中通維易科技服務(wù)有限公司，南京 210003；3.江蘇中博通信有限公司，南京 210003）

無線射頻識(shí)別RFID[1]（Radio Frequency Identi fi cation）主要利用射頻信號(hào)和空間耦合來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽（Tag）和閱讀器（Reader）兩個(gè)部分組成。閱讀器通過控制射頻模塊將標(biāo)簽經(jīng)過編碼的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，同時(shí)接收解調(diào)標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，并對(duì)接收的標(biāo)簽信息進(jìn)行解碼，將信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)以供處理。每個(gè)電子標(biāo)簽都具有惟一的電子編碼以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。

本文采用UHF Class 1 Generation 2（C1G2）[2-3]的RFID系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為EPCglobal制定的第二代標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)。EPC C1G2協(xié)議采用的是無源標(biāo)簽，該標(biāo)簽后向散射電磁波，與傳統(tǒng)的電磁波鏈路不同：讀寫器需要提供能量給該射頻標(biāo)簽以滿足其工作需要，同時(shí)需要對(duì)頻譜進(jìn)行有效的管理來避免干擾，此外對(duì)于低復(fù)雜度的射頻標(biāo)簽的要求限制了調(diào)制和編碼方式。

ASK調(diào)制不同于OOK調(diào)制，其能夠提供連續(xù)的能量，且能被簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波器檢測(cè)。而PR-ASK調(diào)制適用于密集讀寫器環(huán)境下的通信。因此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送信息，采用的調(diào)制方式有三種：DSB-ASK（雙邊帶幅移鍵控）、SSB-ASK（單邊帶幅移鍵控）或PR-ASK（反向幅移鍵控）；標(biāo)簽采用2ASK或BPSK調(diào)制方式向閱讀器發(fā)送信息。

1 物理層調(diào)制方式

C1G2協(xié)議基于2ASK調(diào)制為基礎(chǔ)，提出閱讀器調(diào)制方式為DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK。2ASK信號(hào)表達(dá)式為：

式中，am為輸入碼元；am=0,1；g（n-m）是矩形脈沖函數(shù)，其幅度為1，寬度為碼元傳輸速率倒數(shù)。

與2ASK調(diào)制方式可以方便的控制調(diào)制深度不同，DSB-ASK的信號(hào)碼元am取值為a0或a1，分別代表邏輯‘0'和‘1'。

為保證RFID系統(tǒng)用于某些帶寬受限的環(huán)境中，通常采用SSB-ASK調(diào)制方式以有效的改善頻帶利用率。將DSB-ASK經(jīng)過單邊帶濾波或者希爾伯特變換得到SSB-ASK信號(hào)。

PR-ASK信號(hào)表達(dá)式：

式中，bm=-bm-1，b0=1（bm的取值為±1）。

由上述分析可知，通過PR-ASK調(diào)制方式提供給標(biāo)簽的能量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的三種調(diào)制方式中最大的，因?yàn)镻R-ASK每次發(fā)送符號(hào)時(shí)改變相位，不改變幅度。當(dāng)傳輸信道信噪比一定時(shí)，PRASK的誤碼率遠(yuǎn)小于DSB-ASK和SSB-ASK。

2 基于軟件無線電實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制

軟件無線電（SDR）是指在由數(shù)字信號(hào)處理器DSP和通用微處理器組成的通用硬件平臺(tái)上運(yùn)行的軟件模塊，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制、調(diào)諧/檢測(cè)（解調(diào)）等功能。基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的軟件無線電完全可以實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)中的各種調(diào)制[4]。

從理論上來說，任何一個(gè)信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式通常都可以表示為：

對(duì)其進(jìn)行正交分解可得：

圖1 軟件無線電調(diào)制通用模型

2.1 RFID中幾種調(diào)制方式的正交分量

2.1.1 DSB-ASK、PR-ASK調(diào)制的I、Q分量

分析計(jì)算可知，DSB-ASK、PR-ASK調(diào)制信號(hào)IQ分量為：

2.1.2 SSB-ASK調(diào)制的I、Q分量

單邊帶調(diào)制一般有兩種方法：濾波法和相移法。由于DSB調(diào)制信號(hào)具有豐富的低頻成分且上、下邊帶之間的間隔很窄。若采用濾波法，為有效的抑制無用的邊帶，在截止頻率fc附近單邊帶濾波器需具有陡峭的截止特性，這使得濾波器的設(shè)計(jì)和制作很困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)[6]。因此本文利用相移法完成單邊帶信號(hào)的調(diào)制。

2.1.3 2PSK調(diào)制的I、Q分量

2PSK信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

式中，an與2ASK不同，在2PSK調(diào)制中，選擇雙極性，即an為1或-1（分別對(duì)應(yīng)于相位為0或π），對(duì)于2PSK而言，其調(diào)制后的Q分量剛好為零（其意義不同于2ASK），由此可以得出2PSK的正交調(diào)制的IQ分量分別為：

3 基于虛擬儀器的調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件平臺(tái)

該調(diào)制主要基于LabVIEW控制的PXI儀器實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由以下硬件組成：PXI-5670 RF矢量信號(hào)發(fā)生器、PXI-5660 RF矢量信號(hào)分析儀。系統(tǒng)框圖如下圖所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

3.2 基于虛擬儀器的LabVIEW實(shí)現(xiàn)

調(diào)用LabVIEW計(jì)算模塊，先由輸入?yún)?shù)計(jì)算出相應(yīng)的傳輸參數(shù)，再對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行映射，得出DSB-ASK調(diào)制信號(hào)I/Q兩路數(shù)據(jù)，最后將其發(fā)送。

將DSB-ASK信號(hào)進(jìn)行希爾伯特濾波，得出SSB-ASK的Q分量，其輸出的即為SSB-ASK信號(hào)的I分量，最后將兩路信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。

通過LabVIEW基礎(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)相鄰符號(hào)間的相位翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)PR-ASK調(diào)制。LabVIEW實(shí)現(xiàn)2PSK調(diào)制的方法與DSBASK方法類似，本文不再贅述。

4 基帶調(diào)制結(jié)果

4.1 DSB-ASK調(diào)制波形

圖3 調(diào)制波形

4.2 SSB-ASK調(diào)制波形

圖4 調(diào)制波形

DSB-ASK和SSB-ASK頻譜如下：

圖5 DSB-ASK及SSB-ASK頻譜圖

4.3 PR-ASK調(diào)制波形

圖6 調(diào)制波形

PR-ASK調(diào)制在包絡(luò)上無明顯變化，主要反映在調(diào)制后的波形其相鄰符號(hào)間發(fā)生180度的相位變化。

5 結(jié)束語

由以上基帶調(diào)制結(jié)果可以看出，基于NI PXI模塊化儀器可很好的實(shí)現(xiàn)RFID中的三種重要調(diào)制方式。無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了測(cè)試儀器的技術(shù)變革，離不開強(qiáng)有力的測(cè)試儀器保證新型無線通信設(shè)備穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。以軟件為中心的模塊化射頻測(cè)試系統(tǒng)。軟件定義無線電（SDR）技術(shù)針對(duì)構(gòu)建多頻、多模、多功能無無線通信及測(cè)試設(shè)備提供了快速有效的解決方案，可以更靈活高效地適應(yīng)并滿足下一代無線通信測(cè)試的多種挑戰(zhàn)。