維特比解碼算法在超高頻RFID中的應用

王爽

摘 要：射頻識別是一種非接觸式信息獲取和識別技術。隨著超高頻（UHF）射頻識別（RFID）技術在生產管理和物流管理中的廣泛應用，人們對其接收機的靈敏度要求也越來越高。接收機數字基帶中解碼器的誤碼率（BER）性能直接影響其靈敏度。為了降低解碼器的誤碼率，該文將一種廣泛應用于卷積碼中的維特比解碼算法移植應用于FM0編碼的解碼算法中，利用FM0編碼的記憶性，實現前向糾錯解碼。仿真表明，在相同的誤碼率時，該解碼器所需的信噪比相對于傳統最優接收機結構有2 dB的優勢。

關鍵詞：射頻識別 接收機 維特比 糾錯解碼

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（b）-0199-02

隨著超高頻（UHF）射頻識別（RFID）技術在生產管理和物流管理中的廣泛應用，人們對其接收機的靈敏度要求也越來越高。接收機數字基帶中解碼器的誤碼率（BER）性能直接影響其靈敏度。

射頻識別是一種非接觸式信息獲取和識別技術。固定或手持的接收機與附著于物品上的標簽之間通過射頻信號進行通信，由接收機對標簽攜帶的物品信息進行讀取和識別。該通信技術具有穩定性高，距離遠，自動化程度高等特點，廣泛應用于生產和物流管理等領域中。在接收機與標簽的通信過程中，接收機的靈敏度直接決定了通信距離和穩定性。為了提高接收機的靈敏度，需要對接收機數字基帶中的解碼器進行優化，降低其誤碼率。

維特比解碼算法是一種用于卷積碼解碼的算法，利用卷積碼編碼時的碼間約束，以多個碼元波形對某一碼元進行最大似然譯碼。而在超高頻RFID中，接收機接收到的由標簽返回的信號采用FM0編碼方式。FM0編碼方式與卷積碼的共同特性是都具有記憶性，因而都可以利用維特比解碼的思想來進行解碼。該論文提出了一種將維特比解碼思想移植應用于FM0解碼中的方法，實現對FM0編碼的前向糾錯解碼。

1 解碼器算法設計

FM0是一種雙相間空編碼方式，圖1所示為其4種基本波形，分別視為4個編碼狀態S1-S4[1]。數據0和數據1各有兩種互為反向的基本波形。任意兩個相鄰數據編碼后在碼元交界處必須進行一次相位翻轉，從而每一個編碼后的碼元波形由前一個碼元以及自身數據決定，即FM0編碼具有同卷積碼類似的記憶性。

該文所設計的解碼算法將利用4種理想基本波形與每個接收到的碼元進行相關。將獲得的4個相關值進行多位量化，與其理想值進行比較從而獲得用于分支度量的歐幾里得距離。基于此距離維特比算法在FM0解碼中得以移植應用。

圖2展示了維特比算法在FM0解碼中的運算流程。當單個碼元接收結束時，解碼器將首先獲取當前碼元與4種理想波形的相關值，并將4個相關值進行軟判決量化。將量化值與理想量化值做差，獲得該碼元與理想波形的歐幾里得距離。然后，對每個可能的編碼狀態來說，都有兩條路徑通向此狀態。選取這兩條路徑中上游狀態的累積距離較小的路徑作為該狀態的幸存路徑。選擇幸存路徑完成后，用該路徑上游狀態的累積距離與當前碼元的歐幾里得距離相加，從而對該狀態進行累積距離的更新。從更新后的累積距離中選取最小值，以該累積距離最小的狀態為起點，沿幸存路徑進行固定長度的回溯譯碼。每經過一次數據1導致的狀態跳轉則譯碼為1，每經過一次數據0導致的狀態跳轉則譯碼為0。當回溯譯碼達到所需深度時，當前碼元的譯碼輸出即為該碼元的最大似然譯碼結果。

2 性能仿真與分析

為了衡量維特比算法應用于FM0解碼時的性能，該文在Matlab軟件平臺上進行了誤碼率仿真。在理想FM0編碼波形中加入一定強度的高斯白噪聲來產生測試波形，并與同類文獻以及傳統理想接收機結構進行性能對比，如圖3所示。

圖3中文獻[2]采用邊沿檢測方法進行解碼，該解碼算法對于較強的噪聲非常敏感，因而在信噪比較弱時性能較差。最優接收機結構能夠較好地抵抗噪聲，但是忽視了FM0編碼中不同碼元之間的聯系，不能充分利用接收到的信號攜帶的所有信息。維特比算法能夠充分利用FM0編碼的記憶性，因此獲得了更好的性能。相比于傳統最優接收機結構，在相同的誤碼率時，維特比算法有2 dB的信噪比優勢。

3 結語

該文設計了一種應用于UHF RFID接收機中的維特比解碼算法。將維特比思想移植應用于FM0編碼的解碼算法中，利用FM0的記憶性來實現糾錯解碼，降低誤碼率。仿真表明，在相同的誤碼率時，該解碼算法所需的信噪比相對于傳統最優接收機結構有2 dB的優勢。

參考文獻

[1] EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz -960 MHz Version 2.0.0[Z].

[2] C. Angerer and M. Rupp， Advanced synchronization and decoding in RFID reader receivers[J].Radio and Wireless Symposium（RWS），2009：59-62.