基于USRP的無線射頻識別平臺設計與實現

2021-04-06 10:13:54孟秋云殷憲禎

計算機技術與發展 2021年3期

關鍵詞：信號

孟秋云，殷憲禎，徐鶴,2

(1.南京郵電大學計算機學院，江蘇南京 210023;2.江蘇省無線傳感網高技術研究重點實驗室，江蘇南京 210003)

0 引言

射頻識別(radio frequency identification，RFID)是利用無線電波和電磁場自動讀取標簽上存儲的信息，這些標簽附著在物體上進行識別。射頻識別(RFID)是由射頻標簽、讀寫器和天線組成[1]。無源RFID標簽提供了許多吸引人的功能，包括遠程和無觸碰接入、低成本、無電池和高識別效率。在RFID標簽識別系統中，讀取電子標簽的信息是射頻識別技術主要的發展趨勢。射頻識別系統在不同的行業中有著不同的應用，比如：畜牧業、身份識別、電子票務、高速收費、物流和公安等領域[2]。射頻識別是一種不需要接觸，在電磁場中根據頻率去自動識別的新型技術。

在射頻識別系統中，標簽可以是主動式、電池輔助式或被動式。無源標簽沒有電池，而是利用讀寫器發射的無線電能量來激發信號傳輸，因此價格低廉，生產和使用規模較小。因此，它被廣泛應用于各個領域，包括圖書館資料管理作為RFID標簽的主要類型。RFID標簽也可以按其頻帶(LF/HF/UHF)進行分類。低頻和高頻的標簽數據傳輸速度慢、存儲的電子標簽的ID比較少，同時，它們需要的天線的匝數比較多，因此也帶來了成本較高這一缺點。超高頻存儲的電子標簽的信息量也比較大，最重要的是，超高頻的ID號是全球唯一的，因此，安全性比較好。在現有的研究中，關于低頻和高頻的研究已經非常深入，但是對于超高頻的研究還處于滯后的狀況。在現有的研究中，可以發現超高頻的射頻識別系統中電子標簽信息存在著漏讀的現象比較嚴重，對于標簽的準確性是沒有保障的，這也嚴重阻礙了超高頻射頻識別技術在各個領域的發展，因此，國內外對于提高超高頻標簽信號讀取的準確率進行了大量的研究。

超高頻射頻標簽是通過電磁波反射進行工作的，超高頻射頻標簽的工作原理源于雷達模型。在射頻識別通信系統中存在發送頻率、接收頻率和基帶頻率，這些頻率的范圍是不一樣的。射頻識別系統的工作流程是，讀寫器向RFID標簽發送一個信號，此時RFID標簽就會向讀寫器返回一個響應信號，而這個響應信號中攜帶了RFID標簽的信息[3]。RFID標簽接收到讀寫器發送的信號，這信號中包含了讀寫器發送過來的調制的載波信號和沒有被調制的載波信號。RFID標簽響應讀寫器是將標簽載波能量分為兩個部分，一部分載波能量轉換成為標簽電路電流的直流電壓；另外一部分載波能量是用來將射頻標簽調制并信號反射到讀寫器中[4]。

軟件無線電的基本結構包括數字上轉換和數字下轉換。這些模塊可以很好地替代過去的數字接收設計。由于傳統的固定式和嵌入式無線通信系統已不能滿足無線通信中頻率變化的需求，所以對無線通信系統提出了更高的要求。過去軟件無線電的物理層和數據鏈路層一旦被設計出就很難再去改變，因其物理層和數據鏈路層是由硬件設置的。針對這一缺點，在軟件無線電體系結構中進行了重新開發。現在的物理層和數據鏈路層是可以通過軟件控制的，這相比于過去的軟件無線電來說是通信領域的一大發展。在射頻識別通信系統中存在發送頻率、接收頻率和基帶頻率，那么這些頻率是通過軟件無線電的射頻前端、ADC和DAC進行轉化的。射頻前端是用來發射或者接收信號的。射頻前端發送數據是將數字信號經過DAC轉換成模擬信號將其發送出去。射頻前端接收數據是傳輸的模擬信號經過ADC變換成數字信號。數字信號經過計算與處理可以得到所需要的射頻標簽信息。

GNU Radio是一個免費開源的軟件開發工具，它提供信號處理模塊來實現軟件無線電[5]。它可以與USRP等SDR硬件一起創建軟件無線電應用程序，也可以不使用硬件來模擬無線電系統的環境。為了提高開發效率，GNU Radio軟件內部提供了很多信號處理模塊，如調制解調模塊、儀器模塊、信道模塊、濾波模塊、FFT轉換模塊、時頻同步模塊等[6]。編程者可以通過C++來編寫所需要的程序模塊。將硬件設備USRP與軟件GNU Radio相結合可以為軟件無線電通信提供一個高效和靈活的原型系統[7]。對于這個原型系統進行設計，調節功率來模擬超高頻RFID系統的讀寫器。

因此，該文基于硬件設備USRP和軟件GNU Radio設計與實現了一個GU-RFID的平臺，通過這個GU-RFID平臺，可以采集超高頻RFID標簽的信號，對于該信號進行信號處理。將利用GU-RFID平臺去開展閱讀器的測試與信號ASK的調制工作。

1 GNU Radio和USRP

1.1 GNU Radio

GNU Radio是Eric Blossom發起的開源免費的軟件電項目。技術人員和用戶可以共享其開發成果。GNU Radio軟件是由流圖和模塊組成的。每個模塊都有out端口和in端口，如果只有out端口的就是信源模塊，如果只有in端口的就是信宿模塊。每一個流圖都有信源與新宿模塊。

1.1.1 GNU Radio平臺介紹

GNU Radio軟件的各個模塊是由C++語言編寫的。在一個流圖中，各個模塊都有in和out端口，可以根據設計的流圖將對應模塊的in和out通過Python語言編寫的程序進行連接。將流圖的各個模塊連接后，運行程序[8]。GNU Radio軟件自身有很多信號處理模塊，可以滿足RFID通信系統的不同需求。GNU Radio軟件中包含很多信號處理模塊，比如：信號的調制解調器、信源的編碼與解碼、信道的編碼與解碼以及一些濾波器的設計等模塊。

GNU Radio軟件中的信號處理模塊包括調制、解調、濾波、FFT、同步等模塊，用戶可以直接調用這些模塊,以完成各種功能和任務。GNU Radio使用非常高性能的優化了一些模塊的增強指令集[9]。在GNU Radio中，流程圖基本上是用Python編寫的，而流程圖的組件稱為塊，主要是用C++編寫的。Python編程提供了干凈而簡單的接口，可以將一個塊連接到另一個塊；但是Python代碼沒有針對快速執行進行優化。GNU Radio中的模塊包括從簡單的數學運算到復雜的數字濾波、信道編碼和許多其他通信應用。GNU Radio的開發過程為GRC(GNU radio companio)提供了一個類似Simulink的圖形工具，內置的信號處理模塊庫將每個模塊連接起來，構成一個完整的系統[10]。GUN Radio軟件的平臺架構如圖1所示。

圖1 GNU Radio平臺架構

1.1.2 GNU Radio調試

如果在系統Linux上，就選擇安裝軟件GNU Radi來運行，同樣如果USRP連接在Windows系統上的時候，就需要在Windows上安裝LabVIEW軟件來操作。因此，選用不同的操作系統，對應所要安裝的軟件是不同的。該課題所選用的是在Ubuntul系統上安裝GNU Radio。使用的Linux系統版本是Ubuntul16.04，GNU Radio安裝的版本是GNU Radio3.7.11。安裝完成后，可以在Ubuntul系統中打開終端，并在終端輸入命令：sudo gnuradio-compagin，就可以打開GNU Radio的圖形化界面(GRC)。

1.2 USRP

USRP是一種通用無線電外設，是無線電系統的射頻前端，主要的產品由Ettus Research開發[11]，用于從接收天線捕獲和數字化射頻信號。軟件GNU Radio軟件連接硬件USRP時，需要手動安裝UHD(universal hardware drive)驅動包。UHD驅動包要與GNU Radio軟件版本保持一致的情況下，才能夠連接硬件USRP。UHD不僅為USRP提供了硬件驅動，還為用戶提供了主機驅動和API，用戶可以獨立使用USRP。USRP是由可以編程的FPGA的母板和不同頻率不同通信方式的子板組成[12]。母板包括FPAG、ADC/DAC等多種接口。ADC主要完成模擬信號向數字信號的轉換，可以通過處理數字信號得到所需要的RFID標簽的信息。DAC主要是完成將基帶信號向中頻信號的轉換，可以實現快速的數據傳輸。每一個硬件USRP都要配子板，而對于子板的選擇，主要是對子板的射頻頻率范圍和通信方式進行選擇。在RFID通信系統中，無線電外設USRP對于射頻標簽的信號進行采集和處理，而在PC端，編程者軟件編程可以合理地配置計算機的資源[13]。

由USRP和GNU Radio組成的軟件無線電平臺，具有如下特點[14]：

(1)節約成本。GNU Radio軟件在開發的時候是可以滿足不同格式的通信要求，對于同一硬件就不存在更換的情況了。

(2)技術門檻低。GNU Radio軟件中已經存在許多相關的標準庫。程序員可以根據自己的需求去設計GNU Radio軟件中的處理模塊，并用C++進行編寫，而Python程序可以用來連接設計的C++的模塊將其導入模塊庫中。所以，用戶可以根據自己的課題要求去用C++語言設計新模塊，用Python程序去將這些模塊以流圖的形式連接起來。

(3)開源和免費。程序員可以在GNU Radio論壇中獲取源代碼，也可以在提供的源代碼中去設計自己所需要的模塊。

1.2.1 USRP母板

USRP母板在整個USRP設備中占有重要地位。USRP可以完成射頻前端與PC端的連接。它是完全開放的一個硬件平臺，硬件設備USRP是由可以編程的FPGA和進行模擬信號與數字信號可以轉換的ADC或者DAC組成的[15]。對于可以編程的FPGA，可以設計不同的USRP系列的不同產品。USRP母板的基本結構如圖2所示。

圖2 USRP的基本結構

1.2.2 USRP子板

USRP子板的選擇主要根據所需要的頻段和通信方式進行。子板的作用主要是將低頻信號上變頻較高頻信號進行輸出，或者是將輸入的高頻信號下變頻為低頻的基帶信號。在同一個母板中，可以通過更換子板來滿足所需要的條件。USRP的母板上有4個插槽，這4個插槽分別用來插入2塊TX子板和2塊RX子板。USRP的子板的選擇主要由所需要的RFID標簽的頻率范圍和與閱讀器之間通信的方式決定的。該課題選用的射頻收發子板-SBX，頻率覆蓋:400～4 400 MHz Rx/Tx，最大信號處理帶寬：40 MHz、120 MHz，可提供100毫瓦的輸出功率和5 dB的噪聲系數。SBX分別用于接收和發送通道，也可以用于雙頻段操作。

2 構建GU-RFID平臺

2.1 RFID工作原理

射頻識別技術就是在沒有任何接觸的情況下去讀取標簽的信息，并對標簽的信息進行存儲。

RFID的工作原理是標簽進入閱讀器磁場空間后，閱讀器發射特定的頻率信號，將電子標簽內部的數據發出，同時閱讀器就可以依次接收數據并對數據進行應用程序的相應處理。RFID系統主要由閱讀器、電子標簽和天線三部分組成。電子標簽主要用來存儲身份(ID)信息。閱讀器是由收發模塊、控制模塊和天線三部分組成，主要是用來接收標簽信號并響應標簽。

2.2 構建RFID超高頻讀寫器

RFID超高頻讀寫器系統平臺主要由后臺處理機(PC機)、硬件設備(USRP)、天線三部分組成。通過搭建的RFID超高頻讀寫器系統平臺來實現與無源超高頻標簽之間的通信。設計的USRP射頻模塊將發射特定頻率調制和DA轉換后的電磁波實現RFID讀寫裝置，并將查詢信號通過空間發射出去，RFID標簽接收到查詢信號后(Query查詢命令)，向RFID讀寫器發送RN16，讀寫器接收到RN16，再向RFID標簽發送ACK應答指令，標簽接收到應答指令，會向閱讀器發送標簽信息(EPC等信息)。

USRP接收到標簽發送的反向散射信號后，通過千兆網線傳送到PC機進行信號處理，并將處理后的結果通過GUI界面顯示出來，如圖3所示。

圖3 RFID 系統構建

2.3 RFID平臺測試

2.3.1 安裝環境測試

檢測USRP設備，在此操作系統界面下，打開終端輸入uhd_find_devices查看硬件USRP是否成功連接，如果可以查找到USRP的地址，說明硬件已經成功連接上。接著在終端中繼續輸入接收此信號的指令：sudo uhd_fft -f 900M。實驗結果如圖4所示。

在USRP設備的接收功能檢測中，在中心頻率為900 MHz處頻譜變化，說明USRP能正確接收900 MHz的信號。對于GU-RFID平臺中的硬件USRP與開源軟件GNU Radio進行了詳細的介紹，為下面的超高頻RFID的閱讀器測試和ASK的調制打下了平臺基礎。

2.3.2 RFID閱讀器測試

GU-RFID平臺的閱讀器由一臺筆記本電腦、一臺USRP N200(SBX子板)和兩個圓極化天線組成。RFID閱讀器頻率工作范圍為902～920 MHz,兩個天線連接在USRP設備上，一個天線負責發送閱讀器命令，另一個天線負責接收標簽的反向射散信號。

圖4 USRP設備的接收功能檢測

在GU-RFID平臺上啟動RFID閱讀器。RFID閱讀器開始發送查詢命令，與在閱讀器識別范圍內的標簽進行通信。GU-RFID平臺對標簽的反向射散信號進行分析處理，將讀取到的標簽個數和標簽的EPC等信息顯示在屏幕上，如圖5所示。

圖5 GU-RFID平臺顯示讀取的標簽

2.4 ASK數字調制測試

通過GU-RFID平臺，采集RFID的信號，如圖6所示。在GRC中按照ASK調制的實現原理，把相應的信號處理模塊連接起來。首先，在RFID的信號中加入高斯白噪聲，將兩者相加，然后將相加的信號與高頻載波信號進行相乘就可以得到想要的ASK信號。接著對于得到的ASK信號進行相干解調法。對于得到的ASK信號進行帶通的信號處理，然后與原始的高頻載波信號進行相乘，對于相乘的信號進行低通濾波的處理，將處理后的數據類型由復數轉換為浮點數，最后確定恢復由脈沖取樣電路調制的原始信號。這是在與USRP相連接的開源軟件GNU Radio中進行模塊的設計來完成原始數字調制信號的恢復。在GNU Radio軟件中的信號處理模塊有采樣速率、數據類型、調制解調類型、中心頻率、增益值等等都是可以調整的。在各個模塊之間可以分別點擊模塊中的in和out進行模塊間的實時連接。在GRC界面中實現ASK。其中，圖7為ASK調制的流圖，圖8為ASK調制的波形和頻譜圖。