（微电子学与固体电子学专业论文）无源超高频rfid多通信速率基带设计与实现.pdf

摘要 摘要 无源超高频射频识别( i j l 仃l 强i d ) 技术具有作用距离远，识别率高等特点， 已经成为各国关注的焦点，欧美等国已经提出了相关的协议标准，各大半导体公 司也加快了对u h fr f i d 芯片以及解决方案的研发投入，可以预见该技术必将成 为未来信息化、智能化社会建设的热点。 无源超高频射频识别标签作为整个系统的数据载体，具有能量收集，协议分 析，数据访问等功能，芯片的规模、功耗以及与协议的一致性成为芯片设计的关 键问题。本文以i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准协议分析为基础，重点分析了标签到询问 机的通信协议规范，针对标签芯片基带设计中的难点：反向链接速率 ( b l f - - b a c l 【s c a t t e rl i n kf r e q u e n c y ) 问题，即标签的返回数据必须支持协议规定 的从4 0 6 4 0 k h z 中的所有通信速率，本文提出了可行性设计方案解决多通信速率 问题。 通过对协议的深入分析，对基带标签功能、现有架构的研究，提出一种基于 区间的分频方法用以解决多通信速率问题，在不修改已有架构的情况下，添加一 个通信速率控制模块使问题得以解决，同时该方案的提出使得基带对时钟偏差不 敏感，基带允许系统时钟可以有较大的偏差。整个设计采用基于s y n o p s y sd e s i g n c o m p i l e r 的逻辑综合以及基于s y n o p s y s a s t r o 的物理综合，芯片采用t s m c0 1 s u m 低功耗工艺流片。 最后通过对芯片样品的测试，测试结果表明采用b l f 区间法可以实现协议规 定多通信速率通信，同时验证了区间法的引入使得整个基带对时钟的偏差不敏感。 关键词：u h fr f i di s o i e c l 8 0 0 0 6 c 多速率b l f 基带 i i无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 a b s r a c t a b s t r a c t p a s s i v eu h fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea f o c u si nm a n yc o u n t r i e sf o ri t sl o n go p e r a t i o nr a n g ea n dh i g hi d e n t i f i c a t i o nr a t e s o m e p r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e db ya m e r i c aa n de u r o p e a nc o u n t r i e s ，m a n yt o ps i l i c o n c o m p a n i e sp a ym u c ha t t e n t i o nt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nu h fr f i dc h i pa n d s o l u t i o n t h i st e c h n o l o g yw i l lb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a ri nt h ef u t u r e u h fr f i dt a gi st h ed a t ac a r d e rf o rt h i sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , i t sf u n c t i o ni s e n e r g yc o l l e c t i o n , p r o t o c o lp a r s i n g ，m e m o r ya c c e s sc o n t r o la n ds oo n s c a l e ，p o w e r c o n s u m e ，p r o t o c o li m p l e m e n t a t i o na r et h ek e yt e c h n o l o g yo fu h fr f i dt a gd e s i g n b a s e do ni s o i e c18 0 0 0 - 6 c p r o t o c o l ，t h i s t h e s i sf o c u so n t a g t o - i n t e r r o g a t o r c o m m u n i c a t i o n s ，a n dd i f f i c u l t y i nb a s e b a n d d e s i g n ，t h ed i f f i c u l t y i s m u l t i p l y b l f ( b a c k s c a t t e rl i n kf r e q u e n c y ) ，t a g ss h a l ls u p p o r ta l lt h el i n kf r e q u e n c yf r o m4 0 k h z t o6 4 0 k h z s p e c i f i e db yp r o t o c 0 1 w i t ht h ed e e p l ya n a l y z eo fp r o t o c o la n dr e s e a r c ho fb a s e b a n df u n c t i o n , am e t h o d b a s e do ni n t e r v a li s p r e s e n t e d t or e s o l v et h em u l t i - r a t e c o m m u n i c a t i o n , a c o m m u n i c a t i o nr a t ec o n t r o lm o d u l ei sa d d e dw i t h o u tc h a n g e so fe x i s t e ds t r u c t u r e t h i s m e t h o dm a k e st h eb a s e b a n dn o ts e n s i t i v et ot h es y s t e mc l o c kd e v i a t i o n d e s i g nu s e s s y n o p s y sd e s i g nc o m p i l e rf o rl o g i cs y n t h e s i sa n ds y n o p s y sa s t r of o rp h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n , t h ec h i ph a st a p e do u tu s i n gt s m c0 18 u mp r o c e s s a c c o r d i n gt ot h et a gt e s tr e s u l t s ，f r e q u e n c yd i v i s i o nb a s e do ni n t e r v a lc a nr e s o l v e t h em u l t i r a t ec o m m u n i c a t i o n ( b l f ) p r o b l e ms u c c e s s f u l l y , a n db a s e b a n di sn o ts e n s i t i v e t ot h es y s t e mc l o c kd e v i a t i o n k e y w o r d ：u h f r f i d i s o i e c l 8 0 0 0 6m u l t i r a t eb l fb a s e b a n d 无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) ，又称电子标签( e t a g ) ， 是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。r f i d 最早的应用 可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术 的进步，r f i d 应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，必将成 为未来信息社会建设的一项基础技术【l 】。 r f i d 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售； 在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业 用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品 生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；r f i d 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防 伪等多种应用领域【2 j 。 目前，r f i d 已成为i t 业界的研究热点，被视为i t 业的下一个“金矿”。各 大软硬件厂商，包括i b m 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、t i 、m i c r o s o f t 、o r a c l e 、s u n 、b e a 、 s a p 等在内的各家企业都对r f i d 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入 大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域， 以w a l m a r t 、u p s 、g i l l e t t e 等为代表的大批企业已经开始准备采用r f i d 技术对 业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务。在标签 领域，r f i d 标签与条码相比，具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透 性强、外形多样、工作环境适应性强和可重复使用等多种优势。 射频识别技术有以下几种分类： 1 按供电方式分为有源【3 j 和无源。有源是指有电池提供电源，其作用距离较远， 但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源是指无电 池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为内部电路供 电，其作用距离相对有源技术短，但寿命长且对工作环境要求不高。 2 按载波频率分为低频、中频和高频。低频主要有1 2 5 l 【h z 和1 3 4 2 k h z 两种，中 频频率主要为1 3 5 6 m h z ，高频主要为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、 动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统； 高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较 窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。 3 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式用自身的射频能量主动地发 2无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 送数据给询问机；被动式使用调制散射方式发射数据，它必须利用询问机的载 波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为询问机可以 确保只激活一定范围之内的标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，询 问机的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的标签发射的信号仅穿过障 碍物一次，因此主动方式主要用于有障碍物的应用中，距离更远( 可达3 0 米) 。 4 按作用距离可分为密耦合( 作用距离小于1 厘米) 、近耦合( 作用距离小于1 5 厘 米) 、疏耦合( 作用距离约i 米) 和远距离( 作用距离从1 米到1 0 米，甚至更远) 。 随着r f i d 技术的迅猛发展，各国的科研机构以及国际标准化化组织都对r f i d 高度重视，r f i d 必将在未来的信息化社会发展中扮演重要的角色，因此标准化问 题日趋得到重视，r f i d 标准的统一已经得到业界的广泛认可。美国在r f i d 标准 的建立、相关软硬件技术及应用领域走在了世界前列，欧洲基本追随美国的e p c g l o b a l 标准，日本的u i d 标准主要靠本国厂商的支持，我国还正致力于开发具有 自主知识产权的r f i d 标准。 本文中所涉及到的r f i d 标准以及硬件产品符合i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准【4 j ，其 工作频率为9 1 5 m h z 。 1 2 国内外研究现状 近年来由于u h f 频段集成电路技术的突破，u h fr f i d 标签技术得以迅速的 发展，国际上已出现了规模化的u h fr f i d 标签产品。目前研制生产u h fr f i d 标签的国际厂商有3 0 余家，占有率最高的厂商是n x p ( 原飞利浦半导体公司) 、 s tm i c r o e l e c t r o n i c s 和t i 三巨头，但也有一些小公司拥有领先的u h fr f i d 标签技 术，如w j 、a l i a n 和u c o d e 等，日立、松下等已推出了相关的产品。r f i d 芯片 技术主要被欧美企业所掌握，具有代表性的标签有基于i s o i e c l 5 6 9 3 标准的 p h i l i p s 的i c o d el s i 及基于i s o i e c 18 0 0 0 6 c 的i m p i n j 的m o n z a 2c 1g 2 标签。这 两种标签均采用“r f + l o g i cc o n t r o l l e r + e e p r o m ”的架构，属于被动式工作方式， 但在模块的设计上有各自的专利技术。 过去十年间，共产生数千项关于r f i d 技术的专利，但主要集中在美国、欧洲 和日本等国家和地区。r f i d 在国外正成为i c 、i t 产业新的热点。中国已基本掌 握h f 芯片的设计技术，u h f 芯片的研发还在完善和改进之中。 中国r f i d 市场也呈现良好的发展态势，国内在高频( 1 3 5 6 m h z ) r f i d 标签 技术及应用方面发展较快，已大规模应用于第二代身份证及城市公交卡、地铁单 程票、校园卡、门禁卡等各种智能卡方面。在该频段的r f i d 芯片方面，以复旦微 电子、上海华虹等为代表的中国集成电路厂商已经攻克了1 3 5 6 m h z 频段r f i d 芯 片相关技术。该频段r f i d 标签芯片及天线的设计与生产已实现国产化，并已建成 第一章引言3 多条具有一定规模的高频r f i d 标签生产线。但在u h f 频段( 8 4 0 m h z - - 9 6 0 m h z ) 的i 强i d 标签技术起步较晚，发展较慢。即使在民用领域，尚没有商品化的u h f r f i d 芯片问世，现有国内组装的u h fr f i d 标签所用的芯片几乎完全被国外厂商 所垄断。 r f i d 的发展势必成为一个国家的物流链发展水平的标尺，我国也加快了r f i d 的整个产业链的布局，并且出台了一系列的规定以及重大科研课题，作为全球的 制造业基地，中国将是未来全球最大的r f i d 应用市场。这对于国内的科研机构 和企业将是一次难得的机遇。目前，我国在r f i d 芯片、r f i d 系统安全等核心技 术方面的研究几乎还是空白，在r f i d 应用方面也还处于起步阶段。但是可以相 信，在政府推动、企业参与的环境下，在庞大市场空间的吸引下，在中国会有越 来越多的企业和研究机构参与r f i d 技术的研发和应用，会有更多的企业利用 r f i d 技术进行企业信息化改造。中国将不仅主导r f i d 技术的应用市场，也应该 成为r f i d 技术的全球研发中心。 戥， p 1 3 论文主要研究工作以及成果 本文对i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准协议进行深刻的分析，针对已有设计中存在的 与协议一致性存在冲突的多通信速率问题、解码精度对时钟的依赖性等问题进行 了细致的研究，并针对问题，提出了相应的解决方法，完成了从r t l 到g d s i i 的 整个流程，芯片基于t s m c0 1 8 u m 的低功耗标准单元设计，最终芯片于2 0 0 9 年7 月8 日成功流片，并于1 0 月份完成测试，所有测试参数达到预期设计要求i 本文的主要成果： 1 ) 多通信速率问题的解决。多通信速率问题是由协议规定的通信速率控制问 题( 见第二章协议分析部分) ，为当前设计中的难点，国外主流的r f i d 芯片设计公司在该领域有多项专利。本文通过对协议的深入分析，结合已 有设计，提出了一种有效的解决方法，并且通过流片验证，成功解决了该 问题。 2 ) 对时钟精确度依赖问题的解决。针对已有设计中的解码以及多通信速率控 制对时钟精确度的依赖问题，结合前文提出的多通信速率问题的解决方 法，提出一种新的解码方法，使得整个设计对时钟的依赖程度大大减小， 允许整个数字基带工作在一个动态时钟下，提高了设计的容差能力，提高 了芯片的可靠性。 3 ) 通过对已有设计中存在问题的解决。使得芯片与协议的一致性满足程度进 一步提高，为芯片的产品化提供了条件。 4 ) 通过芯片的具体测试。发现了设计中存在的具体问题，为后续设计提供了 4 无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 修改方向以及实践依据。 1 4 论文组织结构 本文以解决目前r f i d 基带设计中的问题为目标，阐述i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 相关 协议要求，对协议进行深入细致的分析以引伸出具体的解决方法，详细阐述具体 的设计实现方法，给出针对该设计的测试方法和测试结果。全文供分为： 第一章，引言。首先介绍r f i d 的发展背景以及r f i d 技术的相关基础知识， 指出r f i d 技术未来的发展前景及其重要性，然后简要介绍目前国内外r f i d 技术 的发展以及研究现状，最后给出了本文的主要研究工作以及研究成果。 第二章，i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议分析。首先介绍了通信协议对上、下行通信 过程的规范，询问机到标签的调制方式以及p i e 编码，标签到询问机的调制方式 以及f m 0 编码。最后着重介绍了与本文设计有关的反向链接速率( b l f ) 的协议 规定。 第三章，数字基带设计。依据数字基带的功能进行模块划分，介绍了各模块 的功能以及框架。依据协议对b l f 的要求，对b l f 的连续可调做了可行性分析， 提出区间法来解决b l f 连续可调问题，区间法对时钟偏差不敏感，提出一种相对 比值p i e 解码方法，两种方法使得整个基带对时钟偏差不敏感。 第四章，逻辑综合及物理实现。介绍了基于s y n o p s y sd e s i g nc o m p i l e r 的逻辑 综合以及基于s y n o p s y sa s t r o 的物理综合。 第五章，测试。针对本文的两个流片版本，首先简要描述测试要求以及测试 方案，最后给出b l f 的测试结果，测试结果进一步验证了设计正确性。 第六章，总结与展望。概括总结本文主要内容及主要工作，对r f i d 芯片设计 仍然存在的问题，对未来设计做出展望。 第二章i s 0 i e c18 0 0 0 - 6 c 协议分析 第二章i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议分析 2 1 系统通信原理介绍 基本的r f i d 通信系统由三部分组成：主机、询问机以及电子标签1 5 】。如图2 1 所示为r f i d 系统的组成示意图。 1 标签：包含用于接收由询问机发出的能量以及数据外置天线；模拟前端电 路，主要包括电源控制、解调、调制、时钟产生电路，为整个标签的能量 供应以及数据恢复单元；基带电路，用于协议层分析，对询问机的命令参 数进行分析处理，并做出响应；存储体，用于存储标签的特征信息，以及 用户信息。 2 询问机：询问机为主机与标签之间的通信桥梁，包含天线、发送接收器、 控制单元、存储器及附加的通讯接口等，询问机受主机的控制，按照协议 要求发起通信请求，接收来自标签返回的应答数据，进行分析处理，同时 将得到的数据通过通信接口传送至主机，由主机做相应处理。 3 主机：主要由标签信息数据库以及主机组成。 目前r f i d 的应用系统，已经借助因特网、g p s 系统、移动通信系统，无线宽 带网络等信息交互平台形成更加复杂以及高效快捷的“物流网 。现代的r f i d 通 信系统借助于网络可以实现数据的共享以及全球范围内的物流监测、管理。 澜谤器 图2 1r f i d 通信系统 如图2 1 所以，主控机包含有标签信息的数据库，数据管理系统是u h fr f i d 的最高级别信息平台。如超市货物的信息，通过一定的物品编码方法( 与条形码 类似) ，将标签与货物一一对应。它一般通过以太网接口、u s b 2 0 、1 3 9 4 、r s 2 3 2 等接口和询问机之间进行数据交互，承担着信息汇总、更新和管理等功能。数据 6无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 管理系统分为多个级别，一般包含后台总数据库和中间件。 询问机一方面要跟中间件之间实现信息交互，另一方面，要为标签提供能量， 还要通过载波与标签之间进行通讯，实现针对目标标签群的管理等操作。u h f r f i d 标签与询问机之间的通讯原理与雷达的工作原理类似【6 】。询问机向标签发射 高频电磁波，一部分能量被标签天线接收转换为标签本身的工作能量，另外一部 分会反射回空间中被询问机的接收天线收集。询问机和标签之间的通讯是半双工 的，且在整个通讯过程中，询问机总是通信的发起者。 标签与询问机之间的通讯过程是：询问机首先向标签发射持续时间的高频连续 波，( c o n t i n u o u s w a v e ，简称c w ) ，其频率为载波频率，为标签提供启动所需能量， 使标签完成上电过程，然后询问机将一系列的命令和数据调制到高频电磁波中， 标签对命令解调后，通过协议层电路分析命令参数，并通过一定的编码方法返回 数据，标签通过改变自身的阻抗改变天线的反射系数，将标签的信息调制到反射 波上。询问机通过接收和解调标签反射回来的电磁波可以获得标签的数据。 为了实现远距离、多标签的可靠读写，标签的与询问机之间还需进行数据差 错校验，并采取防冲撞机制实现对多个标签进行识别。 2 2i s 伽e c18 0 0 0 6 c 标准协议规范 本文的研究内容以及设计依据i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 协议标准，该协议规定了 r f i d 的物理层标准以及标签识别层标准，包括r f i d 系统的空气接口，应用环境， 数据交互方式，命令及其响应，存储体分配等。本节主要介绍论文中涉及到的识 别层部分。 2 2 1 询问机到标签下行通信规范 询问机( i n t e r r o g a t o r ) 到标签( t a g ) 通信过程简记为r _ _ t 。 询问机以脉冲间隔编码( p i e ) 格式，使用双边带移幅键控( d s b a s k ) 、单 边带移幅键控( s s b a s k ) 或反相移幅键控( p r a s k ) 调制射频载波，向一个或 多个标签发送信息，询问机通过发送未经调制的射频载波( c w ) 并监听标签反向 散射数据，接收标签发送的信息。如图2 2 所示为询问机通信体系架构。 图2 2 询问机体系结构 第二章i s 0 i e c18 0 0 0 6 c 协议分析 2 2 1 1p i e 编码 如图2 3 所示，i t 通信链路应采用p i e 编码方式。t a f t 为询问机对标签发 信的基准时间间隔，其值即为数据0 的持续时间，所有参数的误差为十- l 。脉冲 调制深度、上升时间、下降时间及p w 应按表l 规定，这些参数对数据0 和数据1 均相同。询问机在一个通信循环期间，其调制深度、上升时间、下降时间、p w 、 t a r i 、数据0 的长度及数据1 的长度须保持不变。射频包络如图2 4 所示。 一卜一1 5 t a r i 数据1 叟0 t a r i t a r i| o 5 t a r i r 校准 8无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 ( t r c a l ) 符组成。 t a d ：询问机应采用6 2 5 t s 至2 5 p s 之间的一个t a f t 值进行通信。应至少采用 6 2 5 至2 5 1 x s 之间的一个麟值。询问机应在一个通信循环期间采用固定时间长度 的数据0 和数据1 。 r t c a l ：询问机应设置r t c a l ，r t c a l 等于数据0 的长度加数据1 的长度 ( r t c a l = 0 1 e n 鲥1 + ll e n g t h ) 。标签应计算i m a l 长度，并计算中间量p i v o t = r t c a l 2 。标 签在其后的解码过程中，对于询问机发送过来的长度小于p i v o t 的符号解码为数据 0 ，比p i v o t 长的解码为数据1 。标签应将长度超过4 r t c a l 的符号解析为无效数据。 t r c a l ：询问机应利用q u e r y 命令的前导码中的t r c a l 和分频系数d r 来规定 标签的反向散射链接频率，即b l f ( f m 0 数据速率或其m i l l e r 副载波的频率) 。标 签应测定t r c a l 的长度，计算b l f ，并按照b l f 在协议规定的误差范围内返回数 据( 详见2 2 4 ) 。询问机在任何通信过程中采用的t r c a l 和r t c a l 应满足式( 1 ) 的限制 条件： 1 i x r t c a l t r c a l 3 x r t c a l ( 1 ) 帧同步等同于前导码减t r c a l 符。在一个通信循环中，询问机在帧同步中使 用的r t c a l 长度应与其在启动该通信循环的前导码中使用的长度相同。 ( a ) t a r i2 5 t 耐三叠u c a l _ r 。 如图2 7 所示为标签的通信体系架构。 图2 7 标签体系结构 l o无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 2 2 2 1 信号调制方式 通讯协议规定，标签反向散射应采用a s k 或p s k 调制，标签设计选择调制方 式，询问机应能够解调上述两种调制信号。 2 2 2 2 数据编码 标签应按照返回数据速率b l f 采用m i l l e r 调制副载波或f m 0 调制方式对反向 散射的数据进行编码。具体编码方式和反射速率由询问机发送的q u e r y 命令给出。 f m 0 编码 图2 8 给出了f m 0 ( 两相空间) 编码的基本编码符号和生成f m 0 编码的状态图。 f m 0 在每个编码符号的边界反转相位，数据0 在其编码符号的中间有一个额外的 相位反转。图2 8 的状态图描绘了所发送的f m 0 基本编码符号的逻辑数据序列。 s 1 s 4 状态标识表明四种可能的f m 0 编码符号，其由f m 0 各基本编码符号的两个 相位表示。这些状态标识还表示进入该状态后所传输的f m 0 波形。状态转换上的 数据表示待编码的数据序列的逻辑值。例如，从状态s 2 转换到状态s 3 是不允许 的，因为由此产生的状态跳转在符号边界上没有相位反转。 图2 9 所示为生成的基带f m 0 符号和序列。调制器输出上测量得到0 0 或1 l 序列的占空比应最低为4 5 ，最高为5 5 ，标称值为5 0 。f m 0 编码具有记忆性， 即f m o 序列中当前f m 0 编码符号的选择取决于其前一次的f m 0 编码符号，如图 2 9 中所示。f m 0 发送信号结束时应始终以一个值为1 的“冗余”数据( d u m m y l ) 为结束位，如图2 1 0 所示。 l 藉o - l 数据0数据i i s 2 ( t ) - - - qt u 絮 r r t 、：r r t 、 l o i s l ( t ) il t 时间( s 4 ( t ) = s l m 图2 8f m 0 编码的基本编码符号和生成f m 0 编码状态图 第二章i s 0 i e c18 0 0 0 6 c 协议分析 0 1 f m 0 符号f m 0 序列 图2 9 基带f m 0 符号和序列 i l o冗余数据1 i 0 0 0 1 1 0 11 厂 厂 一 0| 冗余数据1 l ： 。 1 。冗余数据1 1 冗余数据1 图2 1 0f m o 数据发送结束 f m 0 前导码 t - r 的f m 0 信号应以图2 1 l 中所示的两种帧头中的一种作为前导进行发送。 具体的选择取决于通信发起命令q u e r y 中规定的t r e x t 位的值，但标签对写存储 器的操作进行响应的情况除外( 在这种情况下，不管t r e x t 如何，标签均应使用 扩展前导码，即无论q u e r y 命令中规定的t r e x t 值是多少，标签均按t r e x t = l 响 应) 。图2 1 1 中所示的“v ”指f m 0 违例( 即应该发生相位反转处未发生反转) 。 f m o 前导码( t r e x t - - - 0 ) f m 0 前导码( t r e x t = 1 ) 图2 1 1f m 0 编码t _ r 前导 o 1 o 1 o 0 1 l 岍二i 1 2 无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 m i l l e r 编码 图2 1 2 给出了m i l l e r 编码的基本编码符号及生成m i l l e r 编码的状态图。m i l l e r 编码对于数据“0 ”的编码分两种情况处理：对于单个“o ”，在编码符号持续时间内不 出现相位反转，且与相邻编码符号的边界处也不存在相位反转；对于连续的“0 ”， 则在代表0 的两个编码符号的边界处出现相位反转。m i l l e r 编码在数据“1 ”的编码 符号的中间有一相位反转，但数据“1 ”的编码符号与相邻编码符号的边界处不存在 相位反转。图2 1 2 中的状态图给出了m i l l e r 编码基本编码符号的逻辑数据序列。 状态标识s 1 _ s 4 代表了四种可能的m i l l e r 编码符号，其由m i l l e r 各基本编码符号 的两个相位表示。这些状态标识还表示了进入该状态时生成的基带m i l l e r 波形。 传输的波形由基带波形对m 倍符号率的方波调制而得到。状态转换上的数据表明 了被编码的数据序列的逻辑值。例如，不允许从状态s 1 跳转至状态s 3 ，因为由此 产生的状态跳转，违反了数据1 和数据0 的编码符号边界处无相位反转的编码要 求。 图2 1 3 所示为m i l l e r 调制副载波序列，每位数据对应的编码符号在m i l l e r 序 列中应包含2 、4 或8 个副载波周期，具体情况视启动该通信循环的q u e r y 命令规 定的m 值而定。在调制器输出上测量得到的0 或1 符号的占空比应最低为4 5 ， 最高为5 5 ，标称值为5 0 。m i l l e r 编码具有记忆性，因此，图2 1 3 中所示的m i l l e r 序列中当前m i l l e r 编码符号的选择取决于其前一次的m i l l e r 编码符号。m i l l e r 发信 结束时，应始终以一个值为l 的“冗余”数据( d u m m y l ) 为结束位，如图2 1 4 所示。 l 藉。 数据0数据l i s 1 ( t ) t 时间( 毫n 、：s ，t 、 l 0 ) 1 s 2 ( t ) - - 1t。 l 时面 s ，“、- - s ，( f i 图2 1 2m i l l e r 编码的基本编码符号及生成的m i l l e r 编码状态图 第二章i s 0 i e c l 8 0 0 0 6 c 协议分析 1 3 m = 2哪 l 0 1 0 0 1 l l 1 0 1 l j o l i l m = 4 图2 1 3m i l l e r 调制副载波序列 几兀兀几兀丌几n 几几几几几几f 1 m ：8 i 0冗余数据l i 几几丌几几几兀丌几几几几几几几 1 冗余数据l ! 厂 厂 厂 l 冗余数据1 图2 1 4m i l l e r 调制副载波发信结束 冗余数据1 i；：|删删煳 1 4 无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 m i l l e r 副载波前导码 t - r 副载波信号应以图2 1 5 所示的两种前导码的一种作为前导码进行发 送。具体选择哪种前导码应以启动该盘点循环的q u e r y 命令规定的t r e x t 位的数 值为准，但标签对写存储器的操作进行响应的情况除外( 在这种情况下，不管t r e x t 如何，标签均应使用扩展前导码，即无论q u e r y 命令中规定的t r e x t 值是多少， 标签均按t r e x t = 1 响应) 。 m i l l e r 调制副载波前导码( t r e x t - - 0 ) p 啪l 10 ；1 | o | l ：l 1 州唧几眦唧几兀几唧兀兀几兀几几唧唧唧几兀兀几 一m b l oi - i o t - i m i l l e r 调制副载波前导码( t r e x t = 1 ) 卜一1 6 m b l f _ 叫o 1 o ：1 ：1 ：1 n 眦邶眦衄几几啪唧兀几唧几唧哪 一1 6 m b l f - - 0 10111 卜一1 6 m b l f _ 叫0 10 图2 1 5m i l l e r 编码t - - r 前导 2 2 2 3 标签响应时间t l 标签的响应时间是一个非常重要的时间参数，i s o i s e1 8 0 0 0 6 c 协议中对于 标签返回数据起始b c i b o - - 与所响应的命令的终止时间的间隔有明确的规定。如表2 2 第二章i s 0 i e c l 8 0 0 0 - 6 c 协议分析 1 5 所示为t 。的定义( 描述部分) 以及其数值规定，t 。的协议规定值与命令参数r t c a l 、 t r c a l 、d r 有关。如图2 1 6 所示，标签在接收到q u e r y 命令后必须在协议规定的 t 时间参数范围内返回r n l 6 ，当标签的返回数据t ，不满足该条件时，询问机将不 识别标签的返回数据。 表2 2t l 的定义 参数最小值一般值最大值描述 i ，从询问机发射到标签 响应( 从询问机发射的 m a x ( r t c a l ，10 k )m a x ( r t c a l ，10 叫m a x ( r t c a l ，1 0 w 最后一个比特上升沿 t l ( 1 f t ) - 2 1 a s( 1 + f d + 2 p s 到标签相应的第一个 上升沿) 的时间，在标 签天线端测得 卜一单个标签应答卜 回i i l l 蒋1 1 1 1 团| | | | l i 回l i ii i 岢i i i i il l 回 u 蚓 | p c + u i + c r c 一1 6l ib 卜一应答冲突1 卜一卜一无应答卜卜一无效a c k - 回i i1 1 1 审1 11 1 1 1 1 1 回j 回例1 1i 回f i1 制11 i 圆 例叫蚓u 2 2 3 命令集 图2 1 6 t 1 时间参数 i s 0 i e c l 8 0 0 0 6 c 的命令包含强制性命令以及可选命令。从整体通信过程各个 命令的功能又可将所有命令归类为选择命令、盘存命令、访问命令。下面列出协 议中支持的所有命令。 选择命令：s e l e c t 盘存命令：q u e r y , q u e r y a d j u s t ，q u e r y r e p ，a c k n a k 访问命令：r e q _ r n ，r e a d ，w r i t e ，k i l l ，l o c k ，a c c e s s ，b l o c k w r i t e ，b l o c k e r a s e 1 6无源超高频r f i d 多通信速率基带设计与实现 2 2 4 反向链接速率( b l f ) 反向链接速率( b l f - - b a c k s c a t t e rl i n kf r e q u e n c y ) 为标签返回数据的数据频 率( 见2 2 2 2 数据编码) ，标签返回数据的频率由通信发起命令q u e r y 中的参数决 定。i s 0 i e c l 8 0 0 0 6 c 协议中对b l f 的范围以及频率误差做了详细的规定，标签必 须在协议规定的误差范围内支持协议规定的所有反向链接速率。 2 2 4 1q u e r y 命令分析 q u e r y 命令是整个通信过程的发起者，q u e r y 以前导码开始，如图2 1 7 ( 其他 命令均以帧同步开始，见图2 5 ) ，表2 3 为q u e r y 命令结构。 图2 1 7q u e r y 命令的前同步码 表2 3q u e r y 命令 命令格式命令码d r m t r e x ts e ls e s s i o n t a r g e tq c r c 5 位数 4 l 2l22l45 o o ：全部 0 0 ：m - - 1 0 1 ：全部 o o ：s o 0 ：d r = 80 1 ：m = 2 0 ：无前导信号 l o ：确认0 1 ：s 10 ：a0 描述l o o o l ：d r = 6 4 乃 1 0 ：m = 4 l ：用前导信号s l 1 0 ：s 21 ：b1 5 “：m - - - - g 1 l ：取消 l l ：s 3 确认s l q u e r y 命令与b l f 直接相关联的命令参数为图2 1 7 中的t r c a l 绝对时间值以 及q u e r y 命令字段中的d r ( d i v i d er a t i o ) 。 2 2 4 2 反向链接速率的协议规范 询问机通过q u e r y 命令前同步码中的t r c a l ( 如图2 1 7 ) 的时间长度以及分频 率参数d r 来确定b l f ，标签以一定的方法测定t r c a l 的时间长度，并获得d r 值 以计算b l f ，标签依据所获得的参数，并按照公式( 2 ) 确定。 b l f ：坠( 2 ) t r c a l 其中d r 为q u e r y 的命令参数，见表2 1 ，t r c a l 为绝对时间长度，d r 的值为： 第二章i s 0 i e c l 8 0 0 0 - 6 c 协议分析 1 7 l ：6 4 3 0 ：8 询问机在启动通信周期后，其相应的b l f 就确定了，如询问机需要改变反向 链接频率，那么询问机必须重新启动一个通信周期，通过q u e r y 来重新定义反向 链接频率。 协议要求标签必须在一定的误差范围内支持所有由其规定的反向链接频率， 即当询问机以某一参数对标签进行访问的过程中，标签应该计算并且按照该计算 值在规定的误差范围内以某一频率返回数据。表2 4 为协议规定的b l f 以及误差 范围。 表2 4 协议规定的t r c a l 以及b l f 的对应关系 t r c a l 8 频率容限频率容限 反向散射期间 分频率 b l f ( k h z )( - 2 5 c - ( - 4 0 ( i t s + - 1 ) 的频率偏移 + 4 0 )+ 6 5 ) 3 3 36 4 0+ - 1 5 十，- 1 5 f - 2 5 3 3 3 i r c a l 6 6 73 2 0 b l f 6 4 0+ - 2 2 十，2 2 + 2 5 6 6 73 2 0+ - 1 0 + ，1 5 十2 5 6 6 7 n t c a l 8 3 32 5 6 b l f 3 2 0+ - 1 2 + - 1 5 十，- 2 5 6 4 3 8 3 32 5 6+ - 1 0 + 1 0 + - 2 5 8 3 3 t r c a l s1 3 3 316 0 5 b l f 2 5 6+ - 1 0 + - 1 2 + - 2 5 13 3 3 r r c a l _ 5 2 0 0 1 0 7 ：s b l f 1 6 0十，7 七| | + - 2 5 2