超高频射频识别系统信号特征分析及应用.doc

第6期谈熙等：超高频射频识别系统信号特征分析及应用95超高频射频识别系统信号特征分析及应用谈熙1，常若艇2，黄晨灵1，闵昊1（1. 复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室，上海 201203；2. 工业与信息化部无线电管理局，北京 100037）摘 要：基于无源标签的超高频射频识别系统由于其上下行通信的不对称性，读写器和标签在基带分别采用PIE和FM0/Miller编码。通过分析和计算得到了其各自的功率谱特征，并依此确定了第一零点带宽与数据率的关系。同时，在读写器发射信号分别采用DSB-ASK、SSB-ASK及PR-ASK调制时，通过数值仿真得到了PIE编码数据在经过基带脉冲成形滤波器调制后的功率谱及相应的邻道功率抑制，并给出了在一定信道带宽条件下，优化的通信数据率选择方案。关键词：信道带宽；功率谱；射频识别中图分类号：TN91 文献标识码：B 文章编号：1000-436X(2009)06-0089-06Signal characterization and application of UHF RFID systemTAN Xi1, CHANG Ruo-ting2, HUANG Chen-ling1, MIN Hao1(1. State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203, China2. State Radio Regulatory Committee, Ministry of Idustry and Information Technology of the Peoples Republic of China, Beijing 100037, China)Abstract: For the asymmetry property of the passive tag UHF RFID systems up/down link, PIE and FM0/Miller encoding were used in the reader and tag baseband respectively. The power spectral density (PSD) and the first null bandwidth of these encoding were characterized by analysis and calculation. The PSD and adjacent channel power ratio (ACPR) of DSB-ASK, SSB-ASK and PR-ASK modulated PIE data after pulse shaping were given by simulation. And the optimized data rate was proposed for a given channel bandwidth.Key words: channel bandwidth; PSD; radio frequency identification1 引言收稿日期：2008-04-09；修回日期：2009-03-10基金项目：欧盟Bridge基金资助项目(033546)Foundation Item: The Foundation of EU Bridge (033546)超高频射频识别（RFID, radio frequency identification）系统由于其适中的通信距离、通信速度以及较小的天线尺寸，近年来在物流、仓储管理、追踪、防伪等领域受到越来越广泛的关注。基于远场工作的射频识别系统原理与雷达相似1，读写器向标签发出电磁波并被标签反射，在返回的电磁波中，读写器可以获得标签的信息。读写器通过调制载波的幅度向标签送出指令，标签则通过改变前端电路的阻抗来影响自身的反射截面，从而在反射的电磁波上调制所需要返回的信息。目前最为广泛研究和应用的超高频射频识别空中接口协议为EPC-global Class-1 Generation-22和ISO 18000-6C3。协议中规定了调制方式、数据率、基带信源编码等物理层关键参数。本文分析了基于上述协议的RFID系统的信号特征，给出了不同编码及调制方式下信号的频谱特征，并得到了在不同调制方式下数据率与信道带宽的关系。2 基带编码、功率谱及带宽2.1 读写器发射信号为了优化标签对读写器信号的接收，读写器发射信号采用脉冲间隔编码（PIE, pulse-interval encoding），通过脉冲出现的时间不同来表示不同的数据，其符号波形如图1所示。文献2,3中规定，将符号0的持续时间长度作为读写器到标签通信时间单位的参考，也是通信数据率的参考，其取值为：6.2525ms，对应的数据率为：40160kHz。符号1的长度需要在数据0长度的1.5倍到2倍之间。PW（pulse width）为脉冲的宽度，在符号0和1中必须相等，它决定了PIE编码信号的带宽。在下面的分析中，假设脉冲宽度为符号0的一半，符号1的长度为符号0长度的2倍。这样的假设可以大大简化分析复杂度，对于其他情况，通过计算机数值仿真可知，结果略有不同但基本结论一致。可以将PIE编码看成一种比较特殊（符号0与符号1长度不同）的归零码（RZ）。若将符号1拆分为2个长度相等的更基本的码元，如图1中的符号s1*、s2*，则PIE编码的数据可以看成是由长度相等的2种符号组成，可以用传统的方法计算功率谱。若将符号的直流电平移动，则可以使其中一个码元的傅立叶变换为零，从而进一步简化计算，如图1中s1、s2所示。由此，PIE编码的基带信号可以表示为图1 PIE编码及其码元(1)若将数据源看成是随机信号源，则PIE码流满足Markov过程条件。由于符号0、1出现的概率相等，都为1/2，则2种码元出现的概率为：P(s1)=2/3，P(s2)=1/3，转移概率矩阵为(2)由随机Markov源驱动的编码信号频谱计算文献4中给出了推导结论，现引用如下(3)其中，M为码元的数量，为第i个码元的傅立叶变换，为的傅立叶变换。(4)Pij(n)为转移概率矩阵中元素，表示码元j在码元i之后n个位置出现的概率。Pij( f )是离散序列，为Pij(n)的傅立叶级数展开(5)相应地，上述PIE编码2种码元的傅立叶变换分别为(6)根据傅立叶变换的线性特性可得(7)由于s1，s2满足如下条件 式(3)可简化为(8)图2给出了按照上式计算出的PIE编码功率谱密度(PSD)。图2 PIE编码数据功率谱密度由上面的分析可以得出，PIE编码数据的第一零点带宽由编码中最小的脉冲宽度决定，例如当脉冲宽度为T/2时，第一零点带宽为2/T。若符号0的长度为脉冲宽度的2倍，即T，而数据率定义为符号0长度的倒数，则PIE编码的第一零点带宽为数据率的2倍，该结论可以由式(6)和(8)得到。式(6)显示码元的第一零点带宽在fT=2处，其中f为频率，T为码元长度的时间单位，其余零点出现在2的整数倍处。在式(8)中，由于Si (f)只与S1(f)有关，Si(f) Sk*(f)在除了S1(f)的零点以外不存在其他零点。因此，PIE编码数据频谱的第一零点出现在数据率的2倍处。此外，由于在计算中移动了符号的直流位置，而在实际情况中，PIE编码的高低电平正好与计算中取值相反，因此根据高低电平的平均占空比可知，计算结果中的直流部分为实际值的1/2。2.2 标签返回信号标签返回的信号有FM0编码和Miller编码2种方式，下面分别讨论这2种返回方式的频谱特性。2.2.1 FM0编码FM0编码采用了如图3所示的4种码元，其编码规则为：信号在相邻2个符号的边缘反转，在符号“0”中间也有一次反转，而符号“1”中间则没有。图3 FM0编码及其码元图中定义的4种符号的傅立叶变换为(9)这4种符号出现的转移概率矩阵为(10)其中，表示元素为的转移概率矩阵。通过简单计算可知，对于FM0编码有(11)这表明对于相邻距离等于或超过2的2个符号，它们的出现是相互独立的，4种符号出现概率相等，并等于其各自出现的概率，=1/4。对于FM 0编码的离散谱，由于符号的正交性，有(12)所以，FM0编码功率谱的离散部分为幅度0，即其功率谱不包含离散谱线。对于连续谱部分，可以按式（13）计算。(13)式（13）可化简为(14)图4给出了按照上式计算出的FM0编码功率谱密度。令式(14)等于零可以解出零点位置在fT为2的整数倍处。因此当编码中脉冲宽度等于码元长度一半时，FM 0编码的第一零点带宽在2倍数据率处，这一特性与PIE编码相同。图4 FM0编码数据功率谱密度2.2.2 Miller编码Miller编码又被称为延迟调制（delay modulation），其使用的码元与FM0相同，只是符号0和符号1使用的符号互换。编码规则为：在2个相邻的符号0之间有一次跳变，其他相邻的符号之间没有跳变；此外在符号1的中间存在一次跳变，如图5所示。图5 Miller编码及其码元上述码元的傅立叶变换与式(9)中一致。4种波形所对应的转移概率矩阵为(15)Miller编码的功率谱密度在文献5中已有计算，这里直接给出引用的结果。(16)图6给出了按照上式计算出的Miller编码功率谱密度。图6 Miller编码数据功率谱密度与FM0编码类似，令式(16)等于零可以得到零点位置在fT为2的整数倍处。因此，Miller编码的带宽亦由编码中脉冲的宽度决定，当脉冲宽度为码元长度的1/2时，Miller编码的第一零点带宽在2倍数据率处。3 调制方式及信道带宽3.1 读写器发射信号读写器发射信号采用双边带调制（DSB-ASK）、单边带调制（SSB-ASK）及相位反转调制（PR-ASK）这3种调制方式，它们在一定通信数据率下，对信道带宽的要求各不相同。1) DSB-ASK根据基本通信理论可知，双边带幅度调制的信号所占用的带宽为信号带宽的2倍。再根据第3节得出的结论，PIE编码数据的第一零点带宽为数据率的2倍，所以DSB-ASK调制的PIE数据所占用的带宽为数据率的4倍。在中国颁布的超高频RFID无线电频谱规范6中，规定了信道带宽为250kHz，以下的分析都以该带宽为参考。图7给出了数据率为60kHz的PIE编码信号经过升余弦滤波器后在双边带调制情况下的功率谱密度，及其在250kHz信道内的积分功率。单位dBch为以dB表示的相对于本信道的功率。例如图7中的第一邻道中积分功率比本信道低49dB。图7 60kHz DSB-ASK调制PIE编码数据功率谱密度及其在250kHz信道内的积分功率2) SSB-ASK在理想情况下，单边带调制将抑制掉信号的一个边带而使所占用的带宽等于信号带宽。但是在有限的滤波器阶数及字长条件下，边带抑制的程度是有限的，所以单边带调制信号所占用的带宽介于2倍至4倍数据率之间。图8给出80kHz的PIE编码信号经过升余弦滤波器后在单边带调制情况下的功率谱密度，及其在250kHz信道内的积分功率。从图8中可以看出，当信道带宽为数据率的3倍左右时，单边带调制信号的邻道功率抑制能满足协议的要求，同时又不至于留出过大的裕量。3) PR-ASKPR-ASK称为相位反转幅度调制，是一种比较特殊的相位调制方式。它是0180相位调制，但是要求标签能用包络检波的方法进行解调。理论上图8 80kHz SSB-ASK调制PIE编码数据功率谱密度及其在250kHz信道内的积分功率PSK为恒包络调制，包络检波无法对其进行解调。但是由于被调制的基带信号并非方波，电平跳变时存在一定的上升下降时间，导致调制后信号的包络在基带信号电平跳变时出现同样时间的上升下降沿，形成包络幅度上的凹槽。由于PIE编码用向下脉冲的位置来表示数据，而标签通过检测信号包络中的凹槽位置来检测信号，这为用包络检波来解调PR-ASK信号提供了可能性。但是这要求在基带信号编码时进行调整，使得基带信号电平反转的位置与PIE编码中脉冲出现的位置一致。这样的调整会使同样数据率的基带信号带宽减小一半，也就是说PR-ASK调制的信号占用的带宽仅为数据率的2倍。图9给出125kHz的PIE编码信号经过升余弦滤波器后在PR-ASK调制下的功率谱密度，及其在250kHz信道内的积分功率。由于此时的基带信号带宽减小，允许传输的数据率提高，在这样的情况下，要达到同样的邻道抑制，需要使用更高阶的基带形成滤波器进行边带抑制。图9 125kHz DSB-ASK调制PIE编码数据功率谱密度及其在250kHz信道内的积分功率综上，可以得出在一定的信道带宽规范下，可以采用的优化发射数据率对应于DSB-ASK、SSB-ASK和PR-ASK这3种调制方式分别为带宽的1/4、1/3和1/2。例如在中国超高频RFID系统频率规范中规定的250KHz信道带宽，DSB-ASK、SSB-ASK和PR-ASK调制方式下可以采用的最大传输速率分别约为：60kHz、80kHz和125kHz。最后，给出上述不同的编码和调制方式的优劣比较（见表1）。表