RFID读写器接收机基带数字信号处理研究

    1 引言

    超高频RFID系统空中接口标准包括ISO／IEC系列，F2C系列，以及中国正在研究制定的国家标准，数字接收机可实现软件升级和多协议支持，相比模拟接收机具备易于调试、应用灵活的优势，因而在超高频姗读写器中得到了广泛应用。提高超高频RFID读写器的读取效果一直是近年来的研究重点．在经过详尽分析和实验验证后，本文给出相关问题的解决办法。

    超高频RFID读写器是与标签之间采用反向散射原理完成通信，根据当前主要的UHF频段空中接口标准ISO／IEC 18000-6C，标签在无源状态下以同频半双工方式通讯．基本的通信过程是，读写器采用幅移键控(ASK)等方式来调制载波，在特定频率的信道上将信息发送给一个或多个标签．之后读写器仍然需要发射CW载波，在指定的时间内来等待标签的应答。

    零中频架构具有不需要中频环节，能够减小功耗，降低电路复杂度，易于调试等优点．零中频RFID数字接收机电路框图如图1所示．天线接收进来的射频信号通过环行器后直接进入下变频器，转换完成的基带信号通过LNA放大、低通滤波，输出两路I、Q基带信号交由基带进行数字信号处理。 

图1 零中频RFID数字接收机电路框图

    读写器的通信效果受到发射机输出功率、接收机灵敏度、收发天线增益、收发隔离度、标签功耗、标签天线增益，以及环境状况等参数的影响．其中，发射端最大有效全向发射功率(EIRP)受到国家无线电发射设备管制，收发隔离度受到环行器等器件隔离度限制(一般只能达到25dB)，在标签、天线和环境等参数一定的条件下，接收机的性能对读写器整机性能起决定性作用。

    2 接收机性能影响因素分析

    超高频RFID读写器接收机工作时也需要发射机发出无调制的载波．接收机接收到的包括标签反射信号、天线噪声、环境反射、发射机直接耦合，以及接收机自身的噪声等。在标签能获得足够工作能量的前提下，读写器的工作距离主要取决于标签反向散射信号在读写器的解调输出能否满足最低信噪比要求．根据文献[3]，可用下面的公式来标示读写器决定的最大工作距离： 

    其中，C是电磁波在自由空间的传播速度，ω是电磁波信号的角频率，Г是标签功率反射系数，ξ是收发隔离系数，GR是读写器天线增益，Gt是标签天线增益，分母中的Ppn表示本振的单边带通带内相位噪声功率，可以计算本振已知的相位噪声数据或者使用频谱分析仪(SPA)直接测量获得．分子中的PDATA表示标签二进制数据序列的单边带通带内信号功率，可以数值计算的方式得到．根据公式，在标签参数、天线增益和收发隔离等参数一定的情况下，读写器的工作距离取决于接收机的信噪比性能(SNR)，尤其是相位噪声以及降噪处理效果。

    环境折反射干扰及相位噪声主要在载波频率附近，下变频之后表现为低频噪声；基带信号上混有常见的高频噪声，在密集读写器模式下，需要控制接收机带宽在一定范围以避免读写器之间相互干扰，因此需要对基带信号作带通滤波处理，以提高其信噪比。

    直流偏移是零中频结构特有的一种干扰，是由于接收机中本振、发射机泄漏、环境反射等信号耦合到混频器输入端形成的。读写器收发同频造成了直流偏移远大于常规的接收机，加上常见工作距离只有3—5米，载波泄漏情况还受天馈及环境影响，直流偏移具有时变性．直流偏移不仅破坏了后级电路的直流工作点，还影响放大滤波电路的线性度性能，使信噪比变差．使用环行器的单天线设计中，环行器隔离度有限导致发射泄漏到接收端的强度大，直流偏移问题会更加严重，直流偏移、环境折反射引起的幅度相位干扰、本振相位噪声、ADC量化噪声等都可降低接收机的信噪比，提高其性能除了要在模拟射频电路上进行改进，还必须在基带信号处理算法上采取相应措施。

    3 基带数字信号处理

    为保证正确完成解码，基带数字信号处理需要完成噪声与干扰的消除，以适当的方式完成ASK信号判决．关键的处理措施包括：过采样与滤波、直流偏移校正、数据解码等。

    3.1 过采样与滤波

    根据奈奎斯特采样定理，为了使采样信号能恢复成原来的连续信号，采样频率至少应大于信号最高频率的两倍，过采样是在奈奎斯特频率的基础上将采样频率提高一个过采样倍律的水平，过采样能够降低有效带宽内量化噪声的功率，提高信噪比，相当于增加了ADC的分辩率，过采样得到的数据可以用CIC滤波器进行抽取，使数据率回到正常水平，再级联FIR滤波器进行带通滤波，进一步降低噪声功率，提高信噪比。

    以常见的码率250kbps的ASK标签返回信号为例，为了能够和ADC芯片性能配合，选择过采样系数为40，则采样速率为20MSI焉．抽取之后的码率设定为回发数据码率的8倍，即2Mbps，CIC滤波级数为3。