張 焱，張 芳，熊 剛

(中國電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

無線射頻識別技術(shù)(RFID，Radio Frequency Identification)是一種自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)物體的自動識別。隨著無線通信、集成電路等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，RFID技術(shù)在各領(lǐng)域迅速興起，形成巨大的產(chǎn)業(yè)鏈。目前超高頻段860～930 MHz的RFID產(chǎn)品已廣泛用于物流、交通、物品識別、生產(chǎn)等很多方面，近年越來越被業(yè)界人士所重視［1］。RFID產(chǎn)品大多采用幅移鍵控(ASK，Amplitude Shift Keying)調(diào)制作為標(biāo)簽反射信號的調(diào)制方式［2］，讀寫器需要進(jìn)行正確的解調(diào)以得到傳輸信息［1］。然而，由于硬件等因素限制，導(dǎo)致讀寫器所能收到的反射調(diào)制信號微弱，而背景噪聲功率卻非常強。在讀寫器和標(biāo)簽數(shù)據(jù)通信時，信號需要經(jīng)過一段距離進(jìn)行傳輸，易遭到電磁干擾和噪聲的破壞，并且，隨著距離增加，信號環(huán)境更加惡劣，信噪比變低，因此需對信號進(jìn)行消除干擾和降噪，以此提高可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。文中利用改進(jìn)的RFID信號解調(diào)方法，可以在較低的信噪比條件下正確解調(diào)出信號，獲取標(biāo)簽信息。

1 低信噪比下RFID信號分析

電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會遇到不同目標(biāo)，反射能量中的一部分最終將返回發(fā)射天線。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種方式測量目標(biāo)的距離和方位;對RFID系統(tǒng)來說，也可采用反向散射的系統(tǒng)，利用電磁波反射完成從電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸［3］。RFID讀寫器發(fā)出微波查詢(能量)信號，電子標(biāo)簽收到能量信號后，將其一部分整流為直流電源，供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作使用，另一部分微波能量信號被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制(ASK)后反射回讀寫器。讀寫器接收反射回的信號，提取出標(biāo)簽中保存的標(biāo)識性數(shù)據(jù)信息。如圖1所示。

圖1 RFID工作原理Fig.1 Operation principle of RFID

工作過程中，讀寫器發(fā)出的微波信號與接收發(fā)射回的標(biāo)簽信號是同時存在的，反射回去的信號強度較發(fā)射信號要弱得多，因此，技術(shù)難點在于同頻接收并解調(diào)。此時RFID信號為ASK信號與同頻單音能量信號的疊加。由于讀寫器到標(biāo)簽的能量信號功率較大，還將導(dǎo)致接收的反射信號調(diào)制指數(shù)很低，并且標(biāo)簽信號很微弱，也同時受到各種噪聲影響，所以需解調(diào)的信號一般處于低信噪比環(huán)境下［4］，如圖2所示。

圖2 低信噪比下的RFID波形Fig.2 RFID signal waveform at low SNR

由于傳播過程中多徑效應(yīng)與接收機載波泄露、直流偏移等因素［4］，RFID信號還表現(xiàn)出明顯的衰落現(xiàn)象，時域幅度變化較為劇烈。這些問題將會嚴(yán)重惡化接收信噪比，導(dǎo)致RFID讀寫器的接收距離下降和解調(diào)誤碼率增加，讀寫器性能急劇下降。進(jìn)一步放大包絡(luò)信號圖形可以觀察到局部波形起伏變化的特點，如圖3所示。

圖3 信號的劇烈起伏變化Fig.3 Dramatic changes of the signal

2 改進(jìn)的信號解調(diào)算法

2.1 基于自適應(yīng)擬合的預(yù)處理

為降低噪聲干擾，首先需要對接收信號進(jìn)行正交下變頻，再加入帶通濾波器處理。帶通濾波器可以實現(xiàn)頻譜匹配，達(dá)到最大信噪比輸出，這樣可以在一定程度上降低后續(xù)運算中非線性處理帶來的信噪比損失。從圖3可以看出，此時的標(biāo)簽信號調(diào)制波形是“懸浮”在直流分量與殘余載波信號的起伏包絡(luò)上。為了恢復(fù)信號的基帶調(diào)制波形，則需要進(jìn)行預(yù)處理，去除掉這些干擾并減小噪聲的影響，否則將無法正確解調(diào)出RFID信息。傳統(tǒng)的去噪方法大多數(shù)是通過傅里葉變換等得到信號的頻譜，濾波去除掉其它干擾和噪聲，然后再使用反變換重新獲得原始信號，這種方法只能適用于信號和干擾的頻帶沒有重疊的情況。但由于標(biāo)簽信號和讀寫器的能量信號處于同頻，在頻譜上有重疊，所以需要采用新的去干擾方法。

下面采用了一種基于自適應(yīng)擬合的預(yù)處理思路，能有效地擬合出RFID信號的變化包絡(luò)曲線，然后進(jìn)行去擾，獲得基帶信號。自適應(yīng)算法通過自動跟蹤學(xué)習(xí)，最終使輸出信號y(n)與主輸出信號達(dá)到同幅和同相。LMS算法是實現(xiàn)自適應(yīng)的常用算法，其原理是通過一系列運算調(diào)整參數(shù)使線性組合器的輸出信號與期望響應(yīng)之間的誤差均方值為最小。權(quán)系數(shù)更新算法采用LMS算法，公式表達(dá)式為

式中，X(n)為現(xiàn)在時刻的輸入向量，W(n)代表現(xiàn)在時刻的權(quán)系數(shù)向量，W(n+1)代表下一時刻的權(quán)系數(shù)向量。期望響應(yīng)信號d(n)與實際輸出信號y(n)之間的誤差為e(n)，μ為控制穩(wěn)定性和收斂速度的步長因子。LMS算法的一個缺點是收斂速度慢，不易滿足實時解調(diào)的要求。為了獲得較快的收斂速度，對自適應(yīng)算法進(jìn)行改進(jìn)，新算法的基本思想是:當(dāng)權(quán)系數(shù)遠(yuǎn)離最佳系數(shù)即誤差較大時，使用較大的步長，加快收斂，反之則使用較小步長，從而使得穩(wěn)態(tài)失調(diào)較小，提高算法性能。這里采用洛倫特函數(shù)作為μ(n)的變步長自適應(yīng)算法［5］，可實現(xiàn)對信號變化的跟蹤。其公式如下:

式中，α是洛倫特函數(shù)范圍的參量，δ是洛倫特函數(shù)形狀的參量。設(shè)L為自適應(yīng)濾波器的長度，該算法以濾波器權(quán)系數(shù)誤差作為算法收斂和跟蹤性能的指標(biāo)。進(jìn)行降噪和消除干擾的處理后，再采用基帶解調(diào)算法就可以恢復(fù)出RFID標(biāo)簽信號攜帶的信息。

2.2 基帶信號同步和解調(diào)

常用的同步方法有鎖相環(huán)法和超前—延遲滯后門同步器等。基于鎖相環(huán)的方法基本思想是使用鎖相環(huán)路來提取信號的同步時鐘，假設(shè)接收機收到的信號為 y(t)，即γ(t)，其中，h(t)是信道沖激響應(yīng);bn是傳輸?shù)男畔⑿蛄?γ(t)表示接收機的輸出噪聲;1/Ts為符號速率;τ0代表定時相位。如果記s(t)為接收信號中的有效信號分量，則均值為0，其相關(guān)函數(shù)是周期性的，周期為Ts，且s2(t)的期望也是周期的，周期也為Ts，利用E［s2(t)］可以提取離散的時鐘分量，并以傅里葉級數(shù)的方式表示為:

實際發(fā)送信號功率譜密度限于1/Ts頻率以內(nèi)，因此E［s2(t)］含頻率為1/Ts的離散時鐘分量。將接收信號平方后，通過一個窄帶濾波器可將時鐘分量提取，濾波器一般用鎖相環(huán)路實現(xiàn)。這種同步方法可避免符號速率誤差影響，但處理速度很慢。超前—滯后同步算法利用信號波形的對稱性，即經(jīng)過匹配或相關(guān)處理后的輸出信號是對稱的或部分對稱的，對于矩形脈沖，若匹配濾波的輸出在t=T時達(dá)到最大，則只要樣值在峰值上，就一定能保證信號的同步。適當(dāng)?shù)牟蓸訒r刻是在t=T－Δ和t=T+Δ之間的中點。該方法的處理速度比基于鎖相環(huán)的思路更快。

下面的方案采取綜合思路:一方面利用匹配濾波器實現(xiàn)超前—滯后型判決比較，提高同步的速度，同時結(jié)合相位反饋環(huán)路調(diào)整來解決符號速率不夠精準(zhǔn)的問題。改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的同步解調(diào)結(jié)構(gòu)Fig.4 Improved structure of synchronization and demodulation

在圖3中，把RFID基帶信號的“0”編碼、“1”編碼和幀頭編碼對應(yīng)的信號分別使用了不同的波形進(jìn)行匹配。應(yīng)首先進(jìn)行幀頭匹配濾波處理，由于幀頭的波形長度較長，對其相關(guān)匹配時性能較優(yōu)，同步的精度高。為了適應(yīng)信號有時發(fā)生突變的情況，還可以進(jìn)一步采取設(shè)置動態(tài)門限的方式。幀頭匹配之后再實現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)信息的解調(diào)判決，利用幀頭濾波輸出與反饋信息的聯(lián)合，更加準(zhǔn)確的對采樣時刻進(jìn)行調(diào)整處理，對齊后分別進(jìn)行“1”、“0”編碼波形的匹配處理，然后在最佳采樣點位置對匹配輸出進(jìn)行判決便可以得到最終的解調(diào)結(jié)果。

3 性能仿真和分析

仿真分析1:對基于自適應(yīng)降噪的預(yù)處理方法進(jìn)行仿真。根據(jù)合理經(jīng)驗值設(shè)置初始參數(shù)，算法將具有更好的擬合性能。以遵循AAR S－918標(biāo)準(zhǔn)的信號為仿真目標(biāo)，采樣率設(shè)為800 kHz，選取α=1/16，δ=0.04，可得RFID信號包絡(luò)變化曲線估計值。

圖5 RFID信號在自適應(yīng)降噪后的幅度波形對比Fig.5 Contrast for the RFID signal before and after adaptive denoising

LMS算法的包絡(luò)擬合是對逐個樣點進(jìn)行的，當(dāng)曲線產(chǎn)生變化時，自適應(yīng)算法進(jìn)行權(quán)系數(shù)的遞推和修正，重新實現(xiàn)信號的跟蹤?；诼鍌愄睾瘮?shù)的LMS算法得的多項式具有很好的擬合效果，不需包絡(luò)形狀先驗知識，且可以濾除包絡(luò)局部不平滑成分，圖5(a)中，曲線①表示由自適應(yīng)擬合算法處理后，RFID信號中混雜的噪聲與直流偏移等的包絡(luò)。如圖5(b)所示，去除掉這些干擾包絡(luò)后，可以得到基帶信號波形。

仿真分析2:對改進(jìn)的信號基帶解調(diào)方法進(jìn)行仿真，在S－918標(biāo)準(zhǔn)中，對信號幀格式和編碼方式做了規(guī)定，即基帶數(shù)據(jù)碼對應(yīng)關(guān)系:數(shù)據(jù)碼“1”表示成“10101100”，數(shù)據(jù)碼“0”表示成“11001010”，數(shù)據(jù)幀頭也即幀標(biāo)記表示成“1010101010101100”。仿真設(shè)置信號碼速率為80 kHz，將預(yù)處理后的信號分別采用基于鎖相環(huán)的方法和改進(jìn)后的方法進(jìn)行比較，得到圖6所示的解調(diào)性能曲線。

圖6 不同信噪比下兩種方法解調(diào)性能曲線Fig.6 Performance curve of two demodulation methods for different SNR

從圖6中可以看出，改進(jìn)的解調(diào)算法在信噪比為1.5 dB時，解調(diào)誤碼率已達(dá)到10－2量級，SNR=3 dB左右時能完全正確解調(diào)RFID信息。新方法比起傳統(tǒng)方法僅需更低的解調(diào)信噪比。

4 結(jié)語

文中提出了一種低信噪比下RFID信號解調(diào)方法，采用了自適應(yīng)降噪的預(yù)處理思路，并對傳統(tǒng)的同步算法進(jìn)行了改進(jìn)。該方法增強了對干擾噪聲的抑制能力，解調(diào)性能也有很大提高，在信噪比達(dá)到3 dB時可成功解調(diào)信號。該算法今后將進(jìn)一步優(yōu)化，為解決低信噪比下的RFID信號處理提供一種更有效的手段，也對遠(yuǎn)距離RFID接收技術(shù)發(fā)展發(fā)揮更重要作用。

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