UHFRFID 阅读器基带处理发送端电路的设计

马 琪,谭 伟,吕炳

(杭州电子科技大学微电子CAD研究所,浙江杭州310018)

UHFRFID 阅读器基带处理发送端电路的设计

(杭州电子科技大学微电子CAD研究所,浙江杭州310018)

UHF RFID阅读器基带处理芯片包括发送端、接收端和主控嵌入式CPU核3部分。该文给出了发送端电路的设计结构,介绍了ASK调制、成型滤波器等各电路模块的RTL设计。发送端电路的RTL仿真和FPGA原型验证结果表明,该设计能快速准确地完成RFID基带处理任务。

射频标签阅读器;基带处理发送端;幅移键控调制;成型滤波器

0 引 言

UHF RFID阅读器基带处理芯片包括3部分：发送端、接收端和主控嵌入式CPU。CPU负责整个阅读器和后台系统的通信,对发送端和接收端进行配置和监控;发送端电路先数据进行补缀校验码、编码、插入前导码、调制等操作,然后将数据通过DAC和滤波器等传输到射频前端以进行上变频后由天线发射出去;接收端接收来自射频前端下变频并经过ADC转换后的数据,进行解调、解码及有效数据提取,将数据发送到相关的寄存器或者存储器以便CPU进行处理[1]。本文介绍基于ISO/IEC18000-6C协议的发送端电路的设计。

1 发送端电路结构

发送端电路的结构如图1所示。发送数据缓冲RAM接收CPU的数据,根据发送指示和CPU配置的速率读出数据。发送时,根据CPU下发的不同数据类型,计算不同的CRC校验字并在发送数据流中插入,经PIE编码,插入前导码或者同步码后,送给ASK调制模块根据CPU配置的调制方式调制成IQ基带信号(同相和正交,16比特数据),经成型滤波器输出给DAC,同时还输出时钟信号提供给DAC。

2 发送端电路各模块的设计

2.1 CRC校验模块

CRC校验模块的主要功能是对待发送数据进行CRC5和CRC16校验码计算,得出校验码,把待发送数据和校验码排序后一起送至PIE编码模块。输出的序列是待发送数据加上CRC校验码。EPC Global Class1Genation2协议规定CRC5和CRC16的生成多项式分别为：g(x)=x5+x3+1,g(x)=x16x15x5+1。协议还规定,只有“Query”命令采用CRC5校验,其他的CRC校验都采用CRC16。

设计中采用了串行输入的方式,输入的数据被寄存并参与运算,经过16或者5个时间单位后,该数据被溢出;但计算的中间值一直被另一组寄存器寄存,当最后一个有效数据输入完毕,经过1个时间单位,寄存着中间值的寄存器中的数据就是CRC的校验码。

图1 发送端电路的设计结构框图

2.2 PIE编码模块

脉冲宽度碥码模块负责将待发送数据和CRC校验码组成的二进制码编码成固定时间长度的PIE字符。脉冲宽度编码时一种线路码,由协议定义[2]。

设计中用计数器来产生波形,计数器采用16MHz时钟(周期0.062 5μs),即波形产生精度是0.062 5μs;由相关参数确定了脉冲宽度编码字符长度后,可计算出波形翻转处对应的计数器值,根据输入的二进制是“0”还是“1”,对计数器计数过程进行判断,输出相应电平。

2.3 前导码/帧同步码模块

前导码/帧同步码模块负责根据CPU的指示,在PIE编码数据流前插入协议规定长度、固定波形的前导码或者帧同步码。

根据PIE编码相关参数的不同定义值,共有108种前导码与帧同步码。设计中同样采用计数法来产生波形(16MHz时钟,波形产生精度0.062 5μs),按照相关波形时间的要求以及相关的参数,可以计算出波形翻转时的计数值。

2.4 ASK调制模块

ASK调制模块控制并实现双边带ASK,反相ASK和单边带ASK调制3种调制方式,其设计结构如图2所示,

ASK调制模块由PR-ASK子模块完成DSB-ASK和PR-ASK,SSB-WEAVER子模块完成SSBASK。输入i_ask_conf信号控制选择其中一种ASK调制方式,i_data为串行输入数据,o_data_i、o_data_q为输出数据的I、Q分量(16 bits)。

PR-ASK是DSB-ASK的改进调制方式。其调制波形是ASK基带数据在上升沿触发翻转之后处理成双极性码而形成的,其余的处理与DSB-ASK完全相同。因此,设计时需要对待调制的数据进行一次PR变换。实现PR变换时,对输入的二进制数据进行检测,如果检测到上升沿,则波形在原来的值的基础上取反,变换成双极性信号即可。

SSB-ASK属于幅度调制中的一类,只利用一个边带进行通信,从而提高信道的利用率,避免不必要的功率发射。未上变频前的Weaver法实现SSB调制方案[3]主要由3部分来实现：一对正交预载波产生单元(DDS)、乘法器、低通滤波器。

图2 ASK调制模块设计结构

2.5 成型滤波器模块

由于数字基带信号是矩形波,含有丰富的频谱分量,不能满足实际信道频带有限的要求。成型滤波器模块负责对数据信号进行适当的波形变换,实现射频前端上变频的要求[4]。

设计中采用FIR平方根升余弦滚降滤波器来实现成型滤波器。成型滤波器输入/输出是均并行16bits数据,系数表寄存的滤波器系数也是16位数据。设计中滤波器系数表用寄存器阵列存储,由于系数对称阵列采用对称结构;设计中复用乘加单元MAC,每个MAC_CLK只能计算一组数据(16位),为此采用两个计数器子模块对乘累加流程进行控制。

2.6 发送端控制模块

由于发送端的数据流是单向流动,所以发送端控制模块对各个模块的控制主要集中在CRC-PIE的同步,以及前导码/帧同步码的插入。图1中,在进行CRC计算之前,发送端控制模块控制前导码/帧同步码模块根据CPU的配置,产生前导码或帧同步码;在前导码/帧同步码产生结束之前,前导码/帧同步码模块反馈一个信号,通知CRC-PIE同步控制模块控制CRC计算模块和PIE编码模块从缓存中读取待发送数据,进行CRC计算和PIE编码。

EPCC-1G-2协议中,CRC计算模块是串行模式,所以CRC-PIE的同步控制要考虑时序的同步。本设计利用CRC计算模块和PIE编码模块的反馈消息来控制时序。

3 验证结果

本设计采用Verilog实现,采用Cadence Verilog-XL进行RTL仿真,某testcase为例的仿真结果波形图如图3所示,该testcase具体为：待发送数据为7bit长度二进制数据“1010010”、CRC5校验、PIE码Tari=6.25μs/PW=0.5Tari、插入前导码、DSB-ASK调制。

图3 某testcase下的发送端的RTL仿真截图

图3中,INPUT DATA表示的是要发送的数据及数据有效信号,CRC反映了CRC校验模块输出的CRC校验码,PRE_FRAM_SYNC反映了输出的前导码,PIE反映了待发送的数据及其CRC校验码经过PIE编码之后的信号,AFTER_PRE_FRAM_SYNC表示的是待发送数据经过插入CRC校验码、PIE编码、插入前导码之后的信号,AFTER_SHAPING_FILTER表示的是经过DSB-ASK调制并经过成型滤波器滤波之后的信号。可以看出,在该testcase下,发送端的功能仿真是成功的。

本文还设计了基于Altera FPGA的系统实验板,对RTL设计进行了FPGA原型验证,借助Altera集成到Quartus II中的Signaltap II嵌入式逻辑分析仪,通过观测分析发送端电路的输出数据。经过CRC校验、PIE编码、插入前导码后的基带信号,经过DSB-ASK调制并经过成型滤波器后输出的基带信号均符合协议标准要求。

4 结束语

本文详细介绍了UHF阅读器基带处理电路发送端的硬件设计,包括CRC校验模块、PIE编码模块、前导码和帧同步码模块、ASK调制模块、成型滤波器模块、CRC-PIE同步控制模块等,并介绍了发送端电路的RTL仿真和FPGA原型验证结果。

[1]ISO/IEC.18000-6C.Radio frequency identification for item management-Part6：Parameters for air interface communications at860MHz to960MHz,final draft[S].May 2004.

[2]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].清华大学出版社.2004：90-92.

[3]郑元吉,钟晓玲,郭勇.数字化维弗法调制在电力载波中的应用[J],电测与仪表,2005,42(7)：34-35..

[4]Leno W.Couch著,罗新民,任品毅,田琛等译.数字与模拟通信系统(第六版)[M].电子工业出版社.2002：193-194.

Transmitter Circuit Design for UHF RFID Reader’s Baseband Processor MA Qi,TANWei,LV Bing-yun

(ICCAD Research Center,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310037,China)

UHFRFID reader’s baseband processor includes transmitter,receiver and CPU controller.This paper gives out the design architecture of transm itter circuit,introduces the RTL design and implementation of all circuits module such as ASKmodulator and shaping filter,and discusses its RTL simulation and FPGA prototyping verification.

UHFRFID reader;transmitter circuit of baseband processing;ASKmodulator;shaping filter

TP332

A

1001-9146(2010)05-0013-04

2010-07-20

马琪(1968-),男,浙江绍兴人,研究员,集成电路设计.