超高频射频识别改进型前向数据编码设计及实现*

靳 钊，刘 策，乔丽萍，刘立东，郭 晨，高 涛

(1.长安大学信息工程学院，西安710064;2.休斯敦大学，休斯敦，德克萨斯，美国;3.西藏民族学院信息工程学院，陕西咸阳712082)

RFID(Radio Frequency Identification)是近年来兴起的一种发展很快的自动识别技术［1-3］。它通过非接触的双向通信，对目标加以识别并获取相关数据。RFID作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，在生产、零售、物流、交通、设备和资产管理等各个领域均有着非常广阔的应用前景［4-5］。在我国正在大力推进的物联网建设中，RFID标签作为信息载体，在整个物联网系统中占据了重要地位［6-7］。

ISO/IEC 18000-6C［8］协议中阅读器到标签的前向链路使用脉冲间隔编码(PIE)，即利用编码符号的不同时间长度代表不同的信息。PIE编码虽然也能够提供给标签工作所需的能量，但是由于数据0的时间长度与数据1的时间长度不一样，解码时需要使用一个同步时钟信号来对高电平信号的时间长度来进行计数，同时需要通过一个校准信号进行比较，才能解码出数据0和数据1。这种解码机制本质上存在3个问题:(1)为了保证解码的准确度，需要采样时钟的频率和精度都较高，这对时钟产生电路要求较高，加大了设计难度;(2)时钟频率越高，时钟网路翻转率就越大，电路产生的功耗也就越大，实际芯片的测试表明，解码模块的功耗是基带总功耗的40%以上，已经成为标签性能提升的瓶颈;(3)非等长编码也不利于数据传输效率的提高。

本文对ISO/IEC18000-6C空中接口协议的物理层参数进行了改进，提出了新的阅读器到标签的前向链路的数据编码方式，通过仿真和实测对该方案的功能和性能加以验证。

1 编码方式介绍

常用的编码方式，主要包括:单极性非归零码、双极性非归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、多电平码等［9］，其波形如图1所示。单极性非归零码抗噪性能差，传输距离短。双极性非归零码抗干扰能力相对较强，但需要额外的电平转化电路。单极性归零码可以直接提取同步信号，但是发送能量小且占用频带宽。双极性归零码可以保持收发间正确的比特同步，因此也叫做自同步方式［10］。差分码代表的信息符号与码元本身电位或极性无关，仅与相邻码元的电位变化有关。多进制码可在码元速率一定时提高信息速率，适合高数据速率传输系统。

图1 常见的编码方式

2 改进的前向编码

在无源UHF RFID系统中，选择前向链路的编码类型时，主要从以下3个方面考虑:(1)载波携带尽可能多的能量，即码元的平均高电平比例尽可能高;(2)低电压持续时间尽可能短，保证芯片靠储能电容供电的时间尽可能少;(3)解码代价低，即标签芯片为实现解码所需要的电路资源尽可能少。

本文从上述需求出发，在双极性非归零码和曼彻斯特码(Manchester Code)［11-12］的基础上，提出了一种改进型曼彻斯特码MMC(Modulated Manchester Code)方式，如图2所示，其中Dperiod表示码元周期，LLW表示单位时间长度的低电平脉冲，HLW表示单位时间长度的高电平脉冲。其编码原则如下:

(1)对于“0”，采用数据0编码符号直接编码，如图2(a)所示，;

(2)对于“1”，其编码方式又分为以下两种情况:

①单独一个“1”的情况，采用数据1的第一种编码方式，如图2(b)所示;

②连续多个“1”的情况，需要对排名为奇数的“1”采用数据1的第一种编码方式，如图2(b)所示;而对排名为偶数的“1”采用数据1的第二种编码方式，如图2(c)所示。

图2 MMC编码方式

3 前向编码性能分析

本节对提出的前向编码分别在时域和频域内进行分析。时域分析和频域分析主要是在不同数据率和调制方式下，对时域波形、时域评估参数、频谱和频域评估参数的仿真分析。

为了评估前向MMC的性能，对前向曼彻斯特码MC(Manchester Code)和前向PIE码进行对比分析，前向链路仿真采用相同的仿真条件，详细的仿真参数说明如表1所示。

在不同的信道条件下，分别对不同编码方案的误码率特性进行分析。设定信道模型分别为高斯白噪声信道、瑞利信道和莱斯信道。采用低通等效模型进行仿真，假设理想同步，调制方式为DSB-ASK，检测方式为相干检测，帧长取32，仿真长度为1，000，000帧，对结果求统计平均。

由图3可知，在3种信道下，曼彻斯特码、MMC码，PIE码的误码率呈递增趋势。

时域仿真中，待编码的数据均为”01101”，编码后速率为80 kbit/s，采样率(每个码元采样点数)为1 000，升余弦滤波器滚降因子为0.5，阅读器发射功率固定取为33 dBm。

图3 前向链路误码率

从表2中可以看出，所提出的MMC具有最高的高电平持续时间比例，其次是PIE码，最小的是MC。对于不同的调制方式，DSB-ASK高电平比例最高，SSB-ASK最低。

由于上述编码均采用二元码，因此，其峰均比主要与高低电平的比例有关，高电平比例越高，峰均比(峰值功率/平均功率)越小，功率的时间分布越均匀。正如表2中所示，MMC具有最小的峰均比，其次是PIE码，最大的是MC。对于不同的调制方式，各自的峰均比差别不大。

表2 前向链路时域分析结果

4 芯片实现及测试

以本文提出的MMC前向编码方式为基础，对UHF射频识别标签芯片的基带和模拟前端进行设计和实现。上述标签芯片经TSMC 0.18 μm CMOS mixed signal工艺流片，所实现芯片的显微照片图4所示，芯片尺寸为 910 μm ×730 μm。

通过凸点将芯片以倒装成标签，测试使用的阅读器需更改基带代码以兼容前向MMC编码，其发射功率设置为4W EIRP，标签天线增益为2 dBi。在室内自由空间进行测试，标签最远可读距离(Read Range)为6.8 m，最高读取可达108次/s(靠近阅读器天线)。表3给出了该标签在不同的识读距离下的读速率测试数据，可以看出，随着读距离增大，标签芯片获取能量减少，数据传输速率降低，标签读速率逐渐变慢。保持阅读器功率不变，对标签进行写存储器操作，存储器各位默认的初始值全为“F”，我们按照从高位到低位的顺序，对存储器中的EPC码和用户区数据进行写入操作。由于芯片完成写操作所需功耗较大，因此其写距离(Write Range)通常较读距离近很多，距离越远写操作越困难。实测标签的最大写距离为3 m。

图4 芯片的显微照片

表3 标签读取效果测试数据

5 结论

本文提出了一种改进型曼彻斯特编码方案，分别对数据“0”、奇数序“1”和偶数序“1”实行不同编码。该编码方案能携带更多的能量，尽可能压缩低电压持续时间，同时降低解码代价。使用本编码实现的标签芯片，经实测表明性能良好。该方案为射频识别自主协议的制定和国产化射频识别芯片的研制提供了一种有意义的尝试。

［1］Finkenzeller K.RFID Handbook:Radio Frequency Identification Fundamentals and Applications［M］.2nd Ed.NewYork:John Wiley and Sons Itd，2003.

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［7］刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用［J］.计算机科学，2010，37(6):1-4，10.

［8］IS0/IEC 18000-6 Radio Frequency for Item Management Part 6:Parameters for Air Interface Communications at 860 MHz to 960 MHz，Version 1.1.0［S］.Jul.2005.

［9］王新梅，肖国镇.纠错码原理与方法［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001.

［10］王宏刚，裴昌幸，陈南.一种用于RFID能量有效的数据编码及其时钟提取［J］.西安电子科技大学学报，2007，34(6):881-886.

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［12］陈新坤，周东，余敬东.Manchester编码器的FPGA设计与实现［J］.电子科技大学学报，2003，32(3):324-327.