基于CDMA的RFID读写器关键技术分析

杜平

（广东科学技术职业学院，广东 广州 510640）

1 引言

RFID系统以其读写速度快、读写距离远、无接触式、高可靠性等特点越来越广泛地应用于零售业、仓库管理、药品管理、物流管理、高速公路收费等行业，是物联网中一个重要组成部分[1]。随着RFID技术的广泛应用，对其性能的要求也越来越高，标签之间的防冲突成为研究的热点和关键。

美国的Caro Mutti和Caristian Floerkeneire用Gold序列和Kasami码构建CDMA与Aloha结合的标签应用方案。Gustaw Mazurek在文章《Active RFID System With Spread-Spectrum Transmission》中采用了16个127位的Gold序列进行码分信道研究[4]；2011年德国Andress Loefler等人用CDMA与时隙Aloha结合实现半无源电子标签的仿真；台湾大学的刘馨勤等使用霍夫曼序列作为分扩展频谱的序列。由此可见国内外学者在码分RFID体制上有着不同的研究和探索。

将类似于CDMA蜂窝通信技术应用到UHF RFID空中接口，在通信思想的基础上实现正交码分接入与扩展频谱一体化，构建码分射频识别系统，实现多信道标签信息同时接入，将增强读取效率，缓解冲突的压力[2]，提高的频谱利用率和抗干扰能力[3]。

2 基于M序列的CDMA扩频方法

将传统的RFID接入方式转变为多信道正交接入，使RFID空中接口的接入能力大为增强，不再成为系统功能的瓶颈。CDMA通过扩频技术，利用不同的正交序列实现多址方式，使多个标签的信息同时进行传输，将待传信息与扩频码序列相乘来实现扩频。每一个正交的扩频序列提供一个信道标签，标签在每个读取信令流程中随机选择唯一的正交序列，同时读写器也预存了此序列，以从接收的混合信号恢复出原数据。有多少个正交扩频序列，就允许多少个标签在一个载波上同时通信，其空中接口的信令流程如图1所示。多信道接入与传统的单信道射频识别相比，减小了冲突率，降低了通信协议中碰撞仲裁的压力，从一定程度上缓解了标签应答碰撞的问题。

2.1 M序列作为正交序列

基于CDMA的RFID系统抗干扰能力和容量由正交扩频码决定，因此扩频码决定了系统的性能甚至系统是否可用。由于移位M序列容易产生、序列个数多、自相关性好等特点，在扩频通信中最早获得广泛地应用[5-6]。M序列的正交特性为多信道并行应答提供有力支撑，同时伪随机特性实现了扩展频谱的应用。

2.2 M序列的生成

移位M序列是在线性移位寄存器的基础上，加上异或反馈电路构成的。一个n级线性反馈移位寄存器序列由n级寄存器和一组线性反馈逻辑电路组成。在RFID系统中兼顾信道数量和传输速率，采用的M序列不宜过长，如15位、31位都是很好的选择。下面以31位M序列为例，介绍其生成方法。选取本原多项式G(x)=x5+x2+1，其生成电路如图2所示：该电路可以产生总共31个正交序列，因此可以构建31个正交信道[8]，其中一个正交序列是1010010000101011101100011111001。在读写器的发送指令之后，标签从M序列发生器中随机选择一个M序列构建正交应答信道。

图1 多信道接入的RFID信令流程

图2 15位M序列生成器

2.3 移位M序列的相关性

同一本原多项式产生的M序列族具有各态历经性和均衡性。在一个周期中，一个n级的M序列历经2n-1个状态，其中每个序列“1”的个数比“0”的个数多1个。

M序列的互相关性是指相同周期两个不同的M序列一致的程度，其互相关值越接近于零，即互相关性越弱，反之互相关性较强。码分多址RFID系统采用的是同一本原多项式的M序列。其相关函数为：

其中p为序列长度，xi、xi+j为两个不同相位的码元，取值为0和1，φ(0)=1，φ(1)=-1，从式中可以看出它的相关性取决于相同码元和不同码元的个数的差值。根据移位相加特性和均衡性可知，任意两个序列按位求异或后所得序列仍是M序列，而异或后的结果中“0”和“1”的个数差为1个。因此它的互相关性是随着序列长度的增加，它自相关性就越来越接近于白噪声的自相关性。Matlab中分析得到M序列的相关性如图3所示，其中31位M序列采用的是序列1010010000101011101100011111001，15位M序列采用的是110101111000100。

图3 M序列的相关特性

图4 读写器对多信道标签数据解扩

上图中的M序列分别在周期点31处和15处显示出了其自相关性[7]，其自相关性良好，其它点反映的是其互相关性，其互相关性较弱。对比31位和15位可以看出序列长度越长，其优势越明显。兼顾信道数量和传输速率两方面的因素，15位和31位都能够满足要求。

3 M序列解扩处理

多个标签在应答读写器时需先经过同步。读写器端接收的是多个标签混合的数据。解码时将数据采样后与所有信道的M序列进行相关运算而解扩（如图4所示）。M序列族的选取在协议中已经约定好，读写器将此序列族进行了预存。标签数据需要经过n次相关计算，n为设定的所有信道数量[9]（如图3所示）。如果某个信道有标签应答时，相关运算结果数值比较大[10]，解扩成功。反之此信道没有标签应答时，该信道的序列与标签数据相关性非常低，此时的相关值不能达到预先设定的阈值。

3.1 同步信号捕获

标签回应读写器的信息是在读写器发送命令结束后75 μs。读写器在命令结束后75 μs前后一段时间内进行标签数据同步信号捕获，取70 μs~80 μs作为搜索区间较为合理。对其进行相关计算，并在区间结束时找出相关峰。如果最大值大于判决门限，那么定位成功，相关峰出现的位置就是标签应答数据的起始。因为相关峰可能出现在这个区间任意位置，相关峰的确定必须设在区间结束时。比如区间结束时经比较相关峰出现在72 μs，这时应答数据应从72 μs开始解扩，而72 μs～80 μs的数据已经丢失，因此需要将此区间的应答信息预存。

3.2 并行加法器实现解扩

读写器将接收到的扩频数据存储移位寄存器中，并在每个时钟信号到来时进行更新。本地M序列码元为“0”时，取值“1”与标签数据对应码元相乘；本地M序列码元为“1”时，取值“-1”与标签数据对应码元相乘。采用并行加法器实现此算法，各码元的取值设置为加法器的系数，如图5所示。将求和结果送入门限判决器进行判决，如果超过了设定阈值，就表明此数据为该M序列扩频的信道数据。如果未超过设定门限，则表明此数据不是该信道数据。

图5 读写器并行解扩

4 读写器设计方案

读写器的设计采用ARM和FPGA共同完成数字信号处理及实现协议，并控制模拟部分。模拟部分主要完成频率合成、功率控制、多路天线，载波抵消、数模转换和模数转换等功能，总体设计如图6所示：

图6 读写器设计方案

5 结论

将码分多址复用技术应用到RFID系统中，因为其扩频特性提高了抗干扰能力，由于正交特性使多个标签同时接入，从而提高了读取效率。移位M序列族良好的正交特性和灵活性等特点支撑了本方案的实现。此技术如果能够得到推动和应用，将在很大程度上缓解传统RFID系统中的标签冲突问题，为传统RFID发展带来了新的研究方向。在实际行业应用中，由于该技术目前还处于验证阶段，并行应答标签的同步问题仍需要合理的解决方案，才可进一步推动行业的发展。