1 引言

　　無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)，是一種利用無線射頻方式在閱讀器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。典型的RFID系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽、讀寫器和后臺管理計(jì)算機(jī)3部分組成。RFID的性能受到產(chǎn)品材質(zhì)、傳輸帶速率、交互方式、 標(biāo)簽粘貼位置等多種因素的影響。所以就需要對RFID的性能進(jìn)行測試，保證RFID的產(chǎn)品質(zhì)量。

　　RFID 的基帶頻率偏差就是其中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容。電子標(biāo)簽返回的高頻信號被天線接收后，經(jīng)過放大、解調(diào)等步驟后得到的信號稱為基帶信號。對運(yùn)用微計(jì)算機(jī)測量基帶信號的頻率測量進(jìn)行了探討。對于基帶信號的解碼方法主要有二元序貫檢測和相關(guān)檢測，然而對于如何確定基帶信號的頻率偏差相關(guān)文獻(xiàn)較少。

　　2 基帶信號特點(diǎn)

　　與其他無線通信系統(tǒng)相比，RFID 有其自身的特點(diǎn)。首先基帶數(shù)據(jù)采用FM0 編碼，如圖1 所示。數(shù)據(jù)速率可以在40k~640kbps 連續(xù)變化且最大允許頻偏為22%。但是在不同數(shù)據(jù)速率和不同溫度下，RFID 標(biāo)準(zhǔn)對于頻偏有不同要求。其次，由于標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)必須以圖2 所示的前同步碼開始，而前同步碼只有6 個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度過短而無法實(shí)現(xiàn)頻率同步。上述特點(diǎn)都給頻率偏差檢測設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)大的困難。

　　3 頻偏測量方法

　　本文總體思路如下：①.首先對采樣信號進(jìn)行FIR 濾波②.通過相關(guān)運(yùn)算捕捉前同步碼,解碼數(shù)據(jù)，并預(yù)估頻偏的大致范圍。③對于濾波前的基帶采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)抽取，構(gòu)造波形。④通過FFT 確定頻偏。功能模塊見圖3。為了方便討論，假設(shè)過采樣速率為8;高電平用1 表示，低電平用-1 表示;S 表示采樣點(diǎn)序列;D 表示FM0 解碼序列;S[i:j]≡1 表示序列S 中從i 到j(luò) 的數(shù)據(jù)全為高電平;S[i:j]≡-1 表示序列S 中從i 到j(luò) 的數(shù)據(jù)全為低電平。用L 加下標(biāo)表示序列的長度。

　　3.1 FIR 濾波器

　　介紹了幾種頻率檢測的方法，文獻(xiàn)中認(rèn)為IIR 濾波器是一個非常適當(dāng)且高效的濾波器，但是采用FIR 濾波器。考慮到IIR 濾波器的自激振蕩問題，采用FIR 濾波器。其幅頻響應(yīng)如圖4 所示。

　　3.2 相關(guān)-解碼器

　　由于RFID基帶信號通常采用FM0編碼。且前一數(shù)據(jù)和后一數(shù)據(jù)之間必然存在電平跳變。即如果前一數(shù)據(jù)以高電平結(jié)束，下一數(shù)據(jù)則以低電平開始;如果前一數(shù)據(jù)以低電平結(jié)束，下一數(shù)據(jù)則以高電平開始。通過前同步碼的相關(guān)(公式(1))完成數(shù)據(jù)起點(diǎn)的捕捉，考慮FM0編碼的正交性(公式(2))完成數(shù)據(jù)解碼。設(shè)求得的數(shù)據(jù)起點(diǎn)為k，結(jié)束點(diǎn)為e。解碼后數(shù)據(jù)序列為D，假設(shè)D 的長度為LD。由前同步碼的相關(guān)與門限的比較得到頻偏范圍R1。由k、e 得到預(yù)估頻偏R2 ，其中R2 使得

　　最小。

　　3.3 存儲矩陣

　　存儲矩陣存儲不同頻率偏差o 下的基帶采樣點(diǎn)數(shù)序列To 和采樣數(shù)據(jù)序列S,采樣點(diǎn)數(shù)序列To 是由頻偏為o%時的基帶FM0 全0 編碼通過ADC 得到。

　　3.4 數(shù)據(jù)抽取器

　　對于采樣數(shù)據(jù)S,如果有S[PO[i]:PO[i+1]-1]≡1, S[PO[i+1]: PO[i+2]-1]≡-1(PO 序列構(gòu)造算法附后)。可對序列S 進(jìn)行如下抽取：

　　對于其余的采樣數(shù)據(jù)S,如果有S[P[i]: P[i+1]-1]≡-1, S[P[i+1]: P[i+2]-1] ≡1。可對序列L 進(jìn)行如下抽取：

　　注：z 表示用S 中的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊。

　　考慮前同步碼以高電平結(jié)束，則有初始電平 e=-1,設(shè)i=1。由此得到序列F 的抽取算法：

　　A. If(i<=PO L -2)轉(zhuǎn)B, 否則結(jié)束。

　　B. 如果 e=1，根據(jù)Po[i]、Po [i+1]、Po [i+2]參考公式(3)構(gòu)造a。如果e=-1，根據(jù)Po[i]、Po[i+1]、Po[i+2]參考公式(4)構(gòu)造f。轉(zhuǎn)C

　　C. F=[F f], i=i+1，e= -e。轉(zhuǎn)A。

　　注：F=[F f],,表示將序列f 添加在F 的后面，構(gòu)成新的序列F。通過上述思路，將基帶采樣信號抽取為余弦信號的4 倍抽樣。對于不同頻率偏差o 下的Po 序列，可由序列To、解碼序列 D 及數(shù)據(jù)起點(diǎn)k 得到。假設(shè)序列D 的第一個數(shù)據(jù)D1=1，Po[1]=k, Po[2]= Po[1]+To[1]+To[2];如果D1=0，則有Po[1]=k，Po[2]= Po[1]+To[1]，Po[3]=Po[2]+To[2]。由此得到Po 序列構(gòu)造算法：

　　A. P[1]=k，i=2，j=1。

　　B. If(j> LD)結(jié)束。如果D[j]==1，轉(zhuǎn)C,否則轉(zhuǎn)D。

　　C. Po[i]=Po[i-1]+To[2j-1]+To[2j],i=i+1。轉(zhuǎn)E。

　　D. Po[i]=Po[i-1]+To[2j-1], Po[i+1]=Po[i]+To[2j],i=i+2。轉(zhuǎn)E

　　E. j=j+1 轉(zhuǎn)B。

　　3.4 頻譜分析

　　假設(shè)真實(shí)頻偏為r,實(shí)際數(shù)據(jù)起點(diǎn)為a。以a-1、a、a+1 為數(shù)據(jù)起點(diǎn)，以r-1%、r、r+1%為參考頻偏，其抽取序列的頻譜如圖5 所示。頻譜計(jì)算見公式(5)，其中FFT(F)表示對序列F 進(jìn)行

　　點(diǎn)FFT 變換。

　　由上述頻譜結(jié)果可知，頻譜存在如下特點(diǎn)：①.頻譜

　　在處存在峰值。即序列F由

　　No為環(huán)境噪聲; ②.以 r 為參考頻偏、a 為參考起點(diǎn)構(gòu)造序列，

　　且平均噪聲密度?最小，

　　計(jì)算見公式(6)，定義見公式(7);③如果參考頻率不等于真實(shí)頻率，則在點(diǎn)

　　處功率譜密度較大且?較大。可以根據(jù)上述特點(diǎn)進(jìn)行頻偏確定。

　　考慮譜線分裂現(xiàn)象，用

　　代替理論上的

　　為參考頻偏，判決門限

　　構(gòu)造波形的運(yùn)算量為加法運(yùn)算，且復(fù)雜度為o(LD),而FFT 乘法運(yùn)算量為o(NLogN),且有

　　。所以運(yùn)算量主要由FFT 決定。由以上分析，得到思路如下：

　　A. 以R2 為參考頻偏、k為參考起點(diǎn)，構(gòu)造波形，進(jìn)行功率譜密度分析。如

　　確定R2 為頻偏;否則轉(zhuǎn)B。此時運(yùn)算量1 個FFT。

　　B. R2 為參考頻偏、k-1、k+1 為參考起始點(diǎn)，構(gòu)造波形，進(jìn)行功率譜密度分析，如

　　確定R2為頻偏;否則轉(zhuǎn)C。此時運(yùn)算量3個FFT。

　　4 仿真結(jié)果及結(jié)論

　　以加性高斯白噪聲為噪聲壞境，得到仿真結(jié)果如圖所示。圖6 為測量準(zhǔn)確率與信噪比的關(guān)系，圖7 為運(yùn)算量與信噪比的關(guān)系。測量長度為110 個FM0 碼，運(yùn)算量的單位為一個FFT 運(yùn)算即nlogn 次乘法運(yùn)算。圖8 為不同信噪比下準(zhǔn)確率與測量長度的關(guān)系。本文通過對RFID 基帶信號頻率偏差檢測的為研究對象。對于RFID 的基帶采樣信號，首先低通濾波，通過相關(guān)運(yùn)算捕捉數(shù)據(jù)起點(diǎn)并完成數(shù)據(jù)解碼;從而確定頻偏的大致范圍;最后基帶采樣信號的適當(dāng)抽取，構(gòu)造波形進(jìn)行FFT 變換確定頻偏。根據(jù)仿真結(jié)果，在測量長度大于90 時，測量結(jié)果可以達(dá)到99%以上，SNR>6dB 時，運(yùn)算量大概在(4~6)個FFT 運(yùn)算。如何降低運(yùn)算量并減少測量長度仍然是一個值得研究的方向。