目前，我們在超市購物付款時，只需一個標(biāo)識符就可以快速知道價格，而不是以前的算盤或計算器，加快了付款速度，是顧客的好去處。射頻識別(RFID)技術(shù)是一種自動識別技術(shù)。每個目標(biāo)對象對應(yīng)于射頻卡閱讀器中唯一的電子識別碼(UID)或“電子標(biāo)簽”。標(biāo)簽貼在物體上以識別目標(biāo)物體，如紙箱、貨盤或包裝箱。RFID閱讀器(應(yīng)答器)從電子標(biāo)簽中讀取識別碼。

基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成:天線或線圈、帶有RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標(biāo)簽(每個標(biāo)簽都有唯一的電子識別碼)。表1顯示了四種常用的RFID頻率及其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，超高頻是目前商業(yè)上應(yīng)用最廣泛的，在供應(yīng)鏈管理上也有可能廣泛應(yīng)用。

EPC電子標(biāo)簽

EPC代表電子產(chǎn)品代碼，是RFID電子標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)。它包括電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和無線通信協(xié)議。EPC標(biāo)準(zhǔn)將條形碼規(guī)范中的數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)與ANSI或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的無線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)(802.11b)相結(jié)合。目前供應(yīng)鏈管理中使用的EPC標(biāo)準(zhǔn)屬于第二代EPC Class-1標(biāo)準(zhǔn)。

一級標(biāo)簽已經(jīng)在工廠寫好了，但是也可以現(xiàn)場下載。通常，一旦標(biāo)簽被寫入，存儲器被鎖定，并且沒有信息可以被再次寫入。Class-1標(biāo)簽采用常規(guī)的數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議——讀卡器發(fā)送包含相關(guān)命令和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，然后標(biāo)簽做出響應(yīng)。

讀卡器應(yīng)用環(huán)境不良

RFID的應(yīng)用環(huán)境可能非常惡劣。該信道的工作頻率是免執(zhí)照的工業(yè)、科學(xué)和制藥(ISM)頻帶。該頻段的RFID閱讀器會受到無繩電話、無線耳機、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和其他附近閱讀器的干擾。每個讀卡器的RF接收器前端必須設(shè)計為能夠抵抗強干擾信號，并避免可能導(dǎo)致查詢錯誤的失真。接收器的噪聲必須保持在低水平，以便具有足夠的動態(tài)范圍來以無誤差的方式檢測低水平標(biāo)簽響應(yīng)信號。

圖1所示的讀寫器射頻收發(fā)機是一種成熟的設(shè)計，可以在有大量干擾源的惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。并且發(fā)射機和接收機都配備有高動態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器，從而最大化穩(wěn)定性并降低成本。

以及實用和可靠的RF接收器設(shè)計。

接收機的核心是Linear公司的LT5516，它是一種高度集成的直接變頻正交解調(diào)器。芯片上提供一個精確的正交移相器(0-90度)。通過射頻濾波器后，來自天線的信號通過不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口。由于LT5516的噪聲系數(shù)非常低，所以在沒有低噪聲放大器(LNA)的情況下，它仍然可以保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。

當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，讀卡器發(fā)射連續(xù)的載波(未調(diào)制)為標(biāo)簽供電。接收到請求后，電子標(biāo)簽通過對載波進行幅度調(diào)制來響應(yīng)碼流。采用的調(diào)制模式是幅移鍵控(ASK)或反幅移鍵控(PR-ASK)。該解調(diào)器有兩個正交的相移檢測輸出端口，因此具有天然的分集接收功能。如果一個通道由于多徑或相位抵消而無法接收信號，則另一個通道(相移90度)可以接收到更強的信號，反之亦然。這樣，提高了整體接收可靠性。

解調(diào)完成后，I(同相)和Q(正交相位)差分輸出信號可以交流耦合至運算放大器(配置為差分放大器)，然后轉(zhuǎn)換為單端輸出信號。此時高通角頻率應(yīng)設(shè)置為5KHz，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號頻率，高于最大多普勒頻率(運動標(biāo)簽可能會采用)，同時保持高于電力線頻率(60Hz)。這樣，通過使用配置為四階低通的LT1568，輸出信號可以平滑地通過低通濾波器。低通角頻率應(yīng)設(shè)置為5MHz，這樣最大的碼流信號可以通過濾波器到達基帶。

然后，基帶信號由雙通道低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(LTC2291，分辨率12位)數(shù)字化。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz到5MHz，所以LTC2291可以以25MSps的速率完全采樣，從而準(zhǔn)確捕獲解調(diào)后的信號。必要時，可以在基帶DSP中實現(xiàn)額外的數(shù)字濾波。這樣，接收機在設(shè)置邏輯閾值時可以有最大的靈活性，這可以由基帶處理器以數(shù)字方式執(zhí)行。

基帶任務(wù)和數(shù)字RF信道化處理可以提高所有FPGA解決方案的吸引力和集成度。

高動態(tài)范圍射頻發(fā)射機的設(shè)計

發(fā)射機集成了鏡像抑制直接變頻調(diào)制器。LT5568具有高線性度和低背景噪聲，因此可以為傳輸信號提供出色的動態(tài)范圍性能。該調(diào)制器可以從數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)接收正交基帶I和Q信號，然后將它們直接調(diào)制到900MHz傳輸頻率。

在內(nèi)部，LO(本地振蕩器)由精密正交移相器分頻。調(diào)制后的RF信號合并成一個單端、單邊帶RF輸出信號(鏡像被46dBc抑制)。此外，調(diào)制器配有匹配的I和Q混頻器，以便最大限度地抑制LO載波信號(to -43dBm)。

復(fù)合調(diào)制電路具有優(yōu)良的鄰信道功率比(ACPR)，有助于滿足傳輸頻率屏蔽的要求。例如，當(dāng)調(diào)制器的RF輸出電平為-8dBm時，ACPR指數(shù)優(yōu)于-60dBc。憑借更好的ACPR性能，信號可以放大到1w(在美國為+30dBm)的允許功率，或者放大到2w以滿足歐盟規(guī)范。在上述兩種情況下，保持電平固定是很重要的，因為電平是用來給電子標(biāo)簽供電，使讀取距離最大化的。LTC5505射頻功率檢測器的內(nèi)部溫度補償功能可以精確測量功率，并提供穩(wěn)定的反饋信號來調(diào)整射頻功率放大器的輸出功率。

基帶處理和網(wǎng)絡(luò)接口

在基帶頻率下，F(xiàn)PGA執(zhí)行發(fā)送到DAC和來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的波形的信道化任務(wù)。這一過程也稱為數(shù)字中頻處理，涉及濾波、增益控制、頻率轉(zhuǎn)換、采樣速率變化等。FPGA甚至可以并行處理多個通道。

圖2示出了RF讀卡器的體系結(jié)構(gòu)。其他基帶處理任務(wù)包括:

導(dǎo)頻場檢測

分類估計

以及調(diào)制和解調(diào)(ASK、頻移鍵控和相移鍵控)

信號生成

相關(guān)器處理

峰值檢測和閾值設(shè)置

CRC糾錯和校驗和

編碼和解碼(NRZ、曼徹斯特、單極性、差分雙極性和米勒)

幀檢測

ID解擾

安全加密引擎

接收到的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)可以通過串口或網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)狡髽I(yè)系統(tǒng)服務(wù)器。這種傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)正逐漸演變成高級分布式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的一部分。在這個網(wǎng)絡(luò)中，射頻卡閱讀器將負責(zé)管理相鄰的標(biāo)簽。在這種情況下，射頻卡閱讀器就像電子標(biāo)簽和連接到企業(yè)軟件系統(tǒng)的智能分布式數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)關(guān)。

根據(jù)硬件/軟件功能劃分的不同，這些基帶任務(wù)可以在FPGA、DSP或兩者上完成。XIX公司推出了IP內(nèi)核套件，包括FIR、CIC、DDS、DUC、DDC、比特相關(guān)器、正弦/余弦LUT等。這些邏輯電路非常適合執(zhí)行加密引擎的任務(wù)(加密引擎采用移位寄存器和異或)。對于Xilinx？VirtexTM-4系列DSP48引擎非常適合其他信號處理任務(wù)。

基帶處理器負責(zé)控制各種基帶處理任務(wù)的功能和調(diào)度，還負責(zé)鏈路層協(xié)議。這些基帶處理任務(wù)包括跳頻、發(fā)送前監(jiān)聽、防碰撞算法處理等等?；鶐幚砥鬟€提供以太網(wǎng)、USB和固件等接口。

基帶任務(wù)和數(shù)字RF信道化處理可以提高所有FPGA解決方案的吸引力和集成度。FGPA功能、DSP功能和基帶處理功能都可以集成到具有嵌入式處理器的FPGA中。

圖3示出了基于FPGA的RFID處理器的架構(gòu)。嵌入式處理器可以是硬核(例如Virtex-4 FX產(chǎn)品系列中使用的PowerPCTM)、軟核(例如SpartanTM設(shè)備中使用的MicroBlazeTM)，甚至是PowerPC和MicroBlaze的組合。用戶可以將內(nèi)置的硬以太網(wǎng)MAC(EMAC)連接到外部以太網(wǎng)物理層，然后連接到以太網(wǎng)。此外，用戶還可以使用Lite以太網(wǎng)MAC IP進行10/100-BaseT。

PowerPC/MicroBlaze嵌入式處理器執(zhí)行以下任務(wù):

EPC數(shù)據(jù)處理

協(xié)議處理

查詢調(diào)度

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口

控制和監(jiān)測

調(diào)制解調(diào)器控制

升級代理

HTTP服務(wù)器

SNMP/MIB處理

XIX千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)參考設(shè)計(GSRD)是一個基于EDK的參考系統(tǒng)，可以在基于TCP/IP的協(xié)議接口和用戶數(shù)據(jù)接口之間搭建一座高性能的橋梁。GSRD的組件具有滿足TCP/IP系統(tǒng)的每比特和每分組成本要求的功能。

Xilinx還為蒙他Vista Linux和Treck堆棧提供排放性能基準(zhǔn)。由Xilinx Platform Studio (XPS)微處理器庫定義的Nucleus PLUS RTOS為采用MicroBlaze和PowerPC處理器的系統(tǒng)帶來了新的優(yōu)勢。Nucleus PLUS RTOS的尺寸非常小，這意味著它可以利用芯片上的現(xiàn)有內(nèi)存，從而最大限度地降低功耗并提高性能。此外，廣泛的中間件使Nucleus PLUS RTOS成為RFID后端網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

使用XilinxCoolRunnerTM-II CPLD，手持射頻卡讀卡器可以連接到硬盤驅(qū)動器、QWERTY鍵盤、可移動硬盤接口、各種顯示設(shè)備和其他計算機外圍設(shè)備(如圖4所示)。這些CPLD還可以幫助應(yīng)用處理器，滿足低功耗、高性能和更小芯片封裝的要求。

結(jié)論

在未來，射頻卡讀卡器很可能具有前端DSP功能，如射頻協(xié)議處理?，F(xiàn)在這些功能都是在獨立的DSP中處理的，未來很有可能集成在FPGA中。嵌入式軟處理內(nèi)核可以顯著提高DMIPS/MHz性能。在不久的將來，更高版本的處理內(nèi)核將取代控制讀卡器應(yīng)用的后端外部處理器，以便在可編程邏輯的幫助下，最大限度地提高射頻卡讀卡器設(shè)備的靈活性，并最小化其成本。

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