1 引言
超高频RFID系统空中接口标准包括ISO/IEC 系列，F2C数字接收器可以实现软件升级和多协议支持。与模拟接收器相比，它具有调试方便、应用灵活的优点，因此广泛应用于超高频珊读写器中。提高超高频RFID读写器的读取效果一直是近年来研究的重点。经过详细的分析和实验验证，本文提出了相关问题的解决方案。
超高频RFID根据目前的主要原理，读写器采用反向散射原理与标签完成通信UHF空段空气接口标准ISO/IEC 18000-6C，标签在无源状态下以同频半双工通信。通信的基本过程是读写器使用振幅移动键控(ASK)通过调制载波，在特定频率的信道上将信息发送到一个或多个标签。读写器还需要发射CW载波，在指定时间内等待标签响应。
零中频架构具有不需要中频环节、降低功耗、降低电路复杂性、调试方便等优点。RFID数字接收器的电路框图如图1所示。从天线接收的射频信号通过环行器直接进入下变频器，转换的基带信号通过LNA放大和低通滤波器输出两种方式I、Q基带信号交给基带进行数字信号处理。
图1 零中频RFID数字接收机电路框图
读写器的通信效果受发射机输出功率、接收机灵敏度、接收天线增益、接收隔离度、标签功耗、标签天线增益、环境条件等参数的影响。其中，发射端 最大有效的全向发射功率(EIRP)受国家无线电发射设备控制，收发隔离度受环行器等设备隔离度限制(一般只能达到25dB)，参与标签、天线和环境 在一定条件下，接收器的性能对读写器的整机性能起着决定性的作用。
2 分析接收机性能影响因素
超高频RFID读写器接收器还需要发射机发出无调制载波。接收机接收标签反射信号、天线噪声、环境反射、发射机直接耦合、接收 机器本身的噪音等。读写器的工作距离主要取决于读写器中标签反向散射信号的解调输出是否能满足最低信噪比的要求。根据文献 [3]读写器决定的最大工作距离可以用以下公式标记：
其中，C自由空间中电磁波的传播速度，ω是电磁波信号的角频率，Г标签功率反射系数，ξ是收发隔离系数，GR读写器天线增益，Gt是标签天线 分母中的增益Ppn表示本振单侧带通带内相位噪声功率，可计算本振已知相位噪声数据或使用频谱分析仪(SPA)获得直接测量。分子中的 PDATA表示标签二进制数据序列示标签二进制数据序列，可通过数值计算获得。根据公式，当标签参数、天线增益、收发隔离等参数确定时，读写 接收器的工作距离取决于接收器的信噪比性能(SNR)，特别是相位噪声和降噪处理效果。
环境折射干扰和相位噪声主要在载波频率附近，变频后为低频噪声；普通高频噪声混合在基带信号上。在密集读写器模式下，接收器的带宽需要控制在一定范围内，以避免读写器之间的相互干扰。因此，需要对基带信号进行带滤波处理，以提高其信噪比。
由于接收器中本振动、发射机泄漏、环境反射等信号耦合到混频器输入端，直流偏移是零中频结构的一种独特干扰。读写器收发同频导致直流偏移 大于常规接收机，常见工作距离只有3—5米，载波泄漏也受天馈和环境的影响，直流偏移有时会。直流偏移不仅破坏了后电路的直流工作点，而且影响了 放大滤波电路的线性性能使信噪比变差。在环行器的单天线设计中，环行器的隔离度有限，导致发射泄漏到接收端的强度高，直流偏移问题更严重，直流偏移 由环境折射引起的振幅相位干扰、本振相位噪声、ADC定量噪声可以降低接收器的信噪比，提高其性能。除了改进模拟射频电路外，还必须改进基带信 在数字处理算法中采取相应措施。
3 基带数字信号处理
为了保证解码的正确完成，基带数字信号处理需要消除噪声和干扰，并以适当的方式完成ASK信号判断。关键处理措施包括：过采样和滤波、直流偏移校正、数据解码等。
3.1 采样过滤
根据奈奎斯特采样定理，为了使采样信号恢复到原始连续信号，采样频率应至少大于信号最高频率的两倍。过采样是在奈奎斯特频率的基础上，将采样频率提高到过采样倍律的水平。过采样可以降低有效带宽内量化噪声的功率，提高信噪比，相当于增加ADC通过采样获得的分辩率和数据可以使用CIC提取滤波器，将数据率恢复到正常水平，然后再级联FIR滤波器带滤波器，进一步降低噪声功率，提高信噪比。
一般码率为250kbps的ASK以标签返回信号为例，可以和解ADC芯片性能配合，采样系数为40，采样速率为20MSI抽取后的码率设定为回发数据码率的8倍，即2Mbps，CIC滤波级为3。
FM0编码的大部分信号功率在第10点以内。通常，第10点的带宽位置是通信速率的2倍。添加时钟抖动后，第10点的最大带宽可达到通信速率的2.5倍。因此，设置低通量截止频率为650kHz;考虑到同步头的V特征点，高通公司的截止频率可160kHz，以便在有限的资源条件下尽可能过滤带外噪声。图2为带通滤波器的振幅特性曲线。
图2 带滤波器的振幅频特性曲线
3.2 直流偏移校正
直流偏移的电路硬件处理方法包括：交流耦合、载波消除、谐波混合频率、自校正补偿等，其中谐波混合频率处理和自校正补偿方法较为复杂，效果有限。文献[4]提到了一种载波消除处理方法，需要在模拟射频和基带单元中增加补偿电路和软件，增加复杂性和成本，难以调试。文献[5]提到，信号直流部分可以通过电容交流耦合简单地过滤掉，以减少直流偏移的干扰。这种方法是所有方案中最简单、成本最低的，因此应用最广泛。
标签回发的数据帧同步头包括几个前导零加前同步码，基带程序只有在规定时间内检测到同步头后才能开始信息解码接收。虽然交流耦合可以减少信号过载 然而，由于读写器在紧急通信模式下工作，接收电路的阶跃响应特性会在同步头位置产生斜坡效应，这往往导致同步判断错误。为了处理斜坡，可以在基带信号处 理前中值校正，该方法只需跟踪收集的数据p-p其原理是：
上c是标定的ADC数据中值，i是数据序号，x(i)原始数据值，Y(i)表示该点的校正结果数据，n滑动窗的大小，j是滑动窗计算序号。
除部分数据头因失真无法恢复外，还可以以较小的计算成本恢复通信帧的同步头数据，从而减少直流偏移干扰对解码同步的影响。
3.3 数据解码
基带数据解码方法分为过零检测和相关检测。过零检测的工作原理是设置一个阀值，如果数据样本与中间值相比，数据缓冲区的每个数据样本 如果值的绝对值大于阀门值，且大于平均值，则判定为1，否则判定为0。由于该方法的实现简单易行，甚至可以使用比较器来实现判断，并在中低端读写器产品中使用 广泛。
相关检测具有更好的解码能力，在输入声音较差的使用环境环境下，可以达到远优于过零检测的性能FM0编码采用正交编码方式，满足：
在解码之前，需要提前创建数据数组S0和S1作为表示FMO编码0和1码元模板。根据公式输入数据S0和S运算结果表示输入信号与码元0和码元1的相关性。码元模板根据采样倍数设置分段长度，相关操作也以同样的方式进行。由于码元模板S0和Sl也是正交，所以哪个运算结果值大，说明输人数据代表哪个码元。因为允许标签返回信号±22%的频偏使得分段相关计算的起始位置难以定义。参考文献[6] 设计采用多组相关器同时计算的方法，占用FPGA资源较多。更好的方法是综合利用过零检测，间隔3-4个周期校正分段的起始位置，确保分段计算过程始终与信号周期同步，在不过度增加资源消耗的情况下仍能达到同样的效果。
4 验证及分析
基带的数字信号处理是基于上述分析设计样机验证平台的Altera CycloneII FPGA实现的功能包括完成ADC驱动、FIFO缓冲、CIC滤波及相关判断，协议流程的处理交由FPGA内嵌的软核CPU完成后，上述功能块按外设挂在软核上CPU内部总线。设计所有功能块Altera提供的标准IP库为基础。发射机天线端口输出功率30dBm，工作频率915MHz，使用7dBi圆极化天线，标签使用Alien公司产品。从天线8设置标签m，控制标签的回传率为250kdBs。
ADC采集的原始数据曲线如下图3所示（横轴为采样数，纵轴为采样数据值不同）。由于通信帧数据完整，仅提供包含同步头和同步码的I路前半部分数据及其处理结果。
图3 ADC收集的原始数据曲线
可以看出，除了所需的标签返回数据外，零中频接收模拟输出的数据帧同步头还混合了直流偏移干扰和高频噪声。p-p值仅为110，波形畸变严重，信噪较差。
经过CIC通过滤波器，可以得到图4中显示的曲线。此时，滤波器去除了混合噪声，波形变得更加光滑和整洁，更容易区分数据帧的同步头和数据位置。图中还显示了过零检测的解码曲线(位于图下下方，方波上方标了过零检测的0和1及其样本点数量；解码结果标记在下面。2B4 ：0，表示第2字节的第4位解码为0)，该算法在横轴坐标240左侧出现解码错误(1B5:1，码元0被判1)，表明处理畸变干扰的能力有限。
图4 直接过零检测解码的效果
同时，采用直流偏移校正和相关检测方法处理相同的数据，曲线和效果见图5。波形显示算法改善了同步头的解码效果。同时，横轴坐 标准240左侧正确解码(1B5:0)证明该算法仍然可以正确获得远程标签返回信号范围相对较小或标签信号中值波动EPC数据。
图5 直流偏移校正及相关检测解码的效果
5 结论
本文通过分析零中频架构超高频率RFID读写器数字接收机设计中的性能瓶颈明确了噪声干扰、直流偏移和解码问题的原因和解决方案。从基带数字信号处理的角度，在过采样滤波处理的基础上，给出直流偏移校正及相关解码等解决方案。经过测试验证，读写器可以稳定读取10m左右距离标签，能适应天馈和环境的变化，读取效果比市政府好常见的产品在现场更加稳定可靠。证明了提高读写器功能距离的设计要求。