维特比解码算法在超高频RFID中的应用

王爽

摘 要：射频识别是一种非接触式信息获取和识别技术。随着超高频（UHF）射频识别（RFID）技术在生产管理和物流管理中的广泛应用，人们对其接收机的灵敏度要求也越来越高。接收机数字基带中解码器的误码率（BER）性能直接影响其灵敏度。为了降低解码器的误码率，该文将一种广泛应用于卷积码中的维特比解码算法移植应用于FM0编码的解码算法中，利用FM0编码的记忆性，实现前向纠错解码。仿真表明，在相同的误码率时，该解码器所需的信噪比相对于传统最优接收机结构有2 dB的优势。

关键词：射频识别 接收机 维特比 纠错解码

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（b）-0199-02

随着超高频（UHF）射频识别（RFID）技术在生产管理和物流管理中的广泛应用，人们对其接收机的灵敏度要求也越来越高。接收机数字基带中解码器的误码率（BER）性能直接影响其灵敏度。

射频识别是一种非接触式信息获取和识别技术。固定或手持的接收机与附着于物品上的标签之间通过射频信号进行通信，由接收机对标签携带的物品信息进行读取和识别。该通信技术具有稳定性高，距离远，自动化程度高等特点，广泛应用于生产和物流管理等领域中。在接收机与标签的通信过程中，接收机的灵敏度直接决定了通信距离和稳定性。为了提高接收机的灵敏度，需要对接收机数字基带中的解码器进行优化，降低其误码率。

维特比解码算法是一种用于卷积码解码的算法，利用卷积码编码时的码间约束，以多个码元波形对某一码元进行最大似然译码。而在超高频RFID中，接收机接收到的由标签返回的信号采用FM0编码方式。FM0编码方式与卷积码的共同特性是都具有记忆性，因而都可以利用维特比解码的思想来进行解码。该论文提出了一种将维特比解码思想移植应用于FM0解码中的方法，实现对FM0编码的前向纠错解码。

1 解码器算法设计

FM0是一种双相间空编码方式，图1所示为其4种基本波形，分别视为4个编码状态S1-S4[1]。数据0和数据1各有两种互为反向的基本波形。任意两个相邻数据编码后在码元交界处必须进行一次相位翻转，从而每一个编码后的码元波形由前一个码元以及自身数据决定，即FM0编码具有同卷积码类似的记忆性。

该文所设计的解码算法将利用4种理想基本波形与每个接收到的码元进行相关。将获得的4个相关值进行多位量化，与其理想值进行比较从而获得用于分支度量的欧几里得距离。基于此距离维特比算法在FM0解码中得以移植应用。

图2展示了维特比算法在FM0解码中的运算流程。当单个码元接收结束时，解码器将首先获取当前码元与4种理想波形的相关值，并将4个相关值进行软判决量化。将量化值与理想量化值做差，获得该码元与理想波形的欧几里得距离。然后，对每个可能的编码状态来说，都有两条路径通向此状态。选取这两条路径中上游状态的累积距离较小的路径作为该状态的幸存路径。选择幸存路径完成后，用该路径上游状态的累积距离与当前码元的欧几里得距离相加，从而对该状态进行累积距离的更新。从更新后的累积距离中选取最小值，以该累积距离最小的状态为起点，沿幸存路径进行固定长度的回溯译码。每经过一次数据1导致的状态跳转则译码为1，每经过一次数据0导致的状态跳转则译码为0。当回溯译码达到所需深度时，当前码元的译码输出即为该码元的最大似然译码结果。

2 性能仿真与分析

为了衡量维特比算法应用于FM0解码时的性能，该文在Matlab软件平台上进行了误码率仿真。在理想FM0编码波形中加入一定強度的高斯白噪声来产生测试波形，并与同类文献以及传统理想接收机结构进行性能对比，如图3所示。

图3中文献[2]采用边沿检测方法进行解码，该解码算法对于较强的噪声非常敏感，因而在信噪比较弱时性能较差。最优接收机结构能够较好地抵抗噪声，但是忽视了FM0编码中不同码元之间的联系，不能充分利用接收到的信号携带的所有信息。维特比算法能够充分利用FM0编码的记忆性，因此获得了更好的性能。相比于传统最优接收机结构，在相同的误码率时，维特比算法有2 dB的信噪比优势。

3 结语

该文设计了一种应用于UHF RFID接收机中的维特比解码算法。将维特比思想移植应用于FM0编码的解码算法中，利用FM0的记忆性来实现纠错解码，降低误码率。仿真表明，在相同的误码率时，该解码算法所需的信噪比相对于传统最优接收机结构有2 dB的优势。

参考文献

[1] EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 MHz -960 MHz Version 2.0.0[Z].

[2] C. Angerer and M. Rupp， Advanced synchronization and decoding in RFID reader receivers[J].Radio and Wireless Symposium（RWS），2009：59-62.