基于EPC C1 G2协议的超高频RFID建模与仿真

邱秀清

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥 230088)

引 言

射频识别技术(RFID)是一种非接触的自动识别技术[1]。2007年 VDC(Venture Development Corporation)在全球RFID行业规划中国版研究报告中指出：RFID伴随着巨大推动力并以一种前所未有的方式登陆中国,得到了政府项目的广泛支持以及越来越多全球制造商的积极拥护。中国的RFID运动已经顺利完成强力起始阶段,并有可能在未来五年内保持高速发展[2]。

RFID由于载波频段不同,可以划分为低频(30～300 kHz)、中频(300 kHz～ 3 M Hz)、高频(3 ～ 30 M Hz)和超高频(300 MHz～3 GHz)。其中,超高频(UHF)频段的有效作用距离最大,可以达到8～20 m,可广泛应用于商业物流和交通运输领域。

超高频射频识别系统的协议目前有很多种,主要可以分为两大协议制定者：一是ISO(国际标准化组织);二是EPC Global。ISO组织目前针对UHF频段制定了射频识别协议ISO 18000-6,而EPC Global组织则制定了针对产品电子编码超高频射频识别系统的标准。其中,EPC UHF Class l Generation2(EPC Cl G2)已逐步成为物流管理方面的主流标准,同时还被采纳为ISO/IEC18000-6C标准[3],是当前最新的标签与读写器通信协议。本文重点分析了EPC C1 G2标准下的数据编码方式,同时,利用Matlab/Simulink[4]工具对EPC C1 G2标准下的 UHF RFID系统的发送链路和接收链路进行了建模和仿真。

1 发送链路的建模和仿真

1.1 发送链路编码[5]

发送链路采用PIE编码,如图1所示。其中,Tari为读写器对标签发信的基准时间间隔,是数据 0的持续时间,其值可以采用6.25～ 25 μ s 的任意值(一般推荐选择 6.25 μ s、12.5 μ s或者 25 μ s);PW(脉冲宽度)可以采用 0.265Tari～0.525Tari的任意值 。若取 Tari=25 μ s,PW=0.5Tari,数据1的周期T1=2Tari,则数据0及数据1的PIE编码格式如图2所示。

图1 Gen 2协议下的PIE符号

图2 仿真系统中设定的PIE编码格式

1.2 发送链路系统框架[6-7]

图3为搭建的发送链路框架,包括PIE码产生、升余弦滤波、希尔伯特变换、调制深度控制、量化、滤波、上变频和放大器等模块。其中,PIEcode模块通过在Matlab下编写S函数来实现[4]。

图3 发送链路框架

1.3 发送链路仿真结果

在搭建的发送链路框架下得到的仿真结果如图4～图6所示。数据源发送的伪随机PIE码如图4所示,经过升余弦滤波以后的波形如图5所示。

图4 数据源发送的伪随机PIE码

图5 经过升余弦滤波以后的波形

发送的双边带幅度调制信号如图6所示。图6(a)和图6(b)调制深度分别为30%和100%的结果。

2 接收链路的建模和仿真

2.1 后向链路编码[5]

2.1.1 FM0后向链路编码

图6 发送的双边带幅度调制信号

FM0编码又称“双相间隔码编码”,即：若信号在一个周期内未发生跳变,则表示二进制1;若信号在一个周期内发生跳变,则表示二进制 0。具体编码方式如图 7所示。在数字信号为100110的情况下,可具有两种编码输出：001010110010和 110101001101。

图7 数字信号与FM0编码比较

2.1.2 Miller调制副载波

Miller调制副载波也是标签到读写器通信时可选的数据编码方式之一。Miller编码规则是逻辑“0”的电平和前位有关,而逻辑“1”虽然在位中间有跳变,但是上跳还是下跳取决于前位结束时的电平。数据101100011010的Miller编码如图8所示。不同于基带FM0编码之处是,基带Milier编码仅在2个连续符号0间才发生相位翻转,其他数据符号组合(01/10/11)不发生相位翻转。

图8 数据 101100011010的 Miller编码

2.2 接收链路系统框架[6-7]

图9为搭建的接收链路系统框架。在接收链路的搭建中,发射机先发送一个无调制的载波来激活标签,接收链路采用FM0编解码模块。由于具有滞后性,引入一个位延时。另外,由于Free Space Path Loss模块要求的输入为complex型,因此在其前端引入了一个Product模块,用于将输入的Double信号转换为Complex。在其后端引入了Complex to Real-Image模块进行反转换。这种巧妙的设计解决了模块信号类型的不匹配问题。

图9 接收链路系统框架

2.3 接收链路仿真结果

图10 原始输入信号以及进行FM0编码和解码以后信号

图11 接收波形

图10给出了原始输入信号以及进行FM0编码和解码以后的信号。图11(a)、11(b)分别为阅读器和标签距离1 m和5 m的接收波形。

[1]曾少林,易灵芝,王根平,等.高级加密标准算法在RFID数据安全中的应用[J].计算机测量与控制,2007,15(6)：792-793.

[2]VDC：中国 RFID 市场白皮书.[2010-03].http：//www.rfidinfo.com.cn/Tech/d111_1.html.

[3]张晖,王东辉.RFID技术及其应用的研究[J].微计算机信息 ,2007(11)：252-254.

[4]王正林,王胜开,陈国顺,等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].2版.北京：电子工业出版社,2008.

[5]EPC Radio-Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocol for Communications at 860 M Hz～960 M Hz.Version 1.0.9,2005.

[6]Jin Li,Cheng Tao.Analysis and Simulation of UHF RFID System[C].ICSP 2006 Proceedings,Guilin,2006.

[7]韩益锋.射频识别阅读器的研究与设计[D].上海：复旦大学,2005.