CN102968649A - 一种基于开放式软件无线电平台的射频识别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，由开放式物理层处理模块、后台处理机和开放式硬件接口模块组成。开放式物理层处理模块的基带处理模块实现物理层信号的基带和中频信号之间的转换；AD/DA模块实现高速模拟/数字转换。后台处理机实现对本平台的配置和控制，并通过GUI界面显示标签信息以及MAC层和PHY层的信息。开放式硬件接口，实现本平台数据信号和控制信号的传输。本发明为射频识别(RFID)提供了一个能够在不同环境下灵活配置系统底层的低成本开放式平台系统。
Description
技术领域
本发明涉及射频识别系统，更具体而言，涉及使用一种开放式软件无线电平台来进行标签与读写器之间通信来的射频识别技术。
背景技术
射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)由RFID标签、RFID读写器和天线组成，其工作过程是：RFID读写器产生特定频率的电磁波并通过空间耦合的方式从天线发射出去，当RFID标签进入RFID读写器的读取距离时，RFID标签接收到查询信号并将RFID读写器发送的电磁波进行反向散射耦合后返回给RFID读写器。RFID技术已广泛应用于物流业及零售业等诸多领域，有效提高了管理效率，并大大节约了人力成本。但是，目前的RFID读写器都是黑盒测试系统，这种系统只提供有限的配置，缺乏自主处理信息的能力，只能将采集到的顶层信息传输到后台处理，不能够对RFID的MAC层和物理层进行观察或修改，缺乏灵活性，限制了应用范围。如现有技术中，2010年11月05日公布的“一种安全射频识别系统”(申请号：201010533310.1)就存在这样的问题。
近年来，软件无线电技术的出现为解决上述问题提供了思路。软件无线电(SoftwareRadio)，也称为软件定义的无线电(Software Defined Radio)，是基于软件定义的无线通信体系结构。软件无线电的基本思想是通过加载在通用化、标准化、模块化硬件上的开放体系结构，摆脱面向用途而完全依赖硬件的传统无线电设计思路，即通信协议的空中接口、频带等主要功能由软件来确定和完成，工作参数具有可编程特性，并且由软件提供操作、控制、管理和维护功能，而不用完全更换硬件。
软件无线电将模块化、标准化和通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来构成通用平台，通过在这种平台上加载模块化、通用化的软件，实现各种无线通信功能。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，全部可编程包括可编程射频(RF)波段、信道接入方式和信道调制，基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线。常用的软件无线电平台采用通用硬件(例如：商用服务器、普通PC)作为信号处理软件的平台，纯软件的信号处理具有很大的灵活性，可采用通用的高级语言(如C/C++)进行软件开发，扩展性和可移植性强。但是，通用硬件平台在处理速度、效率、体积、功耗以及实时性方面仍然比不上现场可编程门阵列FPGA和数字信号处理器DSP这样的专用硬件，且多为非开源系统。在专用硬件方面，FPGA相对DSP而言，速度快，能够更好的实现并行处理；功耗较低，具有可动态配置的灵活性，能够提高性能并节省资源。
发明内容
为了解决传统射频识别读写器不能处理底层信息的问题，本发明提出一种可编程、成本低的射频识别系统，基于软件无线电的基本思想，使用开放式软件无线电平台，不仅能够采集到的顶层信息传输到后台处理，还能够对RFID的MAC层和物理层进行观察或修改。
为实现上述发明目的，本发明一种基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，该系统由开放式物理层处理模块、后台处理机和开放式硬件接口组成。
开放式物理层处理模块，包括基带处理模块、AD/DA模块、射频收发模块和时钟模块。基带处理模块实现物理层信号的基带和中频信号之间的转换。AD/DA模块用于在不同的协议和标准中完成高频数字信号和中频信号之间的转换，将从天线接收下来的射频信号再次下变频输出模拟信号到通用AD模块输入端和把DA模块输出端的中频信号上变频成射频信号，并通过天线发射出去。射频收发模块，完成射频识别信号的调制，将查询信号发射到空间中，并接收RFID标签反向散射回来的信息，解调成模拟信号。时钟模块产生时钟信号，并通过时钟总线送至基带处理模块和射频收发模块。
后台处理机，实现对所述的开放式物理层处理模块的配置和控制，并将RFID的标签信息返回至GUI界面，同时显示MAC层和PHY层的信息。
开放式硬件接口，实现开放式物理层处理模块和后台处理机以及开放式物理层处理模块内部中的数据信号和控制信号的传输。
进一步地，开放式物理层处理模块中的射频收发模块将RFID标签反向散射回来的信息接收下来，通过开放式硬件接口将的MAC层和PHY层反馈给后台处理机，并将结果通过GUI界面显示出来。用户可以通过GUI界面，直观地了解到MAC层和PHY层，并在此基础上进一步提高射频识别的准确率和读取速度。
本发明为射频识别的研究提供了一个的功能强大的可配置的开放式平台，开放式物理层处理模块和后台处理机提供了强大的运算能力；开放式基带处理模块、开放式接口模块和后台处理机的可重构性提供了较强的可配置性，可以在对射频识别系统进行分析改进，提高准确率和读取速度。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施方式原理框图。
图2是本发明的程序流程图。
图3是本发明的标签状态转换图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例1，如图1所示，是本发明的一种具体实施方式原理框图，由开放式物理层处理模块1、后台处理机2和开放式硬件接口3组成。
开放式物理层处理模块1包括基带处理模块101、AD/DA模块102、多套射频收发模块103和时钟模块104。
基带处理模块101为一片高性能FPGA，从输入的中频数字信号中提取所需的窄带信号，并将数据速率降低以便数据能通过开放式硬件接口传到后台处理机上。在实时信号处理中，底层的数据处理量较大，对处理速度要求较高，同时中频处理后的信号带宽达到几十MHz，因此具有高速强大处理能力的FPGA是进行软件无线电基带处理的理想器件。在接收路径上，FPGA对ADC采样得到的数字信号进行数字下变频DDC，并通过层叠梳状滤波器CIC对数据进行可变速率的抽取。在发送路径上，FPGA对数据进行的是梳状内插，数字上变频DUC是在AD/DA模块102里进行的。FPGA芯片使用ALTERA公司的CycloneIIEP2C50，等效门数为215万门。在完成相同效果的通信系统的情况下，使用EP2C50能够有效地降低成本。
AD/DA模块102将从天线接收下来的射频信号再次下变频输出模拟信号到通用AD模块输入端和把DA模块输出端的模拟中频信号上变频成射频信号，并通过天线发射出去。对于本发明ADC和DAC必须具有较高的采样速率、足够的带宽和较高的采样精度。此外，为了适应复杂的电磁环境，还要有较大的动态范围。处理芯片采用ADI公司的AD9963，它包含2路12位高速模数转换器(ADC，100MS/s)、2路12位高速数模转换器(DAC，170MS/s)以及辅助的变频器、滤波器、放大器，具有高信噪比(SNR)、全速采样下425mW超低功耗以及出色的相位与振幅平衡等优点。
射频收发模块103分为接收机部分和发射机部分，完成射频识别信号的调制，将查询信号发射到空间中，并接收RFID标签反向散射回来的信息，解调成模拟信号。
时钟模块104使用温度补偿型石英晶振产生时钟信号，并通过时钟总线送至基带处理模块和射频收发模块。
后台处理机2，实现对所述的开放式物理层处理模块的配置和控制，并将RFID的标签信息返回至GUI界面，同时显示MAC层和物理层的信息。采用普通的PC机来实现，用C++语言来实现通信协议的编程和修改，使用wxPython来完成GUI界面。
开放式硬件接口3，在本发明中使用USB、SPI、I2C、GPIO等通用的总线结构来实现开放式物理层处理模块和后台处理机以及开放式物理层处理模块内部中的数据信号和控制信号的传输。
实施例2，如图2所示，是本发明的程序流程图。后台处理机2根据用户指令，对基带处理模块101发送配置信息，通过开放式硬件接口3将信道带宽、Training、脉冲宽度(PW)、调制深度等参数传输给各个模块。基带处理模块101随后进行信号编码，将数据流送入AD/DA模块102，变为I/Q复信号送入射频收发模块103完成中频信号到射频信号的变换，并通过天线发射到空间中。
在反向路径上，在天线辐射范围内的RFID标签感应到所发送的连续波(CW)，通过反向散射耦合的方式将标签信息返回至读写器，通过两次下变频以及DA变换送至基带处理模块101，并通过解码、CRC校验获得正确的标签信息。最后通过开放式硬件接口3将标签信息反馈至后台处理机2，并通过GUI界面显示出来。
实施例3，如图3所示，是本发明的标签状态转换图。标签在工作过程中共有“掉电”、“准备”、“识别”和“数据交互”四个状态。标签进入阅读器的工作范围，从离场“掉电”状态进入“准备”状态。阅读器通过选择指令，让处于“准备”状态的所有或部分标签进入“识别”状态。当进入“识别”状态的标签多于一张时，就要通过碰撞仲裁来实现标签的有效识别。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，包括：
开放式物理层处理模块，包括基带处理模块、AD/DA模块、射频收发模块和时钟模块。基带处理模块实现物理层信号的基带和中频信号之间的转换。AD/DA模块用于在不同的协议和标准中完成高频数字信号和模拟中频信号之间的转换，将从天线接收下来的射频信号再次下变频输出模拟信号到AD模块输入端和把DA模块输出端的模拟中频信号上变频成射频信号，并通过天线发射出去。射频收发模块，完成射频识别信号的调制，将查询信号发射到空间中，并接收RFID标签反向散射回来的信息，解调成模拟信号。时钟模块产生时钟信号，并通过时钟总线送至基带处理模块和射频收发模块。
后台处理机，实现对所述的开放式物理层处理模块的配置和控制，并将RFID的标签信息返回至GUI界面，同时显示MAC层和物理层的信息。
开放式硬件接口，实现开放式物理层处理模块和后台处理机以及开放式物理层处理模块内部中的数据信号和控制信号的传输。
2.根据权利要求1所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的基带处理模块采用FPGA芯片，从输入的中频数字信号中提取所需的窄带信号，并将数据速率降低以便数据能通过开放式硬件接口传到后台处理机上。在接收路径上，FPGA对ADC采样得到的数字信号进行数字下变频DDC，并通过层叠梳状滤波器CIC对数据进行可变速率的抽取。在发送路径上，FPGA对数据进行的是梳状内插。基带处理模块能够满足底层的数据处理量大，处理速度高等要求。
3.根据权利要求1所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的射频收发模块分为接收机部分和发射机部分。接收机能将UHF频段范围内的RF输入信号通过两级可变增益放大器，送至混频器，直接将输入信号下变频为基带同相/正交分量，基带输出经过独立的I/Q通道可变增益放大器，获得的增益具有自动控制功能。发射机的分相器PHASE SPLITTER电路产生两路正交的本振，混频电路将产生两路调制信号并通过求和后输出，模拟信号被直接调制到射频载波上并送入后级射频功放器放大，最终通过天线辐射。
4.根据权利要求1所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的AD/DA模块具有高采样速率、高采样精度和较大的动态范围的特点。本平台采用复数(IQ)采样，对得到两组复数输入和两组复数输出进行配对，具有较高的灵活性，能够适应复杂的电磁环境。
5.根据权利要求1所述的开放式软件无线电平台的方法和系统，其特征在于，所述的时钟模块可以使用有源晶振，或者无源晶振，或者脉冲发生器等产生时钟信号，将时钟信号通过MMCX接口送至射频模块用以提供本地振荡，以及送至基带处理模块和AD/DA模块用以进行时钟同步。
6.根据权利要求1所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的后台处理机通过可以对所述开放式物理层处理模块进行接收和发射参数的调整，包括信道带宽、Training、脉冲宽度(PW)、调制深度等参等。
7.根据权利要求1所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的开放式硬件接口采用USB 2.0(通用串行总线)接口与后台处理机进行通信，USB支持三种传输方式：命令、bulk读写、同步传输。在本平台中使用命令包配置、装入固件和FPGA的bitstream；使用bulk读写或者同步传输传送FPGA与后台处理之间的数据。开放式物理层处理模块内部中的数据信号和控制信号则通过SPI(SerialPeripheral Interface，串行外围设备接口)总线和I2C总线(Inter IC Bus，芯片间串行传输总线)进行传输，以实现快速和高效的信息传输，使整个系统运行流畅，满足实时性的要求。
8.根据权利要求1～3所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，基带处理模块和射频收发模块之间必须使用E2PROM进行标示和配对，且多个E2PROM同时使用时，需要通过地址来区分。
9.根据权利要求1、6所述的基于开放式软件无线电平台的射频识别系统，其特征在于，所述的后台处理机通过GUI界面显示RFID系统的MAC层和PHY层的信息，通过改进MAC层和PHY层可以在不同的环境下进行最优化配置，进一步提高射频识别的准确率和读取速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: CHEN TAO CHEN YIHUA Effective date: 20131216 Owner name: NANJING POST + TELECOMMUNICATION UNIV. Free format text: FORMER OWNER: QIAN GUOMING Effective date: 20131216 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 210015 NANJING, JIANGSU PROVINCE TO: 210023 NANJING, JIANGSU PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20131216 Address after: 210023 Jiangsu city of Nanjing province Ya Dong new Yuen Road No. 9 Applicant after: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Address before: 210015, room 6, building 11, salt warehouse bridge, Xiaguan District, Jiangsu, Nanjing 2-502, China Applicant before: Qian Guoming Applicant before: Chen Tao Applicant before: Chen Yihua |
|
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130313 |