CN113919463B - 一种基于fpga的收发双系统远距离rf读卡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用收发分离双系统，实现远距离13.56MHz射频读卡的系统及方法。该系统主要由射频载波发射系统和射频信号接收系统组成，其中发射系统是基于FPGA来发射大功率13.56MHz射频载波信号，接收系统主要由接收天线和FPGA处理单元组成，将接收信号同时进行数字载波提取和数字滤波处理，采用相干解调的方法提取出接收信号的副载波信号，最后对副载波信号进行处理读卡。本方法采用收发双系统进行射频读卡，改善了收发分离单系统远距离读卡时自载波干扰的影响，大大提高了阅读距离，并且降低了读卡的误码率，提高了远距离读卡效率，具有很强的实用性。

Description

一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统
技术领域
本发明属于射频技术领域，涉及一种基于FPGA的收发双系统远距离射频读卡系统。
背景技术
随着科技市场需求的发展以及卡片标签的便携性，射频读卡技术已经应用于各行各业。但是由于部分读卡场景的特殊性，对读卡系统的要求也日益提高。
基于ISO15693协议的传统射频读卡系统存在以下问题：1.读卡距离范围都在10cm以内，很大程度限制了读卡区域。2.传统读卡系统采用单系统收发或者单系统收发分离，这样都会在发射大功率载波的前提下对接收天线产生大干扰磁场。3.传统读卡器系统在远距离接收微弱读卡信号时难以用包络检波解调副载波信号或者产生误码。
发明内容
本发明提供了一种基于FPGA的收发双系统远距离射频读卡系统，旨在改善传统射频识别技术方法的不足，扩大射频识别技术的应用范围。
为了实现上述目的，本发明采用一种基于FPGA的收发双系统远距离射频读卡系统，包括以下流程：
流程一，FPGA射频载波产生单元生成13.56MHz载波信号；
流程二，功率放大单元主要对输出载波信号进行功率放大；
流程三，匹配电路单元主要根据功率放大后的输出和发射天线参数进行阻抗匹配；
流程四，放大滤波单元对接收信号进行边放大边滤波，并且输出信号经过A/D转换单元输入FPGA中；
流程五，接收的数字信号，一路经过载波提取单元进行数字载波提取，另一路经过数字陷波滤波器进行滤波；
流程六，滤波后信号进入信号解调单元进行相干解调，恢复副载波信号；
流程七，副载波信号进入信息处理单元进行读卡。
其进一步技术方案，流程一中，D/A转换单元采用ACM9767模块将FPGA射频载波产生单元产生的数字信号转换为电压范围±5V的模拟电信号。
其进一步技术方案，流程二和流程三中，功率放大单元和匹配电路单元将输出模拟载波信号电压放大至110V进行天线发射。
其进一步技术方案，流程四中，放大滤波单元对接收信号进行线性放大但限制其最大电压不超过5V，其滤波器参数是以13.56MHz为中心频率，带宽为1MHz。
其进一步技术方案，流程四中，A/D转换单元是通过AD9226型号进行采样，输出12位数字信号。
其进一步技术方案，流程五中，载波提取单元采用科斯塔斯环法进行载波提取，其中包括鉴相器、环路滤波模块和DDS模块。数字陷波滤波器中心频率及带阻参数设计为以13.56MHz为中心频率，带阻为400KHz。
其进一步技术方案，流程六中，信号解调单元由乘法器模块和FIR低通滤波器模块组成。
本发明所设计的一种基于FPGA的收发双系统远距离射频读卡系统，使得射频读卡距离可达1m，并且降低了远距离射频读卡的信息误码率，扩展了射频读卡技术的应用范围。
附图说明
图1为基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统框图。
图2为射频载波发射系统框图。
图3为射频信号接收系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚，下面结合具体的实施例来对本发明进一步说明，所描述的实施例仅仅用以解释本发明的一部分实施例，但并不局限于此。
本发明所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统框图如图1所示，包括射频载波发射系统、读卡区域以及射频信号接收系统；其中，为了良好的读卡效果，读卡区域中标签应尽可能垂直磁场放置。
具体的，本发明所述系统中的射频载波发射系统如图2所示，包括FPGA射频载波产生单元10、DDS模块11、调制模块12、D/A转换单元13、功率放大单元20、匹配电路单元30以及发射天线40。FPGA射频载波产生单元产生频率为13.56MHz，电压范围为±5V的载波电信号，经过功率放大单元和匹配电路将载波电信号电压放大至110V进行天线发射。
其中，本实施例中DDS模块主要由相位累加器，正弦函数模块和查表模块组成；相位累加器设置为频率为13.56M、位宽为12的正弦信号，正弦函数模块包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0至2pi范围的一个相位点。查表模块把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，查表经过一个循环再回到初始位置，以此循环输出正弦波，再通过型号为ACM9767的D/A转换器进行输出。
其中，本实施例中调制模块由协议帧信号和乘法器组成；协议帧信号有高电平幅值为1、低电平幅值为0的100％调制和高电平幅值为1、低电平幅值为0.9的10％调制两种模式，根据协议选其一与正弦波载波相乘。
其中，本实施例中功率放大单元采用E类有源功率放大器，供电电压为48V，输入射频载波信号功率约为1W，经放大后输出电压可达110V，功率输出达到110W，大大提高可阅读距离；再调整匹配电路中的阻抗与发射天线相匹配，由天线稳定发射射频载波信号。
本发明所述系统中的射频信号接收系统如图2所示，包括接收天线50、放大滤波单元60、FPGA处理单元70、A/D转换单元71、载波提取单元72、数字陷波滤波器73、信号解调单元74以及信息处理单元75。
其中，接收天线50主要用于接收射频信号转化为模拟电信号。
其中，由于射频载波信号的远距离传输，产生的损耗极大，再加上空间噪声，直接对接收信号进行AD采样会产生的较大的误码率，因此必须对接收信号进行放大滤波预处理；放大滤波单元60中，放大电路采用线性电压放大电路，使其输出最大电压范围为±5V；滤波器是以13.56MHz为中心频率，带宽为1MHz的带通滤波器，主要是滤除其他频率噪声信号。
其中，A/D转换单元71采用AD9226型号模块对信号进行采样，采样频率为125MHz，输出12位数字信号。
其中，载波提取单元60主要利用科斯塔斯环法进行载波提取，由鉴相器、环路滤波模块和DDS模块组成。鉴相器主要由乘法器和FIR低通滤波器构成，卷积运算采用DA算法完成，提高电路执行速度。环路滤波模块包括环路滤波和压控振荡，构成锁相环。而DDS模块主要根据前者得出的相位信息构建出同频同相的载波信号，以实现数字信号的载波提取。
FPGA所接收信号主要包括两种，一种是载波信号Acosωt，另一种是包含读卡信息的信号m(t)cosωt，其中A的幅值远远大于副载波信号m(t)，如果直接对接收信号进行相干解调所得出副载波信号波幅差极短即接收灵敏度极差，不利于信息处理单元75进行读卡，所以需要对接收信号进行再处理。载波信号的频率为13.56MHz，读卡信号即副载波信号频率为423.75KHz(单副载波)或者484.28KHz(双副载波)，故包含读卡信息信号频率为13.1MHz和14MHz上下浮动。因此，数字陷波滤波器73设置以13.56MHz为中心频率，带阻为400KHz，以大大降低自载波信号的幅度。
其中，信号解调单元74包括乘法器模块和FIR低通滤波器模块组成。相干解调计算步骤如下：
接收信号为：
Sm(t)＝(A+m(t))cosωt
乘上一个同频同相载波得：
经过低通FIR滤波器后即解调输出信号为：
其中，信息处理单元75主要根据副载波信号以及曼彻斯特解码，读出标签所携带的信息。
本发明所设计的一种基于FPGA的收发双系统远距离射频读卡系统，大大提高了射频读卡距离，并且降低了远距离射频读卡的信息误码率，扩展了射频读卡技术的应用范围。
以上仅为本发明的进一步实施例而已，方便读者更容易理解，但并不限制本发明实施例仅限于此，凡依据本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述系统包括收发双系统，其中射频载波发射系统包括FPGA射频载波产生单元、功率放大单元、匹配电路单元和发射天线；FPGA射频载波产生单元包括DDS模块、调制模块和D/A转换单元；接收系统包括接收天线、放大滤波单元和FPGA处理单元；FPGA处理单元包括A/D转换单元、载波提取单元、数字陷波滤波器、信号解调单元和信息处理单元；
所述DDS模块，是利用直接数字频率合成产生射频载波；
所述调制模块，根据ISO15693协议帧结构调制读卡载波；
所述D/A转换单元，把数字射频载波转换为模拟电信号；
所述功率放大单元和匹配电路单元，对载波信号进行功率放大和阻抗匹配；
所述发射天线，发射大功率射频载波电磁波信号；所述接收天线，接收射频载波信号；
所述放大滤波单元，对天线所接收低功率信号进行放大滤波；
所述A/D转换单元，对接收信号进行模数转换；
所述载波提取单元，采用科斯塔斯环法进行对信号进行载波提取，包括鉴相器、环路滤波模块和DDS模块；
所述数字陷波滤波器，设计参数是以13.56MHz为中心频率，带阻为400KHz，用于降低信号自载波干扰；
所述信号解调单元，对读卡信号进行相干解调；
所述信息处理单元，根据副载波信号解读卡信息；
该读卡系统的工作流程包括：
流程一，FPGA射频载波产生单元生成13.56MHz载波信号；
流程二，功率放大单元主要对输出载波信号进行功率放大；
流程三，匹配电路单元主要根据功率放大后的输出和发射天线参数进行阻抗匹配；
流程四，放大滤波单元对接收信号进行边放大边滤波，并且输出信号经过A/D转换单元输入FPGA中；
流程五，接收的数字信号，一路经过载波提取单元进行数字载波提取，另一路经过数字陷波滤波器进行滤波；
流程六，滤波后信号进入信号解调单元进行相干解调，恢复副载波信号；
流程七，副载波信号进入信息处理单元进行读卡。
2.根据权利要求1所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述流程一中，DDS模块和调制模块产生数字载波信号经过D/A转换单元的ACM9767模块转换为电压范围±5V的模拟电信号。
3.根据权利要求1所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述流程二和流程三中，功率放大单元和匹配电路单元将输出模拟载波信号电压放大至110V进行天线发射。
4.根据权利要求1所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述流程四中，放大滤波单元对接收信号进行线性放大但限制其最大电压不超过5V，其滤波器参数是以13.56MHz为中心频率，带宽为1MHz的带通滤波器。
5.根据权利要求1所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述流程四中，A/D转换单元通过AD9226模块进行采样，输出12位数字信号。
6.根据权利要求1所述一种基于FPGA的收发双系统远距离RF读卡系统，其特征在于，所述流程六中，信号解调单元由乘法器模块和FIR低通滤波器模块组成。
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