與其他常用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)如條形碼和磁條一樣,，無(wú)線射頻識(shí)別（RFID" target="_blank">RFID）技術(shù)也是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù),。每一個(gè)目標(biāo)對(duì)象在射頻讀卡器中對(duì)應(yīng)唯一的電子識(shí)別碼（UID）,，或者“電子標(biāo)簽”,。標(biāo)簽附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，如紙箱,、貨盤或包裝箱等,。射頻讀卡器（應(yīng)答器）從電子標(biāo)簽上讀取識(shí)別碼。
基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：天線或線圈,、帶RFID解碼器的收發(fā)器和RFID電子標(biāo)簽（每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子識(shí)別碼）,。表1顯示了常用的四個(gè)RFID頻率及其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，目前商業(yè)上應(yīng)用最廣的是超高頻（UHF）,，它在供應(yīng)鏈管理中有可能得到廣泛的應(yīng)用,。
EPC電子標(biāo)簽
EPC表示電子產(chǎn)品代碼,，是RFID電子標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn),，它包括電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容和無(wú)線通信協(xié)議。EPC標(biāo)準(zhǔn)將條形碼規(guī)范中的數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)與ANSI或其他標(biāo)準(zhǔn)化組織（802.11b）制定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合在一起,。目前應(yīng)用在供應(yīng)鏈管理中的EPC標(biāo)準(zhǔn),，屬于第二代EPC Class-1標(biāo)準(zhǔn)。
 |
Class-1標(biāo)簽在出廠時(shí)已經(jīng)被寫(xiě)入,，但也是可以現(xiàn)場(chǎng)下載,。通常情況下，一旦標(biāo)簽已被寫(xiě)入,，內(nèi)存即被鎖定不可再次寫(xiě)入信息,。Class-1標(biāo)簽采用常規(guī)的分組傳輸協(xié)議—讀卡器發(fā)送包含相關(guān)命令和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，標(biāo)簽隨后做出響應(yīng),。
惡劣的讀卡器應(yīng)用環(huán)境
RFID的應(yīng)用環(huán)境可能非常惡劣,。信道的工作頻率是免許可的工業(yè)、科技與醫(yī)藥（ISM）頻帶,。此頻帶中的RFID讀卡器受到來(lái)自無(wú)繩電話,、無(wú)線耳麥、無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以及其他臨近讀卡器的干擾,。必須將每一讀卡器的RF接收器前端設(shè)計(jì)為能夠抵御強(qiáng)干擾信號(hào),，避免產(chǎn)生可導(dǎo)致詢問(wèn)錯(cuò)誤的失真。接收器的噪聲必須保持在較低的水平,，以便具備足夠的動(dòng)態(tài)范圍,，從而以無(wú)錯(cuò)方式檢測(cè)出低電平標(biāo)簽響應(yīng)信號(hào)。
 |
圖1中所示的讀卡器RF射頻收發(fā)器,，是一個(gè)成熟的設(shè)計(jì),，能夠在存在大量干擾源的惡劣環(huán)境中穩(wěn)定地工作。發(fā)射器和接收器都帶有一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍直接轉(zhuǎn)換調(diào)制器和解調(diào)器,，因此最大限度地提高了穩(wěn)定性并降低了成本,。
實(shí)用和可靠的射頻接收器設(shè)計(jì)
接收器的核心是Linear公司的LT5516，這是一種高度集成化的直接轉(zhuǎn)換正交解調(diào)器,，芯片上提供了一個(gè)精確正交移相器（0度至90度）,。來(lái)自天線的信號(hào)在通過(guò)射頻濾波器之后，通過(guò)一個(gè)不平衡變壓器直接輸入到解調(diào)器輸入端口,。由于LT5516的噪聲系數(shù)很低,，在不需要低噪放大器（LNA）的情況下，仍能保持其21.5dBm IIP3和9.7dB P1dB的性能。
在接收數(shù)據(jù)時(shí),，讀卡器發(fā)射連續(xù)載波（未調(diào)制）,，以便為標(biāo)簽提供電源。在收到請(qǐng)求后,，電子標(biāo)簽通過(guò)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅,，響應(yīng)一個(gè)碼流。所采用的調(diào)制方式為幅移鍵控（ASK）或者反相-幅移鍵控鍵控（PR-ASK）,。解調(diào)器帶有兩個(gè)正交移相檢出式輸出端口,，因此具備天然的分集接收功能。如果由于多路或相位取消導(dǎo)致某個(gè)通道無(wú)法接收信號(hào),，另一條通道（移相90度）就可接收較強(qiáng)的信號(hào),，反之亦然。這樣,，整體接收可靠性就得以提高,。
一旦解調(diào)完成，即可將I（相內(nèi)）和Q（正交相位）差分輸出信號(hào)以AC方式耦合至一個(gè)運(yùn)算放大器（被配置為一個(gè)差分放大器）,，隨后被轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)。這個(gè)時(shí)候應(yīng)將高通角頻率設(shè)置為5KHz,，低于接收數(shù)據(jù)流的最小信號(hào)頻率,，高于最大多普勒頻率（可能被運(yùn)動(dòng)標(biāo)簽采用），同時(shí)保持高于電力線頻率（60Hz）,。這樣,，輸出信號(hào)就能利用被配置為四階低通的LT1568順利穿過(guò)低通濾波器。低通角頻率應(yīng)被設(shè)置為5MHz,，以便最大碼流信號(hào)穿過(guò)濾波器，達(dá)到基帶,。
基帶信號(hào)然后被一個(gè)雙路低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（LTC2291,，分辨率為12位）進(jìn)行數(shù)字化處理,。由于標(biāo)簽碼流的帶寬為5KHz至5MHz，LTC2291能夠以25MSps的速率進(jìn)行充分的采樣,，從而精確地捕獲解調(diào)信號(hào),。在需要的時(shí)候,，還可在基帶DSP中實(shí)現(xiàn)額外的數(shù)字濾波,。這樣，接收器就能具備最大的邏輯閾值設(shè)置靈活性,，該設(shè)置可由基帶處理器以數(shù)字化方式執(zhí)行,。
基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理,，可提高用全FPGA解決方案實(shí)現(xiàn)的吸引力和集成度
高動(dòng)態(tài)范圍射頻發(fā)射器設(shè)計(jì)
發(fā)射器集成了一個(gè)鏡像抑制直接轉(zhuǎn)換式調(diào)制器,。LT5568具備很高的線性度和較低的背景噪聲,，因此能夠?yàn)樗l(fā)射的信號(hào)提供出色的動(dòng)態(tài)范圍性能,。調(diào)制器能夠從數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ACPR）,，有助于滿足發(fā)射頻率屏蔽要求,。例如,，當(dāng)調(diào)制器射頻輸出電平為-8dBm時(shí)，ACPR指標(biāo)優(yōu)于-60dBc,。由于具備更出色的ACPR性能,，信號(hào)可被放大至許可的1w功率（在美國(guó)為+30dBm）,，或者放大至2w，以符合歐盟規(guī)范,。在上述兩種情況下，重要的是保持電平固定,，因?yàn)樵撾娖接糜谙螂娮訕?biāo)簽提供電源,，并最大化讀卡距離,。LTC5505型射頻功率檢測(cè)器的內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能，可準(zhǔn)確地測(cè)定功率,，提供穩(wěn)定的反饋信號(hào),，以調(diào)節(jié)射頻功率放大器的輸出功率。
基帶處理和網(wǎng)絡(luò)接口
在基帶頻率上,，FPGA執(zhí)行發(fā)送至DAC和來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的波形的信道化任務(wù),。這一過(guò)程也被稱為數(shù)字中頻
處理,，涉及濾波,、增益控制,、頻率轉(zhuǎn)換和采樣率變化等,。FPGA甚至可以并行處理多個(gè)信道。
 |
圖2顯示了一個(gè)射頻讀卡器的架構(gòu),。其他基帶處理任務(wù)包括：
- 先導(dǎo)字段檢測(cè)
- 排序估計(jì)
- 調(diào)制和解調(diào)（ASK、頻移鍵控和相移鍵控）
- 信號(hào)產(chǎn)生
- 相關(guān)器處理
- 峰值檢測(cè)和閾值設(shè)定
- CRC糾錯(cuò)和校驗(yàn)和
- 編碼和解碼（NRZ,、Manchester,、單極性,、差分雙極性和Miller）
- 幀檢測(cè)
- ID去擾
- 安全加密引擎
所收到的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)可通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)接口被傳送至企業(yè)系統(tǒng)服務(wù)器。這種傳統(tǒng)的架構(gòu)正逐步演變?yōu)橐粋€(gè)高級(jí)分布式 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)部分,。在該網(wǎng)絡(luò)中，射頻讀卡器將負(fù)責(zé)管理臨近的標(biāo)簽,。
在這種情況下,，射頻讀卡器就象是電子標(biāo)簽和連接至企業(yè)軟件系統(tǒng)的智化分布式數(shù)據(jù)庫(kù)之間的網(wǎng)關(guān),。
取決于硬件/軟件功能分區(qū)情況，這些基帶任務(wù)即可在FPGA上完成,，也可在DSP上完成,，或者由二者聯(lián)手執(zhí)行。Xilinx公司推出了一個(gè)IP內(nèi)核套件,，其中包括FIR,、CIC、DDS,、DUC,、DDC、比特相關(guān)器,、正弦/余弦LUT等,。這些邏輯電路非常適合執(zhí)行加密引擎任務(wù)（加密引擎采用移位寄存器和XOR）。針對(duì)Xilinx® VirtexTM-4系列的DSP48引擎十分適合執(zhí)行其他信號(hào)處理任務(wù),。
一個(gè)基帶處理器負(fù)責(zé)控制各種基帶處理任務(wù)的功能性和調(diào)度,，還負(fù)責(zé)鏈路層協(xié)議。這些基帶處理任務(wù)包括跳頻,、發(fā)送前偵聽(tīng),、防沖突算法處理等?；鶐幚砥鬟€提供了以太網(wǎng),、USB,、固件等接口。
基帶任務(wù)和數(shù)字化射頻信道化處理,，可提高全FPGA解決方案的吸引力和集成度。FGPA功能,、DSP功能,，以及基帶處理功能，都可被整合于一個(gè)帶有嵌入式處理器的FPGA,。
 |
圖 3 顯示了一個(gè)基于 FPGA 的 RFID 處理器的架構(gòu),。嵌入式處理器可以是一個(gè)硬核（譬如,，Virtex-4 FX產(chǎn)品家族采用的PowerPCTM）,，還可以是一個(gè)軟核 （譬如SpartanTM設(shè)備中采用的MicroBlazeTM），甚至是PowerPC和MicroBlaze的結(jié)合體。用戶可以將內(nèi)置硬以太網(wǎng)MAC（EMAC）連接至外部以太網(wǎng)物理層,，進(jìn)而連接至以太網(wǎng),。另外,，用戶還可使用面向10/100-BaseT的Lite Ethernet MAC IP,。
PowerPC/MicroBlaze嵌入式處理器執(zhí)行以下任務(wù)：
- EPC數(shù)據(jù)處理和前轉(zhuǎn)
- 協(xié)議處理
- 詢問(wèn)調(diào)度
- TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)接口
- 控制和監(jiān)視
- 調(diào)制解調(diào)器控制
- 升級(jí)代理
- HTTP服務(wù)器
- SNMP/MIB處理
Xilinx千兆以太網(wǎng)系 統(tǒng) 參 考 設(shè) 計(jì)（GSRD）是一個(gè)基于EDK的參考系統(tǒng)，能夠在基于TCP/IP的協(xié)議接口和用戶數(shù)據(jù)接口之間搭起一座高性能的橋梁,。GSRD的組件具備滿足TCP/IP系統(tǒng)每比特和每包開(kāi)銷要求的功能,。
Xilinx還針對(duì)Monta Vista Linux 和 Treck堆棧提供了發(fā)射性能基準(zhǔn),。采用 Xilinx Platform Studio （XPS）微處理器庫(kù)定義的Nucleus PLUS RTOS,，為采用MicroBlaze和PowerPC處理器的系統(tǒng)帶來(lái)了新的優(yōu)勢(shì),。Nucleus PLUS RTOS尺寸很小，這意味著它能夠利用片上現(xiàn)有的存儲(chǔ)器,，從而最大限度降低功耗,，提高性能,。此外,，廣泛的中間件使得Nucleus PLUS RTOS成為RFID后端網(wǎng)絡(luò)的理想選擇,。
利用XilinxCoolRunnerTM-II型CPLD，手持式射頻讀卡器可連接至硬盤驅(qū)動(dòng)器、QWERTY鍵盤,、可移動(dòng)硬盤接口、各種顯示設(shè)備和其他計(jì)算機(jī)外設(shè)（如圖4所示）。這些CPLD還能幫助應(yīng)用處理器,，并且滿足低功耗、高性能和更小芯片封裝等要求。
結(jié)論
將來(lái)，射頻讀卡器很可能具備前端 DSP功能，比如射頻協(xié)議處理等。如今,，這些功能在獨(dú)立式DSP中進(jìn)行處理,，將來(lái),，它們很有可能被集成于FPGA,。嵌入式軟處理內(nèi)核已可顯著提升DMIPS/MHz性能,，不久以后，高版本的處理內(nèi)核將取代控制讀卡器應(yīng)用程序的后端外部處理器,，從而借助可編程邏輯最大限度地提高射頻讀卡器設(shè)備的靈活性,，同時(shí)最大限度降低其成本。
Xilinx 決 心 不 斷 改 進(jìn) 其XtremeDSPTM 和MicroBlaze可配置軟處理內(nèi)核,，從而不斷增強(qiáng)FPGA的DSP及嵌入式處理功能,。
作者：Niladri Roy Xilinx公司垂直市場(chǎng)營(yíng)銷部ISM分部高級(jí)經(jīng)理
Akshaya Trivedi Xilinx公司垂直市場(chǎng)營(yíng)銷部無(wú)線分部高級(jí)系統(tǒng)工程師
James Wong Linear公司產(chǎn)品行銷經(jīng)理