專利名稱：一種基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及射頻識別系統(tǒng)，更具體而言，涉及使用一種開放式軟件無線電平臺來進行標簽與讀寫器之間通信來的射頻識別技術。
背景技術：
射頻識別技術(RFID,Radio Frequency Identification)由 RFID 標簽、RFID 讀寫器和天線組成，其工作過程是=RFID讀寫器產生特定頻率的電磁波并通過空間耦合的方式從天線發(fā)射出去，當RFID標簽進入RFID讀寫器的讀取距離時，RFID標簽接收到查詢信號并將RFID讀寫器發(fā)送的電磁波進行反向散射耦合后返回給RFID讀寫器。RFID技術已廣泛應用于物流業(yè)及零售業(yè)等諸多領域，有效提高了管理效率，并大大節(jié)約了人力成本。但是，目前的RFID讀寫器都是黑盒測試系統(tǒng)，這種系統(tǒng)只提供有限的配置，缺乏自主處理信息的 能力，只能將采集到的頂層信息傳輸到后臺處理，不能夠對RFID的MAC層和物理層進行觀察或修改，缺乏靈活性，限制了應用范圍。如現有技術中，2010年11月05日公布的“一種安全射頻識別系統(tǒng)”(申請?zhí)?01010533310. I)就存在這樣的問題。近年來，軟件無線電技術的出現為解決上述問題提供了思路。軟件無線電(SoftwareRadio),也稱為軟件定義的無線電(Software Defined Radio),是基于軟件定義的無線通信體系結構。軟件無線電的基本思想是通過加載在通用化、標準化、模塊化硬件上的開放體系結構，擺脫面向用途而完全依賴硬件的傳統(tǒng)無線電設計思路，即通信協(xié)議的空中接口、頻帶等主要功能由軟件來確定和完成，工作參數具有可編程特性，并且由軟件提供操作、控制、管理和維護功能，而不用完全更換硬件。軟件無線電將模塊化、標準化和通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來構成通用平臺，通過在這種平臺上加載模塊化、通用化的軟件，實現各種無線通信功能。理想的軟件無線電應當是一種全部可軟件編程的無線電，全部可編程包括可編程射頻(RF)波段、信道接入方式和信道調制，基本思想就是將寬帶模數變換器(A/D)及數模變換器(D/A)盡可能地靠近射頻天線。常用的軟件無線電平臺采用通用硬件(例如商用服務器、普通PC)作為信號處理軟件的平臺，純軟件的信號處理具有很大的靈活性，可采用通用的高級語言(如C/C++)進行軟件開發(fā)，擴展性和可移植性強。但是，通用硬件平臺在處理速度、效率、體積、功耗以及實時性方面仍然比不上現場可編程門陣列FPGA和數字信號處理器DSP這樣的專用硬件，且多為非開源系統(tǒng)。在專用硬件方面，FPGA相對DSP而言，速度快，能夠更好的實現并行處理；功耗較低，具有可動態(tài)配置的靈活性，能夠提高性能并節(jié)省資源。

發(fā)明內容
為了解決傳統(tǒng)射頻識別讀寫器不能處理底層信息的問題，本發(fā)明提出一種可編程、成本低的射頻識別系統(tǒng)，基于軟件無線電的基本思想，使用開放式軟件無線電平臺，不僅能夠采集到的頂層信息傳輸到后臺處理，還能夠對RFID的MAC層和物理層進行觀察或修改。
為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由開放式物理層處理模塊、后臺處理機和開放式硬件接口組成。開放式物理層處理模塊，包括基帶處理模塊、AD/DA模塊、射頻收發(fā)模塊和時鐘模塊?；鶐幚砟K實現物理層信號的基帶和中頻信號之間的轉換。AD/DA模塊用于在不同的協(xié)議和標準中完成高頻數字信號和中頻信號之間的轉換，將從天線接收下來的射頻信號再次下變頻輸出模擬信號到通用AD模塊輸入端和把DA模塊輸出端的中頻信號上變頻成射頻信號，并通過天線發(fā)射出去。射頻收發(fā)模塊，完成射頻識別信號的調制，將查詢信號發(fā)射到空間中，并接收RFID標簽反向散射回來的信息，解調成模擬信號。時鐘模塊產生時鐘信號，并通過時鐘總線送至基帶處理模塊和射頻收發(fā)模塊。后臺處理機，實現對所述的開放式物理層處理模塊的配置和控制，并將RFID的標 簽信息返回至⑶I界面，同時顯示MAC層和PHY層的信息。開放式硬件接口，實現開放式物理層處理模塊和后臺處理機以及開放式物理層處理模塊內部中的數據信號和控制信號的傳輸。進一步地，開放式物理層處理模塊中的射頻收發(fā)模塊將RFID標簽反向散射回來的信息接收下來，通過開放式硬件接口將的MAC層和PHY層反饋給后臺處理機，并將結果通過⑶I界面顯示出來。用戶可以通過⑶I界面，直觀地了解到MAC層和PHY層，并在此基礎上進一步提高射頻識別的準確率和讀取速度。本發(fā)明為射頻識別的研究提供了一個的功能強大的可配置的開放式平臺，開放式物理層處理模塊和后臺處理機提供了強大的運算能力；開放式基帶處理模塊、開放式接口模塊和后臺處理機的可重構性提供了較強的可配置性，可以在對射頻識別系統(tǒng)進行分析改進，提高準確率和讀取速度。


圖I是本發(fā)明的一種具體實施方式
原理框圖。圖2是本發(fā)明的程序流程圖。圖3是本發(fā)明的標簽狀態(tài)轉換圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。實施例1，如圖I所示，是本發(fā)明的一種具體實施方式
原理框圖，由開放式物理層處理模塊I、后臺處理機2和開放式硬件接口 3組成。開放式物理層處理模塊I包括基帶處理模塊101、AD/DA模塊102、多套射頻收發(fā)模塊103和時鐘模塊104。基帶處理模塊101為一片高性能FPGA，從輸入的中頻數字信號中提取所需的窄帶信號，并將數據速率降低以便數據能通過開放式硬件接口傳到后臺處理機上。在實時信號處理中，底層的數據處理量較大，對處理速度要求較高，同時中頻處理后的信號帶寬達到幾十MHz，因此具有高速強大處理能力的FPGA是進行軟件無線電基帶處理的理想器件。在接收路徑上，FPGA對ADC采樣得到的數字信號進行數字下變頻DDC，并通過層疊梳狀濾波器CIC對數據進行可變速率的抽取。在發(fā)送路徑上，FPGA對數據進行的是梳狀內插，數字上變頻DUC是在AD/DA模塊102里進行的。FPGA芯片使用ALTERA公司的CycloneIIEP2C50，等效門數為215萬門。在完成相同效果的通信系統(tǒng)的情況下，使用EP2C50能夠有效地降低成本。AD/DA模塊102將從天線接收下來的射頻信號再次下變頻輸出模擬信號到通用AD模塊輸入端和把DA模塊輸出端的模擬中頻信號上變頻成射頻信號，并通過天線發(fā)射出去。對于本發(fā)明ADC和DAC必須具有較高的采樣速率、足夠的帶寬和較高的采樣精度。此外，為了適應復雜的電磁環(huán)境，還要有較大的動態(tài)范圍。處理芯片采用ADI公司的AD9963，它包含2路12位高速模數轉換器(ADC，100MS/s)、2路12位高速數模轉換器(DAC，170MS/s)以及輔助的變頻器、濾波器、放大器，具有高信噪比(SNR)、全速采樣下425mW超低功耗以及出色的相位與振幅平衡等優(yōu)點。射頻收發(fā)模塊103分為接收機部分和發(fā)射機部分，完成射頻識別信號的調制，將 查詢信號發(fā)射到空間中，并接收RFID標簽反向散射回來的信息，解調成模擬信號。時鐘模塊104使用溫度補償型石英晶振產生時鐘信號，并通過時鐘總線送至基帶處理模塊和射頻收發(fā)模塊。后臺處理機2，實現對所述的開放式物理層處理模塊的配置和控制，并將RFID的標簽信息返回至GUI界面，同時顯示MAC層和物理層的信息。采用普通的PC機來實現，用C++語言來實現通信協(xié)議的編程和修改，使用wxPython來完成⑶I界面。開放式硬件接口 3，在本發(fā)明中使用USB、SPI、I2C、GPI0等通用的總線結構來實現開放式物理層處理模塊和后臺處理機以及開放式物理層處理模塊內部中的數據信號和控制信號的傳輸。實施例2，如圖2所示，是本發(fā)明的程序流程圖。后臺處理機2根據用戶指令，對基帶處理模塊101發(fā)送配置信息，通過開放式硬件接口 3將信道帶寬、Training、脈沖寬度(PD、調制深度等參數傳輸給各個模塊?；鶐幚砟K101隨后進行信號編碼，將數據流送入AD/DA模塊102，變?yōu)镮/Q復信號送入射頻收發(fā)模塊103完成中頻信號到射頻信號的變換，并通過天線發(fā)射到空間中。在反向路徑上,在天線福射范圍內的RFID標簽感應到所發(fā)送的連續(xù)波(CW),通過反向散射耦合的方式將標簽信息返回至讀寫器，通過兩次下變頻以及DA變換送至基帶處理模塊101，并通過解碼、CRC校驗獲得正確的標簽信息。最后通過開放式硬件接口 3將標簽信息反饋至后臺處理機2，并通過GUI界面顯示出來。實施例3，如圖3所示，是本發(fā)明的標簽狀態(tài)轉換圖。標簽在工作過程中共有“掉電”、“準備”、“識別”和“數據交互”四個狀態(tài)。標簽進入閱讀器的工作范圍，從離場“掉電”狀態(tài)進入“準備”狀態(tài)。閱讀器通過選擇指令，讓處于“準備”狀態(tài)的所有或部分標簽進入“識別”狀態(tài)。當進入“識別”狀態(tài)的標簽多于一張時，就要通過碰撞仲裁來實現標簽的有效識別。盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在 保護之列。
權利要求
1.一種基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，包括 開放式物理層處理模塊，包括基帶處理模塊、AD/DA模塊、射頻收發(fā)模塊和時鐘模塊?；鶐幚砟K實現物理層信號的基帶和中頻信號之間的轉換。AD/DA模塊用于在不同的協(xié)議和標準中完成高頻數字信號和模擬中頻信號之間的轉換，將從天線接收下來的射頻信號再次下變頻輸出模擬信號到AD模塊輸入端和把DA模塊輸出端的模擬中頻信號上變頻成射頻信號，并通過天線發(fā)射出去。射頻收發(fā)模塊，完成射頻識別信號的調制，將查詢信號發(fā)射到空間中，并接收RFID標簽反向散射回來的信息，解調成模擬信號。時鐘模塊產生時鐘信號，并通過時鐘總線送至基帶處理模塊和射頻收發(fā)模塊。
后臺處理機，實現對所述的開放式物理層處理模塊的配置和控制，并將RFID的標簽信息返回至⑶I界面，同時顯示MAC層和物理層的信息。
開放式硬件接口，實現開放式物理層處理模塊和后臺處理機以及開放式物理層處理模塊內部中的數據信號和控制信號的傳輸。
2.根據權利要求I所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的基帶處理模塊采用FPGA芯片，從輸入的中頻數字信號中提取所需的窄帶信號，并將數據速率降低以便數據能通過開放式硬件接口傳到后臺處理機上。在接收路徑上，FPGA對ADC采樣得到的數字信號進行數字下變頻DDC，并通過層疊梳狀濾波器CIC對數據進行可變速率的抽取。在發(fā)送路徑上，FPGA對數據進行的是梳狀內插?；鶐幚砟K能夠滿足底層的數據處理量大，處理速度高等要求。
3.根據權利要求I所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的射頻收發(fā)模塊分為接收機部分和發(fā)射機部分。接收機能將UHF頻段范圍內的RF輸入信號通過兩級可變增益放大器，送至混頻器，直接將輸入信號下變頻為基帶同相/正交分量，基帶輸出經過獨立的I/Q通道可變增益放大器，獲得的增益具有自動控制功能。發(fā)射機的分相器PHASE SPLITTER電路產生兩路正交的本振，混頻電路將產生兩路調制信號并通過求和后輸出，模擬信號被直接調制到射頻載波上并送入后級射頻功放器放大，最終通過天線輻射。
4.根據權利要求I所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的AD/DA模塊具有高采樣速率、高采樣精度和較大的動態(tài)范圍的特點。本平臺采用復數(IQ)采樣，對得到兩組復數輸入和兩組復數輸出進行配對，具有較高的靈活性，能夠適應復雜的電磁環(huán)境。
5.根據權利要求I所述的開放式軟件無線電平臺的方法和系統(tǒng)，其特征在于，所述的時鐘模塊可以使用有源晶振，或者無源晶振，或者脈沖發(fā)生器等產生時鐘信號，將時鐘信號通過MMCX接口送至射頻模塊用以提供本地振蕩，以及送至基帶處理模塊和AD/DA模塊用以進行時鐘同步。
6.根據權利要求I所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的后臺處理機通過可以對所述開放式物理層處理模塊進行接收和發(fā)射參數的調整，包括信道帶寬、Training、脈沖寬度(PW)、調制深度等參等。
7.根據權利要求I所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的開放式硬件接口采用USB 2.0(通用串行總線)接口與后臺處理機進行通信，USB支持三種傳輸方式命令、bulk讀寫、同步傳輸。在本平臺中使用命令包配置、裝入固件和FPGA的bitstream ;使用bulk讀寫或者同步傳輸傳送FPGA與后臺處理之間的數據。開放式物理層處理模塊內部中的數據信號和控制信號則通過SPI (Serial PeripheralInterface，串行外圍設備接口)總線和I2C總線(Inter IC Bus，芯片間串行傳輸總線)進行傳輸，以實現快速和高效的信息傳輸，使整個系統(tǒng)運行流暢，滿足實時性的要求。
8.根據權利要求I 3所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，基帶處理模塊和射頻收發(fā)模塊之間必須使用E2PROM進行標示和配對，且多個E2PROM同時使用時，需要通過地址來區(qū)分。
9.根據權利要求1、6所述的基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，其特征在于，所述的后臺處理機通過⑶I界面顯示RFID系統(tǒng)的MAC層和PHY層的信息，通過改進MAC層和PHY層可以在不同的環(huán)境下進行最優(yōu)化配置，進一步提高射頻識別的準確率和讀取速度。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于開放式軟件無線電平臺的射頻識別系統(tǒng)，由開放式物理層處理模塊、后臺處理機和開放式硬件接口模塊組成。開放式物理層處理模塊的基帶處理模塊實現物理層信號的基帶和中頻信號之間的轉換；AD/DA模塊實現高速模擬/數字轉換。后臺處理機實現對本平臺的配置和控制，并通過GUI界面顯示標簽信息以及MAC層和PHY層的信息。開放式硬件接口，實現本平臺數據信號和控制信號的傳輸。本發(fā)明為射頻識別(RFID)提供了一個能夠在不同環(huán)境下靈活配置系統(tǒng)底層的低成本開放式平臺系統(tǒng)。
文檔編號G06K17/00GK102968649SQ201110257280
公開日2013年3月13日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權日2011年9月2日
發(fā)明者錢國明, 陳濤, 陳毅華, 程玉才, 吳金嬌 申請人:錢國明, 陳濤, 陳毅華