技术领域
[0001] 本
发明涉及
射频识别技术领域，具体地说，是一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法及装置。
背景技术
[0002] 射频识别系统主要包括射频识别
电子标签和射频识别读写器。射频识别就是使用读写器盘点一个或者多个电子标签。军用读写器是射频识别读写器的一类，其具有高可靠性、高
稳定性、高安全性等特点。军用读写器的接收灵敏度能体现读写器的可靠性，提升接收灵敏度显得相当重要。在射频接收
电路的
硬件设计和
信号处理方面进行研究是提升接收灵敏度的关键，而
信号处理方面的研究面对的挑战是如何快速地将小信号正确提取出来。读写器和标签之间的通信必须满足一定的链接时序，要求信号处理工作必须要在一定时间内完成，所以
算法逻辑太复杂也不适用于射频识别的信号处理。小信号虽然在送入信号处理单元前进行过前置低噪声放大处理，但实际硬件电路的特性都不是理想的，小信号即有用信号的
波形发生不同程度的
变形，能正确提取出小信号对信号处理算法的抗干扰性和健壮性要求较高。
[0003] 中国
专利文献CN201010148006.5，
申请日20100409，专利名称为：射频识别读写器接收机灵敏度远程测试方法和装置。公开了一种射频识别读写器接收机灵敏度远程测试方法和装置，要解决的技术问题是监控RFID读写器的接收灵敏度。该发明的方法，包括以下步骤：信号源输出一
频率值，数据流产生单元产生数据流并对其进行编码，调制放大后，经定向
耦合器到接收单元，放大解调，恢复为编码格式的接收数据码，误码率计算判定单元将其与原始数据码对比，计算误码率。本发明的装置，设有中心处理器、与中心处理器连接的发射单元和接收单元。
[0004] 上述专利文献，利用读写器产生测试信号，进行本机定时或由远程控制方发起的灵敏度检测，自测时间短，可以使远程控制方随时确定读写器的工作状态，实现了射频识别读写器灵敏度远程实时监控。但是该文献主要解决的技术问题是：是监控RFID读写器的接收灵敏度。并没有解决RFID读写器如何提升灵敏度的问题。
[0005] 综上所述，一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法以及装置，能够提高军用读写器的接收灵敏度，达到了标签信号功率为-82dBm时读写器解码的误码率优于10-5的指标，实现军用读写器在标签信号处理环节的高可靠性。而关于这种方法以及装置目前还未见报道。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对
现有技术中的不足，提供一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法，能够提高军用读写器的接收灵敏度，达到了标签信号功率为-82dBm时读写器解码的-5误码率优于10 的指标，实现军用读写器在标签信号处理环节的高可靠性。
[0007] 本发明的另一个目的是，提供一种提升RFID读写器接收灵敏度的装置。
[0008] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0009] 一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法，所述方法包括以下步骤：
[0011] 步骤S2：数据复用的步骤；
[0012] 步骤S3：多分支并行处理的步骤：
[0013] 步骤S31：均值判定的步骤：标签数据采集的同时将一定数目
采样点的平均值计算出来，与当前采样点值比较，采样点值大于平均值时量化为“1”，采样点值小于平均值量化为“0”，从而实现标签采样数据的量化处理，再根据标签数据编码类型逐段将量化处理结果判定为标签数据的符号“0”和“1”；
[0014] 步骤S32：周期极值检测的步骤：根据标签数据的速率确定周期的窗口大小，依据周期窗口从数据FIFO中取对应数量的采样点，检测其中的最大值点和最小值点，根据最大值点和最小值点的信息判定标签数据的符号“0”和“1”，最大值点和最小值点的信息包括其在窗口中所处
位置、幅度；
[0015] 步骤S33：波形趋势分析的步骤：根据周期窗口内的采样点的上升或者下降趋势判定标签数据的符号“0”和“1”，上升和下降由相邻采样点的差值的符号决定；
[0016] 步骤S34：包络及均值线特征处理的步骤：提取周期窗口内的采样点的包络，加入均值线的位置，根据均值线与包络的位置关系、交点位置、围成的封闭区间等特征综合决定标签数据的符号“0”和“1”；
[0017] 步骤S4：数据筛选，首先根据解码数据末尾自带的校验验证数据的正确性，然后分析通过校验的几种情况：若是只有一个校验通过即作为最终结果；若是多个校验通过的数据相互对比，如果一致随便取一路作为最终结果，如果不一致，参照经验值进行判定取可靠的那一路作为最终结果；若是没有通过校验的数据需要分析各分支错误原因，需要进一步补偿各分支所用经验值，使经验值不断
迭代达到解码至少有一路校验通过的状态。作为一种优选的技术方案，上述步骤是一种在FPGA内编程实现的信号处理方法。
[0018] 作为一种优选的技术方案，步骤S31的均值判定中，平均值的计算随着采样点的
抽取而实时更新，平均值计算公式如下:若抽取的当前采样点为SN，平均值aver为[0019]
[0020] 其中，SN-1为SN前一时刻的采样点，SN+1为SN后一时刻的采样点，参与运算的2N+1个采样点的采样时间和标签回复的数据码元周期成固定倍数关系。
[0021] 作为一种优选的技术方案，周期极值检测到最大值和最小值，它们的位置差值跟
阈值比较，同时参照幅度的差值可以判定所截取的窗口内的码型符号。
[0022] 作为一种优选的技术方案，波形趋势分析只需关注时间网格内标签回复数据波形的包络走势，无需复杂的计算，当时间网格内上升采样点的数目和下降采样点的数目统计完成后，参考阈值进行符号判定，该阈值事先根据概率计算出来，并参考实验数据修正而得到，即为先验经验值。
[0023] 作为一种优选的技术方案，包络及均值线特征处理是针对时间网格内的波形包络及波形均值线的组合特征进行分析，均值线即为时间网格内所有采样点的平均值所对应的位置线，它与波形包络相交，研究交点的个数以及交点的位置分布，同时参考波形包络与均值线围成的封闭区间的等效面积，判定该时间网格内的符号。
[0024] 作为一种优选的技术方案，所述读写器是符合军用射频识别空中
接口标准的读写器，标准代号为：GJB7377.1-2011；读写器包括接口电路模
块、MCU模块、保密模块、FPGA模块、DA转换模块、AD转换模块、发射电路模块、接收电路模块。
[0025] 为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：
[0026] 一种提升RFID读写器接收灵敏度的装置，所述装置是应用了如上述技术方案任一项提升RFID读写器接收灵敏度的方法的RFID读写器，包括接口电路模块、MCU模块、保密模块、FPGA模块、DA转换模块、AD转换模块、发射电路模块、接收电路模块、天线；所述接口电路模块与MCU模块之间相互连接；所述发射电路模块和接收电路模块与天线连接；所述的MCU模块用于实现MCU与外部通信，与保密模块的数据交互，与FPGA模块通信；所述的保密模块用于按照特定的算法加密标签数据；所述FPGA模块用于实现空口命令的编码工作和标签数据的解码工作，FPGA控制AD转换模块和DA转换模块；所述的DA转换模块是将FPGA输出的空口命令转换后送到发射电路上；所述AD转换模块按照回波频率的固定倍数的
采样频率采集接收电路上的回波；所述发射电路模块与DA转换模块连接，将调制后的信号进行功率放大，通过天线发射出去；所述接收电路模块与天线相连，从天线接收标签返回信号，且发射和接收用同一个天线；所述天线负责将
电磁波发送给电子标签，也从空间中接收电磁波。
[0027] 作为一种优选的技术方案，所述MCU模块掌控读写器的工作流程，基本流程如下：MCU模块根据外部的命令，进入特定的流程，让FPGA模块进行空口命令的编码，标签响应后FPGA模块将解析出的标签数据传送给MCU模块，MCU模块再将标签数据送入保密模块进行加密，MCU模块最后将已加密的数据发给外部的系统。
[0028] 本发明优点在于：
[0029] 1、本发明所述方法以及装置使读写器达到了标签信号功率为-82dBm时解码的误码率优于10-5的指标，可以说明所述方法以及装置对于提升RFID读写器的接收灵敏度效果显著，实现了军用RFID读写器可靠性的突破。并且所述方法以及装置的算法复杂度不高，较容易实现。并行处理的各分支处理的数据是同源的，也体现了互为备份的冗余设计。
[0030] 2、本发明主要针对军用RFID读写器，信号处理算法针对的也是GJB7377.1-2011中规定的标签回复数据码型。基于并行处理的提升射频识别读写器接收灵敏度的方法，旨在从解码算法层面实现降低军用读写器在读取标签过程中的误码率的目标，目前军用RFID读写器的应用还处于试点试用的初期，在军用读写器性能上使用具有广阔的应用前景。
[0031] 3、本发明所述方法的算法复杂度并不高，较容易实现，且是以较多的逻辑资源换取信号处理的成功率，在RFID信号处理中应用比较适宜。
[0032] 4、本发明提倡的是多策略并行解决问题，与只用一种算法解决小信号的提取并完成成功解码的方法相比，可靠性较高。
[0033] 5、适用于符合军用射频识别空中接口(GJB7377.1-2011)的读写器，且只针对标签回复信号的信号处理过程，主要包括均值判定、周期极值检测、波形趋势分析等并行处理过程。同时为了提高解码的抗干扰性，引入结合波形的包络和均值线的特征的并行处理过程。当
数据处理完成后，汇总多分支并行解码的结果，根据筛选算法得到最终的解码数据。
[0034] 6、在均值判定过程中，平均值计算的实时更新可以减轻低频信号对标签回复的数据波形的扰动，提高判定的准确性。
[0035] 7、在FPGA平台上实现并行处理，多策略并行进行解码会提升解码的成功率，即提升了接收灵敏度。该方法以及装置中的不同并行分支会有一定的解码针对性，这不能剥离其读写器的射频接收电路的硬件电路特性，具有参考意义。
附图说明
[0036] 附图1是本发明的一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法的
流程图。
[0037] 附图2是本发明提及的GJB7377.1-2011中规定的标签回复数据FM0编码规则图，其中包括FM0的前导码、FM0符号和序列。
[0038] 附图3是本发明提及的GJB7377.1-2011中规定的标签回复数据Miller编码规则图，其中包括Miller的前导码、Miller序列。
[0039] 附图4是本发明实施方法在标签回复数据功率不同情况下对应的读写器接收灵敏度的实验数据图。
[0040] 附图5是本发明的一种提升RFID读写器接收灵敏度的装置结构示意图。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
[0042] 附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
[0043] 1.接口电路模块 2.MCU模块
[0044] 3.保密模块 4.FPGA模块
[0045] 5.DA转换模块 6.AD转换模块
[0046] 7.发射电路模块 8.接收电路模块
[0047] 9.天线
[0048] 本发明方法的思路是：射频接收电路完成信号解调后，标签回复的信号经ADC采集电路送入FPGA进行处理；各个数据处理模块都从采集数据FIFO中取数据，数据达到复用的效果；四个数据处理模块都是独立的，在FPGA中是并行的；数据处理模块分别是均值判定、周期极值检测、波形趋势分析、包络及均值线特征处理，每个分支都能独立完成数据处理的过程，并实现标签数据的按位解码，即从采集的数据中判读出标签所有的回复符号“0”和“1”；考虑到每个数据处理分支在
信噪比比较差的条件不能100％解码正确，需要从四个分支的处理结果中筛选出正确的解码数据；算法中涉及的经验值都在标签信号功率为-82dBm时进行了迭代，保证筛选的可进行性。
[0049] 请参照图1-图3，图1是本发明的一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法的流程图。图2和图3分别是标签回复数据FM0编码和Miller编码规则图，标签回复数据的编码规则由读写器发送给标签的命令决定。为方便描述，以FM0编码为例，FM0编码数据码元周期(FM0符号“0”或者“1”的周期)为12.5us。
[0050] 一种提升RFID读写器接收灵敏度的方法，所述的方法包括以下步骤：
[0051] 步骤S1：数据采集的步骤；
[0052] 步骤S2：数据复用的步骤；
[0053] 步骤S3：多分支并行处理的步骤；
[0054] 所述步骤S3的方法中包括以下步骤：
[0055] 步骤S31：均值判定的步骤；具体如下：
[0056] 1)均值判定：ADC采集FM0编码数据，采集点入FIFO，每次取65个采样点计算平均值aver，计算公式如下
[0057]
[0058] aver与S32比较，S32大于aver时量化为“1”，S32小于aver量化为“0”，从而实现S32这个采样点的量化处理，FIFO中其他采样点的量化处理类似这样。量化处理过程中并行进行去毛刺处理，之后根据FM0编码规则将量化并去毛刺的处理结果逐段判定为FM0符号“0”或者“1”。均值判定中平均值的计算随着采样点的抽取而实时更新，与当前采样点比较的平均值是前后各32个采样点加上当前采样点的所有值的总和的平均。65个采样点的采样时间和标签回复的数据码元周期12.5us成固定倍数关系。
[0059] 步骤S32：周期极值检测的步骤；具体如下：
[0060] 2)周期极值检测：根据标签数据的频率确定周期的窗口为12.5us，依据周期窗口的大小从数据FIFO中取32个采样点，检测出其中的最大值点Smax和最小值点Smin，根据Smax和Smin的信息判定标签数据的符号。获取最大值点Smax和最小值点Smin在窗口中的坐标(位置)，坐标值范围为0-31，Smax和Smin的坐标差值的绝对值能帮助判定，Smax和Smin的数值差值参照信号的功率大小能鉴定波形变形的程度p，p值影响Smax和Smin的坐标差值的判定阈值。
[0061] 步骤S33：波形趋势分析的步骤；具体如下：
[0062] 3)波形趋势分析：
选定时间网格大小为12.5us，根据时间网格内的采样点的上升或者下降趋势判定标签数据的符号“0”和“1”，上升和下降由相邻采样点的差值的符号决定。为了降低采样波形小范围的抖动对趋势判定的影响，从FIFO中取出采样点数据后，首先要进行去抖动处理。波形趋势分析只需关注时间网格内标签回复数据的波形包络走势，无需复杂的计算，当12.5us内上升采样点的数目n1和下降采样点n2的数目统计完成后，参考阈值进行符号判定。这里的阈值事先根据概率推算出来，并参考实验数据修正而得到，即为先验经验值。为了更精准地进行判定，同时需要关注时间网格内的单调上升和单调下降的区间数，区间数和n1、n2共同发挥作用能降低误判的概率。在标签回复数据波形发生变形但包络走势没有受到较大影响时，这种解码思路能发挥出不错的效果。
[0063] 步骤S34：包络及均值线特征处理的步骤
[0064] 4)包络及均值线特征处理：提取周期窗口12.5us内的采样点的包络，加入该周期窗口内所有采样点的均值线的位置，根据该均值线与包络的位置关系、交点位置、围成的封闭区间等特征综合决定标签数据的符号“0”和“1”。位置关系、交点位置都是相对于周期窗口而言，每个周期窗口的起点为零点，终点的下一个点为下一个周期窗口的起点，多个周期窗口
覆盖全部参与处理的采样数据。包络及均值线特征处理是针对12.5us时间内FM0编码数据的波形包络及波形均值线的组合特征进行分析，均值线即为12.5us时间内所有采样点的平均值所对应的位置线，它与波形包络相交，研究交点的个数nj、交点位置分布以及波形包络与均值线围成的封闭区间的等效面积S。当有多个封闭区间时，若封闭区间位于均值线上方，即为上封闭区间，若封闭区间位于均值线下方，即为下封闭区间。所有上封闭区间等效面积Sup与所有下封闭区间的等效面积Sdown的比值Sup/Sdown也是参与判定的因素。nj、交点位置分布以及Sup/Sdown这三个因素决定了特征处理判定的条件分支走向，当Sdown＝0则排除等效面积比值这个因素。
[0065] 步骤S4：筛选数据的步骤；在筛选数据时，首先根据解码数据末尾自带的校验验证数据的正确性，然后分析通过校验的几种情况：若是只有一个校验通过即作为最终结果；若是多个校验通过的数据相互对比，如果一致随便取一路作为最终结果，如果不一致，参照经验值进行判定取可靠的那一路作为最终结果；若是没有通过校验的数据需要分析各分支错误原因，需要进一步补偿各分支所用经验值，使经验值不断迭代达到解码至少有一路校验通过的状态。
[0066] 请参照图5，图5是本发明的一种提升RFID读写器接收灵敏度的装置结构示意图。一种提升RFID读写器接收灵敏度的装置，所述提升RFID读写器接收灵敏度的装置包括接口电路模块1、MCU模块2、保密模块3、FPGA模块4、DA转换模块5、AD转换模块6、发射电路模块7、接收电路模块8、天线9。
[0067] 接口电路模块1：接口电路支持串口、USB口、网口等接口电路，根据读写器硬件与外部的连接形式而表现为特定的接口电路，若要求军用读写器连入专
门组建的局域网，接口电路即使用网口电路。
[0068] MCU模块2：MCU实现与外部的通信，与保密模块3的数据交互，与FPGA的通信。MCU掌控读写器工作的流程以及工作模式。MCU根据外部的命令，进入特定的流程，让FPGA进行空口命令的编码，标签响应后FPGA将解析出的标签数据传送给MCU，MCU再将标签数据送入保密模块3进行加密，MCU最后将已加密的数据发给外部的系统。
[0069] 保密模块3：为了保证系统的安全性，保密模块3按照特定的算法加密标签数据。
[0070] FPGA模块4：FPGA主要实现空口命令的编码工作和标签数据的解码工作，FPGA控制AD和DA电路模块。所述FPGA模块4中设有均值判定模块、周期极值检测模块、波形趋势分析模块、包络及均值线特征处理模块；
[0071] DA转换电路：DA转换电路是将FPGA输出的空口命令转换后送到发射电路上。
[0072] AD转换电路：AD转换电路按照回波频率的固定倍数的采样频率采集接收电路上的回波。
[0073] 发射电路模块7：与DA转换电路连接，核心是功放电路，将调制后的信号进行功率放大，通过天线9发射出去。
[0074] 接收电路模块8：与天线9相连，从天线9接收标签返回信号。发射和接收用同一个天线9。
[0075] 天线9：收发共用一个天线9，天线9负责将电磁波发送给电子标签，也从空间中接收电磁波。
[0076] 需要说明的是：射频接收电路完成信号解调后，标签回复的信号经ADC采集电路送入FPGA进行处理；各个数据处理模块都从采集数据FIFO中取数据，数据达到复用的效果；四个数据处理模块都是独立的，在FPGA中是并行的；数据处理模块分别是均值判定模块、周期极值检测模块、波形趋势分析模块、包络及均值线特征处理模块，每个分支都能独立完成数据处理的过程，并实现标签数据的按位解码，即从采集的数据中判读出标签所有的回复符号“0”和“1”；考虑到每个数据处理分支在信噪比比较差的条件不能100％解码正确，需要从四个分支的处理结果中筛选出正确的解码数据；算法中涉及的经验值都在标签信号功率为-82dBm时进行了迭代，保证筛选的可进行性。
[0077] 对采用本发明所述方法以及装置进行接收灵敏度进行测量，控
制模拟标签散射信号功率，通过比对模拟标签原始数据和军用读写器解码后数据得到军用读写器的解码误码率。实验数据如图4所示，横坐标代表模拟标签散射信号功率，单位dBm，纵坐标代表误码率，可见实施本发明所述方法的军用读写器达到了标签信号功率为-82dBm时解码的误码率优于10-5的指标。进行对照实验，发现未实施本发明所述方法的读写器在标签信号功率为--482dBm时解码的误码率要超过10 ，说明本发明所述方法可以提升RFID读写器接收灵敏度。
[0078] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
