王哲宇，朱詩倩，劉錦高

（1.華東師范大學 通信工程系，上海 200241；2.華東師范大學 電子工程系，上海 200241）

射頻識別是無線電頻率識別RFID（Radio Frequency Identification）的簡稱，即通過無線電波進行識別。在RFID系統(tǒng)中，識別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱為應答器，即無線射頻標簽。由于RFID具有可靠性高、保密性好、能適應各種環(huán)境等優(yōu)點，被廣泛應用于物流、門禁防偽、倉庫管理等場合[1]。

目前無線射頻標簽按照供電方式可以分為無源RFID標簽和有源RFID標簽兩類。無源RFID標簽內(nèi)不含電源，其能量要從RFID讀寫器獲取。當無源RFID標簽靠近RFID讀寫器時，它的天線將接收到的電磁波能量轉化成電能，激活RFID標簽中的芯片，并將RFID中的數(shù)據(jù)發(fā)送到RFID讀寫器。無源RFID標簽的優(yōu)點是體積小、重量輕、成本低、壽命長，可以制作成薄片或掛扣等不同形狀[2]。

在閱讀器與無源RFID標簽的通信中需要實現(xiàn)對射頻信號的調制解調和編解碼，完成射頻信號與數(shù)字信號的相互轉換，并實現(xiàn)符合國際標準的應答協(xié)議、加密以及防碰撞算法。本文將著重闡述一種基于ISO/IEC 14443 TYPE A協(xié)議的編解碼電路的實現(xiàn)方法，并在Altera的FPGA上實現(xiàn)設計的仿真驗證。

1 解碼電路的設計與仿真

1.1 閱讀器到射頻標簽的通信

閱讀器向射頻標簽的通信采用的載波頻率為13.56 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為106 kb/s。本文所使用的ISO/IEC 14443 TYPE A通信接口采用修正密勒碼方式對載波進行調制。TYPE A中定義了3種時序：(1)時序X：在64/fc處，產(chǎn)生一個凹槽(Pause)；(2)時序Y：在整個位期間(128/fc)不發(fā)生調制；(3)時序Z：在位期間的開始產(chǎn)生一個Pause。其中，fc為載波頻率13.56 MHz，Pause脈沖的底寬為0.5μs～3.0μs[3]。

修正密勒碼的編碼規(guī)則如下：

(1)邏輯1為時序X。

(2)邏輯0為時序Y。但有兩種情況除外：①當相鄰有兩個或更多個0時，從第二個0開始采用時序Z；②對直接與起始位相連的所有0用時序Z表示。

(3)通信開始用時序Z表示。

(4)通信結束用邏輯0加時序Y表示。

(5)無信息用至少兩個Y時序表示。

1.2 修正密勒碼解碼電路的設計

修正密勒碼解碼電路的整體框圖主要由解碼開始信號電路、脈沖形成電路、時鐘產(chǎn)生電路和內(nèi)部數(shù)據(jù)產(chǎn)生電路組成，如圖1所示?；贛odelSim的仿真結果如圖2所示。在解碼器電路運行時，它接收到的是經(jīng)由模擬前端解調后的載波包絡din和時鐘信號clk_M_din[4]，解碼器首先檢測輸入din中的第一個凹槽，當接收到第一個凹槽后，閱讀器向射頻標簽的通信開始，因而產(chǎn)生一個使能信號r_enable給后端的處理電路。其中，時鐘產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生解碼器的數(shù)據(jù)時鐘信號data_clk，而脈沖形成電路用于檢測在第一個凹槽之后的所有凹槽，并產(chǎn)生相應的正脈沖信號pulse_gen。通過一個data_reg觸發(fā)器在數(shù)據(jù)時鐘信號下降沿發(fā)生一次翻轉，在脈沖形成電路輸出正脈沖時置1，將數(shù)據(jù)的變化記錄下來后，再用數(shù)據(jù)時鐘對data_reg觸發(fā)器的輸出進行采樣，并將最終解碼后的NRZ碼輸入移位寄存器data[7∶0]。

圖1 修正密勒碼解碼電路的系統(tǒng)框圖

圖2 基于ModelSim的修正解碼電路仿真波形

另外，根據(jù)編碼的規(guī)則，用邏輯0后加一個時序Y表示通信的結束。因此通過一個logic_reg觸發(fā)器，在檢測到解碼后的NRZ碼data為邏輯0時置1，在脈沖形成電路產(chǎn)生脈沖時置0。當其在連續(xù)兩個數(shù)據(jù)時鐘信號的上升沿處均為0時，表示通信和解碼結束，關閉使能信號r_enable。

從如圖2所示的仿真波形可見，本文設計的解碼電路在輸入為0x26的修正密勒碼編碼時，能夠輸出正確的解碼數(shù)據(jù)和通信結束信號，符合ISO/IEC 14443 TYPE A對修正密勒碼解碼的規(guī)范與要求[5]。

2 編碼電路的設計與仿真

2.1 射頻標簽到閱讀器的通信

射頻標簽到讀卡器的通信以負載調制的方式實現(xiàn)，用數(shù)據(jù)曼徹斯特碼的副載波調制（ASK）信號進行負載調制。其中，曼徹斯特碼的1碼是前半（50%）位為高，后半（50%）位為低；0碼是前半（50%）位為低，后半（50%）位為高，而副載波調制中的副載波頻率為載波頻率fc的16分頻，即847 kHz。

2.2 曼徹斯特碼編碼電路的改進設計

曼徹斯特碼的編碼原理較為簡單，將NRZ碼和數(shù)據(jù)時鐘進行“異或”便可得到曼徹斯特碼。但實際設計電路時，由于信號的上升沿和下降沿均不是理想的，在輸出中會產(chǎn)生尖峰脈沖。因此可以用2倍頻后的數(shù)據(jù)時鐘信號重新采樣曼徹斯特碼編碼器的輸出，從而避開可能會遇到的脈沖。改進后的編碼器如圖3所示。得到曼徹斯特碼輸出后，將副載波信號與曼徹斯特碼相乘，即可實現(xiàn)副載波調制[6]。

最終實現(xiàn)了副載波調制后曼徹斯特編碼的數(shù)字編碼器電路的ModelSim仿真波形，如圖4所示，其中數(shù)據(jù)時鐘clk_128x的頻率為系統(tǒng)輸入時鐘信號clk_M_din的128分頻。編碼器電路中使用一個8 bit的移位寄存器trans_reg[7∶0]存儲將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，信號xor_output為數(shù)據(jù)時鐘clk_128x與trans_reg[0]相“異或”的輸出，被2倍于數(shù)據(jù)時鐘信號的clk_64x信號的下降沿重新采樣后，得到未經(jīng)過副載波調制的曼徹斯特編碼dff_output信號輸出。由仿真波形可以看出，原本的xor_output輸出信號在數(shù)據(jù)時鐘跳變沿處有尖峰脈沖出現(xiàn)。如果直接使用這樣的信號進行副載波調制，會使編碼輸出的波形有誤，可能導致閱讀器端無法正確解碼。因此，通過2倍頻于數(shù)據(jù)時鐘信號的clk_64x信號重新采樣后，得到無尖峰脈沖的正確波形。最后將輸入時鐘的16分頻信號與dff_output信號相乘，得到經(jīng)過副載波調制后的曼徹斯特編碼輸出mdo_sub。

圖4 基于ModelSim的曼徹斯特編碼電路的仿真波形

在ISO/IEC 14443標準中，射頻標簽與閱讀器通信時的數(shù)據(jù)除了要符合編碼格式以外，還需符合一定的幀格式。例如在圖仿真中需要將一個16 bit的數(shù)據(jù)0x04編碼成符合標準幀格式的曼徹斯特編碼。根據(jù)協(xié)議標準，標準幀的格式由圖5所示。由于在一個標準幀中除了數(shù)據(jù)位還有開始位、奇偶校驗位和結束位，因此最終實現(xiàn)的編碼器電路在上文的基礎上，還需添加一個標準幀生成狀態(tài)機，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉換成標準幀格式發(fā)送[7]。

圖5 標準幀結構

本文所設計的編碼器電路運行在Altera FPGA平臺上的實測波形如圖6所示，其中波形形狀、副載波頻率、幀格式等均符合仿真結果，滿足ISO/IEC 14443 TYPE A協(xié)議對于副載波調制后曼徹斯特碼編碼以及標準幀格式的要求。

圖6 Altera FPGA所產(chǎn)生的副載波曼徹斯特碼實測波形

3 基于ISO/IEC 14443 TYPE A標準的協(xié)議棧通信接口設計

在ISO/IEC 14443 TYPE A標準的協(xié)議中，當射頻標簽進入閱讀器能量范圍時，閱讀器會發(fā)出一個REQA信號給射頻標簽，而射頻標簽需要回饋一個ATQA信號給閱讀器[8]。隨后，射頻標簽與閱讀器便會按照一定的通信協(xié)議相互傳遞數(shù)據(jù)。為了便于后端協(xié)議棧電路的實現(xiàn)，本文所設計的編解碼電路已經(jīng)包含了檢測到REQA信號后回饋ATQA信號的應答邏輯電路以及從SPI通信接口，為后端的協(xié)議棧電路提供了發(fā)送數(shù)據(jù)的通信接口。整個包含了應答邏輯電路和從SPI通信接口的編解碼電路的ModelSim仿真波形如圖7所示。該圖中，A段描述了編解碼電路在收到REQA信號后自動回饋ATQA信號給閱讀器；B段描述了后端的協(xié)議?？刂齐娐?僅基于ModelSim的功能級仿真)通過從SPI接口將收到的數(shù)據(jù)讀出，并在C段控制編解碼電路發(fā)送新的符合協(xié)議標準的數(shù)據(jù)給閱讀器端。

本文提出了一種基于ISO/IEC 14443協(xié)議的高頻(13.56 MHz)RFID的數(shù)字編解碼電路結構，詳細討論了編解碼電路的組成、結構與具體實現(xiàn)中的困難和要點。在ModelSim軟件上進行了仿真，并在Altera FPGA上實際測試了電路的運行效果。測試的結果表明，該RFID數(shù)字編解碼部分可以實現(xiàn)正確的修正密勒碼解碼和經(jīng)過副載波調制后的曼徹斯特編碼，輸出波形完全符合ISO/IEC 14443 TYPE A標準，并且為后端協(xié)議棧電路提供了良好的通信接口，大大降低了RFID芯片設計的整體難度。

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