Multi-Channel Multi-Stage TransMulti-Channel Multi-Stage Transmultiplexing Digital Downmultiplexing Digital Down

Converter and Its Application to Converter and Its Application to RFID(ISO18000-3 mode 2)RFID(ISO18000-3 mode 2)

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多信道多级复用转换的数字下转换多信道多级复用转换的数字下转换器及其在器及其在 RFIDRFID 读写器读写器 (ISO18000-(ISO18000-

3 mode 2)3 mode 2) 的应用的应用

• 摘要摘要• 本文研究了本文研究了 RFIDRFID 读写器在软件定义无线电的应用。读写器在软件定义无线电的应用。

目标目标 RFIDRFID 由由 ISO18000-3 mode 2ISO18000-3 mode 2 定义，有定义，有 88 个个应答信道与应答信道与 88 个不同的个不同的 RFIDRFID 标签同时通信。在软标签同时通信。在软件定义无线电结构里，件定义无线电结构里， 88 个答应信道同一个个答应信道同一个 A/DA/D转换器进行采样，再由数字下转换器进行分离，转换器进行采样，再由数字下转换器进行分离，而在传统而在传统 RFIDRFID 结构里是由结构里是由 88 个并行的模拟下转换个并行的模拟下转换器进行分离的。在多信道数字下转换器的基本上，器进行分离的。在多信道数字下转换器的基本上，我们提出一个新的多级多路传输数字下转换器。我们提出一个新的多级多路传输数字下转换器。软件定义无线电结构可以应用在软件定义无线电结构可以应用在 FPGAFPGA 评估板上，评估板上，系统的有效性在真实硬件上确认。智能无线电里系统的有效性在真实硬件上确认。智能无线电里动态频谱的多信道接收器可以应用这种结构。动态频谱的多信道接收器可以应用这种结构。

• 关键词：多信道多级复用转换的数字下转换器，关键词：多信道多级复用转换的数字下转换器，软件定义无线电，软件定义无线电， RFIDRFID ，， ISO18000-3 mode 2ISO18000-3 mode 2 ，，FPGAFPGA 应用应用

• 11 ．引言．引言• 近年来，近年来， RFIDRFID 越来越流行。越来越流行。 RFIDRFID 系统包含标签和读写器。系统包含标签和读写器。 RFIDRFID 系系

统在很多应用如入口管理、物流管理方面扮演重要角色。统在很多应用如入口管理、物流管理方面扮演重要角色。• ISO18000-3 mode 2ISO18000-3 mode 2 是无源是无源 RFIDRFID 的一个标准，它定义读写器有的一个标准，它定义读写器有 88 个个

应答信道与应答信道与 88 个不同的标签同时通信。传统的读写器用个不同的标签同时通信。传统的读写器用 88 个并行的工个并行的工作在不同局部频率下的模拟下转换器来实现同时通信。但是这种结构作在不同局部频率下的模拟下转换器来实现同时通信。但是这种结构并不合人意，因为它的电路尺寸太大了。并不合人意，因为它的电路尺寸太大了。

• 本文提出利用软件定义无线电技术来解决这个问题。在软件定义无线本文提出利用软件定义无线电技术来解决这个问题。在软件定义无线电结构里，电结构里， 88 个答应信道同一个个答应信道同一个 A/DA/D 转换器进行采样，再由数字下转转换器进行采样，再由数字下转换器（换器（ DDCDDC ）进行分离。为了得到更高效的应用，我们提出了一个）进行分离。为了得到更高效的应用，我们提出了一个多信道多级复用转换多信道多级复用转换 DDCDDC ，它是传统多级，它是传统多级 FIRFIR 滤波器与复用转换器滤波器与复用转换器的结合。的结合。

• 在我们提出的多信道多级复用转换在我们提出的多信道多级复用转换 DDCDDC 中，复用转换器放置于中，复用转换器放置于 FIRFIR滤波器级之间，这样下一级滤波器的计算资源就可以被不同的信道共滤波器级之间，这样下一级滤波器的计算资源就可以被不同的信道共享。本文的享。本文的 RFIDRFID 读写器使用这种读写器使用这种 DDCDDC ，与传统的并行，与传统的并行 DDCDDC 相比，相比，可以减少可以减少 83%83% 的乘法器。另外，软件定义无线电结构可以应用在的乘法器。另外，软件定义无线电结构可以应用在 FPFPGAGA 评估板上，系统的有效性在真实硬件上确认。评估板上，系统的有效性在真实硬件上确认。

• 文章的结构如下：第文章的结构如下：第 22 部分介绍部分介绍 RFID ISO18000-3 mode 2RFID ISO18000-3 mode 2 的规范，的规范，第第 33 部分简要解释传统多级部分简要解释传统多级 DDCDDC ，第，第 44 部分介绍多信道多级复用转部分介绍多信道多级复用转换换 DDCDDC ，并给出仿真结果，第，并给出仿真结果，第 55 部分把这个结构应用到部分把这个结构应用到 FPGAFPGA 评估评估板上，第板上，第 66 部分进行总结。部分进行总结。

• 22 ．． RFID ISO18000-3 mode 2RFID ISO18000-3 mode 2 规范规范• ISO18000-3 mode 2ISO18000-3 mode 2 是是 RFIDRFID 系统的一个国际标准，系统的一个国际标准， ISO18000-3 moISO18000-3 mo

de 2de 2 和和 mode 1mode 1 的规范如表的规范如表 11 所示。这两个标准用的载波频率都是所示。这两个标准用的载波频率都是 113.56 MHz3.56 MHz ，， mode 2mode 2 是是 ISO18000-3ISO18000-3 里的高速传输版本，它定义读写里的高速传输版本，它定义读写器有器有 88 个应答信道与个应答信道与 88 个不同的标签同时通信，可以提高数据传输速个不同的标签同时通信，可以提高数据传输速率率 100 kbps100 kbps 。。

• mode 2mode 2 的的 RFIDRFID 读读写器方框图如图写器方框图如图 11所示。读写器包括所示。读写器包括天线、发射器、接天线、发射器、接收器和收器和 MPUMPU。发。发射器通过射器通过 13.56 M13.56 MHzHz 的载波向无源标的载波向无源标签发送能量和命令。签发送能量和命令。在接收器侧，首先在接收器侧，首先由二极管检波器消由二极管检波器消除除 13.56 MHz13.56 MHz 的载的载波频率，然后由波频率，然后由 88个并行的模拟下转个并行的模拟下转换器分离副载波。换器分离副载波。这这 88 个基带信号上个基带信号上MPUMPU进行采样和解进行采样和解码。在这个结构里，码。在这个结构里，88 个并行的模拟下个并行的模拟下转换器明显是冗余转换器明显是冗余的，且会使电路尺的，且会使电路尺寸变大，这是不合寸变大，这是不合人意的。人意的。

• 33 ．传统．传统 DDCDDC 结构结构• 33 ．． 11 多信道单级多信道单级 DDCDDC

在我们提出的在我们提出的 RFIDRFID读写器里，用基于软读写器里，用基于软件定义无线电技术的件定义无线电技术的（（ SDRSDR ）） DDCDDC 来代来代替替 88 个模拟下转换器，个模拟下转换器，如图如图 22 所示。在所示。在 SDRSDR结构里，结构里， 88 个答应信个答应信道由一个道由一个 A/DA/D 转换器转换器进行采样，再由数字进行采样，再由数字下转换器（下转换器（ DDCDDC ））进行分离。我们采用进行分离。我们采用13.56 MHz13.56 MHz 作为采样作为采样时钟频率，因为它是时钟频率，因为它是RFIDRFID 系统里的基本系统里的基本时钟。时钟。

• 图图 22 是多信道是多信道 DDCDDC 的方框图。的方框图。 IQ-DDCIQ-DDC 包括几个振、两个乘法器、两个低通包括几个振、两个乘法器、两个低通滤波器和两个抽取滤波器。本振用与副载波对应的频产生正统信号和余弦信滤波器和两个抽取滤波器。本振用与副载波对应的频产生正统信号和余弦信号。图号。图 33 是单级是单级 FIRFIR低通滤波器的频率响应例子。虽然滤波器满足要求，但低通滤波器的频率响应例子。虽然滤波器满足要求，但一个滤波器里的乘法器就是一个滤波器里的乘法器就是 420420 个，个， 88 信道信道

• IQ-DDCIQ-DDC 一共需要一共需要 (420×2+2) ×8=6736(420×2+2) ×8=6736 个乘法器。这明显是不实用的。其中个乘法器。这明显是不实用的。其中一个简单的处理方案就是使用对称一个简单的处理方案就是使用对称 FIRFIR 滤波器，因为它的参数的对称性，可滤波器，因为它的参数的对称性，可使复杂性减小一半。为了进一步减小乘法器数目，我们在下面介绍多级复用使复杂性减小一半。为了进一步减小乘法器数目，我们在下面介绍多级复用转换转换 DDCDDC 。。

• 33 ．． 2 2 多信道多级多信道多级 DDCDDC• 图图 44 为为 88 信道信道 33 级级 DDCDDC 的方框图。每个信道有的方框图。每个信道有 33 个滤波器个滤波器

级和两个级和两个 1/41/4抽取滤波器。各信道里，第一级滤波器是一样抽取滤波器。各信道里，第一级滤波器是一样的，选择了的，选择了 RFIDRFID 系统的整个频带，第二级对目标信道进行系统的整个频带，第二级对目标信道进行粗选择，第三级对目标信道进行严格选择并有良好的响应。粗选择，第三级对目标信道进行严格选择并有良好的响应。

• 图图 55 为低通滤波器的频率响应，图为低通滤波器的频率响应，图 66 为为 33 个低通滤波器的总频率响应。个低通滤波器的总频率响应。在图在图 55 里，滤波器的通带带宽根据级别减小。第三个滤波器的频率响里，滤波器的通带带宽根据级别减小。第三个滤波器的频率响应最尖锐，且带有很多假响应。第二个滤波器选择第三个滤波器里的应最尖锐，且带有很多假响应。第二个滤波器选择第三个滤波器里的主要部分，且仍然带有假响应。第一个滤波器选择第二个滤波器里的主要部分，且仍然带有假响应。第一个滤波器选择第二个滤波器里的主要部分，并消除了假响应。最后得出了如图主要部分，并消除了假响应。最后得出了如图 66 的总频率响应，也满的总频率响应，也满足了要求。足了要求。

• 88 信道信道 33 级级 DDCDDC需要的乘法器数目如表需要的乘法器数目如表 22所示。从表中可以看出，多级结构显著地所示。从表中可以看出，多级结构显著地减少了需要的乘法器数目。最后只用了减少了需要的乘法器数目。最后只用了 498498个乘法器，这是可以接受的。个乘法器，这是可以接受的。

• 44 ．多信道多级复用转换．多信道多级复用转换 DDCDDC 结构结构• 44 ．． 11 相关概念相关概念• 图图 77（（ aa ）为传统的多信道多级）为传统的多信道多级 DDCDDC 方框图，（方框图，（ bb）为）为改进后的多信道多级复用转换改进后的多信道多级复用转换 DDCDDC 方框图。在传统的方框图。在传统的 DDDDCC 里，输入的里，输入的 FDMFDM 信号由信号由 NN个本振分别进行下变频，接个本振分别进行下变频，接着是着是 NN个并行的多级滤波器。这种情况下多级滤波器之间个并行的多级滤波器。这种情况下多级滤波器之间有两个有两个 FIRFIR 滤波器和滤波器和 1/N1/N个抽取转换器。因为这个结构有个抽取转换器。因为这个结构有NN个并行的下变频器，所以要求有个并行的下变频器，所以要求有 NN 倍的可计算资源。 倍的可计算资源。

• 在多信道多级复用转换在多信道多级复用转换 DDCDDC 里，传统里，传统 DDCDDC 里的里的 NN 个个 1/N1/N 抽取转换抽取转换器被复用转换器取代，器被复用转换器取代， NN 个不同信道里的频域信号在这里被转换为时个不同信道里的频域信号在这里被转换为时域信号。因此第二个域信号。因此第二个 FIRFIR 滤波器的可计算资源可以被滤波器的可计算资源可以被 NN 个信道共享。个信道共享。这个概念的视觉图形如图这个概念的视觉图形如图 88 所示。首先对输入的所示。首先对输入的 FDMFDM 信号在信号在 TSTS 时间时间间隔里进行采样，然后下转换为基带信号、过滤和间隔里进行采样，然后下转换为基带信号、过滤和 1/N1/N 抽样。在右图抽样。在右图里，引入了复用转换器，而不是里，引入了复用转换器，而不是 1/N1/N 抽样转换器，频分信号可以转换抽样转换器，频分信号可以转换为时分信号，这样乘法器数目可以减少到为时分信号，这样乘法器数目可以减少到 1/N1/N 。在这个多信道多级复。在这个多信道多级复用转换用转换 DDCDDC 中，级数越多，乘法器数目减少得越多。中，级数越多，乘法器数目减少得越多。

• 44 ．． 22 多信道多级复用转换多信道多级复用转换 DDCDDC• 图图 99为为 88 信道信道 33 级复用转换级复用转换 DDCDDC 的设计框图，。在这个结构里，不同频率信的设计框图，。在这个结构里，不同频率信

道在第二、第二级滤波器之前进行复用转换，而不是抽取转换。通过把道在第二、第二级滤波器之前进行复用转换，而不是抽取转换。通过把 FDMFDM转换为转换为 TDMTDM ，滤波器的可计算资源可以在不同的时间内被不同的信道共享。，滤波器的可计算资源可以在不同的时间内被不同的信道共享。在第二级，在第二级， 22组的组的 44 信道进行复用转换而不是进行信道进行复用转换而不是进行 1/41/4抽取转换。同理，第抽取转换。同理，第三级也是这样。结果第二级和第三级所用的计算资源分别减少到三级也是这样。结果第二级和第三级所用的计算资源分别减少到 1/41/4 和和 1/161/16 ，，为了进一步减少使用计算资源，可以提高采样频率至两倍 为了进一步减少使用计算资源，可以提高采样频率至两倍

•采用和不采用复用转换器所需要的乘法器采用和不采用复用转换器所需要的乘法器数目如表数目如表 33 所示。从表中可以看出，多信所示。从表中可以看出，多信道多级复用转换道多级复用转换 DDCDDC需要的乘法器数目从需要的乘法器数目从498498 个减少到个减少到 8484 个，减少了个，减少了 83%83% 。。

• 55 ．． RFIDRFID 读写器在读写器在 FPGAFPGA 上的实现上的实现• 为了评估我们提出的结构的可行性，我们把为了评估我们提出的结构的可行性，我们把 RFIDRFID 读写器读写器

在在 FPGAFPGA 评估板上实施，评估板上有评估板上实施，评估板上有 FPGAFPGA 和一个无杂散和一个无杂散动态范围为动态范围为 70dB70dB的的 1414位位 A/DA/D 转换器。转换器。

• 55 。。 11 计算机仿真计算机仿真• 图图 1010 为图为图 44 中各个测试点的频谱图，从图中我们可以明中各个测试点的频谱图，从图中我们可以明白多级白多级 DDCDDC 频率转换、滤波和抽取转换的过程。最终得频率转换、滤波和抽取转换的过程。最终得到的图到的图 1010 （（ ff）满足要求。为了评估所提出）满足要求。为了评估所提出 DDCDDC 的有效的有效性，对位错误率进行估计，如图性，对位错误率进行估计，如图 1111 所示。由表所示。由表 11 的规范，的规范，调制方法为调制方法为 BSPKBSPK，编码方法为，编码方法为 MFMMFM 。有三种情况，一。有三种情况，一是理想情况，基带信号直接与是理想情况，基带信号直接与 MFMMFM 解码器相连；第二种解码器相连；第二种情况是情况是 ACHACH 信号与信号与 DDCDDC 相连；第三种情况是相连；第三种情况是 88 信道与信道与 DDDCDC 相连。第一二两种情况的结果是一样的，第三种情况相连。第一二两种情况的结果是一样的，第三种情况因为信道的干扰，其位错误率比前两者要高。从仿真结果因为信道的干扰，其位错误率比前两者要高。从仿真结果里我们可以确认这种里我们可以确认这种 DDCDDC 的可行性。 的可行性。

• 55 ．． 22 硬件实现硬件实现• 图图 1212 为系统的概况。系统包括一个控制为系统的概况。系统包括一个控制 PCPC 、传统读写、传统读写

器、器、 FPGAFPGA 评估板和一个盘式天线。多信道多级复用转换评估板和一个盘式天线。多信道多级复用转换DDCDDC 、本振、帧检测器和、本振、帧检测器和 MFMMFM 解码器在解码器在 FPGAFPGA 上实现，上实现，传统读写器用作发射器。传统读写器用作发射器。 A/DA/D 转换器和转换器和 FPGAFPGA 的基本时钟的基本时钟是是 13.56 MHz13.56 MHz ，由传统读写器提供。由于发射和接收的基，由传统读写器提供。由于发射和接收的基本时钟一样，所以可以达到完美的时钟同步的目的。所用本时钟一样，所以可以达到完美的时钟同步的目的。所用的的 18×18 bit18×18 bit 乘法器数目为乘法器数目为 (84+2)=86(84+2)=86 个，其中两个用于个，其中两个用于MFMMFM 解码器。在图解码器。在图 1212 的左边，有的左边，有 100100 个个 RFIDRFID 在盘形天在盘形天线里面。在线里面。在 PCPC机上显示出每个被检测到的标签的机上显示出每个被检测到的标签的 6464位位 IIDD号。号。 88 信道中的一个信道被信道中的一个信道被 PCPC机上的机上的 MACMAC协议随机分协议随机分配到配到 RFIDRFID 标签，如图标签，如图 1313 所示。所示。 MACMAC 有避免冲突的功能。有避免冲突的功能。在这个系统里，在这个系统里， 100100 个个 RFIDRFID 标签的标签的 IDID号可以在号可以在 11秒内秒内被检测到。其中被检测到。其中 400ms400ms 为数据传输，为数据传输， 100ms100ms 为命令时间，为命令时间，400ms400ms 用于处理和可视化。由于数据碰撞、相邻信道间用于处理和可视化。由于数据碰撞、相邻信道间的干扰和传输损耗，数据传输要发出的干扰和传输损耗，数据传输要发出 100100次次 IDID询问命令。询问命令。

• 66 ．总结．总结• 本文研究了基于软定义无线电的本文研究了基于软定义无线电的 RFIDRFID 读写器的实读写器的实

现。目标现。目标 RFIDRFID 是由是由 ISO18000-3 mode 2ISO18000-3 mode 2 定义的，定义的，有有 88 个应答信道与个应答信道与 88 个不同的个不同的 RFIDRFID 标签同时通标签同时通信。在软件定义无线电结构里，信。在软件定义无线电结构里， 88 个答应信道同个答应信道同一个一个 A/DA/D 转换器进行采样，再由数字下转换器进转换器进行采样，再由数字下转换器进行分离，而在传统行分离，而在传统 RFIDRFID 结构里是由结构里是由 88 个并行的模个并行的模拟下转换器进行分离的。在多信道数字下转换器拟下转换器进行分离的。在多信道数字下转换器的基本上，我们提出一个新的多级多路传输数字的基本上，我们提出一个新的多级多路传输数字下转换器。软件定义无线电结构可以应用在下转换器。软件定义无线电结构可以应用在 FPGFPGAA 评估板上，系统的有效性在真实硬件上确认。评估板上，系统的有效性在真实硬件上确认。智能无线电里动态频谱的多信道接收器可以应用智能无线电里动态频谱的多信道接收器可以应用这种结构 这种结构 ..