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兼具設計彈性與成本優(yōu)勢 FPGA加速RFID讀取機開發(fā)

FPGA組件可靈活編程的特性,，一直扮演著加速產品上市速度的重要角色,。藉由FPGA與嵌入式處理器核心的搭配,，將有助于RFID讀取機設計業(yè)者,，利用市面上現(xiàn)成的射頻相關組件，在最短的時間內開發(fā)出符合產業(yè)標準的產品,。

無線射頻識別系統(tǒng)(RFID)是一種自動辨識技術，每個目標實體均擁有一組獨一無二的辨識碼(Unique
Identifying Number, UID),，并儲存于RFID詢答器(Transponder)或標簽上,。RFID卷標通常貼附在實體上，如硬紙片,、貨架,、包裝盒等。RFID讀取機(詢問器)能從標簽中擷取出UID。

一個基本的RFID系統(tǒng)包含三個組件：天線或線圈,、含有RFID譯碼器的收發(fā)器,、以及擁有UID的RFID標簽。表1顯示了四種常用的RFID頻率及其相關應用領域,。目前最受矚目的商業(yè)用途頻率為超高頻(UHF),。此頻率已在供應鏈管理方面進入大量應用階段。

EPC為電子商品條形碼(Electronic Product Code)的縮寫,。此條形碼為一種RFID卷標的標準,，包含卷標的數據內容，以及各種開放式無線通訊協(xié)議,。EPC結合了條形碼規(guī)格中使用的各項數據標準,，以及ANSI與其它組織(802.11b)所開發(fā)的無線數據通訊標準。目前供應鏈管理所采用的EPC標準為EPC Class1 Gen2(圖1),。

供應鏈所須的RFID標簽與讀取機

Class1標簽通常是在工廠中就已預先編寫完成,，但也可在現(xiàn)場下載。通常當卷標寫入數據后,，內存就被鎖住,，不允許再寫入數據。Class1卷標采用傳統(tǒng)的封包型通訊協(xié)議,，讀取機傳出的封包中,，即含有指令與數據，緊接著還有卷標的響應訊息,。

RFID系統(tǒng)環(huán)境使用的頻道屬于免授權的ISM(工業(yè),、科學、醫(yī)療)頻段,，因此充滿著許多干擾源,。在這種頻段中運作的RFID讀取機，容易受到各種外部干擾源的影響,，包括無線電話,、無線耳機、無線數據網絡,、以及其它鄰近的讀取機裝置,。每種讀取機的射頻(RF)接收器之前端組件必須能承受極高的干擾源，而且不會因訊號扭曲而造成詢答錯誤(圖2),。接收器的噪聲必須維持在最低,，如此才能維持充裕的動態(tài)范圍，在無錯誤的狀態(tài)下,，偵測低強度的卷標應答訊號,。

抗噪聲射頻讀取機設計

圖3顯示的讀取機射頻收發(fā)器架構是一種已廣為業(yè)界認可的設計,，能夠在高密度、充斥干擾源的環(huán)境下正常運作,。發(fā)送器與接收器結合了高動態(tài)范圍的直接轉換調變器與解調變器,，藉以達到最高的強固性與最低的成本。

此讀取機的核心采用凌力爾特(Linear Technology)的LT5516高整合度直接轉換正交解調變器(Direct Conversion Quadrature Demodulator),，芯片內部包含高精準度正交相位(0與90 )轉換器,。天線接收到的訊號在通過射頻過濾器后，透過平衡-不平衡轉換器直接傳送到解調變器的輸入端,。由于該款調變器的噪聲值相當低,，因此不需要低噪聲放大器(LNA)，故能維持21.5 dBm IIP3與9.7dB P1dB的效能,。

在接收階段,，讀取機會向標簽傳送一個連續(xù)波(未調變)載波。在詢答階段,，標簽會對載波的振幅進行調變,，傳回一個比特流。調變格式為振幅偏移調變(Amplitude Shift Key, ASK)或反相振幅偏移調變(Phase-Reversal
ASK),。解調變器包含兩個正交相位偵測輸出端,，提供多元化的接收功能。若某個信道因多重信道或相位抵銷的緣故而無法收到訊號時,，其它信道(經過90的相位偏移)仍可接收高強度的訊號,，反之亦然。因此,，接收器的整體穩(wěn)定度得以提升,。

經過調變后，就可把相位(I)與正交相位(Q)的差動輸出訊號進行耦合,，傳至設定成差動放大器的運作放大器,，將訊號轉換成單端式輸出。設計者可把高通過門坎設定成5kHz－低于接收數據流的最低訊號內容,，并高于移動中標簽所可能產生的最高都普勒頻率(Doppler Frequency),，且仍遠高于60Hz的電源線頻率。而產生的輸出訊號可藉由被設定成四階式(Fourth-order)的LT1568低通過濾器傳送出去,。在此,，可將低通過門坎頻率設定成5MHz，允許最大的比特流訊號通過基頻門坎,。

此時基頻訊號可透過兩個分辨率為12位的低功耗模擬數字轉換器(ADC)LTC2291,，進行數字化。由于標簽的比特流傳輸頻寬為5kHz～5MHz,，因此LTC2291能在25MSps的速度下,，提供充裕的超額采樣效能，精準地擷取解調變訊號,。若有需要,，可在基頻數字訊號處理器(DSP)中，建置更多的數字過濾功能,。這種設計帶來最高的彈性,，讓接收器能設定邏輯門坎，讓基頻處理器能在數字模式下運作,。

高動態(tài)范圍射頻發(fā)送器設計

發(fā)送器采用整合型鏡像抑制直接轉換調變器,，如圖3所示，LT5568提供極高的線性比例以及低噪聲的門坎,，為訊號的傳送提供優(yōu)異

動態(tài)范圍,。調變器接收來自數字至模擬轉換器(DAC)的正交基頻I與Q訊號，經過轉換與調變后,，直接輸出成900MHz的傳送頻率,。

就內部而言，一個高精準度正交相位偏移器分割了區(qū)域振蕩器(Local Oscillator, LO),。調變后的射頻訊號結合成一個單端,、單邊頻的射頻輸出訊號，并以46dBc進行鏡像抑制,。此外,，調變器對I與Q混頻器進行匹配，將LO載波訊號最大抑制在-43dBm,。

組成的調變電路展現(xiàn)出良好的鄰近頻道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)效能,，滿足傳輸頻譜遮蔽的需求。例如,，在調變器射頻輸出值達-8dBm時,，ACPR則高于-60dBc。由于輸出端的噪聲相當低,，因此訊號可放大至最大的功率1瓦(美國為+30dBm),，或是歐規(guī)的2瓦。由于功率是用來為標簽提供電力,，藉以達到最大的讀取距離,，因此不論是在何種狀況下，ACPR都須維持固定值,。LTC5505射頻功率偵測器的內部溫度補償機制,，能精準地測量功率，并提供穩(wěn)定回饋機制,，來調節(jié)射頻功率放大器的輸出訊號,。

基頻處理與網絡接口

在基頻部分,，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)可針對傳送至DAC的訊號以及從ADC傳來的訊號，進行波形頻道化的作業(yè),。這個流程亦稱為數字中頻(IF)處理,，其中包含一些過濾、增益控制,、頻率轉換,、以及取樣率改變等作業(yè)。FPGA甚至能以平行模式處理多個頻道,。

圖4顯示RFID讀取機架構的分區(qū)模式,。其它基頻作業(yè)包括：

．預先偵測

．序列評估

．調變與解調變(包括ASK、頻率與相位偏移調變)

．訊號產生

．相關器處理

．尖峰偵測與門坎限制

．CRC與檢查碼

．編碼與譯碼(包括不歸零(NRZ),、曼徹斯特(Manchester)編碼,、單極、差分,、雙極,、米勒(Miller)編碼)

．訊框偵測

．ID解擾碼

．安全加密引擎

接收到的RFID卷標數據會透過串行端口或網絡接口，傳送至企業(yè)系統(tǒng)服務器,。這種傳統(tǒng)架構已演變成復雜分布式TCP/IP網絡的一部分,，在此環(huán)境中，讀取機負責管理鄰近的標簽,。如今,，讀取機則扮演標簽與智能型分布式數據庫系統(tǒng)之間的網關器，連結至各種企業(yè)軟件應用系統(tǒng)中,。

這些基頻作業(yè)依據硬件/軟件的分割狀態(tài),，可在FPGA或數字訊號處理器、或結合兩種組件的系統(tǒng)上執(zhí)行,。

基頻處理器不僅控制各種基頻作業(yè)的功能與排程,，亦負責連結層通訊協(xié)議的作業(yè)。這些基頻作業(yè)包括：跳頻,、側聽后傳送,、以及防碰撞算法的處理。此外,，基頻處理器亦可提供像是以太網絡,、USB、或Firewire等接口,。

基頻作業(yè)與數字射頻頻道化的處理功能,，讓以FPGA型態(tài)的解決方案具備更高的吸引力與整合度。FPGA功能,、DSP功能,、基頻處理器功能,，能藉由一個嵌入式處理器整合至一個FPGA組件中。

藉由FPGA快速實現(xiàn)RFID讀取機設計

圖5顯示一個以FPGA為基礎的RFID處理器架構,，其中的嵌入式處理器可使用一個硬件IP,，如PowerPC，也可以是軟件核心如MicroBlaze,，或甚至混合PowerPC與MicroBlaze。設計者可連結內建的硬件以太網絡媒體存取控制(EMAC),，透過外部以太網絡實體層組件連結至以太網絡,。另一種替代方案是采用Lite
Ethernet MAC IP來搭配/100-BaseT網絡。

PowerPC/MicroBlaze嵌入型處理器負責執(zhí)行以下作業(yè)：

．EPC數據處理與轉送

．通訊協(xié)議處理

．詢答作業(yè)的排程

．TCP/IP網絡接口

．控制與監(jiān)視

．調制解調器控制器

．升級代理組件

．HTTP服務器

．SNMP/MIB處理

以賽靈思(Xilinx)的一款千兆以太網絡系統(tǒng)(Gigabit Ethernet System)參考設計－GSRD為例,，其為一款EDK型態(tài)的參考系統(tǒng),，能在TCP/IP通訊協(xié)議與使用者數據接口間，扮演高效能橋接組件,。GSRD組件具備的功能,，可應付TCP/IP系統(tǒng)每字節(jié)與每個封包的處理需求。

TCP傳送效能量測指標,，現(xiàn)已有MontaVista Linux操作系統(tǒng)以及Treck的專屬版本,。藉由賽靈思XPS平臺的微處理器函式庫定義(Micro-processor Library Definition, MLD)，Nucleus PLUS實時操作系統(tǒng),，可運用MicroBlaze與PowerPC處理器,，為系統(tǒng)帶來更強的功能。同時能運用芯片內部存儲器來降低功耗,、縮小尺寸,，并提升效能，而完備的中介軟件,，讓其成為RFID后端網絡系統(tǒng)最佳的解決方案,。

可攜式讀取機能連結各類硬盤、QWERTY鍵盤,、可攜式內存接口,、各種顯示器、以及其它以復雜可程序化邏輯組件(CPLD)實現(xiàn)的周邊裝置(圖6),，這些CPLD能以極低的耗電量,、高速效能、以及小型芯片封裝之優(yōu)勢,，協(xié)助應用處理器與支持上述功能,。

展望未來，RFID讀取機將會把如RF通訊協(xié)議處理等各種前端DSP功能,，整合至FPGA組件,。目前RF通訊協(xié)議處理仍是由獨立DSP組件負責,。嵌入式軟件處理器核心已能提供優(yōu)異的DMIPS/MHz效能，不久將能取代后端外部處理器,，以支持控制讀取機的應用功能,，透過可編程邏輯組件為RFID讀取機帶來最大彈性與降低成本的優(yōu)勢。