一种无源射频识别编解码电路的设计与验证

王哲宇，朱诗倩，刘锦高

（1.华东师范大学 通信工程系，上海 200241；2.华东师范大学 电子工程系，上海 200241）

射频识别是无线电频率识别RFID（Radio Frequency Identification）的简称，即通过无线电波进行识别。在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器，即无线射频标签。由于RFID具有可靠性高、保密性好、能适应各种环境等优点，被广泛应用于物流、门禁防伪、仓库管理等场合[1]。

目前无线射频标签按照供电方式可以分为无源RFID标签和有源RFID标签两类。无源RFID标签内不含电源，其能量要从RFID读写器获取。当无源RFID标签靠近RFID读写器时，它的天线将接收到的电磁波能量转化成电能，激活RFID标签中的芯片，并将RFID中的数据发送到RFID读写器。无源RFID标签的优点是体积小、重量轻、成本低、寿命长，可以制作成薄片或挂扣等不同形状[2]。

在阅读器与无源RFID标签的通信中需要实现对射频信号的调制解调和编解码，完成射频信号与数字信号的相互转换，并实现符合国际标准的应答协议、加密以及防碰撞算法。本文将着重阐述一种基于ISO/IEC 14443 TYPE A协议的编解码电路的实现方法，并在Altera的FPGA上实现设计的仿真验证。

1 解码电路的设计与仿真

1.1 阅读器到射频标签的通信

阅读器向射频标签的通信采用的载波频率为13.56 MHz，数据传输速率为106 kb/s。本文所使用的ISO/IEC 14443 TYPE A通信接口采用修正密勒码方式对载波进行调制。TYPE A中定义了3种时序：(1)时序X：在64/fc处，产生一个凹槽(Pause)；(2)时序Y：在整个位期间(128/fc)不发生调制；(3)时序Z：在位期间的开始产生一个Pause。其中，fc为载波频率13.56 MHz，Pause脉冲的底宽为0.5μs～3.0μs[3]。

修正密勒码的编码规则如下：

(1)逻辑1为时序X。

(2)逻辑0为时序Y。但有两种情况除外：①当相邻有两个或更多个0时，从第二个0开始采用时序Z；②对直接与起始位相连的所有0用时序Z表示。

(3)通信开始用时序Z表示。

(4)通信结束用逻辑0加时序Y表示。

(5)无信息用至少两个Y时序表示。

1.2 修正密勒码解码电路的设计

修正密勒码解码电路的整体框图主要由解码开始信号电路、脉冲形成电路、时钟产生电路和内部数据产生电路组成，如图1所示。基于ModelSim的仿真结果如图2所示。在解码器电路运行时，它接收到的是经由模拟前端解调后的载波包络din和时钟信号clk_M_din[4]，解码器首先检测输入din中的第一个凹槽，当接收到第一个凹槽后，阅读器向射频标签的通信开始，因而产生一个使能信号r_enable给后端的处理电路。其中，时钟产生电路用于产生解码器的数据时钟信号data_clk，而脉冲形成电路用于检测在第一个凹槽之后的所有凹槽，并产生相应的正脉冲信号pulse_gen。通过一个data_reg触发器在数据时钟信号下降沿发生一次翻转，在脉冲形成电路输出正脉冲时置1，将数据的变化记录下来后，再用数据时钟对data_reg触发器的输出进行采样，并将最终解码后的NRZ码输入移位寄存器data[7∶0]。

图1 修正密勒码解码电路的系统框图

图2 基于ModelSim的修正解码电路仿真波形

另外，根据编码的规则，用逻辑0后加一个时序Y表示通信的结束。因此通过一个logic_reg触发器，在检测到解码后的NRZ码data为逻辑0时置1，在脉冲形成电路产生脉冲时置0。当其在连续两个数据时钟信号的上升沿处均为0时，表示通信和解码结束，关闭使能信号r_enable。

从如图2所示的仿真波形可见，本文设计的解码电路在输入为0x26的修正密勒码编码时，能够输出正确的解码数据和通信结束信号，符合ISO/IEC 14443 TYPE A对修正密勒码解码的规范与要求[5]。

2 编码电路的设计与仿真

2.1 射频标签到阅读器的通信

射频标签到读卡器的通信以负载调制的方式实现，用数据曼彻斯特码的副载波调制（ASK）信号进行负载调制。其中，曼彻斯特码的1码是前半（50%）位为高，后半（50%）位为低；0码是前半（50%）位为低，后半（50%）位为高，而副载波调制中的副载波频率为载波频率fc的16分频，即847 kHz。

2.2 曼彻斯特码编码电路的改进设计

曼彻斯特码的编码原理较为简单，将NRZ码和数据时钟进行“异或”便可得到曼彻斯特码。但实际设计电路时，由于信号的上升沿和下降沿均不是理想的，在输出中会产生尖峰脉冲。因此可以用2倍频后的数据时钟信号重新采样曼彻斯特码编码器的输出，从而避开可能会遇到的脉冲。改进后的编码器如图3所示。得到曼彻斯特码输出后，将副载波信号与曼彻斯特码相乘，即可实现副载波调制[6]。

最终实现了副载波调制后曼彻斯特编码的数字编码器电路的ModelSim仿真波形，如图4所示，其中数据时钟clk_128x的频率为系统输入时钟信号clk_M_din的128分频。编码器电路中使用一个8 bit的移位寄存器trans_reg[7∶0]存储将要发送的数据，信号xor_output为数据时钟clk_128x与trans_reg[0]相“异或”的输出，被2倍于数据时钟信号的clk_64x信号的下降沿重新采样后，得到未经过副载波调制的曼彻斯特编码dff_output信号输出。由仿真波形可以看出，原本的xor_output输出信号在数据时钟跳变沿处有尖峰脉冲出现。如果直接使用这样的信号进行副载波调制，会使编码输出的波形有误，可能导致阅读器端无法正确解码。因此，通过2倍频于数据时钟信号的clk_64x信号重新采样后，得到无尖峰脉冲的正确波形。最后将输入时钟的16分频信号与dff_output信号相乘，得到经过副载波调制后的曼彻斯特编码输出mdo_sub。

图4 基于ModelSim的曼彻斯特编码电路的仿真波形

在ISO/IEC 14443标准中，射频标签与阅读器通信时的数据除了要符合编码格式以外，还需符合一定的帧格式。例如在图仿真中需要将一个16 bit的数据0x04编码成符合标准帧格式的曼彻斯特编码。根据协议标准，标准帧的格式由图5所示。由于在一个标准帧中除了数据位还有开始位、奇偶校验位和结束位，因此最终实现的编码器电路在上文的基础上，还需添加一个标准帧生成状态机，将要发送的数据转换成标准帧格式发送[7]。

图5 标准帧结构

本文所设计的编码器电路运行在Altera FPGA平台上的实测波形如图6所示，其中波形形状、副载波频率、帧格式等均符合仿真结果，满足ISO/IEC 14443 TYPE A协议对于副载波调制后曼彻斯特码编码以及标准帧格式的要求。

图6 Altera FPGA所产生的副载波曼彻斯特码实测波形

3 基于ISO/IEC 14443 TYPE A标准的协议栈通信接口设计

在ISO/IEC 14443 TYPE A标准的协议中，当射频标签进入阅读器能量范围时，阅读器会发出一个REQA信号给射频标签，而射频标签需要回馈一个ATQA信号给阅读器[8]。随后，射频标签与阅读器便会按照一定的通信协议相互传递数据。为了便于后端协议栈电路的实现，本文所设计的编解码电路已经包含了检测到REQA信号后回馈ATQA信号的应答逻辑电路以及从SPI通信接口，为后端的协议栈电路提供了发送数据的通信接口。整个包含了应答逻辑电路和从SPI通信接口的编解码电路的ModelSim仿真波形如图7所示。该图中，A段描述了编解码电路在收到REQA信号后自动回馈ATQA信号给阅读器；B段描述了后端的协议栈控制电路(仅基于ModelSim的功能级仿真)通过从SPI接口将收到的数据读出，并在C段控制编解码电路发送新的符合协议标准的数据给阅读器端。

本文提出了一种基于ISO/IEC 14443协议的高频(13.56 MHz)RFID的数字编解码电路结构，详细讨论了编解码电路的组成、结构与具体实现中的困难和要点。在ModelSim软件上进行了仿真，并在Altera FPGA上实际测试了电路的运行效果。测试的结果表明，该RFID数字编解码部分可以实现正确的修正密勒码解码和经过副载波调制后的曼彻斯特编码，输出波形完全符合ISO/IEC 14443 TYPE A标准，并且为后端协议栈电路提供了良好的通信接口，大大降低了RFID芯片设计的整体难度。

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[8]范玉鹏.基于13.56 MHz的射频识别关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.