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兼具设计弹性与成本优势 FPGA加速RFID读取机开发

FPGA组件可灵活编程的特性,一直扮演着加速产品上市速度的重要角色。藉由FPGA与嵌入式处理器核心的搭配,将有助于RFID读取机设计业者,利用市面上现成的射频相关组件,在最短的时间内开发出符合产业标准的产品。

无线射频识别系统(RFID)是一种自动辨识技术,每个目标实体均拥有一组独一无二的辨识码(Unique
Identifying Number, UID),并储存于RFID询答器(Transponder)或标签上。RFID卷标通常贴附在实体上,如硬纸片、货架、包装盒等。RFID读取机(询问器)能从标签中撷取出UID。

一个基本的RFID系统包含三个组件:天线或线圈、含有RFID译码器的收发器、以及拥有UID的RFID标签。表1显示了四种常用的RFID频率及其相关应用领域。目前最受瞩目的商业用途频率为超高频(UHF)。此频率已在供应链管理方面进入大量应用阶段。

EPC为电子商品条形码(Electronic Product Code)的缩写。此条形码为一种RFID卷标的标准,包含卷标的数据内容,以及各种开放式无线通讯协议。EPC结合了条形码规格中使用的各项数据标准,以及ANSI与其它组织(802.11b)所开发的无线数据通讯标准。目前供应链管理所采用的EPC标准为EPC Class1 Gen2(图1)。

供应链所须的RFID标签与读取机

Class1标签通常是在工厂中就已预先编写完成,但也可在现场下载。通常当卷标写入数据后,内存就被锁住,不允许再写入数据。Class1卷标采用传统的封包型通讯协议,读取机传出的封包中,即含有指令与数据,紧接着还有卷标的响应讯息。

RFID系统环境使用的频道属于免授权的ISM(工业、科学、医疗)频段,因此充满着许多干扰源。在这种频段中运作的RFID读取机,容易受到各种外部干扰源的影响,包括无线电话、无线耳机、无线数据网络、以及其它邻近的读取机装置。每种读取机的射频(RF)接收器之前端组件必须能承受极高的干扰源,而且不会因讯号扭曲而造成询答错误(图2)。接收器的噪声必须维持在最低,如此才能维持充裕的动态范围,在无错误的状态下,侦测低强度的卷标应答讯号。

抗噪声射频读取机设计

图3显示的读取机射频收发器架构是一种已广为业界认可的设计,能够在高密度、充斥干扰源的环境下正常运作。发送器与接收器结合了高动态范围的直接转换调变器与解调变器,藉以达到最高的强固性与最低的成本。

此读取机的核心采用凌力尔特(Linear Technology)的LT5516高整合度直接转换正交解调变器(Direct Conversion Quadrature Demodulator),芯片内部包含高精准度正交相位(0与90 )转换器。天线接收到的讯号在通过射频过滤器后,透过平衡-不平衡转换器直接传送到解调变器的输入端。由于该款调变器的噪声值相当低,因此不需要低噪声放大器(LNA),故能维持21.5 dBm IIP3与9.7dB P1dB的效能。

在接收阶段,读取机会向标签传送一个连续波(未调变)载波。在询答阶段,标签会对载波的振幅进行调变,传回一个比特流。调变格式为振幅偏移调变(Amplitude Shift Key, ASK)或反相振幅偏移调变(Phase-Reversal
ASK)。解调变器包含两个正交相位侦测输出端,提供多元化的接收功能。若某个信道因多重信道或相位抵销的缘故而无法收到讯号时,其它信道(经过90的相位偏移)仍可接收高强度的讯号,反之亦然。因此,接收器的整体稳定度得以提升。

经过调变后,就可把相位(I)与正交相位(Q)的差动输出讯号进行耦合,传至设定成差动放大器的运作放大器,将讯号转换成单端式输出。设计者可把高通过门坎设定成5kHz-低于接收数据流的最低讯号内容,并高于移动中标签所可能产生的最高都普勒频率(Doppler Frequency),且仍远高于60Hz的电源线频率。而产生的输出讯号可藉由被设定成四阶式(Fourth-order)的LT1568低通过滤器传送出去。在此,可将低通过门坎频率设定成5MHz,允许最大的比特流讯号通过基频门坎。

此时基频讯号可透过两个分辨率为12位的低功耗模拟数字转换器(ADC)LTC2291,进行数字化。由于标签的比特流传输频宽为5kHz~5MHz,因此LTC2291能在25MSps的速度下,提供充裕的超额采样效能,精准地撷取解调变讯号。若有需要,可在基频数字讯号处理器(DSP)中,建置更多的数字过滤功能。这种设计带来最高的弹性,让接收器能设定逻辑门坎,让基频处理器能在数字模式下运作。

高动态范围射频发送器设计

发送器采用整合型镜像抑制直接转换调变器,如图3所示,LT5568提供极高的线性比例以及低噪声的门坎,为讯号的传送提供优异

动态范围。调变器接收来自数字至模拟转换器(DAC)的正交基频I与Q讯号,经过转换与调变后,直接输出成900MHz的传送频率。

就内部而言,一个高精准度正交相位偏移器分割了区域振荡器(Local Oscillator, LO)。调变后的射频讯号结合成一个单端、单边频的射频输出讯号,并以46dBc进行镜像抑制。此外,调变器对I与Q混频器进行匹配,将LO载波讯号最大抑制在-43dBm。

组成的调变电路展现出良好的邻近频道功率比(Adjacent Channel Power Ratio, ACPR)效能,满足传输频谱遮蔽的需求。例如,在调变器射频输出值达-8dBm时,ACPR则高于-60dBc。由于输出端的噪声相当低,因此讯号可放大至最大的功率1瓦(美国为+30dBm),或是欧规的2瓦。由于功率是用来为标签提供电力,藉以达到最大的读取距离,因此不论是在何种状况下,ACPR都须维持固定值。LTC5505射频功率侦测器的内部温度补偿机制,能精准地测量功率,并提供稳定回馈机制,来调节射频功率放大器的输出讯号。

基频处理与网络接口

在基频部分,现场可编程逻辑门阵列(FPGA)可针对传送至DAC的讯号以及从ADC传来的讯号,进行波形频道化的作业。这个流程亦称为数字中频(IF)处理,其中包含一些过滤、增益控制、频率转换、以及取样率改变等作业。FPGA甚至能以平行模式处理多个频道。

图4显示RFID读取机架构的分区模式。其它基频作业包括:

.预先侦测



.序列评估



.调变与解调变(包括ASK、频率与相位偏移调变)



.讯号产生



.相关器处理



.尖峰侦测与门坎限制



.CRC与检查码



.编码与译码(包括不归零(NRZ)、曼彻斯特(Manchester)编码、单极、差分、双极、米勒(Miller)编码)



.讯框侦测



.ID解扰码



.安全加密引擎



接收到的RFID卷标数据会透过串行端口或网络接口,传送至企业系统服务器。这种传统架构已演变成复杂分布式TCP/IP网络的一部分,在此环境中,读取机负责管理邻近的标签。如今,读取机则扮演标签与智能型分布式数据库系统之间的网关器,连结至各种企业软件应用系统中。



这些基频作业依据硬件/软件的分割状态,可在FPGA或数字讯号处理器、或结合两种组件的系统上执行。



基频处理器不仅控制各种基频作业的功能与排程,亦负责连结层通讯协议的作业。这些基频作业包括:跳频、侧听后传送、以及防碰撞算法的处理。此外,基频处理器亦可提供像是以太网络、USB、或Firewire等接口。



基频作业与数字射频频道化的处理功能,让以FPGA型态的解决方案具备更高的吸引力与整合度。FPGA功能、DSP功能、基频处理器功能,能藉由一个嵌入式处理器整合至一个FPGA组件中。



藉由FPGA快速实现RFID读取机设计



图5显示一个以FPGA为基础的RFID处理器架构,其中的嵌入式处理器可使用一个硬件IP,如PowerPC,也可以是软件核心如MicroBlaze,或甚至混合PowerPC与MicroBlaze。设计者可连结内建的硬件以太网络媒体存取控制(EMAC),透过外部以太网络实体层组件连结至以太网络。另一种替代方案是采用Lite
Ethernet MAC IP来搭配/100-BaseT网络。



PowerPC/MicroBlaze嵌入型处理器负责执行以下作业:



.EPC数据处理与转送



.通讯协议处理



.询答作业的排程



.TCP/IP网络接口



.控制与监视



.调制解调器控制器



.升级代理组件

.HTTP服务器

.SNMP/MIB处理

以赛灵思(Xilinx)的一款千兆以太网络系统(Gigabit Ethernet System)参考设计-GSRD为例,其为一款EDK型态的参考系统,能在TCP/IP通讯协议与使用者数据接口间,扮演高效能桥接组件。GSRD组件具备的功能,可应付TCP/IP系统每字节与每个封包的处理需求。

TCP传送效能量测指标,现已有MontaVista Linux操作系统以及Treck的专属版本。藉由赛灵思XPS平台的微处理器函式库定义(Micro-processor Library Definition, MLD),Nucleus PLUS实时操作系统,可运用MicroBlaze与PowerPC处理器,为系统带来更强的功能。同时能运用芯片内部存储器来降低功耗、缩小尺寸,并提升效能,而完备的中介软件,让其成为RFID后端网络系统最佳的解决方案。

可携式读取机能连结各类硬盘、QWERTY键盘、可携式内存接口、各种显示器、以及其它以复杂可程序化逻辑组件(CPLD)实现的周边装置(图6),这些CPLD能以极低的耗电量、高速效能、以及小型芯片封装之优势,协助应用处理器与支持上述功能。

展望未来,RFID读取机将会把如RF通讯协议处理等各种前端DSP功能,整合至FPGA组件。目前RF通讯协议处理仍是由独立DSP组件负责。嵌入式软件处理器核心已能提供优异的DMIPS/MHz效能,不久将能取代后端外部处理器,以支持控制读取机的应用功能,透过可编程逻辑组件为RFID读取机带来最大弹性与降低成本的优势。

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