一种改进的RFID读写器频率估计方法及估计模块与流程

一种改进的rfid读写器频率估计方法及估计模块
技术领域
1.本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种改进的rfid读写器频率估计方法及相应估计模块。


背景技术：

2.rfid是一种非接触式的射频识别技术，它利用电磁波感应、无线电波进行非接触式通信，进行数据交换以达到识别对象的一种技术。目前，rfid技术已广泛应用于物流、跟踪、监控、门禁等各个领域。且由于无源标签的成本低、小型寿命长以及易生产等优势，成为rfid系统应用的主流，然而，无源系统中存在标签供电能量不易保证、返回信号弱、易受空间环境干扰等问题，对读写器提出了更高要求。
3.由于无源标签内部没有时钟校准电路，标签返回的链路频率相对读写器设定的数据频率会有-22％至+22％的偏差。同时，接收到的信号中，用于同步的数据帧头很短，且每次接收到的数据帧中的同步帧头只出现一次，如果不能解析出帧头，则通信就会失败。
4.考虑到上述分析的不利因素，rfid系统还需要进一步改进和完善，才能更好地应用。


技术实现要素：

5.本发明主要针对接收信号频率偏差的问题提出了一种有效地解决方案。
6.具体而言，本发明提供一种改进的rfid读写器频率估计方法，其特征在于，所述方法包括：
7.步骤1、接收rfid射频信号并转换成i、q信号；
8.步骤2、采用具有多个第一并行相关器的第一相关器组分别对所述i、q信号进行相关处理，多个第一并行相关器彼此之间具有预设频率偏移量，多个第一并行相关器具有相同的本地码元；
9.步骤3、对各个相关器获得的相关结果进行比较，将相关最大值对应的相关器的频率偏移量作为粗估计频率偏移量；
10.步骤4、利用具有多个第二并行相关器的第二相关器组对所述i、q信号进行相关处理，所述第二并行相关器彼此之间具有第二频率偏移量，并且所述第二相关器组的频率偏移量覆盖所述粗估计频率偏移量进行设置；
11.步骤5、分别对各第二并行相关器输出的相关值进行功率计算，并将i、q两路功率相加合并，再进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，进而计算得到接收信号频率的最近似估计值。
12.在一种优选实现方式中，所述第一相关器组覆盖目标rfid标签发射频率的至少-22％～22％的频率偏移量。
13.在另一种优选实现方式中，所述第一相关器组中包括8-14个相关器；所述第二相关器组中包括3-6个相关器。
14.在另一种优选实现方式中，还包括对所接收数据中的每个码元按顺序计数，当所述步骤5中，检索到相关器输出的串行峰值时，将所接收的对应数据计数值作为同步帧头的位置，该位置信息作为存储单元读数据的初始位置。
15.另一方面，本发明提供一种改进的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，所述rfid读写器频率估计模块包括：具有多个第一相关器的第一相关器组、具有多个第二相关器的第二相关器组、比较模块、功率计算模块以及峰值检测模块，
16.所述多个第一相关器用于分别对rfid读写器接收到的i、q信号进行相关处理，多个第一并行相关器彼此之间具有预设频率偏移量，多个第一并行相关器具有相同的本地码元；
17.所述比较模块用于对各个相关器获得的相关结果进行比较，将相关最大值对应的相关器的频率偏移量作为粗估计频率偏移量；
18.所述多个第二并行相关器用于对所述i、q信号进行相关处理，所述第二并行相关器彼此之间具有第二频率偏移量，并且所述第二相关器组的频率偏移量覆盖所述粗估计频率偏移量进行设置；
19.所述功率计算模块用于对各第二并行相关器输出的相关值进行功率计算，并将i、q两路功率相加合并；
20.所述峰值检测模块用于进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，以获得接收信号频率的最近似估计值。
21.在另一种优选实现方式中，所述第一相关器组覆盖目标rfid标签发射频率的至少-22％～22％的频率偏移量。
22.在另一种优选实现方式中，所述第一相关器组中包括8-14个相关器；所述第二相关器组中包括3-6个相关器。
23.在另一种优选实现方式中，还包括偏差计数器，所述偏差计数器用于对所接收数据中的每个码元按顺序计数，当检索到相关器输出的串行峰值时，将所接收的对应数据计数值作为同步帧头的位置，该位置信息作为存储单元读数据的初始位置。
24.在另一种优选实现方式中，还包括存储单元，用于对所接收的数据进行存储。
25.技术效果
26.本发明提出以相关操作进行频率估计的方法，与传统的相关器阵列进行频率估计的方法不同，本文采用了二级相关器组分别对前导码和同步帧头做相关操作获得频率偏移量，进而计算得到精确频率估计值。
27.首先，本发明采用多路(12)路并行相关器作为第一级相关器组做频率粗估计，每个相关器本地码元为2个symbol前导码元，其频率偏移量的估计精度为4％，取相关最大值后获得频率偏移量。然后，在频率偏移量的基础上，采用4路并行相关器作为第二级相关器组对接收信号进行近似频率估计，每个相关器的本地码元为6个symbol同步帧头码元，其频率偏移量的估计精度达到基频(预设rfid信号频率)的1％，根据频率偏移量计算得到近似的频率估计值。同时，在第二级对同步帧头进行相关功率峰值检测过程中，提取出同步帧头在接收数据的位置信息，因此，可以获取到接收数据中除去同步帧头后的数据起始位置。为后续数据解调提供精确的频率估计值和接收数据起始标识信息，在相同信噪比情况下，更有效地提升解调正确率，进而优化读写器接收性能。
附图说明
28.图1为基于本发明方法的改进的频率估计结构框图；
29.图2为基于本发明方法的频率粗估计模块的架构示意图；
30.图3为基于本发明方法的频率近似估计模块的架构示意图；
31.图4为测试接收数据波形图(6db信噪比下的测试接收码元数据帧的时域信号特征，带频偏)；
32.图5为测试映射码元数据波形图(6db信噪比下的测试接收码元数据帧的时域信号特征)。
33.图6为功率峰值检测时域波形。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的rfid读写器同步方法进行详细描述。
35.本实施例的rfid读写器改进的频率估计方法采用如图1中所示的架构设计。该频率估计设计包括频率粗估计和频率近似估计两部分。
36.1、频率粗估计模块
37.频率粗估计模块采样12组相关器对接收信号(包括同步帧头和数据信息)进行粗频率估计，如图2所示，该模块架构由前导码相关器组模块、取最大值模块以及频率粗估计值获取模块组成。
38.由相关函数定义，相关计算可表示为两个相关函数在给定时间区间内的乘积累加和，如下所示：
[0039][0040]
式(1)为信号x(n)和y(n)的互相关函数。该式表示r
xy
(m)在时刻m时的相关计算值，等于将x(n)保持不动而y(n)左移m个采样点后两个序列对应相乘再相加的结果。在本发明中用x(n)表示相关内部的本地码元，y(n)为输入信号，即接收信号。
[0041]
由于rfid标签返回的信号存在频率偏差，为获得更好的频率估计精度，本实施例中采用12路并行相关器对所接收信号作相关处理来实现接收信号的前导码的捕获操作，相关器组覆盖的频偏范围为-22％～22％,12路相关器中任意两个相关器之间，具有相对于基频而言4％的频率差。本实施例中的每个相关器都采用相同的本地码元，即输入信号的前导码，但是每个相关器采用不同的频率。选用miller2作为实施例，miller2副载波前导码每个symbol含义2个基波，每个基波采用20倍过采样。当基波频偏为-22％时，相关器的采样点数为：
[0042][0043]
当基波的频偏为22％时，相关器的采样点数为：
[0044][0045]
根据上述计算，可以得到对应不同频率偏移的相关器的采样点个数。相关器组中
每个相关器对应的频率偏移量及每个基波的采样点数如表1所示。本实施例采用了2个symbol作为相关器本地码元。以最小采样点数为例，miller2对应频率偏移为22％的相关器本地码元为：miller2_preamble＝66’b01_0101_0101_0101_1111_1111_1111_1111_1101_0101_0101_0101_0111_1111_1111_1111_1111。
[0046]
本实施例中的每个相关器均设计为复数相关器，即每个相关器都同时对i、q两路的数据进行相关操作，将各相关器计算得到的相关结果输入到取最大值模块，对每个相关结果进行比较，选取最大值，并将相关最大值对应的相关器频率偏移量作为频率粗估计模块输出的频率偏移量。
[0047]
2、频率近似估计模块
[0048]
由于接收到的信号中可用于同步的数据帧头(同步帧头数据)很短，只有6个symbol，为了增加捕获同步帧头的成功率，本实施例采用4路并行相关器作为第二级相关器组进行近似频率偏移量估计，如图3所示。
[0049]
该模块中采用由4个近似相关器组成的相关器组，同样对i、q两路接收数据进行相关。而这个近似相关器组的参照基频为上述频率粗估计输出的频率偏移量(比如，假设频率粗估计所获得的频率偏移量为22％，则第二组相关器以该频率偏移量为基础，进行偏移设置，比如，分别设置为相对于基频偏移，22％、21％、20％、19％，即覆盖第一相关器组中对应相关器所覆盖的范围，只是差分更加精细)，在其基础上再采用4组相关器进行频率偏移设置，每个相关器频率偏移值设置方式与上述的频率粗估计设置方式相同，由表2可知频率估计值相对于基频可以达到1％的频率偏差，进一步提高频率估计精度。本实施例中以miller2为参考示例，同步帧头码元为010111，每个相关器皆采用6个symbol的同步帧头作为本地码元。假定频率粗估计值的频率偏移量为18％，根据表2可得，近似相关器2对应的基波采样点数为17.09，得到相关器本地码元个数为6*2*17.09＝205.8，同理，可计算得到各个相关器的本地码元个数，并参照同步帧头码元转换为本地码元信息。
[0050]
为了增加同步帧头检测的准确性，分别对第二组相关器中的各相关器输出的相关值进行功率计算(求相关值的平方)，并将i、q两路功率相加合并，再进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，进而计算得到接收信号频率的最近似估计值。
[0051]
同时，频率近似估计模块中设置一个偏差计数器(offset)，来记录接收数据(包含前导码和数据信息)和相关结果峰值点之间的偏差，当接收端开始接收数据帧开始，偏差计数器开始为每个接收码元计数。当搜索到相关器组的相关功率峰值时，对应接收数据累加计数值即偏差计数器(offset)的累加值为同步帧头的位置信息(仅当六个码元均同步时，相关峰值最大，确定该六个码元是同步帧头)，该位置信息(六个码元)的下一个位置信息作为存储单元读数据的初始位置，从此刻开始接数据缓存单元中的数据为除去同步帧头后的接收数据。此时的偏差计数器(offset)的下一位置为真正的数据起始点。因此，在本实施例中改进的同步方法能够获得更精确的频率估计值和同步帧头的位置信息，为后续的数据解码模块提供频率和有效的数据信息。
[0052]
经过仿真测试，改进的基于二级相关器组进行频率估计方法可以应用在信噪比大于6db的信道环境中，在实施例中，引入一个信噪比为6db的测试接收数据，该测试数据由协议中的前导码、同步帧头，以及随机数据组成，采样20倍过采样速率，如图4所示。由于测试接收数据为adc采样后经下变频处理后的采样数据，在进行码元数据处理前，对接收信号进
行映射处理，当接收数据大于0时，采样点数据映射为01；接收数据小于0时，采样点数据映射为11,映射处理后的码元数据波形如图5所示。对接收码元数据进行二级频率估计，其中图6为频率近似估计时，功率峰值检测的时域波形图。
[0053]
表1相关器组参数
[0054]
相关器编号频率偏移量基波采样点数备注122％16.39 218％16.94 314％17.54 410％18.18 56％18.86 62％19.6 7-2％20.4 8-6％21.27 9-10％22.22 10-14％23.25 11-18％24.3 12-22％25.64 [0055]
表2近似相关器组参数
[0056]
[0057][0058]
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种改进的rfid读写器频率估计方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1、接收rfid射频信号并转换成i、q信号；步骤2、采用具有多个第一并行相关器的第一相关器组分别对所述i、q信号进行相关处理，多个第一并行相关器彼此之间具有预设频率偏移量，多个第一并行相关器具有相同的本地码元；步骤3、对各个相关器获得的相关结果进行比较，将相关最大值对应的相关器的频率偏移量作为粗估计频率偏移量；步骤4、利用具有多个第二并行相关器的第二相关器组对所述i、q信号进行相关处理，所述第二并行相关器彼此之间具有第二频率偏移量，并且所述第二相关器组的频率偏移量覆盖所述粗估计频率偏移量进行设置；步骤5、分别对各个第二并行相关器输出的相关值进行功率计算，并将i、q两路功率相加合并，再进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，进而计算得到接收信号频率的最近似估计值。2.根据权利要求1所述的rfid读写器频率估计方法，其特征在于，所述第一相关器组覆盖目标rfid标签发射频率的至少-22％～22％的频率偏移量。3.根据权利要求1所述的rfid读写器频率估计方法，其特征在于，所述第一相关器组中包括8-14个相关器；所述第二相关器组中包括3-6个相关器。4.根据权利要求1所述的rfid读写器频率估计方法，其特征在于，还包括对所接收数据中的每个码元按顺序计数，当所述步骤5中，检索到第二并行相关器输出的串行峰值时，将所接收的对应数据计数值作为同步帧头的位置，该位置信息的下一位置作为存储单元读数据的初始位置。5.一种改进的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，所述rfid读写器频率估计模块包括：具有多个第一相关器的第一相关器组、具有多个第二相关器的第二相关器组、比较模块、功率计算模块以及峰值检测模块，所述多个第一相关器用于分别对rfid读写器接收到的i、q信号进行相关处理，多个第一并行相关器彼此之间具有预设频率偏移量，多个第一并行相关器具有相同的本地码元；所述比较模块用于对各个相关器获得的相关结果进行比较，将相关最大值对应的相关器的频率偏移量作为粗估计频率偏移量；所述多个第二并行相关器用于对所述i、q信号进行相关处理，所述第二并行相关器彼此之间具有第二频率偏移量，并且所述第二相关器组的频率偏移量覆盖所述粗估计频率偏移量进行设置；所述功率计算模块用于对各第二并行相关器输出的相关值进行功率计算，并将i、q两路功率相加合并；所述峰值检测模块用于进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，以获得接收信号频率的最近似估计值。6.根据权利要求5所述的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，所述第一相关器组覆盖目标rfid标签发射频率的至少-22％～22％的频率偏移量。7.根据权利要求5所述的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，所述第一相关器组中包括8-14个相关器；所述第二相关器组中包括3-6个相关器。
8.根据权利要求5所述的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，还包括偏差计数器，所述偏差计数器用于对所接收数据中的每个码元按顺序计数，当检索到相关器输出的串行峰值时，将所接收的对应数据计数值作为同步帧头的位置，该位置信息的下一位置作为存储单元读数据的初始位置。9.根据权利要求5所述的rfid读写器频率估计模块，其特征在于，还包括存储单元，用于对所接收的数据进行存储。

技术总结
本发明公开了一种改进的RFID读写器频率估计方法及估计模块。所述方法包括：采用具有多个第一并行相关器的第一相关器组分别对I、Q信号进行相关处理，将相关最大值对应的相关器的频率偏移量作为粗估计频率偏移量；利用第二相关器组对I、Q信号再进行相关处理；分别对各相关器输出的相关值进行功率计算，并将I、Q两路功率相加合并，再进行串行峰值检测，获取峰值所对应的相关器频率偏移量，进而计算得到接收信号频率的最近似估计值。本发明提出以相关操作进行频率估计的方法，与传统的相关器阵列进行频率估计的方法不同，本发明采用了二级相关器组分别对前导码和同步帧头做相关操作获得频率偏移量，进而计算得到精确频率估计值。进而计算得到精确频率估计值。进而计算得到精确频率估计值。


技术研发人员：杨振华 曹忻军 陈洪顺 穆柏新
受保护的技术使用者：北京飞利信电子技术有限公司
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2023/7/13