一、引言

　　機動車電子標識，又稱“電子車牌”，是嵌有超高頻無線射頻芯片并存儲汽車身份數據的電子信息識別載體，具有精準識別、識別速度快、受環(huán)境影響小，識別率高等優(yōu)點，可以實現車輛身份的精準識別、車輛信息的動態(tài)采集和交通信息的海量采集。

　　機動車電子標識系統(tǒng)由電子標簽、閱讀器、天線及后臺系統(tǒng)組成，通過在車輛前擋風玻璃內側安裝一張存儲汽車身份數據的RFID電子標簽(即“汽車電子標識”)，在城市道路布設閱讀器及天線，實現對電子標識的信息識讀，從而自動、非接觸，不停車地完成車輛信息的識別和監(jiān)控。

　　二、閱讀器技術原理及技術要求

　　在機動車電子標識系統(tǒng)中，閱讀器是最為核心的設備，閱讀器的識讀性能關系到整個系統(tǒng)的性能。根據機動車電子標識國家標準要求，閱讀器應工作在UHF頻段，頻率范圍為920MHz～925MHz，范圍內可用信道數為20，每信道帶寬為250kHz。

　　閱讀器通過調制射頻載波信號發(fā)送信息到一個或多個標簽，使用雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)等調制方式，標簽通過閱讀器的RF電磁場來獲得工作電源能量，閱讀器通過發(fā)送一個未經調制的RF載波并偵聽標簽的反向散射的回復來獲得標簽的信息，標簽通過反向散射調制射頻載波的幅度來傳送信息，編碼格式由標簽根據閱讀器命令進行選擇，可以是FM0或者Miller調制副載波，閱讀器和標簽之間采用半雙工通訊方式。

　　充分考慮城市自由流的應用場景以及車輛識別動態(tài)、高速、遠距離的應用需求，閱讀器應滿足如下要求：

　　1. 要達到較遠的讀寫距離及最大的檢測范圍(識讀距離至少超過30米);

　　2. 要具有較高的處理能力和較快的讀取速度，保證能檢測到高速度的運動車輛(支持在200km/h運動狀態(tài)下的車輛電子標識可被準確識讀);

　　3. 應具有安全認證、傳輸加密及數據保護功能，以滿足安全性要求;

　　4. 應具備數據本地存儲能力，支持遠程管理功能，具備時鐘同步等功能，以滿足實際應用需求;

　　5. 應達到較高的防護等級，具備良好的高低溫性能，以滿足各種環(huán)境應用需求。

　　三、閱讀器設計與實現

　　閱讀器設計分為硬件設計及軟件設計。

　　(一)硬件設計實現

　　閱讀器采用類似無線AP的盒式結構，由數字處理電路單元DPU、電源單元PWR、射頻收發(fā)單元RFU及外圍結構組成。閱讀器的硬件總體框圖詳見圖3。

　　其中，數字處理電路單元DPU和射頻收發(fā)單元RFU是閱讀器最為核心的部分，關系著閱讀器功能及性能的實現。

　　1. 數字處理電路單元DPU

　　數字處理電路單元DPU包括以下功能模塊：

　　(1)數字信號處理模塊

　　數字信號處理模塊由RF基帶信號處理部分和協(xié)議處理部分構成。其中，RF基帶信號處理部分完成發(fā)送方向上的數據I、Q發(fā)送調制，接收方向上射頻基帶信號的波形檢測，數據恢復、解碼、碰撞檢測等功能，該部分由一片FPGA來實現。

　　(2)協(xié)議處理模塊

　　協(xié)議處理部分完成RFID空中接口協(xié)議處理、射頻電路的控制和管理等功能，該部分由DSP來實現。

　　(3) 控制和管理模塊

　　控制和管理模塊實現對整個UHF閱讀器系統(tǒng)的控制和管理功能，主要包括本板器件的初始化、配置、監(jiān)控等工作，同時負責與后臺網絡通訊和管理，運行網絡協(xié)議以及外設接口的管理，該部分主要通過嵌入式CPU系統(tǒng)實現。

　　(4)接口和網絡通訊模塊

　　接口和網絡通訊模塊實現閱讀器同網絡、PC機、外部存儲設備的通訊和數據交互等功能。

　　2. 射頻收發(fā)單元RFU

　　射頻收發(fā)單元RFU包括以下功能模塊：

　　射頻單元由射頻發(fā)送模塊和射頻接收模塊組成，主要實現接收信號的濾波、放大、混頻，AD轉換，并把轉換后的數字信號送給DPU進行處理功能和發(fā)送信號的調制、放大、DA轉換，濾波等功能。整個射頻電路由前向鏈路、反向鏈路、天線選擇開關矩陣、前向泄露對消環(huán)路，輔助控制電路幾部份構成。具體架構如圖4所示：

　　(二)軟件設計實現

　　閱讀器軟件由四個層次構成，分別為驅動層、OS層、應用層和后臺，完成閱讀器標簽信息獲取、管理和上報。

　　1. 驅動層

　　驅動層提供閱讀器各種設備的操作管理功能，包括后臺接口驅動(USB、以太網、串口、其它設備)和無線收發(fā)模塊的驅動。

　　2. OS層

　　OS層為操作系統(tǒng)層，作為閱讀器控制管理的應用部分的運行平臺，操作系統(tǒng)采用基于ARM的Linux操作系統(tǒng)，為上層應用提供運行支撐。

　　3. 應用層功能描述

　　應用層完成閱讀器的控制管理和信號處理，包括DSP處理模塊、協(xié)議處理模塊，操作維護模塊以及后臺通信模塊。

　　四、閱讀器關鍵技術

　　零中頻接收機、載波泄露消除、多標簽防碰撞及多閱讀器協(xié)同工作是閱讀器設計實現時最為關鍵的技術，也是行業(yè)內設備廠商重點研究及關注的核心技術。目前，國內廠商在閱讀器核心技術方面已具備深厚的技術積累，在重慶、南京、蘭州、廈門、銀川、深圳、無錫等多地汽車電子標識項目中廣泛應用。

　　(一)零中頻接收機

　　零中頻接收機是指RF信號直接轉化到零頻信號，LPF(低通濾波器)用于近端干擾信號的抑制。零中頻接收機具有易集成、低功耗，低成本等特點，在閱讀器設計時被廣泛應用。

　　相對于超外差架構，零中頻架構具有如下優(yōu)勢：

　　(1)采用零中頻結構可以使發(fā)射機和接收機共用一個頻率綜合器，從而減小設計復雜度;

　　(2)閱讀器收發(fā)同頻，直接變頻結構將發(fā)射機泄漏過來的載波轉換到直流，可以通過直流失調電平消除電路消除，并且T=R鏈路采用的FM0 和Miller 編碼均無直流分量;

　　(3)聲表濾波器和復雜的LC濾波器可采用簡單的低通濾波器替換，有利于降低電路復雜度;

　　(4)沒有鏡像抑制要求。

　　(二)載波泄露消除

　　由于標簽采用背向散射機制返回信號，因此閱讀器必須收發(fā)同頻，并且為了提供給無源標簽能量，發(fā)射機即使在接收信號時也一直在發(fā)射連續(xù)載波，使得接收機前端有很大的載波泄漏。如此大的信號會阻塞射頻前端，影響返回信號的正常放大及線性度，它需要射頻前端有高達5dBm以上的1dB 壓縮點，并且限制了射頻前端的增益要在0dB 以下，以使模擬前端可以正常工作。

　　在存在前向泄漏的情況下，泄漏信號會對鏈路的反向鏈路造成負面的影響，主要包括：

　　(1)相位噪聲;

　　(2)幅度噪聲;

　　(3)阻塞信號導致反向鏈路NF(噪聲系數)惡化。

　　最終的表現就會導致反向鏈路的接收靈敏度急劇下降，清點標簽距離變近，漏讀率升高。載波泄漏在雙天線和單天線閱讀器中都存在，如何在載波泄漏情況下正常接收和放大返回信號是UHF RFID 閱讀器接收機設計的一個難點。

　　載波消除模塊設計對于實現泄露消除作用重大。載波消除模塊將本振信號進行調幅和調相，得到一個與泄漏的載波接近的同相、同幅的抵消信號，此信號與混有載波的接收信號經過合路，使輸出信號中大部分的載波信號被抵消，從而可以通過有源混頻器進行高線性度的下變頻。

　　圖9方框內所示即接收機載波消除射頻前端，主要包括抵消信號產生電路、帶載波消除的低噪聲放大器、正交下變頻混頻器以及載波消除檢測電路。這些模塊不是獨立的，而是集合在載波消除的反饋回路當中。

　　(三)多標簽防碰撞

　　多標簽碰撞問題即為讀取閱讀器有效區(qū)域內的多個標簽所產生的標簽信息碰撞問題。

　　多標簽的防碰撞使用DDS-BT機制，在該機制中，標簽時隙計數器初始值為0，根據后續(xù)命令逐步調整時隙計數器，當時隙計數器為0時，標簽從仲裁態(tài)跳轉到應答狀態(tài)，開始響應閱讀器：

　　1. 當標簽無回復時

　　(1)在閱讀器無法接收到標簽回復的時候，首先判斷是否結束盤點，如果判據為真，則認為盤點結束;

　　(2)如果不結束盤點，需要判斷連續(xù)空閑時隙的次數是否達到CIN(連續(xù)空閑閾值，典型值是4)。如果連續(xù)空閑時隙的次數不小于CIN，則發(fā)送收縮命令(Shrink)，所有仲裁和應答狀態(tài)的標簽時隙計數器值除以 2 取整;

　　(3)如果連續(xù)空閑時隙的次數小于 CIN，且上一時隙閱讀器發(fā)送的是分裂命令，閱讀器發(fā)送分裂位置為“1”的分裂命令(Divide)，所有時隙計數器值為 1 的標簽分裂;

　　(4)如果連續(xù)空閑時隙的次數小于 CIN，且上一時隙閱讀器發(fā)送的不是分裂命令，則閱讀器發(fā)送重復查詢命令(QueryRep)，所有仲裁和應答狀態(tài)的標簽時隙計數器值減1。

　　2. 當標簽正確回復時

　　閱讀器接收到標簽正確回復的RN11+CRC5，閱讀器發(fā)送編碼獲取命令(ACK), 標簽發(fā)送安全模式、編碼長度和編碼并跳轉到確認狀態(tài)。

　　3. 當標簽發(fā)生碰撞時

　　(1)當閱讀器接收到多個標簽碰撞信號的時候，需要判斷連續(xù)碰撞時隙的次數是否達到 CCN;

　　(2)如果連續(xù)碰撞時隙的次數小于 CCN(連續(xù)碰撞閾值，典型值為3)，則發(fā)送分裂位置為0的分裂命令(Divide)，處于應答狀態(tài)的標簽分裂，仲裁狀態(tài)的標簽時隙計數器加1;

　　(3)如果連續(xù)碰撞時隙的次數不小于 CCN，則發(fā)送分散命令(Disperse)，所有應答和仲裁狀態(tài)的標簽時隙計數器的值乘以2之后加上1位隨機數。

　　4. 盤點結束判斷

　　閱讀器設置盤點結束閾值，閱讀器發(fā)送啟動查詢命令時，將盤點結束閾值置為2;閱讀器發(fā)送分裂位置為0的分裂命令時，盤點結束閾值加1;閱讀器發(fā)送重復查詢命令時，盤點結束閾值減1;閱讀器發(fā)送分散命令時，盤點結束閾值乘以2后加1;閱讀器發(fā)送收縮命令時，盤點結束閾值除以2后取整;閱讀器發(fā)送其他命令時，盤點結束閾值不變;如果盤點結束閾值為0，則閱讀器認為盤點結束。

　　(四)多閱讀器協(xié)同工作

　　閱讀器通過發(fā)送電磁波信號，對其覆蓋范圍內的標簽進行通信，完成標簽清點操作，當多個閱讀器工作在同一區(qū)域，該如何協(xié)調成為閱讀器設計時一個關鍵技術點。多閱讀器協(xié)同工作的目的就是能夠使每個閱讀器都獨立的清點各自區(qū)域中的所有標簽。首先，由閱讀器選擇標簽，選擇感興趣的標簽群體;然后發(fā)起一輪清點，進行標簽防碰撞清點過程，返回handle的標簽進入arbitrate/reply狀態(tài);返回EPC的標簽進入acknowledged狀態(tài)，被閱讀器確認成功清點后，繼續(xù)清點時退出該清點流程，進入ready狀態(tài)，直到被選擇的所有標簽全部被清點。如何支持多閱讀器各自獨立完成清點，需要閱讀器與標簽之間的空口協(xié)議支持，標簽需要在物理特性上支持，需要對閱讀器進行控制。