近场通信防冲突过程位同步算法的设计

曾素馨，肖时茂

（1.中国科学院微电子研究所智能感知研发中心，北京 100029；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.南京中科微电子有限公司，江苏 南京 210018）

在进行无线通信时，信号在从发送端传输到接收端时会受到外界的干扰，为了在有噪声的信道上进行信息的可靠传输，需要在发射端对信息进行编码，同时在接收端提取出一个与接收信号同步的时钟信号，以便准确地接收每一比特的信息码元。这种提取同步时钟的技术通常称为位同步，位同步设计是数字通信系统接收器设计的重难点之一。位同步分为外同步与自同步两大类，其中外同步法在发送端传输数据时，同时还会传输位同步信息，容易从接收到的信号中提取定时时钟，但外同步法会降低信噪比与频带利用率，功耗较大；而自同步法能够直接从接收信号中提取定时信息。在应用中一般均使用自同步法，如滤波法、锁相法和内插法[1]等。近场通信ISO/IEC 14443A 协议[2]中提到，在防冲突过程中，所有近场通信卡需严格按照协议规定的调制与位编码，以及其同步定时来进行响应。因此将分析接收信号特性与自同步法工作原理，以求找到针对接收信号模式的位同步方案。

1 位同步原理

1.1 信号模式及适用的自同步法

NFC Type A防冲突过程中，近场通信卡处在读卡器发出的射频场里，根据要恢复的数据对射频场载波进行副载波OOK 调制，其中副载波频率fs=fc/16；位编码采用Manchester 码，最终的调制信号模式如图1(a)所示。

图1 数据调制编码示意图

由于该调制信号的载波就是读卡器发送的载波，在读卡器端接收器中不需要恢复载波，可以直接使用读卡器本地时钟做解调，解调后对应的基带信号如图1(b)所示，可见该基带信号包含位定时信息，具有良好的同步和抗干扰性能。

为从基带信号正确恢复出接收数据，读卡器的接收器需要提取正确的位同步信息。在传统的自同步法中，边沿过零检测法可以较快地检测到信号相位变化，电路简单，但是易受串扰与噪声的影响；滤波法使用滤波器对不含定时信息的接收信号进行波形变换，使其转换为包含定时信息的码型，再进行定时信息的提取，同步速度较慢；锁相法采用锁相环捕获跟踪同步信号，这种方法没有考虑最佳判决时刻，只适用于信噪比大的情况；内插法则先抽样再插值，同步速度快，电路实现较复杂，适用于高速率通信[3-4]。其性能比较如表1 所示。

表1 传统同步算法及其性能比较

首先，NFC Type A 防冲突过程中传输的信号编码模式已包含定时信息，不需要波形变换；其次，可能会遇到高码间串扰（ISI）和低信噪比（SNR）的情况；最后，数据速率较低且固定为106 kbps。以上4种传统的自同步法均不能达到很好的同步效果。

根据文献[5-8]可知，射频识别产品中，可以通过数据速率与副载波周期的时间比例来作译码判决，但这种方式的精确度较低，由于码间串扰等的存在，容易产生误码；还可以通过对基带信号做相关接收，计算其能量，用于恢复数据。后者也称为滑动积分法[9-10]或捕获法。捕获法需要基带信号具有丰富的定时信息以及前导码或起始位，而NFC-A 防冲突过程的接收信号为Manchester 码，且也有符合协议规定的起始位，满足使用匹配滤波捕获法的要求。

为了恢复该接收信号，可用序列捕获的方式进行位同步。根据文献[11]，匹配滤波器在加性白噪声信道传输的情况下，可使接收端的信噪比最大化，同时实现序列的快速捕获。接收基带信号被送入匹配滤波器，与本地参考滤波器模板进行延迟相关，当二者相关求和值达到最大时，即认为捕获到了特定序列，提取到了位同步信息。

1.2 匹配滤波捕获法

在数字最佳接收基带系统理论研究中，白噪声信道模型下，接收端为了最大化信噪比，可将接收滤波器设计为与发射端脉冲模式相匹配的匹配滤波器，其系统函数与发射滤波器有相同的抽头系数和频谱，二者仅有固定时延的差别。发射滤波器系统函数g(t)与接收匹配滤波器系统函数h(t)的关系如式（1）所示：

读卡器的接收滤波器需要在存在码间串扰的情况下恢复出具有最大信噪比的基带信号，为此，需要尽可能减少码间串扰的影响，最佳地判断模板信号是否出现，从而提升系统的同步性能。这种情况下的最优接收滤波器即为匹配滤波器[12]。

假设接收序列模式{ci}={c0,c1,…,cN-1}可表示为式（2）：

其中，ci取值为0 或1，gc是门函数，Ts是副载波周期宽度，N是编码序列长度。由1.1 节分析可知，N应取半个比特的副载波序列模式长度，即N=8；匹配滤波器冲激响应可以表示为式（3）：

其中，T是符号持续时间，满足T=NTs；该冲激响应长度也应为N，与接收序列模式顺序相反。不考虑噪声项时，匹配滤波器的输出为式（4）：

其中，r(t)是接收基带信号，{an}是传输符号。由上式可知，当t=T时，也即二者相位对齐时，Y(t)达到最大值，或称相关峰，由此可判断接收符号并进行位同步。为检测相关峰值，可以对Y(t)求一阶导数并检测其过零点，但这种方式的电路实现比较复杂，实际应用中可以用阈值比较来代替，即将匹配滤波器输出与设定的阈值进行比较，超过时视为检测到了相关峰，从而建立位同步。同步性能与SNR以及设定的阈值有关，可以用假同步率Pfa（false alarm probability）和同步率Pd（detection probability）等来衡量[13]。

2 电路结构设计

读卡器的解码器需要达到以下设计目标：1）对于任意的定时误差，接收信号与匹配滤波器冲激响应的卷积需要使ISI 尽可能小，避免误判。而在OOK 调制序列中，ISI主要表现为寄生直流（DC）分量[14]，故在执行位同步前，需要先去除接收信号的DC分量；2）需要使位边界处的SNR 最大[15-16]，从而恢复具有最大SNR的基带信号；3）尽量达到更高的位同步精度和效率；4）能识别冲突位，便于与防冲突环等功能集成。

因此，该文提出一种新型的读卡器位同步算法设计，通过改进的匹配滤波法检测接收序列的位平均能量，从而进行位同步。针对特定的传输信号，该位同步器能在低信噪比和高码间串扰环境下实现快速、高效的同步，且能很方便地与防冲突环等电路集成，满足设计要求。其电路结构如图2 所示。

图2 位同步器结构图

接收基带信号进入序列捕获匹配滤波器后，与其模板做延时相关计算，以此移除OOK 调制序列的寄生直流分量，降低ISI 的影响；随后，将计算结果输入到整流模块，求信号绝对值，同时用以移除边带和幅度小于设定接收值的无效信号，进一步降低ISI；再将整流后的信号输入到滑动平均低通滤波器（Moving Average Low Pass Filter,MALPF），用于计算OOK 调制信号的位平均能量e_means(t)，而位平均能量在副载波模式的末端达到峰值，因此可以用相关峰[16]来定义同步时刻。e_means(t)的计算如式（5）所示：

位平均能量信号进入同步匹配滤波器后，与其模板{bi}做相关计算，定义计算结果为corr(t)，再由位边界检测模块将计算结果corr(t)与设定的同步阈值相比较，若超过阈值则认为检测到了相关峰，以此建立同步时刻。corr(t)的计算如式（6）所示：

位判决模块根据e_means(t)以及提取出来的位边界同步时刻来恢复数据，即将位边界处与位中央处的计算结果相比较，若前半位的计算结果大于后半位，则判决为“1”，反之则判决为“0”。冲突判断模块用来计算前后半位的平均能量的差值，若差值小于设定的冲突判断阈值，则输出冲突警告Coll_alarm。

由于信号经过了去DC 与求平均的处理，此时同步时刻在低SNR 下也不易被寄生DC 分量和噪声扭曲，在低SNR 情况下仍有较大的处理增益和较好的性能，且能节省第一位副载波周期的处理增益，提高位同步的精度与效率。此外，需要注意的是，检测阈值的设置对假同步率有较大的影响，当检测阈值设置过高时，假同步率很小，但容易造成漏检；当设置过低时，假同步率上升，造成误检，因此需要结合实际应用合理设置检测门限，尽量使漏检、误检同时最小。而在防冲突过程中，若读卡器同时接收到两个以上近场通信卡的响应，其接收信号应为所有响应的叠加，导致冲突位的位平均能量大于正常位；通过设定防冲突阈值，上述读卡器位同步器可以很容易地检测到冲突位，便于与防冲突环集成，满足设计目标。

3 仿真与实现结果

改进的匹配滤波同步捕获技术算法经Matlab 仿真满足设计要求。

利用Matlab 按第2 节所述电路结构建立仿真模型，采用OOK 调制、Manchester 编码，在不考虑噪声项时，无冲突位的基带信号及可能发生一位冲突的叠加信号如图3 所示。

图3 基带信号及冲突信号示例

冲突位置如图3 中箭头位置。

对于正常信号模式与冲突信号模式，分别求其基带信号位平均能量，并按设定阈值做判决，从而恢复数据。整个解码运算过程示意图如图4 所示。

图4 解码算法过程

用Verilog实现该电路设计，其仿真波形如图5所示，从图5 中可看出电路正确实现位边界的检测及解码功能。

图5 电路实现波形

该文设计的读卡器位同步器通过0.18 μm CMOS工艺流片实现，芯片照片如图6 所示。

图6 芯片照片

4 结束语

该文提出了一种新型的读卡器位同步算法设计，该位同步算法通过改进的匹配滤波法检测接收序列的位平均能量，并根据位平均能量来提取同步时刻，正确解码，同时可以方便地识别发生冲突的位。针对NFC-A 防冲突过程中特定的OOK 调制、Manchester 编码的传输信号，该位同步器能在低信噪比和高码间串扰的环境下实现快速、高效的同步，且能很方便地与防冲突环等电路集成。该算法设计经Matlab仿真，由Verilog实现并验证，最终以0.18 μm CMOS 工艺流片实现，经测试可以实现读卡器NFCA 防冲突信息的正确解码。