（1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室 电力芯片设计剖析实验室，北京100192；
2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技能研究中央，北京100192)
对付标签芯片，降落系统时钟频率是降落功耗、提高通讯间隔的最有效手段。首先从理论上按照一种等效讯断方法推导出PIE解码电路的更低时钟频率，提出了一种低时钟频率下基于ISO 18000-6 TYPE C协议的UHF RFID标签芯片解码电路的实现方案。设计的解码电路大幅度降落了标签芯片解码电路功耗，提高了标签相应灵敏度。
中图分类号：TN492
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170570
中文引用格式：周芝梅，张彤，刘亮，等. 一种低时钟频率下UHF RFID标签芯片PIE解码电路的实现方案[J].电子技能运用，2017，43(8)：52-54，61.
英文引用格式：Zhou Zhimei，Zhang Tong，Liu Liang，et al. UHF RFID tag chip with low clock frequency implementation scheme of PIE decoding circuit[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：52-54，61.
0 弁言
射频识别（RFID）是物联网最常用的一类自动识别技能，随着物联网运用的推广与深化，对付RFID的性能提出了越来越高的哀求。由阅读器与标签组成的RFID系统中，标签的功耗成了制约RFID 系统扩大运用范围的瓶颈，标签的功耗降落，则系统事情间隔越远，灵敏度提高，因此RFID标签芯片研究的一个主要方向便是降落芯片功耗。
本文在ISO-18000-TYPE C标准的根本上，提出新的等效讯断方法，并从理论上推导出RFID标签芯片解码电路的更低事情时钟频率。事情电路在采取更低事情频率的同时，设计上也运用了一系列方法保障标签的事情精度和标签的协议同等性哀求，显著降落RFID芯片的事情功耗。
1 解码时钟频率是系统功耗的关键
1.1 标签芯片构造
UHF RFID无线频率介于860~960 MHz之间，支持多标签同时读写，传输间隔可达到几米、乃至十几米远。UHF RFID标签芯片常日由基带处理（编解码）、协议解析、存储、电源管理等数模电路组成，如图1所示。
事情时RFID阅读器向RFID标签发送命令，标签解析命令并回应。从阅读器到标签称为下行链路，标签到阅读器称为上行链路。下行链路采取PIE(Pulse Interval Encoding)编码。ISO 18000-6[1]规定PIE的前导码(preamble)中Tari是阅读器到标签的参考韶光值，数据“0”用一个Tari长度表示，数据“1”在1.5个Tari到2个Tari之间。RTcal用于打算讯断门限pivot，即RTcal的二分之一并四舍五入，符号长度小于pivot则讯断为数据“0”，符号长度大于pivot且小于4倍的RTcal则讯断为数据“1”，而大于即是4倍的RTcal用于判断解码结束；TRcal与上行链路速率BLF（Back Link Frequency）干系。解码电路的功能便是根据不同PIE符号之间的比例关系，判断出数据“0”或数据“1”、RTcal、TRcal等符号及其长度，供命令解析、上行链路等模块利用。
1.2 解码频率的一样平常推导
Type C协议对付命令解析、交互间隔等规定了较充裕的韶光，对付系统时钟频率哀求较高的是基带旗子暗记处理电路（包括下行链路、上行链路等）。
上行链路的传输速率为40~640 kb/s，通过合理的分频策略，可以在时钟精度为7%以内的情形下，利用频率为1.28 MHz的时钟知足Type C协议在所有范例频点上BLF（Back Link Frequency）偏差哀求。下行链路的传输速率为40~160 kb/s，在160 kb/s速率下能够清楚讯断出符号值的最低时钟频率便是解码电路的最低频率哀求。
PIE解码，须要不断地计量PIE码数据的相邻低落沿[2]，如果间隔为系统时钟的2倍则为数据“0”，如果间隔为系统韶光的4倍则为数据“1”。此外，异步时序旗子暗记采样时存在亚稳态导致的计数偏差（当利用事情时钟捕捉异步旗子暗记相邻低落沿时，存在少采或者多采一个时钟沿的可能性，最小值是指可能少采而得到的最小计数值，而最大值是指可能多采而得到的最大计数值；当进行理论推算时，只考虑数据“1”的最小值，数据“0”的最大值，而讯断条件pivot的最大值与最小值均该当介于二者之间）。我们通过扫频的办法对解码频率作了推导，见图2。
图2表示对下行链路最高传输速率（下行速率为160 kb/s，数据“1”为1.5 Tari）时的扫频值，横坐标为事情时钟频率，纵坐标为符号的计数值，当4种计数值能够清晰区分时，对应的频率即为最低事情时钟频率，大约在1.6 MHz。如果再将时钟偏差以及上行链路分频考虑在内，则比较常见的做法是选择1.6 MHz以上的系统时钟频率（比如1.92 MHz、2.56 MHz）。因此，对系统时钟频率哀求最高的便是解码电路。
文献[3]提出不才行链路的同步码检测过程中利用2.56 MHz的时钟，基带的别的模块均采取1.28 MHz的时钟频率，双时钟方案比1.92 MHz的单时钟方案降落近20％的功耗。
文献[4]提出在全体基带处理中利用单时钟方案，但是只打算符号高电平阶段。
这几种方案都是受制于解码阶段时钟频率不能低于1.92 MHz，远超过理论值1.28 MHz，因此无法从整体上降落基带处理的时钟频率。
1.3 等效讯断方法的推导
从1.2节我们可以看到，直接采取pivot=round(RTcal/2)作为讯断条件会造成解码电路时钟频率较高，个中很主要的一个缘故原由是当利用解码时钟对RTcal长度进行计数时，由亚稳态导致的不愿定计数值占总计数值的比例较大。因此，我们考虑找到一个更长的等效参考计数值，使亚稳态导致的不愿定计数值所占的比例低落。
按照协议，阅读器发出的符号长度必须严格遵守一定的比例关系[1]，且所有宽度的偏差均在正负百分之一以内。
Data-0=Tari
1.5 Tari<=data-1<=2.0 Tari
RTcal=Tari+Data-1
2.5 Tari<=RTcal<=3.0 Tari
Pivot=RTcal/2，即1.25 Tari<=Pivot<=1.5 Tari
本文提出对上述讯断标准进行一系列等效变换。将新的讯断标准称为New Pivot，简称为NP。
NP=(Tari+RTcal)/3
3.5 Tari/3<=NP<=4.0 Tari/3即1.16 Tari<=NP<=1.33 Tari
显然仅对数据“0”和数据“1”而言，如果符号长度小于NP，则可以讯断为数据“0”，如果符号长度大于NP，则可以讯断为数据“1”。利用新的等效讯断条件，带来两个好处，首先NP与数据“1”长度上有了明显的区隔，避免旧的pivot在即是1.5 Tari时可能造成的稠浊，新的讯断条件对数据“0”和数据“1”均保留一定的安全间隔，使得我们可以简化比较逻辑；其次，旧的讯断条件从1.25至1.5有16.7%的变动范围，而新的讯断条件从1.16至1.33有12.7%的变动范围，变动范围减少了24%，这显著地缩小了采样时亚稳态造成的偏差范围。
假设在最严格的条件（下行速率为160 kb/s，数据“1”为1.5 Tari，考虑亚稳态影响采样得到的数据“1”最小值、数据“0”最大值、NP最大值、NP最小值，阅读器正负百分之一的偏差等）下，通过扫频来区分最大的Data-0与最小的Data-1，得到系统时钟最低频率为1 MHz旁边，比pivot讯断方法降落了37%。
如图3所示，在此频率以上时，NP的最大值小于数据“1”的最小值，而NP的最小值则不小于数据“0”的最大值，可以清楚地分离开逻辑符号“0”和“1”的长度。
2 解码电路设计方案
2.1 解码电路构造
采取新的等效讯断方法的解码电路构造如图4所示。紧张包括稠浊式行波计数电路（由三进制计数、行波计数等组成）、符号讯断电路、BLF打算电路及t1、t2韶光计时器等模块组成。
2.2 解码讯断逻辑
首先布局用于比较和讯断的标准韶光长度值，用系统时钟对TARI和RTcal进行计数，得到以时钟周期长度为单位的计数值，该计数值除3后，四舍五入的结果记为NP。
其次，对后续符号（一段高电平跟一段低电平）的长度进行计数，如果RTcal后面的符号长度大于2倍的NP，则讯断为TRcal，如果符号长度大于NP，则讯断为逻辑“1”，如果符号长度小于即是NP，则讯断为逻辑“0”。末了，如果高电平长度大于4倍的NP，则判断PIE编码结束。
为了与上行链路的频率保持同等，并考虑到时钟天生电路的精度偏差，我们选择1.28 MHz（精度7%）作为系统时钟频率。
2.3 解码计数电路
解码计数器包括CNTA与CNTB两部分，个中CNTA是三进制计数器，而CNTB 是行波计数器。
在打算NP时，如果利用除法器来实现除3，面积将显著增大，处理周期增加，功耗也会升高，因此我们利用三进制计数器（记为CNTA）来达到除3的效果。CNTA以0、1、2、0、1、2的规律进行计数，每当计数到2的时候，NP加1。在RTcal结束的时候，得到NP的计数值。该计数法与除3并四舍五入的结果完备同等，不会丢失精度。
其次，在RTcal之后，以系统时钟频率对符号的高电平、低电平进行计数，由于系统时钟频率较快，计数器功耗比较大，因此我们组合利用CNTA与行波计数器CNTB取代了普通的同步计数器。
CNTB计数器的最低位利用系统时钟作为同步时钟端，其输出的Q端，反向后接到下一比特的时钟端，作为异步时钟端，以此类推。利用行波计数器，后一级的事情频率比前一位慢一倍，因此能够有效地降落功耗。
这样，稠浊计数器在Tari+RTcal阶段用作三进制计数，输出结果为NP；在RTcal阶段之后用作符号长度计数器，输出结果为当前符号计数值。
3 仿真结果
本文基于上述电路构造，在TSMC 0.18 μs CMOS工艺下进行电路实现。分别对采取1.92 MHz事情时钟的传统解码电路和利用1.28 MHz事情时钟的新型PIE解码电路进行了功耗仿真。
通信参数配置为：阅读器下行链路通信速率为160 KHz；Tari=6.25 μs；Data1=1.5 Tari=9.375 μs。在通信勉励完备相同的情形下，当解码电路的事情时钟频率从1.92 MHz降落至1.28 MHz时，decoder电路的功耗由原来的0.8 μW变革为0.5 μW，降落约38%。图5为标签与阅读器通信交互过程的功耗仿真图分布。
4 结论
基于ISO 18000-6 Type C标准，实现了PIE解码电路的设计。我们通过等效的PIE符号讯断条件找到了适宜标签芯片的较低系统时钟频率1.28 MHz，并专门设计了三进制计数代替除法器等电路，合营履行新的解码方案。在TSMC 0.18 μm CMOS工艺下完成了ASIC芯片设计，仿真结果符合协议哀求。
参考文献
[1] ISO/IEC.18000-63 Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz Type C[S].USA：[s.n.]，2013：18-19.
[2] 段宏，邹传云，陈民.基于EPCC1G2协议的RFID系统数据解码[J].通信技能，2011，44(4)：90-92.
[3] 乔文，冯全源.UHFRFID标签基带处理器的ASIC设计[J].微电子学，2012，42(2)：164-167.
[4] 李险峰，沈红伟，张雪菲.一种无源电子标签PIE编码的低功耗解码方法[P].中国专利：CN103916209，2014-07-09.
