一種基于超高頻RFID定位的相位式測距方法

　　對式(2)、式(3)積化和差，進(jìn)一步表示為

　　式(4)、式(5)所示的離散信號經(jīng)FFT后自身帶有相位信息，但是，在相位提取時，由非整周期的時域截斷導(dǎo)致的頻譜泄漏和多頻率諧波信號各頻率成分相互的干涉現(xiàn)象都會使相位偏離真實(shí)值，這就需要借助離散頻譜校正技術(shù)。這里，綜合考慮對主辦的能量集中性和窗函數(shù)表達(dá)式的復(fù)雜性，選用加hanning窗的比值法、能量重心法對相位進(jìn)行提取與校正。

　　由式(4)、式(5)可知，射頻載波信號經(jīng)副載波調(diào)制后會產(chǎn)生一個差頻項(xiàng)和一個和頻項(xiàng)，它們的相位值分別對應(yīng)載波相位與副載波相位的差與和，則副載波信號經(jīng)標(biāo)簽反向散射返回后的相位差為

　　將式(6)帶入式(1)，即可得到閱讀器與標(biāo)簽之間的距離信息。

　　3 定位仿真分析

　　使用Matlab軟件進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)置如下：

　?、傩盘枀?shù)，采樣頻率fs=9.128 MHz，副載波頻率f0=2 MHz，載波頻率fc=915 MHz，調(diào)制電平A=1。

　?、诃h(huán)境參數(shù)，在20 m×20 m二維空間的四個角上布置4個閱讀器，標(biāo)簽位置隨機(jī)投放。

　?、墼肼?，實(shí)際定位中噪聲不可忽略，定義疊加噪聲幅度

　　，分別在SNR=5 dB、8 dB、11dB、14 dB、17 dB下仿真。

　　進(jìn)行1000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)，定義均方根誤差(RMSE)

　　式中n為測量次數(shù)，di為測量值與真實(shí)值的偏差。

　　把用比值法、能量重心法得到的測量值進(jìn)行比較，如圖4所示，在小信噪比環(huán)境下，比值法稍優(yōu)于能量重心法，隨著信噪比的增大，兩種方法的測相誤差和測距誤差都隨之減小，在SNR>11 dB后，兩種算法的誤差基本相同。在各信噪比下，測相誤差最大達(dá)到6.27°，最小僅為1.43°，測距誤差的范圍為0.30～1.31 m。

　　圖5為采用最小二乘法進(jìn)行定位后兩種算法的RMSE對比圖。從整體趨勢上來看，隨著信噪比的增大，定位誤差不斷減小。在噪聲較小SNR =17 dB時，兩種方法RMSE均在0.35 m左右;在噪聲增大到SNR=5 dB時，比值法RMSE為1.47 m，能量重心法RMSE為1.57 m。在SNR由5 dB增大到8 dB的過程中，兩種方法的RMSE都有明顯的降低，分別降低了0.43 m和0.51 m。

　　圖6為在不同信噪比下，比值法的累計定位誤差曲線圖。在SNR≥14 dB時，定位較為準(zhǔn)確，曲線收斂速度很快;在SNR=11 dB時，定位誤差在0.94 m以下的概率為80%，定位準(zhǔn)確度也很高;當(dāng)信噪比減小到SNR=8 dB時，定位誤差有86.8%的概率小于1.5 m;在SNR=5 dB時，定位誤差小于1.5 m的概率為68%，但是可以看出曲線的收斂速度較慢。

　　結(jié)語

　　本文研究了一種用于超高頻RFID定位的相位式測距方法，在帶通采樣方式下，結(jié)合離散頻譜校正相位估計，進(jìn)行了定位仿真。仿真實(shí)驗(yàn)中，測試了不同環(huán)境噪聲對定位精度的影響。在噪聲較大時，比值法的定位精度稍優(yōu)于能量重心法;在小噪聲環(huán)境下，兩種方法定位精度差別不大，而能量重心法與比值法相比更為簡單，較為適用。綜上所述，基于相位法的定位有較好的有效性和穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用前景。