超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

射頻識別(Radio Frequcncy Identification，RFID)是一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，具有能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。近年來，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了超高頻段 (UHF，860～960 MHz)，已經(jīng)有科研人員將提取射頻信號到達(dá)入射角或相位差作為RFID定位研究的新方向。低信噪比實(shí)測環(huán)境中提取相位差信息的可行性，但是沒有提取出位置信息;參考文獻(xiàn)中采取機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練機(jī)制對多天線相位差信息進(jìn)行參數(shù)提取，但是僅限用于活動(dòng)范圍較小的醫(yī)療跟蹤。

本文研究的基于相位式測距的UHF RFID定位方法，與基于信號的傳播時(shí)延和強(qiáng)度衰減作為定位依據(jù)的方法有所不同。結(jié)合離散頻譜校正技術(shù)提取發(fā)射信號與接收信號之間的相位，得到信號相位差，進(jìn)而得到閱讀器與標(biāo)簽之間的距離，利用多個(gè)閱讀器所測得的距離，實(shí)現(xiàn)對目的標(biāo)簽的定位。

1 基于相位式測距的UHF RFID定位方案

1.1 閱讀器和標(biāo)簽的通信機(jī)制分析

閱讀器和標(biāo)簽的通信是基于ITF(Interrogator TalkFirst)機(jī)制的，即基于閱讀器的命令與閱讀器的回答之間交替發(fā)送的半雙工機(jī)制。

對于基于相位法的超高頻RFID定位系統(tǒng)，選擇標(biāo)簽返回PC+EPC+CRC16信息這一過程為基準(zhǔn)進(jìn)行信號相位的提取并用于標(biāo)簽的定位中。標(biāo)簽返回這些信 息的過程為反向散射過程，需要閱讀器發(fā)送一個(gè)單頻的CW信號為標(biāo)簽提供能量并作為標(biāo)簽反向散射信息的載波。對于標(biāo)簽信息的調(diào)制過程，則是通過標(biāo)簽的基帶數(shù) 字信號控制標(biāo)簽芯片阻抗在兩種狀態(tài)之間切換，使得天線與標(biāo)簽芯片阻抗在匹配與失配之間轉(zhuǎn)換來改變天線的反射系數(shù)，完成整個(gè)調(diào)制過程。若改變標(biāo)簽芯片和天線 實(shí)部阻抗的匹配與失配，為ASK調(diào)制;改變阻抗虛部的匹配與失配，則為PSK調(diào)制。

由于ASK調(diào)制較為容易實(shí)現(xiàn)，目前市面上絕大多數(shù)標(biāo)簽采用ASK調(diào)制。標(biāo)簽芯片和天線的等效電路如圖1所示。

圖1 標(biāo)簽芯片和天線的等效電路

其中，Za為天線阻抗，Z1為數(shù)字信號為高電平時(shí)的阻抗，與Za失配;Z2為數(shù)字信號為低電平時(shí)的阻抗，與Za相匹配。當(dāng)信號為高電平時(shí)，天線阻抗與芯片阻 抗失配，閱讀器發(fā)送的CW信號無法進(jìn)入芯片，被天線反射到空間中;當(dāng)信號為低電平時(shí)，天線阻抗與芯片阻抗匹配，閱讀器發(fā)送的CW信號將進(jìn)入芯片，不會反射 回空間中，由此便完成了信號的調(diào)制過程。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于整個(gè)定位系統(tǒng)，需采用多個(gè)閱讀器分別計(jì)算與同一標(biāo)簽的距離信息，并根據(jù)幾何定位獲取標(biāo)簽的位置信息。對于單個(gè)的閱讀器及相關(guān)算法模塊，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

①閱讀器的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行閱讀器與標(biāo)簽之間的通信，并提取標(biāo)簽的EPC信息;

②相位提取預(yù)處理電路與相位提取算法模塊設(shè)計(jì)，主要用于處理收發(fā)副載波信號，并提取這兩個(gè)信號的相位用于測距和定位。