超高頻RFID定位的相位式測(cè)距方法研究

通 過修改標(biāo)簽反向散射信息過程中閱讀器發(fā)送的單頻CW信號(hào)的形式，即將一個(gè)低頻的副載波信號(hào)以AM調(diào)制的方式調(diào)制到CW信號(hào)上。對(duì)于修改后的CW信號(hào)，將發(fā) 送信號(hào)s(t)和接收信號(hào)r(t)分別進(jìn)行帶通采樣和A/D轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字域，并采用離散頻譜校正方法估計(jì)收發(fā)信號(hào)中副載波分量的相位φs和φr，計(jì)算得 到收發(fā)副載波信號(hào)的相位差△φ，設(shè)副載波頻率為f0，則閱讀器與標(biāo)簽之間的距離可表示為

在整個(gè)定位系統(tǒng)中，我們采用多個(gè)閱讀器分別對(duì)同一標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)距，結(jié)合PDoA(Phase Difference of Arrival)的最小二乘法獲取標(biāo)簽的位置信息。系統(tǒng)信號(hào)處理框圖如圖3所示，可見△φ的精度直接影響后續(xù)的定位精度。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)處理框圖

1.3 單頻副載波調(diào)幅

本 文選擇閱讀器發(fā)射信號(hào)載波頻率fc=915 MHz，則λc=c/fc=0.327 9 m。設(shè)定測(cè)距范圍為0.3～20 m，在此測(cè)程內(nèi)包含了2×20/0.3 27 9=121.988 4個(gè)載波周期，即存在相位模糊，所以不能直接用載波信號(hào)提取相位。針對(duì)這一問題，采用單頻副載波調(diào)幅的方式，即將一較低頻率的副載波與載波調(diào)制，將副載波 作為獲取相位信息的信號(hào)。

根據(jù)測(cè)距范圍，需要副載波波長(zhǎng)λ0/2≥20 m，則副載波頻率f0=c/λ0≤7.5 MHz?？紤]到ISO/IEC 18000—6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)留頻率資源的限制，若副載波頻率選得過大，則會(huì)超出協(xié)議或者地方規(guī)定的UHF RFID使用頻段;如果副載波頻率選得過低，導(dǎo)致波長(zhǎng)過長(zhǎng)，會(huì)使得副載波的相位變化微小，難以保證測(cè)量精度。綜上考慮，本文選擇副載波頻率為2 MHz，對(duì)于0.3～20 m的測(cè)量距離，副載波的相位變化范圍為1.44°～96°，在一個(gè)合適的區(qū)間內(nèi)。

2 基于帶通采樣的相位提取與測(cè)距

設(shè)采樣頻率為fs，則經(jīng)帶通采樣后發(fā)射與接收信號(hào)分別為

s(n)=[cos(2πnf0/fs+φs)+A]·cos(2πnfc/fs+φc) (2)

r(n)=[cos(2πnf0/fs+φr)+A]·cos(2πnfc/fs+φd) (3)

φc、φs分別為發(fā)送端載波、副載波相位，φd、φr，分別為接收端載波、副載波相位，A為調(diào)制電平。

對(duì)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(hào)經(jīng)FFT后自身帶有相位信息，但是，在相位提取時(shí)，由非整周期的時(shí)域截?cái)鄬?dǎo)致的頻譜泄漏和多頻率諧波信號(hào)各頻率成分相互的 干涉現(xiàn)象都會(huì)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(duì)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(duì)相位進(jìn)行提取與校正。