一種基于超高頻RFID定位的相位式測距方法

　　摘要：研究了一種用于超高頻RFID定位的相位式測距方法，針對超高頻載波信號在相位提取過程中會出現(xiàn)整周相位模糊的問題，采取了單頻副載波調(diào)幅的解決方法。通過離散頻譜校正技術(shù)得到副載波信號收發(fā)相位之差，從而獲取閱讀器與標(biāo)簽之間的距離信息，然后采用最小二乘法實(shí)現(xiàn)對標(biāo)簽的定位。仿真結(jié)果表明，離散頻譜校正的方法能夠保證相位估計(jì)的精度，證明了本方案的有效性和穩(wěn)定性。

　　引言

　　射頻識別(Radio Frequcncy Identification，RFID)是一項(xiàng)非接觸式自動識別技術(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。

　　參考文獻(xiàn)證實(shí)了在低信噪比實(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。

　　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。

　?、匍喿x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;

　?、谙辔惶崛☆A(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。

　　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信號的形式，即將一個(gè)低頻的副載波信號以AM調(diào)制的方式調(diào)制到CW信號上。對于修改后的CW信號，將發(fā)送信號s(t)和接收信號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)閱讀器分別對同一標(biāo)簽進(jìn)行測距，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。

　　1.3 單頻副載波調(diào)幅

　　本文選擇閱讀器發(fā)射信號載波頻率fc=915 MHz，則λc=c/fc=0.327 9 m。設(shè)定測距范圍為0.3～20 m，在此測程內(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提取相位。針對這一問題，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。

　　根據(jù)測距范圍，需要副載波波長λ0/2≥20 m，則副載波頻率f0=c/λ0≤7.5 MHz。考慮到ISO/IEC 18000—6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對預(yù)留頻率資源的限制，若副載波頻率選得過大，則會超出協(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)致波長過長，會使得副載波的相位變化微小，難以保證測量精度。綜上考慮，本文選擇副載波頻率為2 MHz，對于0.3～20 m的測量距離，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。