超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

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信號的形式，即將一個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收發(fā)信號中副載波分量的相位φs和φr，計算得 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

在整個定位系統(tǒng)中，我們采用多個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。

圖3 系統(tǒng)信號處理框圖

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。

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。