基于SAW的超宽带射频识别技术.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流基于SAW的超宽带射频识别技术.精品文档.基于声表面波的超宽带射频识别技术周金 天津财经大学理工学院信科系,天津 300000通信作者 E-mail: xxsc.cool摘要:本文讨论了一种基于超宽带(UWB)标准的声表面波射频识别(SAW RFID)系统。该方法借鉴了广泛采用于雷达通信且具有高分辨率的线性调频技术,阅读器发射的高频询问脉冲具备超宽带脉冲的性质。文章首先介绍了系统架构,电子标签工作原理;其次从器件大小,传输损耗等方面详细讨论了该系统的优点;建立了发射,调制,回波信号处理等过程数学模型;并对单反射条及多反射条标签的性能进行了实验
2、分析。关键词:射频识别,超宽带,声表面波,线性调频信号基金资助 天津市科技支撑重点项目脑血肿检测仪无线通信技术研究资助项目.1. 引言基于声表面波标签的射频识别技术较IC-based标签具有可以提供无源传输以及成本低廉等特点,因而受到了研究领域和商业界的广泛关注。同时,超宽带无线通信这种利用极短的脉冲进行数据传输的新型无线通信方式在近几年也受到了非常广泛的关注,尤其在高速短距离传输中,超宽带技术可以做到真正的高速传输,其最高传输速率可达480Mbits/s。声表面波技术与无线通信系统的融合已逐渐体现在多方面。文献1提出了采用差错控制技术用于声表面波标签检测;文献2介绍了用于温度和压力测量的无线
3、声表面波射频识别系统;文献3介绍了基于CMOS的声表面波换能器技术。诸多文献提出了利用声表面波技术产生超宽带信号的方法;也有文献提出在射频识别系统中采用超宽带TH-PPM调制方式来解决通信保密问题。此外,基于声表面波的线性频率调制的超宽带系统在国外也有机构在商业化。本文提出符合超宽带标准的声表面波射频识别系统。2. 超宽带扩频编码射频识别声表面波标签模型与仿真实验2.1系统模型图1为扩频编码超宽带标签示意图。系统由:高频询问脉冲发生器、叉指换能器与反射栅组成;叉指换能器为第二章阐述的啁啾变换型换能器原理相同,其自身的冲激响应为线性调频信号。该结构的叉指换能器在发射端起到脉冲压缩作用;在接收端起
4、到匹配相关的作用。与文献5.16中提出的超宽带声表面波射频识别标签相同之处为:该标签使用了电极的正负极性以及位置偏移来表征反射条的幅度信息:;不同之处在于编码信息为具有良好互相关性的伪随机序列。而每根反射条电极的极性依照扩频序列来设置。假设编码时间为200ns,带宽时间积等于100,经过叉指换能器的压缩脉宽等于2ns,压缩脉冲占据的每个时间隙为2ns,因此在编码时间范围内共有200/2=100个时隙,这100个时隙划分为若干个时隙组,每2个时隙构成一个反射条,反射条占用2个时隙中的某一个时隙,不同的编码位置用以区分反射条代表的不同相位信息。相位变换原则为: (1)则可以放置100/2=50根反
5、射条。时隙分配编码方式如图3所示。图1 系统结构图2 标签时隙编码结构值得指出的是,为信号处理以及实现的方便,这种结构的标签采用单根反射条作为反射器件。2.2信号模型建立与仿真不论对传感系统或无线通信系统、光通信系统,精确的模型建立以及对系统参数进行估计对系统性能的改善都是关键技术。我们将建立无线传感射频识别系统完整的信号模型以及股计算法,并给出仿真结果。我们从标签入手,将标签分为单标签单根反射条、单标签多根反射条、多标签等几种类型进行研究;对于前两种标签主要的干扰源为码间干扰,后者主要为多址干扰。2.2.1 单标签单根反射条考虑到线形调频信号的测距精确性,发送端高频询问脉冲使用该信号,其时-
6、频特性为: (2)利用啁啾型声表面波滤波器即可产生如下形式的询问信号: (3)其中为输入询问脉冲幅度。携带着特定信息的声表面波单根反射条通常被等效为冲激脉冲函数。在标签系统中它对应于反射条时间延迟。假设单根反射条的时间延迟为,则这跟反射条的冲激响应表达为: (4)其中表示第1根反射条携带的编码,即伪随机编码值,。高频询问脉冲经过频率变化方向与其相反的叉指换能器,设叉指换能器的冲激响应为IDT(t),则输出叉指换能器的信号为询问脉冲与冲激响应的卷积:,输出为极窄的压缩脉冲,并由电磁波转换为声表面波继而在基地传输,并与式(5.9)的反射条冲激信号进行卷积运算: (5)该信号为射频信号,该携带标签编
7、码的信号再次返回叉指换能器,并与换能器反向线性调频冲激响应进行卷运算,得到: (6)这是的信号为时延扩展信号,其频谱形式为: (7)其中,分别为压缩脉冲、反向调频信号、标签函数以及高斯白噪声的频谱。接收端对该信号进行相关匹配,利用第二章中的声表面波器件的卷积形式进行该匹配,即将(6)信号与发送端高频询问脉冲正向线性调频信号进行卷积,得到: (8)得到尖峰压缩脉冲,而噪声仍为宽带信号,至此,提取尖峰信息以及尖峰偏离延迟便解调出了标签编码信息。图3为下行方向(阅读器至标签)叉指换能器输出压缩脉冲时域曲线,其中线性调频信号宽度为100ns。图4为单根反射条标签反射回回波信号幅度曲线。图4(a)时间-
8、衰减曲线;图4 (b)为时间-幅度曲线。因为询问信号通过换能器会有一部分时延,从形成压缩脉冲到声表面波与反射条卷积作用又有一段时延,因此,在仿真刚开始的0-160ns时间段内并没有出现回波信号尖峰,在此时刻之前回波均为未经过匹配的时延扩展脉冲,直到换能器输出与声表面波与反射条作用并返回才出现了图中一开始的尖峰。这段作用时间为大概180ns左右。图3 压缩脉冲时域曲线 图4 (a) 时间-衰减曲线 图4 (b) 时间-幅度曲线图4 单根反射条压缩脉冲回波频率 幅度曲线2.2.2 单标签多根反射条上一部分讨论了单根反射条模型,它是多根反射条/多组反射栅标签的基础。假设标签中有L根反射条,第l根反射
9、条相对时延为。则全部反射条产生的冲激响应为: (14)其中为第l根反射条所分配的PN码字,且。显然,反射回波信号为压缩脉冲的延迟叠加信号,表示为: (8)图5(a)为两根反射条叠加回波信号,中间延迟50ns左右,两根反射条相隔大约25个时隙;PN编码均为1,否则会有相位翻转。该图未加入高斯白噪声。图5(b)为多根反射条在10dB高斯白噪声环境下回波匹配信号。 图5(a) 两根反射条无噪声 图5(b) 加入10dB高斯白噪声回波匹配信号图5 单根反射条扩频编码标签回波信号将反射信号与接收端正向啁啾滤波器进行匹配,由于反射信号中存在于正向调频滤波器反向的信号,因此,经过匹配相关,这部分信号被压缩,
10、即出现尖峰,此尖峰用于从高斯白噪声中将有用信息提取出来。2.2.3多标签多根反射条在阅读器作用范围内通常存在多个标签与其同时通信。此时,多标签干扰即防碰撞成为多标签射频识别中的关键待解决技术。在本课题中,我们采用了类似于CDMA无线通信中的扩频码,为每个标签分配彼此正交或准正交的伪随机序列,以降低不同标签之间的互相关性,互相关系数的减小意味着多址干扰的减少,因为多址干扰与互相关系数成正比。假设系统中共有K个标签同时通信,不失一般性,认为标签1为期望标签。第k个标签的冲激响应写做: (9)其中为第k个标签第l根反射条所用的PN码字,为第k个标签第l根反射条的时延。反射回波信号为压缩脉冲的延迟叠加
11、信号,输出结果表示为: (10)上式为回波信号,该信号再次与反向换能器卷积,得到载有期望标签编码信息的时间扩展信号,该信号与接收端本地正向调频信号相关,该相关器由声表面波器件充当,输出含有峰值的压缩信号。同时,将该信号与期望标签的码字序列组做相关,输出尖峰即为期望标签信息。图6为多标签回波叠加信号,除去图中箭头所指为期望标签的解调信号外,其余均为干扰标签信号,在接收端再进行一次总的干扰信号与期望标签PN序列的相关即可解调出期望标签信息。在这多个标签中,为每个标签分配了相互独立互相准正交的直扩随机序列。图6 多标签回波信号叠加2.3 超宽带多扫频率啁啾扩频编码声表面波射频识别声表面波射频识别系统
12、框图如图7所示。各组成部分功能为:阅读器单元用于发送高频询问脉冲。叉指换能器用于声-电和电-声转换,并用来对发送和回波反射信号进行匹配,以便后期信号处理。声表面波标签用于信号的传输和反射,标签上附有发送和接收天线。信号处理单元。图7 声表面波射频识别系统框图该系统与窄带声表面波射频识别的不同之处在于标签编码方式以及换能器的设计。换能器由与发送高频询问脉冲反向的线性调频信号激发;同时,标签编码采用了多扫频率并利用伪随机序列进行扩频方式。标签结构如图8所示。高频询问脉冲经过线性调频叉指换能器,输出为经过压缩的带宽为的脉冲。因此,该脉冲的脉冲宽度为,声表面波传播速度为,因此一个压缩脉冲在基地上对应的
13、器件长度为。假设系统需要满足的时间带宽积,为反射条编码时间。计算得到编码时间。由于每个时隙的时间宽度等于压缩脉宽2ns,所以,在这样长的编码时间内,可容纳个时隙。在反射标签基底上,规则分布着组代表不同中心频率和不同扫频率的反射栅,为扩频序列的扩频增益。标签具体参数如下:1高频啁啾发送波形中心频率:考虑到目前国内声表面波器件能达到的工艺水 平限制,采用超宽带频带中的低频部分,设发送啁啾信号中心频率为。2发送端询问脉冲:鉴于啁啾信号具有很好的距离分辨率等特点,采用线性调频啁啾脉冲作为发送信号。啁啾信号带宽为500MHz,啁啾信号脉宽,扫频率。3标签编码:标签编码时间以使时间带宽积满足时间带宽积指标
14、。一个比特用含有50个扩频码片(chip)的直扩序列组成;每个码片的持续时间等于换能器输出的压缩脉冲的宽度;每个码片持续时间内由与发送端啁啾换能器相似的结构组成具有不同扫频率和中心频率的反射栅产生与第四章多扫频率啁啾信号相同的反射波形,并利用反射栅电极正负的变化产生扩频码。4扩频码:选择扩频增益等于50的直扩序列作为扩频码。声表面波射频识别的基本框图如图9所示。频率合成器用于产生一系列频率随时间呈线性变化的啁啾波形,并将此波形作为发送端高频询问脉冲。由于阅读器同时进行信号的周期性发送与回波信号的接收,收发信号在天线端的分离是必须的。该分离器用于阻止接收信号进入发送天线,同时阻止发送高频信号进入
15、接收天线。经过隔离处理后,反射信号被与发送信号反向的叉指换能器接收,其中的一部分信号进入进入混频器,并与发送端啁啾信号进行混频得到中频信号并进行采样处理。采样信号进入数字信号处理器对期望标签信息进行解调。图9 具有正交频率编码宽带反射条组的超宽带声表面波射频识别标签2.4 啁啾扩频编码标签系统模型与仿真实验利用MATLAB仿真产生询问up chirp和down chirp脉冲,。为了抑制滤波器旁瓣,对询问脉冲加余弦窗函数: (11) (12) 图10 未加窗询问脉冲频率幅度曲线 图11 加窗后询问脉冲频谱图10和图11分别为加窗前后频率幅度与频域曲线。压缩脉冲的频谱可以表示为询问脉冲的频谱与反
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