超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

射頻識別(Radio Frequcncy Identification，RFID)是一項非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，具有能耗低、適應性強、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，研究的重點(diǎn)轉向了超高頻段 (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(méi)有提取出位置信息;參考文獻中采取機器學(xué)習訓練機制對多天線(xiàn)相位差信息進(jìn)行參數提取，但是僅限用于活動(dòng)范圍較小的醫療跟蹤。

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)延和強度衰減作為定位依據的方法有所不同。結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)而得到閱讀器與標簽之間的距離，利用多個(gè)閱讀器所測得的距離，實(shí)現對目的標簽的定位。

1 基于相位式測距的UHF RFID定位方案

1.1 閱讀器和標簽的通信機制分析

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

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

由于A(yíng)SK調制較為容易實(shí)現，目前市面上絕大多數標簽采用ASK調制。標簽芯片和天線(xiàn)的等效電路如圖1所示。

圖1 標簽芯片和天線(xiàn)的等效電路

其中，Za為天線(xiàn)阻抗，Z1為數字信號為高電平時(shí)的阻抗，與Za失配;Z2為數字信號為低電平時(shí)的阻抗，與Za相匹配。當信號為高電平時(shí)，天線(xiàn)阻抗與芯片阻 抗失配，閱讀器發(fā)送的CW信號無(wú)法進(jìn)入芯片，被天線(xiàn)反射到空間中;當信號為低電平時(shí)，天線(xiàn)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(huì )反射 回空間中，由此便完成了信號的調制過(guò)程。

1.2 系統設計

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

圖2 定位系統硬件設計框圖

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

②相位提取預處理電路與相位提取算法模塊設計，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。