基于頻域采樣的聲表面波射頻識(shí)別系統(tǒng)研究.pdf

1、基于聲表面波(SAW)技術(shù)的標(biāo)簽具有無(wú)源、被動(dòng)的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境下工作，用于實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別(RFID)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)由標(biāo)簽和讀寫器組成的SAW RFID系統(tǒng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)在于降低系統(tǒng)成本、提高標(biāo)簽編碼容量和讀寫器在低信噪比下的識(shí)別能力，對(duì)多標(biāo)簽的防碰撞問(wèn)題進(jìn)行了探討。主要研究?jī)?nèi)容如下： ⑴SAW RFID系統(tǒng)常用的解碼方法是基于時(shí)域采樣的，讀寫器采用和單脈沖雷達(dá)相同的工作機(jī)制：即發(fā)射模擬沖激信號(hào)的單個(gè)窄脈沖，并直

2、接測(cè)量標(biāo)簽的單位沖激響應(yīng)。此方法的主要缺點(diǎn)是：(1)為避免單位沖激信號(hào)中兩個(gè)返回脈沖發(fā)生碼間串?dāng)_，應(yīng)盡量選擇高帶寬的查詢信號(hào)，但這通常受限于ISM(Industrialscientific medical)的帶寬規(guī)定；(2)需要對(duì)讀寫器獲取的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域高速采樣，因此需要高性能的A/D轉(zhuǎn)換以及收/發(fā)隔離開(kāi)關(guān)，從而增加了系統(tǒng)成本。為了解決這些問(wèn)題，論文采用基于頻域采樣的工作方式，直接獲取標(biāo)簽系統(tǒng)的頻域系統(tǒng)函數(shù)。頻域采樣傳統(tǒng)的測(cè)量方法是利用

3、逆傅立葉變換把測(cè)得的頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)域信號(hào)并作后繼處理，但隨著帶寬的減少，時(shí)域分辨率會(huì)降低。為此，論文采用頻率步進(jìn)連續(xù)波作為發(fā)射信號(hào)，并利用高分辨率算法來(lái)提取回波與發(fā)射信號(hào)混頻后信號(hào)的頻率信息來(lái)解碼。 ⑵介紹了與SAW標(biāo)簽有關(guān)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，主要有：各組成部分的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、標(biāo)簽的整體結(jié)構(gòu)，基片切向性能指標(biāo)以及常用的編碼方案。針對(duì)本文的實(shí)際應(yīng)用情況，確定了SAW標(biāo)簽采用單相單向換能器共線式結(jié)構(gòu)，選擇了鈮LiNbO3晶體作為基片材

4、料，提出了基片優(yōu)化切向選擇的基本準(zhǔn)則，編制了基片切向性能指標(biāo)的計(jì)算程序，通過(guò)計(jì)算最終確定了采用(0°，37.86°，0°)的最優(yōu)化切向。針對(duì)標(biāo)簽大容量編碼的需要，論文設(shè)計(jì)了帶有自校驗(yàn)功能的編碼方案。 ⑶采用基于廣義格林函數(shù)理論的有限元/邊界元方法和源再生方法，通過(guò)計(jì)算得出了電極結(jié)構(gòu)、電極數(shù)目、電極厚度以及金屬化率改變對(duì)SAW標(biāo)簽反射柵的反射、透射以及散射性能的影響，據(jù)此提出了反射柵設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則：通過(guò)采用合適的電極結(jié)構(gòu)、改變電極

5、厚度或金屬化率來(lái)補(bǔ)償傳播及體波散射損耗。 ⑷分析并設(shè)計(jì)了讀寫器。建立了發(fā)射、接收信號(hào)模型，提出了采用信息論方法計(jì)算標(biāo)簽反射柵的數(shù)目，介紹了幾種高分辨率的頻率提取算法并作了定量分析。設(shè)計(jì)了讀寫器的各個(gè)模塊單元，針對(duì)連續(xù)波體制的收/發(fā)難隔離的問(wèn)題，論文設(shè)計(jì)了一種基于定向耦合器和Schiffman型180°混合器的收發(fā)隔離方案，隔離度可以達(dá)到≥60dB。為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，在接收部分還采用了零中頻接收機(jī)。 ⑸制作了一套完整

6、的基于頻域采樣的SAW RFID系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)將信噪比作為衡量系統(tǒng)性能的重要依據(jù)，比較了信息論方法各準(zhǔn)則在計(jì)算反射柵數(shù)目時(shí)的性能以及各種高分辨率算法在頻率提取時(shí)的準(zhǔn)確性和分辨率，最終決定了采用在小信噪比下性能優(yōu)異的信息論MMDL準(zhǔn)則和PRO-ESPRIT算法。 ⑹研究了SAW RFID系統(tǒng)的多標(biāo)簽防碰撞問(wèn)題，提出了基于智能天線的解決方案，利用波達(dá)角表示各個(gè)標(biāo)簽在空間的位置，采用遺傳算法并行提取波達(dá)角，并由此生成對(duì)應(yīng)各