胡宏澤 章 勇 賈 虹，2

（1.南京航空航天大學計算機科學與技術學院，南京，210016；2.總參第六十研究所，南京，210016）

引 言

射頻識別（Radio frequency identification，RFID）技術是一種通過無線射頻方式進行非接觸式的雙向數(shù)據(jù)的通信，對目標進行識別和讀寫相關數(shù)據(jù)的自動識別技術。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，RFID技術憑借非接觸、非視距、時延短、高精度以及成本低等優(yōu)點在室內定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應用［1］。由于有源標簽需要攜帶電池成本相對較高的特點，基于超高頻段的無源標簽的定位系統(tǒng)的研究有著更加深遠的意義。

1 基于頻域的信號到達相位差的雙頻比相法測距方案

1.1 信號到達相位差雙頻比相法測距原理

假設在排除多徑效應，噪聲等因素影響的理想的自然環(huán)境下，讀寫器向標簽發(fā)送的頻率為f0載波信號為

式中：A為該載波信號的振幅，φ0為發(fā)送載波信號的初始相位。經(jīng)過標簽反向散射返回至讀寫器接收到的信號為

式中：α為返回載波信號的增益，β為標簽的調制因子，Δφ為載波信號在整個傳播過程中產(chǎn)生的相位差，并且該相位差包含了標簽與讀寫器之間的距離信息

由式（4，5）可知二次相位差 Δ2φ為

其中Δf＝f2-f1，由式（6）可得基于二次相位差的測距公式為

分析式（7）可知，當Δf取值很小時，可大大增加最大不模糊距離。當Δf取值為10MHz時，最大不模糊距離可達到15m，針對UHF RFID系統(tǒng)通信距離最大一般達到10m左右的特點，該方案完全可以滿足目前UHF RFID定位系統(tǒng)對于無源標簽測距的要求。

1.2 基于頻域的相位差的雙頻比相法測距算法

1.2.1 相位誤差分析以及頻率差Δf

根據(jù)圖1所示，在自由傳播環(huán)境中，讀寫器接收到標簽返回信號的相位信息可以表示為

式中：Δφprop是電磁波在空間傳播的相位累積，Δφ0是讀寫器的調制解調模塊到天線的線纜的傳播相位累計，ΔφBS是標簽反向散射調制對載波相位的產(chǎn)生的偏移。相位Δφ0表示了讀寫器的調制解調模塊到天線之間的線纜的距離，考慮到相位Δφ0帶來的距離可以直接測得，因此，由標簽返回信號的可測得的相位誤差主要來源于ΔφBS。

文獻［11，13］中給出了ΔφBS的估算公式，標簽的等效電路如圖2所示。

當發(fā)送頻率為f0的載波進行測試時，ΔφBS為

圖1 載波信號傳播模型Fig.1 Propagation model of carrier signal

圖2 標簽等效電路 Fig.2 Equivalent circuit of tags

由于噪聲等非理想因素造成的相位誤差無法避免，假設對頻點fi測量值造成的相位偏差為ui，ui～N（0，δ2），對于不同測試頻點fi和fj所帶來的相位偏差ui和uj相互獨立，并且ui與變量fi無關，則可定義對于該樣本空間最優(yōu)擬合直線的回歸模型為

任意頻點fi測得的相位差值關系式為

如圖3所示建立二維的Δφ-f坐標系ui為Δφi到直線Δφ（f）＝kf＋b的距離，則有

圖3 Δφ-f坐標系Fig.3 Δφ-fcoordinate system

由式（15）分析可知，R2是介于0和1之間的數(shù)，R2越大，說明回歸線擬合程度越好；R2越小，說明回歸線擬合程度越差。

1.3 基于頻域的相位差（FD-PDOA）的雙頻比相法測距模型

分析式（7）和（13）可得基于頻域的相位差的測距模型可表示為

算法描述如下：

步驟1：讀寫器開啟跳頻模式，依次加入N個樣本頻點fi（i＝1，2，…，N），對待測無源標簽進行掃描，并且建立ui與fi的N階方陣A，初始化為0；

步驟2：對于樣本頻點fi處測得的相位偏差ui，將其加入N階方陣A中；

步驟3：檢查i值，若小于N則跳回步驟2；否則利用得到的N階方陣A求出tr（AAT）；

步驟5：根據(jù)步驟1～4測得讀寫器天線與無源標簽零距離時的值l，利用式（16）得到最終的無源標簽的距離信息。

測量系統(tǒng)的整體流程如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow chart of test system

利用PDOA雙頻比相法測距方案由于頻點選取的隨機性會帶來大量的隨機誤差導致最終測量結果產(chǎn)生非常大的浮動性。為了克服這些隨機誤差的影響，本方案中讀寫器向無源標簽發(fā)送頻率為fi（i＝1，2，…，N）的載波信號，通過對N個相鄰頻率差為1MHz的樣本頻點測量得到的 Δφi（i＝1，2，…，N）值進行取樣，利用最小二乘法以及一次線性回歸分析了頻域上相位差變化的整體特性，求出最優(yōu)擬合直線的回歸模型，根據(jù)式（16）的測距模型得到最終距離信息。

2 實驗方案與結果分析

本文主要采用以AS3992為射頻收發(fā)模塊的讀寫器完成對無源標簽的測量［15］，并且通過Matlab對得到的數(shù)據(jù)進行仿真。AS3992是奧地利微電子公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片，同時支持ISO 18000-6C（EPC Gen2）以及ISO 18000-6A／B通信協(xié)議［16］，在發(fā)射電路端集成了功率放大器、鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器和調制器等模塊；在接收電路端集成了低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、解調器等模塊。同時還集成了電源電壓管理、協(xié)議控制等工作模塊，從而使芯片外圍電路大大簡化。測試系統(tǒng)總體模塊如圖5所示。

振蕩器電路產(chǎn)生符合RFID系統(tǒng)要求的射頻振蕩頻率，一路經(jīng)過時鐘電路產(chǎn)生微控制器所需要的時鐘信號，另外一路經(jīng)過載波形成電路產(chǎn)生讀寫器工作的載波信號。射頻發(fā)射端包括編碼、調制和功率放大電路，用于向電子標簽傳送命令和寫數(shù)據(jù)。射頻接收端包括解調、解碼電路，用于接收電子標簽返回的應答信息和數(shù)據(jù)。MCU模塊是讀寫器工作的核心，完成收發(fā)控制、向標簽發(fā)送命令和寫數(shù)據(jù)、標簽數(shù)據(jù)讀取和處理、與應用系統(tǒng)的高層進行通信等任務。電源模塊為系統(tǒng)的正常工作供能，天線的作用就是產(chǎn)生磁通量，為無源標簽提供電源，在讀寫設備和標簽之間傳送信息，天線的有效電磁場范圍就是系統(tǒng)的工作區(qū)域。相位的獲取模塊是由IQ解調電路，可增益放大和AD轉換電路三部分組成，實現(xiàn)對接收信號與發(fā)射信號之間相位差值的獲取，并且傳遞給MCU模塊交由上位機軟件模塊（Matlab）對數(shù)據(jù)進行分析處理得到距離信息。無源標簽對收到的載波信號采用ASK調制方式并反射回讀寫器［17］。

圖5 測試系統(tǒng)總體框架圖Fig.5 Overall frams of test system

本實驗測量時對于閱讀器接收到標簽返回信號后，經(jīng)過本振混頻和低通濾波后得到I／Q兩路信號，根據(jù)該兩路信號的反正切值即可得到相位差信息，同時將測得相位差值組成樣本空間，利用Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行分析。測量時取10個樣本頻點，頻率差為1MHz，頻率設定為902.75，903.75，904.75，905.75，906.75，907.75，908.75，909.75，910.75，911.75MHz。在0.5m和1.0m 處分別進行了10次測量實驗，方案1采用基于PDOA雙頻比相法，取每次10個頻點上測得相位差的平均值。方案2采用基于FD-PDOA的雙頻比相法，取每次10個頻點上利用線性回歸模型測得的擬合最優(yōu)值。表1給出了閱讀器與無源標簽天線之間的距離在0.5m，1.0m時利用上述兩種方案進行10次實驗得到的誤差值。

表2 測得不同頻點的相位差值Table 2 Measured phase differentiation in different frequency

分析表2中0.5m處和1.0m處得到的相位差值，圖6給出了在0.5m，1.0m處采用PDOA雙頻比相測距方案在各頻點的測距誤差示，發(fā)現(xiàn)利用基于PDOA雙頻比相法的測距方案在0.5m處頻率選取為905.75MHz和906.75MHz時所帶來的隨機誤差最大可達0.74m，在頻率選取為903.75MHz和904.75MHz時帶來的隨機誤差最小為0.01m。在1.0m處，頻率選取為901.75MHz和902.75 MHz時所帶來的隨機誤差最大可達0.75m，在頻率選取903.75MHz和904.75MHz時帶來的隨機誤差最小為0.06m。因此若采用基于PDOA雙頻比相法的測距方案，會發(fā)現(xiàn)在大部分頻點上隨機誤差非常大，說明在這些頻點上測得的數(shù)據(jù)受到多徑效應以及噪聲等非理想因素的影響非常嚴重，無法反映相位差值變化的整體特性。

圖6 不同距離處各頻率點測距誤差Fig.6 Ranging errors of each frequency at different distances

圖7 0.5m處回歸擬合直線仿真Fig.7 Linear regression simulation at 0.5m

圖8 1.0m處回歸擬合直線仿真 Fig.8 Linear regression simulation at 1.0m

3 結束語

隨著RFID應用的越來越廣泛［18］，對于RFID定位技術的研究（特別是在醫(yī)院、圖書館等重要的場所）顯得尤為重要。本文提出了一種基于頻域的信號到達相位差的雙頻比相法測距方案，利用統(tǒng)計學原理，選取特定的頻點組成樣本空間，分析選取頻域的相位差值的整體特性，最后利用Matlab對該樣本空間中的數(shù)據(jù)進行仿真分析求出最佳的擬合直線，利用該測距模型得到無源標簽的距離信息。實驗表明，基于FD-PDOA的雙頻比相法測距方案能很好地反映相位差值的整體變化特性，對該領域的研究有著一定的指導意義。目前多種定位技術（比如wifi，zigbee等技術）同RFID之間結合的方式也越來越豐富［19］，多種定位方式的結合將會給人類以后的日常生活帶來更大的便利，這將成為本課題以后需要深入研究的方向。

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