1、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: 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
2、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
3、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
4、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1,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)01;pncode则可以放置 100/2=50 根反射条。时隙分配编码方式如图 3 所示。图
5、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-频特性为：(2)0()ftt利用
6、啁啾型声表面波滤波器即可产生如下形式的询问信号：(3)2,),2cos()(20 chirpiii TttfAts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iA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：1(4)11()htpt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1p 1,p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)()(tstIDTs
7、downii 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)11 11101()()sin()|=cos2()idowchirpythttptTtAft压 缩压 缩该信号为射频信号，该携带标签编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)1 211101 02 1()()sin()|)cos cos()i|() 2()dwn Ci iirtyttTtApf Aftntttft ftt 这是的信号为时延扩展信号，其频谱形式为：(7)1()()()()downRfFrtSffSfNf压 缩 标 签其中 ， ， ， 分别为压缩脉冲、反向
8、调频信号、标签函()Sf压 缩 downS标 签 N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)1 11 201 021 11301 0()()sin()|)cos) cossi()|)in(s() s(2)up chirpchirp chirptrttTtAf Aftttt tTpf ftt |)() ptnt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。1图 3 为下行方向（阅读器至标签）叉指换能器输出压缩脉冲
9、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- 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
10、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 根反射条相对时延为 。则全部反射条,1,lL产生的冲激响应为：(14)1()()Lllhtpt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lp 1,l为压缩脉冲的延迟叠加信号，表示为：(8)101()()()sin()|)cos2()idownLll lClil l lLllytsttptTtAftpt压 缩压 缩图 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
11、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，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
12、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)1()()Lllkhtpt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lkp lk条的时延。反射回波信号为压缩脉冲的延迟叠加信号，输出结果表示为：(10)101()()()sin()|)cos2()KkidownLkllk kkK lClkkil lk lLkllkythtstptTtAftpt压 缩压
13、 缩上式为回波信号，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112,Lp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框图
14、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。0f1f1CNf-R e s p o n s e w a v e f o r m sT r a n s d u c e r a n t e n n aS A W t a gT i m e - d o m a i n c o m p r e s s e d s i g n a lI n t e r r o g a t i o n p u l s eR e a d e r
15、U n i t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50BMHz 1/2CTBns度为 ，因此一个压缩脉冲在基地上对应的器件长度为348/ms。假设系统需要满足的时间带宽积 ，240/2CSAWlTvnsm 10encodigT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encod
16、ig 20encodig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/10encodigC 5CN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：CN1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。04.fGHz2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 ，5chirpTns扫频率 。170(/)zs3标签编码：标签编码时间 以使时间
17、带宽积满足时间带宽积指标20encodigTs。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encodigBT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1/2CTBns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，
18、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)()cos)2hirptwtT(12)()()inupu
19、pAtt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 与反向()winupAf叉指换能器频谱 的乘积。donf频谱如图 12 所示。()downAf图 12 反相线性调频信号频谱压缩脉冲经过叉指换能器转换为声表面波，并沿着基底传输，其脉宽为2ns。压缩脉冲与标签携带的信息进行卷积，由于反射栅由若干组代表不同频率和不同相位（ ）的反射条组成，即由这些反射条构成一个比特，而这些比特0,的周期性重复，即询问脉冲的不断发射便构成连续的反射回波信号。假设系统中存在 K 个标签，不失一般性，
20、假设标签 1 为期望标签，则第 k 个标签的反射栅的数学表达式为：(13)21()()cos2()()CNk kkkknnCnCnhtpgtftTtT 其中 为扩频增益，也等于反射栅的组数， 为第 n 组反射栅的中CN,1,fN心频率，对应于多扫频率啁啾信号的中心频率， 以准正交的方式分21Cf配给每个反射栅组以及标签。其分配方式如图 16 所示。 为第 k 个标签的第 nkn组反射栅的时延， 为第 k 个标签第 n 组反射栅使用的扫频信号的扫频速率，kn为压缩脉冲宽度，即时隙宽度。图 13 为直扩(DS, Direct spread spectrum CTsequence)序列图示，14 为
21、扫频调频信号频率扩频原理图。图 15 为多扫频率扩频波形时域曲线。图 13 DS 序列 图 14 多扫频率啁啾信号扩频原理图 15(a) 扩频原理示意图 图 15(b)标签理想回波响应图 15 多扫频率扩频信号时域仿真曲线压缩脉冲与反射栅冲激脉冲卷积并返回声通道，被换能器重新转换为电磁波，此时的信号表达式为：(14)1()()()Ktagkythstn压 缩其中 是零均值，方差为 的高斯白噪声。同时，携带标签信息的反射信号()nt 2经过与输入方向频率变化方向相反的叉指换能器，并与其进行卷积，此时得到的是时间扩展脉冲，该信号与阅读器的一部分发送询问脉冲卷积，得到压缩脉冲，从而恢复出标签编码信息
22、。因此，上行链路（标签至阅读器方向）叉指换能器的输出信号为：(15)1()()()()Kktagdownkztysthst压 缩 压 缩在接收机一侧，经过时间扩展的反射信号与一部分发送端高频询问脉冲进行混频，得到如下表达式：(16)1111211()()()()()()cos2()()()()()CKupktagdownupkKtkNnnnCnrtzsthsttntfttpgtTstt压 缩压 缩 压 缩 此 项 目 隐 含 期 待 标 签 编 码 信 息 压 缩 压 缩221()()()()()()CKkkkknnnknfttttstt 此 项 隐 含 干 扰 标 签 编 码 信 息 压 缩
23、 压 缩第一项为期望标签编码信息，第二项为干扰标签编码信息，第三项为高斯白噪声项。为解调期望标签编码信息须启用接收端数字信号处理程序。图 16 为来自所有标签的未进行相干匹配的回波信号。 由于经过接收端叉指换能器后，换能器对宽带扩频标签信息起时域扩展作用，因此信号被时延扩展。经过与标签编码本地扩频码相关以及反向线性调频信号匹配后，即可得到标签冲激响应的恢复信 号。图 16 未匹配时延扩展回波信号3. 讨论和结论本系统相比文献7-10提出的声表面波射频识别系统具有以下优点：(1) 器件大小指标超宽带声表面波标签应满足大于等于 的带宽，因此与窄带声表面波50MHz标签识别系统相比，若要达到相同的性
24、能，即时间带宽积相同，超宽带声表面波标签的编码时间会大大缩短，时延的缩短意味着延迟与损耗的减少。比如，根据 FCC 对超宽带的定义，我们将相干带宽小于 20%且功率谱密度为的频段应用到标签中。假设信号占用的频段为 ，即带41.3/dBmMHz 2.05GHz宽为 （该频段对声表面波标签来说工艺上是可以做到的） 。为达到时间50带宽积等于 200 的技术要求，编码时间只需要 400ns；而工作于 2.45GHz 的声表面波标签需要 的编码时间，其时间长度是超宽带标签的 5 倍到 10 倍。24s超宽带的这一技术指标可以使声表面波标签的传播路径这部分长度由原来的减少为 左右。因为声表面波在基底上的
25、传播路程为器件自2.75.4m1.m身长度的两倍，因此，超宽带声表面波射频识中的标签尺寸可以达到 0.7mm 左右，即 1mm 以下。(2) 传输损耗指标超宽带声表面波标签与普通窄带标签相比，由于编码时间的降低，导致器件长度即传播路径相应降低，损耗与路径距离平方的倒数成正比，可以计算出超宽带声表面波标签比窄带标签的路径损耗小 14-16dB 左右。(3) . 发射功率指标由于超宽带信号频带很宽，因此其功率谱密度较低。阅读器激发标签需要的功率为 量级。低发射功率是超宽带声表面波标签与窄带标签相比非常明显W的优势。参考文献1. Haoran Dong; Jingchu He; Along Kang
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33、ics, ferroelectrics, and frequency control, vol.56, no.4, April 2009.SAW-based UWB RFID technologyZhoujinTianjin University of finance and economics, School of science and technology, department of information technologyAbstract: Surface acoustic wave (SAW) based RFID meeting with UWB standard is di
34、scussed. This system is adapted from the widely-adopted linear frequency-modulated modulation radar technology with a high resolution ability. Overall system structure is introduced, and working principle of electronic tag is discussed. Besides, advantages over other systems are discussed from the aspect of size of equipment, and transmission loss. The theoretical models of transmission, modulation as well as signal processing are established. Finally, simulation results concerning single reflector and multi-reflectors are given. Key words: RFID. UWB, SAW, LFMW
