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基于频域采样的声表面波射频识别系统研究

朱华  
【摘要】: 基于声表面波(Surface acoustic wave, SAW)技术的标签具有无源、被动的特点,适合在恶劣环境下工作,用于实现射频识别(Radio frequency identification, RFID)时具有一定的优势。论文对由标签和读写器组成的SAW RFID系统进行了研究,重点在于降低系统成本、提高标签编码容量和读写器在低信噪比下的识别能力,在最后还对多标签的防碰撞问题进行了初步探讨。 SAW RFID系统常用的解码方法是基于时域采样的,读写器采用和单脉冲雷达相同的工作机制:即发射模拟冲激信号的单个窄脉冲,并直接测量标签的单位冲激响应。此方法的主要缺点是:(1)为避免单位冲激信号中两个返回脉冲发生码间串扰,应尽量选择高带宽的查询信号,但这通常受限于ISM(Industrial scientific medical)的带宽规定;(2)需要对读写器获取的信号进行时域高速采样,因此需要高性能的A/D转换以及收/发隔离开关,从而增加了系统成本。为了解决这些问题,论文采用基于频域采样的工作方式,直接获取标签系统的频域系统函数。频域采样传统的测量方法是利用逆傅立叶变换把测得的频域信号转换成时域信号并作后继处理,但随着带宽的减少,时域分辨率会降低。为此,论文采用频率步进连续波作为发射信号,并利用高分辨率算法来提取回波与发射信号混频后信号的频率信息来解码。 论文介绍了与SAW标签有关的理论和技术基础,主要有:各组成部分的结构和特点、标签的整体结构,基片切向性能指标以及常用的编码方案。针对本文的实际应用情况,确定了SAW标签采用单相单向换能器共线式结构,选择了铌LiNbO3晶体作为基片材料,提出了基片优化切向选择的基本准则,编制了基片切向性能指标的计算程序,通过计算最终确定了采用(0?, 37.86?, 0?)的最优化切向。针对标签大容量编码的需要,论文设计了带有自校验功能的编码方案。 论文采用基于广义格林函数理论的有限元/边界元方法和源再生方法,通过计算得出了电极结构、电极数目、电极厚度以及金属化率改变对SAW标签反射栅的反射、透射以及散射性能的影响,据此提出了反射栅设计的指导原则:通过采用合适的电极结构、改变电极厚度或金属化率来补偿传播及体波散射损耗。 论文详细分析并设计了读写器。建立了发射、接收信号模型,提出了采用信息论方法计算标签反射栅的数目,介绍了几种高分辨率的频率提取算法并作了定量分析。设计了读写器的各个模块单元,针对连续波体制的收/发难隔离的问题,论文设计了一种基于定向耦合器和Schiffman型180o混合器的收发隔离方案,隔离度可以达到≥60dB。为了进一步降低系统成本,在接收部分还采用了零中频接收机。 论文制作了一套完整的基于频域采样的SAW RFID系统并进行了实验验证。实验将信噪比作为衡量系统性能的重要依据,比较了信息论方法各准则在计算反射栅数目时的性能以及各种高分辨率算法在频率提取时的准确性和分辨率,最终决定了采用在小信噪比下性能优异的信息论MMDL准则和PRO-ESPRIT算法。 论文初步研究了SAW RFID系统的多标签防碰撞问题,提出了基于智能天线的解决方案,利用波达角表示各个标签在空间的位置,采用遗传算法并行提取波达角,并由此生成对应各个标签的阵列加权矢量组,然后再根据各个阵列加权矢量组形成主波束分别指向各个待识别标签的方向,恢复各个标签的信号并解码,最后通过仿真运算初步验证了其可行性。


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