CN117728860A - 一种收发完全分离型的rfid系统及基于该系统的信号模态检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种收发完全分离型的RFID系统及基于该系统的信号模态检测方法，系统包括发射单元，发射单元由信号生成上位机连接信号发射机，信号发射机连接发射天线；由发射单元发射的信号激励标签，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送，接收单元包括接收天线，接收天线连接信号接收机，信号接收机连接信号采集上位机，进行信号处理；信号模态检测方法为：搭建系统模型，在Miller编码中插入信号模态检测监督码，信号发送、接收，信号滤波与数字化，信号模态检测，信号模态校正与解码方法；本发明解决了收发分离的RFID系统中，信号模态模糊的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种收发完全分离型的RFID系统及基于该系统的信号模态检测方法。
背景技术
射频识别RFID是一种非接触式自动识别技术，RFID系统主要由阅读器(Reader)及电子标签(Tag)两部分构成。RFID系统工作原理是首先通过Reader产生并向临近的Tag空间辐射电磁波，然后Tag接收电磁波并转换为直流电压为其内置芯片工作提供能量，同时采用反向散射调制的方式将芯片存储的身份ID信息回传给Reader。由于Tag通常为无源的，本身并不产生和发射信号，Tag散射信号与Reader发射信号保持相同的载波频率，最后Reader接收Tag散射信号并进行解调和解码，获得标签的ID信息。因为Reader发射载波需要持续输出为Tag工作提供能量，Reader发射信号对Tag散射回传信号的同频干扰降低了信噪比，限制了传统RFID系统的工作距离。
现有的RFID系统，大部分基于收发一体式传统系统架构，少部分基于收发半分离和收发完全分离式系统架构。收发一体式系统架构中，用于激励电子标签工作的射频发射机与接收标签散射信号的接收机部署在同一地点位置且大多共用一路本振信号源，接收链路混入大量的同频发射信号形成干扰，使得阅读器的读取性能不稳定，在提高系统性能和信号传输的抗干扰能力方面有相当大的局限性；收发半分离的系统中，射频发射机与接收标签散射信号的接收机部署在不同位置但是仍共用一路本振信号源；收发完全分离的系统中，射频发射机与接收标签散射信号的接收机部署在不同位置并使用各自独立的本振信号源。收发一体的优势在于系统简单部署方便但是覆盖范围有限，收发半分离和收发完全分离可以分布式协同组网，部署难度大但是覆盖范围广。在通信中的物理层和逻辑层，ISO18000-6协议中规定，发射机发送给标签一个经过调制的频率在860-960MHz范围内的射频信号，标签接收该射频信号转换为芯片工作能量并解调其中的信息，同时将标签ID信息调制到射频载波后再后向散射到阅读器接收机。在电子标签和阅读器数据通信时，常采用的信息编码方式为Miller调制副载波法，规则为基带Miller编码在两个连续的状态0之间进行相位翻转，基带Miller编码在表示数据1的符号中间也存在一次相位翻转。目前Milller副载波信号通过两种导引头之一开始传输，通常以一个“哑(dummy)”数据1(data-1)的1bit信号结束一次数据的传输。
公开号为CN111092633A的专利申请文件，提供了一种提高收发分离反向散射通信激励距离的系统及方法，该系统和方法中，激励器利用直放站架构使得激励器发射的激励信号和接收器发射的载波信号具有高度相关性，从而在接收器接收的激励信号中保留了相应相位噪声、频谱等误差，接收器分两路接收自身发射的载波信号和激励器发射的激励信号及其附带的终端反馈信号，然后接收器在数字处理中将自身发射的载波信号作为参考信号，通过迭代均衡等方式减小或消除激励器发射激励信号的相位噪声、频谱和空间多径等误差对终端反馈信号的干扰，从而提高收发分离反向散射通信系统对终端的激励距离，但其系统复杂，部署难度高且工作范围受到射频电缆长度的限制。
公开号为CN106549692A的专利申请文件，提供了一种用于反向散射通信系统的信号接收方法，主要步骤是：(1)信号发送：信号源由射频源和标签组成,射频源和标签部署单天线；其中标签是由射频源供电，且标签发送的信号是来自于射频源的信号作为载波进行调制的，标签包括反向散射天线；(2)信号接收：采用联合接收机接收射频源的信号s(n)和标签的反向散射信号c(n)，联合接收机部署M根天线，M≥1；(3)信号检测：对联合接收机接收到的信号进行检测。此发明采用了收发完全分离的RFID通信系统，标签利用切换天线阻抗调制载波信号传输信息，但是在信号检测过程中未考虑由于收发分离时由于接收机和标签位置的变化所造成的信号模态模糊问题。
收发完全分离的RFID系统中，信号发射机发送给电子标签一个射频信号，标签通过调制其天线的反射系数调制信号，信号接收机接收信号进行信号解调，由于电子标签位置或接收机位置的改变，信号发射端发送的信号及标签反射的信号到接收端的信号的相位不同，合成后的矢量信号会有模态模糊问题，无法准确解码传输信息的1、0模态。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种收发完全分离型的RFID系统及基于该系统的信号模态检测方法，通过提供在Miller编码中插入模态监督码，并提供信号模态识别方法和信号模态校正与解码方法，解决了收发分离的RFID系统中，信号模态模糊的问题。
为了实现上述目的，本发明提出以下的技术方案：
一种收发完全分离型的RFID系统，包括：发射单元，标签由发射单元发射的信号激励，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送给接收单元；
所述发射单元包括信号生成上位机，信号生成上位机的输出端连接信号发射机的输入端，信号发射机的输出端连接发射天线的输入端，发射天线的输出端发射载波信号至接收单元；
所述接收单元包括接收天线，接收天线的输入端接收发射天线的输出端发射的载波信号及标签反向散射的信号，接收天线的输出端连接信号接收机的输入端，信号接收机的输出端连接信号采集上位机的输入端，信号采集上位机进行信号处理。
所述标签内部固化编码程序，具体为，在Miller副载波调制编码结束位置将标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号，标签通过切换其负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号传递给接收单元。
所述若干个连续4个副载波周期的低电平信号可以是大于2的任意个数的副载波周期的其它高低电平组合信号。
一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建系统模型；
步骤2，设计信号编码算法，在Miller编码中插入信号模态检测监督码；
步骤3，信号发送；信号生成上位机生成控制信号后，将控制信号传递给信号发射机，信号发射机通过发射天线连续发射载波信号；根据步骤2的信号编码算法，对传输信息进行信号编码，将编码程序固化到标签芯片内部，标签通过切换负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号；
步骤4，信号接收；信号接收机通过接收天线接收来自信号发射机发射的载波信号及标签后向散射携带传输信息的信号；
步骤5，信号采集上位机对步骤4得到的载波信号和携带传输信息的信号进行信号滤波，将经过信号滤波后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号数字化；
步骤6：信号采集上位机对步骤5得到的经过信号滤波和信号数字化之后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态检测；
步骤7：信号采集上位机对步骤6经过信号模态检测的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态校正与解码。
所述搭建系统模型的具体过程为：
搭建发射单元，发射单元由信号生成上位机连接信号发射机，信号发射机连接发射天线；由发射单元发射的信号激励标签，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送；
搭建接收单元，接收单元包括接收天线，接收天线连接信号接收机，信号接收机连接信号采集上位机，进行信号处理。
所述步骤2的具体过程为，在Miller副载波调制编码结束位置将标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号，所述若干个连续4个副载波周期的低电平信号可以是大于2的任意个数的副载波周期的其它高低电平组合信号。
所述步骤5的具体过程为，信号滤波包括数字带通滤波器和自适应滤波，信号接收机接收到信号后，信号采集上位机首先将原始信号s1通过带通滤波器，滤除噪声干扰得到滤波后信号s2，利用自适应算法将原始信号s1作为输入信号，将滤波后信号s2作为自适应滤波的期望信号，设置合适的迭代次数，得到经滤波处理后的最终信号s；
所述信号数字化的具体过程为，求得经滤波处理后的最终信号s随时间变化的动态信号幅值均值，将动态信号幅值均值作为信号阈值，把最终信号s的幅值与阈值作比较，幅值高于阈值，则电平值记作+1，反之记作-1，将信号数字化后求出其上升沿及下降沿位置，求出信号的单位电平的采样点个数。
所述步骤6中信号模态检测的具体过程为，根据步骤2的信号编码算法进行模态检测，默认信号模态为模态一，检测是否有连续3个单位电平采样数的采样点为高电平，如果检测为真，那么信号模态为模态二，反之仍为模态一。
根据步骤7检测到的信号模态，重新校正信号数字化的电平值，将检测到为模态二的信号的电平值与-1相乘，全部校正为模态一，再进行信号解码操作；
利用互相关算法寻找信号导引头位置，即通过定位引导头序列的起点和终点来提取信号长度，设置滑动窗口，窗口大小为引导头序列编码调制后的长度，来计算窗口内的采样点幅值及引导头序列之间的互相关值，找到互相关值最大的窗口，记录该窗口的位置，即为信号导引头，从导引头位置开始，根据步骤2中Miller副载波调制编码的基本原理进行信号的解码，还原传输信息。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明步骤2中通过在Miller编码中插入信号模态检测监督码，将原编码规则中的结束位置标志替换为模态监督码，具有将信号模态进行区分标记特征、利于信号处理中判断信号模态的特点。
2.本发明步骤6中通过信号模态检测，具有在信号解码前准确判断信号模态特征，解决信号模态模糊的特点。
3.本发明步骤7中通过信号模态校正与解码，将信号模态统一化后再进行解码，统一信号模态，消除由于收发分离时由于接收机和标签位置的变化而造成的多信号模态问题，在信号统一处于模态一时进行解码，具有提高信号解码性能，降低误码率的特点。
4.本发明步骤5中的信号滤波通过设置自适应滤波器，利将原始信号作为输入信号，去噪后信号作为期望信号，利用自适应滤波器算法迭代得到最终滤波后信号，具有有效去除环境噪声及多径效应对信号的影响，降低信号误码率，准确还原传输信息的特点。
本发明基于完全分离的RFID无线通信系统架构，使得收发设备独立部署不受有线连接限制，同时提出在Miller副载波基础上添加信号模态检测监督码方法并设计相应解码算法流程，解决收发分离系统中信号模态模糊的问题，同时在信号处理中利用LMS算法减小空间多径和信道噪声等带来的干扰，基于上述的技术方案，本发明能有效提升RFID系统的工作距离和降低误码率。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2为编码方式对比图，其中图2(a)是原编码方式，图2(b)是本发明加入监督码算法后的编码方式对比图。
图3是本发明信号滤波流程图。
图4是本发明信号模态一示意图。
图5是本发明信号模态二示意图。
图6是本发明信号模态检测算法流程图。
图7为本发明实施例实验搭建图。
图8为本发明实施例原始信号波形图及通过带通滤波器后的信号波形对比图，其中，图8(a)是原始信号波形图，图8(b)是通过带通滤波器后的信号波形图。
图9为本发明实施例原始信号波形图及自适应滤波器滤波后信号波形对比图，其中图9(a)是原始信号波形图，图9(b)是通过自适应滤波器滤波后信号波形图。
图10为本发明实施例信号导引头定位，其中，图10(a)是经过信号数字化且检测校正后的信号波形图，图10(b)是信号采样点幅值及引导头序列之间的互相关值。
图11为本发明实施例结果输出图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，一种收发完全分离型的RFID系统，包括：发射单元，标签由发射单元发射的信号激励，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送给接收单元；
所述发射单元包括信号生成上位机，信号生成上位机的输出端连接信号发射机的输入端，信号发射机的输出端连接发射天线的输入端，发射天线的输出端发射载波信号至接收单元；
所述接收单元包括接收天线，接收天线的输入端接收发射天线的输出端发射的载波信号及标签反向散射的信号，接收天线的输出端连接信号接收机的输入端，信号接收机的输出端连接信号采集上位机的输入端，信号采集上位机进行信号处理。
所述标签内部固化编码程序，具体为，在Miller副载波调制编码结束位置将标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号，标签通过切换负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号传递给接收单元。
所述若干个连续4个副载波周期的低电平信号可以是大于2的任意个数的副载波周期的其它高低电平组合信号。
一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，包括以下步骤：
步骤1，搭建系统模型。
搭建发射单元，发射单元由信号生成上位机连接信号发射机，信号发射机连接发射天线；由发射单元发射的信号激励标签，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送；
搭建接收单元，接收单元包括接收天线，接收天线连接信号接收机，信号接收机连接信号采集上位机，进行信号处理。
步骤2，设计信号编码算法，插入信号模态检测监督码。
Miller副载波调制编码的基本原理是逻辑1电平的中间发生相位的翻转；两个相邻的逻辑0电平之间发生相位的翻转；逻辑0电平期间不发生相位的翻转。Milller副载波编码方式为通过导引头开始传输，以一个“哑(dummy)”数据1(data-1)的1bit信号结束一次数据的传输，设计信号模态检测监督码方法为：将原结束位置标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号。如图2所示，其中图2(a)为原编码方式结构图，图2(b)为加入监督码算法后的编码图。
其中低电平信号周期可以是任意长度，低电平信号可以是其它高低电平组合的信号特征。
步骤3，信号发送，经信号生成上位机生成控制信号后，将控制信号传递给信号发射机，信号发射机通过发射天线连续发射载波信号；在步骤2的基础上根据所传输信息进行信号编码，将编码程序固化到标签芯片内部，标签通过切换负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号；信号源由信号发射端和标签两部分组成。
步骤4，信号接收，信号接收机通过接收天线接收来自信号发射机发射的载波信号及标签后向散射信号。
步骤5，信号采集上位机对步骤4得到的载波信号和携带传输信息的信号进行信号滤波，将经过信号滤波后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号数字化。
信号滤波过程包括数字带通滤波器和自适应滤波：
信号接收端接收到信号后，如图3所示，信号采集上位机首先将原始信号s1通过带通滤波器，滤除噪声干扰得到信号s2；利用LMS算法将原始信号s1作为输入信号，将s2作为自适应滤波的期望信号；设置合适的迭代次数，得到经滤波处理后的信号s；
信号数字化：求出经滤波处理后的信号s随时间变化的动态信号幅值均值，将其均值作为信号阈值，将信号s的幅值与阈值作比较，高于阈值，电平值记作+1，反之记作-1，将信号数字化后求出其上升沿及下降沿位置，求出信号的单位电平的采样点个数。
步骤6：信号采集上位机对步骤5得到的经过信号滤波和信号数字化之后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态检测即信号模态识别。
收发分离的RFID系统接收的信号有两种模态，两种信号模态示意图如图4、图5所示，根据步骤2，模态检测算法在进行模态检测时，默认信号模态为模态一，此时检测是否有连续3个单位电平采样数的采样点为高电平，如果检测为真，那么信号模态为模态二，反之仍为模态一。信号模态检测算法流程图如图6所示。检测出信号模态后，再根据解码算法进行下一步的信号解码，还原传输信息。
步骤7：信号采集上位机对步骤6经过信号模态检测的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态校正与解码。
根据步骤6检测到的信号模态，重新校正信号数字化的电平值，将检测到为模态二的信号的电平值与-1相乘，全部校正为模态一，再进行信号解码操作。
利用互相关算法寻找信号导引头位置，即通过定位引导头序列的起点和终点来提取信号长度。设置滑动窗口，窗口大小为引导头序列编码调制后的长度，来计算窗口内的采样点幅值及引导头序列之间的互相关值。然后找到互相关值最大的窗口，记录该窗口的位置，即为信号导引头。从导引头位置开始，根据步骤二中Miller副载波调制编码的基本原理进行信号的解码，还原传输信息。
实施例
实验搭建如图7所示：室外实验的收发距离为30m。
如图8所示，图8(a)是原始信号波形图，图8(b)是通过带通滤波器后的信号波形图，仅通过带通滤波器后的信号，虽然去除了部分环境噪声的影响，但是信号波形仍旧难以进行解码。
如图9所示，图9(a)是原始信号波形图，图9(b)是通过自适应滤波器滤波后信号波形图，此时的信号波形图可以清晰观察到信号的电平变化，去除环境影响效果明显，可以很好的进行信号解码，极大程度降低了信号的误码率。
如图10所示，图10(a)是经过信号数字化且检测校正后的信号波形图，蓝色及红色圆圈为导引头开始和结束位置，图10(b)是信号采样点幅值及引导头序列之间的互相关值，根据图10(b)中互相关值最大处判断信号导引头位置，确定传输信息开始传输的位置，由此处开始解码至监督码位置。
仿真结果如图11所示，准确解码传输信息(字符“w”)，实现本系统功能。
Claims (9)
1.一种收发完全分离型的RFID系统，其特征在于，包括：发射单元，标签由发射单元发射的信号激励，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送给接收单元；
所述发射单元包括信号生成上位机，信号生成上位机的输出端连接信号发射机的输入端，信号发射机的输出端连接发射天线的输入端，发射天线的输出端发射载波信号至接收单元；
所述接收单元包括接收天线，接收天线的输入端接收发射天线的输出端发射的载波信号及标签反向散射的信号，接收天线的输出端连接信号接收机的输入端，信号接收机的输出端连接信号采集上位机的输入端，信号采集上位机进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的一种收发完全分离型的RFID系统，其特征在于，所述标签内部固化编码程序，具体为，在Miller副载波调制编码结束位置将标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号，标签通过切换其负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号传递给接收单元。
3.根据权利要求2所述的一种收发完全分离型的RFID系统，其特征在于，所述若干个连续4个副载波周期的低电平信号可以是大于2的任意个数的副载波周期的其它高低电平组合信号。
4.一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，搭建系统模型；
步骤2，设计信号编码算法，在Miller编码中插入信号模态检测监督码；
步骤3，信号发送：信号生成上位机模块生成控制信号后，将控制信号传递给信号发射机，信号发射机通过发射天线连续发射载波信号；根据步骤2的信号编码算法，对传输信息进行信号编码，将编码程序固化到标签芯片内部，标签通过切换其负载阻抗，在载波信号上调制所传输的信息，后向散射携带传输信息的信号；
步骤4，信号接收：信号接收机通过接收天线接收来自信号发射机发射的载波信号及标签后向散射携带传输信息的信号；
步骤5，信号采集上位机对步骤4得到的载波信号和携带传输信息的信号进行信号滤波，将经过信号滤波后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号数字化；
步骤6，信号采集上位机对步骤5得到的经过信号滤波和信号数字化之后的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态检测；
步骤7，信号采集上位机对步骤6经过信号模态检测的载波信号和携带传输信息的信号进行信号模态校正与解码。
5.根据权利要求4所述的一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，所述步骤1中搭建系统模型的具体过程为：
搭建发射单元，发射单元由信号生成上位机连接信号发射机，信号发射机连接发射天线；由发射单元发射的信号激励标签，并且通过反向散射的方式将标签ID编码调制发送；
搭建接收单元，接收单元包括接收天线，接收天线连接信号接收机，信号接收机连接信号采集上位机，进行信号处理。
6.根据权利要求4所述的一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为，在Miller副载波调制编码结束位置将标志data-1替换为若干个连续4个副载波周期的低电平信号，所述若干个连续4个副载波周期的低电平信号可以是大于2的任意个数的副载波周期的其它高低电平组合信号。
7.根据权利要求4所述的一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为，信号滤波包括数字带通滤波器和自适应滤波，信号接收机接收到信号后，信号采集上位机首先将原始信号s1通过带通滤波器，滤除噪声干扰得到滤波后信号s2，利用LMS算法将原始信号s1作为输入信号，将滤波后信号s2作为自适应滤波的期望信号，设置合适的迭代次数，得到经滤波处理后的最终信号s；
所述信号数字化的具体过程为，求得经滤波处理后的最终信号s随时间变化的动态信号幅值均值，将动态信号幅值均值作为信号阈值，把最终信号s的幅值与阈值作比较，幅值高于阈值，则电平值记作+1，反之记作-1，将信号数字化后求出其上升沿及下降沿位置，求出信号的单位电平的采样点个数。
8.根据权利要求4所述的一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，所述步骤6中信号模态检测的具体过程为，根据步骤2的信号编码算法进行模态检测，默认信号模态为模态一，此时检测是否有连续3个单位电平采样数的采样点为高电平，如果检测为真，那么信号模态为模态二，反之仍为模态一。
9.根据权利要求4所述的一种基于收发完全分离型RFID系统的信号模态检测方法，其特征在于，根据步骤7检测到的信号模态，重新校正信号数字化的电平值，将检测到为模态二的信号的电平值与-1相乘，全部校正为模态一，再进行信号解码操作；
利用互相关算法寻找信号导引头位置，即通过定位引导头序列的起点和终点来提取信号长度，设置滑动窗口，窗口大小为引导头序列编码调制后的长度，来计算窗口内的采样点幅值及引导头序列之间的互相关值，找到互相关值最大的窗口，记录该窗口的位置，即为信号导引头，从导引头位置开始，根据步骤2中Miller副载波调制编码的基本原理进行信号的解码，还原传输信息。
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2023
- 2023-12-19 CN CN202311750191.9A patent/CN117728860A/zh active Pending
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