CN101464517A - 距离测量方法、距离测量装置、非接触ic介质以及距离测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种距离测量方法、距离测量装置、非接触IC介质以及距离测量系统。所述一种测量从读取器单元到非接触IC介质之间距离的方法，包括：以第一频率将查询信号从读取器单元发射到非接触IC介质；使非接触IC介质执行调制，以通过使用第二频率对第一频率进行调制来获取调制频率，并使非接触IC介质以调制频率响应于响应信号；使读取器单元接收响应信号，以获取多个频率分量；计算所获取的多个频率分量中的至少两个的信号之间的相位差；并通过使用相位差来测量距离。

Description

距离测量方法、距离测量装置、非接触IC介质以及距离测量系统
技术领域
本发明涉及距离测量方法、距离测量装置、非接触IC介质和距离测量系统，其测量诸如从读取器单元到非接触IC介质的距离。
背景技术
已有使用多个频率来测量到非接触IC介质距离的距离测量装置(参照国际公开WO 2006/095463)。距离测量装置控制RFID标签(非接触IC介质)以将R/W请求信号发射两次，所述R/W请求信号是用以请求发射标签响应信号。此时，频率控制器控制PLL部分用以通过相互不同的转移频率来发射各个R/W请求信号。相位信息获取部分分别检测通过相互不同的转移频率来发射的标签响应信号的相位的波动，并基于相位中的波动量来计算读取器/写入器和RFID标签之间的距离。所以，可以准确地计算出读取器/写入器和RFID标签之间的距离。
但是，不能认为非接触IC介质总会停留在固定的位置。并且，存在这样的情况，即需要获取到移动中的非接触IC介质的距离。在此情况中，因为上述的距离测量装置在不同的定时上执行不同频率的发射和接收，所以在接收定时上会产生偏差。因此，当非接触IC介质以较高速度被移动时，很难准确地计算出距离。
发明内容
因此，本发明的目的是提供距离测量方法、距离测量装置、非接触IC介质和距离测量系统，即使在非接触IC介质处于移动中时，其也能执行高准确性的距离测量。
为了实现这个目的，根据本发明，提供了一种测量从读取器单元到非接触IC介质之间距离的方法，该方法包括：以第一频率从读取器单元将查询信号发射给非接触IC介质；使非接触IC介质执行调制，以通过使用第二频率对第一频率进行调制而获取调制频率，并使非接触IC介质以调制频率响应于响应信号；使读取器单元接收响应信号，以获取多个频率分量；计算所获取的多个频率分量中的至少两个的信号之间的相位差；以及通过使用相位差来测量距离。
可以将相移键控用于调制。
可以将频移键控用于调制。
调制可以是数字调制，并且多个频率分量可以是在数字调制中产生的高频分量。
为了获取多个频率分量，可以将响应信号分离成上边带和下边带。
根据本发明，还提供了一种装置，其可操作来测量从读取器单元到非接触IC介质的距离，该装置包括：通信单元，其以第一频率将查询信号从读取器单元发射到非接触IC介质，并从非接触IC介质接收响应信号；频率分量获取单元，其从响应信号中获取多个频率分量；以及距离测量单元，其计算所获取的多个频率分量中的至少两个的信号之间的相位差，并通过使用相位差测量距离。
根据本发明，还提供了非接触IC介质，其包括：通信单元，其以第一频率从读取器单元接收查询信号，并对读取器单元就响应信号进行响应；以及调制单元，其执行调制，以通过使用第二频率对第一频率进行调制来获取调制频率，其中通信单元以调制频率响应于响应信号。
根据本发明，还提供了距离测量系统，其包括：非接触IC介质；以及距离测量装置，其可操作来测量从读取器单元到非接触IC介质的距离，该装置包括：第一通信单元，其以第一频率将查询信号从读取器单元发射到非接触IC介质，并从非接触IC介质接收响应信号；频率分量获取单元，其从响应信号中获取多个频率分量；以及距离测量单元，其计算所获取的多个频率分量中的至少两个的信号之间的相位差，并通过使用相位差来测量距离，其中非接触IC介质包括：第二通信单元，其以第一频率从读取器单元接收查询信号，并对读取器单元就响应信号进行响应；以及
调制单元，其通过使用第二频率来对第一频率进行调制而获取调制频率，并且第二通信单元以调制频率响应于响应信号。
可以将查询信号制成一种信号，因为该信号读取器单元使非接触IC介质进行响应，而且例如，可以将该查询信号制成包括用来发送ID的命令的信号。
可以将响应信号制成一种信号，因为该信号非接触IC介质响应于读取器单元，以及例如，可以将该响应信号制成包括用于发送ID的信号。
上边带可以表示为USB(上边带)，而下边带可以表示为LSB(下边带)。
频率分量获取单元可以是用于获取，例如，被分离为USB分量和LSB分量的频率分量的单元，并且可以将其构成为用于获取按每个分量分离的频率的单元。
距离测量单元可以由通过每个分量频率来测量距离的单元所组成，也可以由使用数学表达式进行适当计算的单元所组成。
可以将距离测量装置制作在可以与非接触IC介质通信的读取器单元中。
附图说明
图1是距离测量系统的系统结构图。
图2A、2B和2C是描述RFID标签的结构的原理图。
图3A和3B是描述读取器/写入器结构的原理图。
图4A、4B和4C是描述读取器/写入器详细结构的原理图。
图5A、5B和5C是描述PSK系统的原理图。
图6A和6B是描述FSK系统的原理图。
图7是示出距离测量系统的动作的流程图。
图8是描述使用高频分量的系统的原理图。
图9是执行复数FFT运算的频率分量分离部分的结构图。
具体实施方式
参照附图对本发明的一个实施例进行描述。
图1是距离测量系统1的结构图，图2A到2C是RFID标签(无线电频率识别标签)20的结构的原理图；而图3A和3B是读取器/写入器10的结构的原理图。
距离测量系统1由读取器/写入器10和RFID标签20所组成。
如图2A所示，RFID标签20除了天线21外，还提供有副载体产生部分22、调制部分23、通信控制器24和存储器部分25。
天线21与读取器/写入器10以非接触状态进行通信。天线可以由诸如UHF天线或环形天线之类的适当天线所组成。
副载体产生部分22产生副载体(副载波)，其频率与被读取器/写入器10作为载波而使用的第一频率(频率fc)不同。在本实施例中，可以将相移键控(PSK)或频移键控(FSK)选择性地用作为副载体的调制系统。并且，对于副载体采用低于第一频率的频率。
存储器部分25存储作为RFID标签20和其他数据的识别信息的ID。
通信控制器24执行通信控制，通过该通信控制，其从读取器/写入器10接收命令，对在存储器部分25中的数字数据进行调制，并响应于读取器/写入器10。通信控制器24由数字电路(逻辑)组成，以执行诸如副载体产生的并行处理。
调制部分23基于从通信控制器24发射的数字数据对副载体进行调制。将其如下构成，使得基于PSK和FSK这两种类型来选择性地执行调制。
首先，对PSK进行详细描述。如图2B所示，计算器26获取副载体28(图2C中[1]所示的副载波)和数字数据(图2C中[2]所示的数据)的互斥逻辑和(XOR：异或)，并产生计算之后的信号(图2C中[3]所示的信号)，其中，所述数字数据在成帧部分29中通过添加前同步码和CRC等(循环冗余校验)而成帧。并且，通过基于信号来改变天线21的阻抗，天线21对来自读取器/写入器10的第一频率fc的反射信号进行控制。被天线21反射的信号成为对读取器/写入器10的响应。
对FSK进行详细描述。如图3A所示，通过(MUX)利用副载体28a(图3B中[1]所示的副载波)、副载体28b(图3B中[2]所示的副载波)和数字数据(图3B中[3]所示的信号)，由复用器27来改变副载体28a和副载体28b以产生输出信号(图3B中[4]所示的信号)，其中，所述数字数据在成帧部分29上通过向其上添加前同步码和CRC而成帧。并且，将信号从天线21发送回读取器/写入器10。
RFID标签20还提供有解调制器和解码器(省略了对其的图解)。解调制器对由天线21接收的信号进行解调制，并获取从读取器/写入器10发射的命令信号。解码器对所解调制的命令信号进行解码，并提取编码的命令数据，其中，执行读取(发射存储器部分25的指定区域)和写入(将命令之后的数据写入存储器部分25的指定区域)的处理。
另外，对于RFID标签20，有两种类型，一种是无源型，其没有任何电源并且响应于电场或磁场的激励；另一种是半无源型，其内部包括电源，并在接收到来自读取器/写入器10的响应请求时做出响应。所以，RFID标签20可以与从读取器/写入器10发出的载波同步。
读取器/写入器10提供有天线11，并且还提供有控制器和存储器部分，其图解被省略。存储器部分存储各种类型的数据，并且还存储用于测量距离的距离测量程序。另外，如图4A所示，读取器/写入器10包括距离计算部分13、频率分量分离部分14和频率转换部分15。
频率转换部分15对从天线11接收到的信号执行频率转换，并将副载体的频率分量(±fs)发送给频率分量分离部分14。
频率分量分离部分14将所接收的频率分量(±fs)分离为USB和LSB。
此处，可以通过图4B的结构来获取LSB。即，首先，通过正交混频器14a从输入频率中提取I分量和Q分量，其中通过相位转换器14b将Q分量的相位改变+90度。并且，将相位改变之后的Q分量和没有改变相位的I分量通过合成器14c进行合成，由此提取LSB。
另外，可以通过图4C的结构来获取USB。即，首先，通过正交混频器14a从输入频率中提取I分量和Q分量，其中通过相位转换器14d将Q分量的相位改变-90度。并且，将相位改变之后的Q分量和没有改变相位的I分量通过合成器14c进行合成，由此提取USB。
图4A所示的距离计算部分13使用从频率分量分离部分14提取的USB和LSB来计算距离。距离计算如下执行。
首先，假定读取器/写入器10发射的第一频率fc的信号的相位是基准相位，第一频率fc的信号到达离读取器/写入器10距离为r的RFID标签20，并从那里被反射，返回到读取器/写入器10的载波的相位变为Φt。并且，可以通过下列表达式表示相对基准相位的USB信号的相位Φru以及相对基准相位的LSB信号的相位Φrl，其中，通过相对于在RFID标签20上的第一频率fc的信号进行调制而产生所述USB信号，并且所述USB信号已到达读取器/写入器10。
【数学表达式1】
载波的相位Φt
Φt＝2π·fc·r/c
*r：距离，c＝3 x 108m/s(光速)
【数学表达式2】
USB的相位延迟Φru
Φru＝2π·(fc+fs)·r/c
*r：距离，c＝3 x 108m/s(光速)
【数学表达式3】
LSB的相位延迟Φrl
Φrl＝2π·(fc-fs)·r/c
*r：距离，c＝3 x 108m/s(光速)
所以，可以通过下列表达式来计算从读取器/写入器10到RFID标签20的距离。
【数学表达式4】
Φru-Φrl＝[2π·(fc+fs)·r/c]-[2π·(fc-fs)·r/c]
        ＝2π·2fs·(r/c)
【数学表达式5】
距离r
Figure A200810185969D0011084315QIETU
Figure A200810185969D0011084326QIETU
图5A至5C是原理图，描述了使用PSK的载波、响应信号、USB和LSB。
如图5A所示，读取器/写入器10发射的查询信号(载波)是第一频率fc的信号。
如图5B所示，由RFID标签20所响应的响应信号(反射波)是通过将第一频率fc和第二频率fs进行合成而获取的信号。对于响应信号，数据以PSK系统表示。
如图5C所示，响应信号可以通过分离频率分量来获取USB和LSB。
图6A和6B是原理图，其描述了使用FSK的载波、响应信号、USB和LSB。
如图6A所示，由RFID标签20所响应的响应信号(反射波)是通过将第一频率fc和第二频率fs以及第三频率fs2进行合成而获取的信号，其中，所述第一频率fc、第二频率fs以及第三频率fs2为副载体。对于响应信号，数据以FSK系统表示。
如图6B所示，响应信号可以通过分离频率分量而获得被分离成第二频率fs1分量和第三频率fs2分量以及被分离成USB和LSB的多个分量。在该情况下，可以使用三个或更多的频率分量，其中可以使用基于国际公开W02006/095463等所公开的MUSIC(多信号分类)方法的高分辨率功率算法(high-resolution power algorithm)。相应地，可以利用将来自读取器/写入器10的发射频率保持为一个频率，来改进在多通路环境下的准确性。
图7是流程图，其示出当通过距离测量系统1获取从读取器/写入器10到RFID标签20的距离时的动作。
首先，读取器/写入器10执行命令发射并请求从RFID标签20的对ID的响应(步骤S1)。此时，通过第一频率fc来发射命令。并且，命令包括调制系统代码，以确定调制系统是基于PSK还是FSK。
RFID标签20分析来自读取器/写入器10的命令(步骤S2)，并提取调制系统代码。
如果调制系统是基于PSK的(步骤S4：PSK)，则RFID标签20将调制部分23改变为PSK电路(步骤S5)。
如果调制系统是基于FSK的(步骤S4：FSK)，则RFID标签20将调制部分23改变为FSK电路(步骤S6)。
RFID标签20读取存储在存储器25中的存储器数据(本实例包括ID)(步骤S7)，并且通过在其上添加前同步码和CRC来成帧(步骤S8)。
RFID标签20通过在步骤S4到S6中改变的系统(PSK或FSK)对成帧的数据进行调制(步骤S9)，并发送回响应信号(响应)(步骤S10)。
读取器/写入器10接收响应信号(响应)(步骤S11)，并通过CRC校验(冗余循环检查)来检测是否有任何错误(步骤S12)。
如果有错误(步骤S12：NG)，则读取器/写入器10将处理返回到步骤S1，并再次执行处理。
如果没有错误(步骤S12：OK)，则读取器/写入器10通过频率转换部分15对接收到的信号执行FFT(快速傅里叶变换)处理(步骤S13)。
读取器/写入器10还通过频率分量分离部分14将LSB和USB相互分离(步骤S14)，并通过距离计算部分13来计算相位(步骤S15)，且基于相位差异执行对距离的估计(步骤S16)。
读取器/写入器10将算出的距离与包括在步骤S11中接收的信号中的ID进行合并并将其输出(步骤S17)，随后终结处理。并且，可以通过适当的方法执行输出，例如将输出存储在读取器/写入器10的存储器单元中，将输出发射到与读取器/写入器10相连的另一设备，或将输出显示于安装在读取器/写入器10上的显示设备中。
基于上述结构和操作，仅通过从读取器/写入器10以单一频率发射一次查询信号，读取器/写入器10就可以从RFID标签20接收包含多个频率分量的响应信号，并且可以计算出从读取器/写入器10到RFID标签20的距离。
所以，即使是作为距离测量对象的RFID标签20快速移动，也可以实现较高准确性的距离测量。也就是说，在多个频率从读取器/写入器10依次发射的情况下，如果RFID标签20是移动的，则当发射各个频率时如果RFID标签20的位置相互不同，那么准确的距离测量将变得很困难。但是，在上述实施例中，因为以单一频率发射一次查询信号，所以不产生时滞，其中使得能够进行准确的距离测量。
并且，因为通过获取副载体(第二频率)的相位差而执行计算，所以可以通过取消反射波来准确地计算距离。
另外，因为读取器/写入器10发射的频率受无线电波规则调控，所以很难如在已有技术中那样改变发射波的频率。但是，因为从RFID标签20的反射波的频率不受调控，所以可以使用频率差基于以上原因而被充分扩展的频率的频率分离来执行距离测量。
当使用PSK时，距离可以被简单地检测。
并且，当使用FSK时，RFID标签20使用频率分量，相对从读取器/写入器10发射的单一频率返回反射波(响应信号)，其中，可以通过使用多个频率来提高测量准确性。
另外，由于上边带(USB)和下边带(LSB)相互分离，所以可以分离在反射波中的噪声，其中，可以实现较高准确性的距离测量。
另外，在上述实施例中，尽管使用了PSK和FSK，但是频率分离并不受限于此，而是可以使用各种方法来分离频率，以使得能够进行距离测量。
例如，RFID标签20的调制部分23执行在PSK系统中的调制。如图8所述，读取器/写入器10提取高频分量(奇数阶，例如1次、3次、5次等)，并且可能使用这些高频分量。在该情况下，因为可以使用三个或更多的频率分量，所以可以使用基于MUSIC方法的高分辨率功率算法。所以，可以通过将读取器/写入器10发射的频率保持为一个频率，来改善在多通路环境下的准确性。
另外，在使用这类高频分量的情况下，优选地是RFID标签20是具有电源的半无源型。相应地，可以确保提取高频所必需的功率，并且可以有效地利用功率。
而且，如图9所示，可以认为频率分量分离部分14使用复数FFT运算。在该情况下，接收信号通过正交混频器14a分离为I信号和Q信号，并且可以通过复数FFT运算14e和14f将各个信号分离为实数部分和虚数部分。随后，提取出对其进一步执行加减的USB分量和LSB分量，并且可以从各个I分量和Q分量计算出USB和LSB的相位。
在该情况下，可以通过下列数学表达式获得USB和LSB的各个相位。
【数学表达式6】
USB的相位延迟
Φru＝Arctan((FFT(I)Re+FFT(Q)Im)/(FFT(I)Im-FFT(Q)Re)
*FFT(I)Re：通过复数FFT运算从I信号分离的实数部分
FFT(I)Im：通过复数FFT运算从I信号分离的虚数部分
FFT(Q)Re：通过复数FFT运算从Q信号分离的实数部分
FFT(Q)Im：通过复数FFT运算从Q信号分离的虚数部分
Arctan(X)：用于计算X的反正切的函数
【数学表达式7】
LSB的相位延迟
Φrl＝Arctan((FFT(I)Re-FFT(Q)Im)/(FFT(I)Im+FFT(Q)Re)
*FET(I)Re：通过复数FFT运算从I信号分离的实数部分
FFT(I)Im：通过复数FFT运算从I信号分离的虚数部分
FFT(Q)Re：通过复数FFT运算从Q信号分离的实数部分
FFT(Q)Im：通过复数FFT运算从Q信号分离的虚数部分
Arctan(X)：用于计算X的反正切的函数
在该情况下，仅通过从读取器/写入器10以单一频率发射一次查询信号，读取器/写入器10就可以从RFID标签20接收对其响应的响应信号，并且可以计算出从读取器/写入器10到RFID标签20的距离。
另外，可以将RFID标签20构成作为传感设备。在此情况下，代替存储器部分25或到其上的连接，RFID标签20可以装备有适当的传感器，例如温度传感器、湿度传感器等。并且，可以认为RFID标签20将相应的传感器的测量值作为数据成帧，将该数据调制，并响应给读取器/写入器。
因此，读取器/写入器10可以以非连接状态获取传感信息，并且能够通过以获取传感信息的位置(距离)的距离计算来确认。
如下所示，本发明的组成匹配于或响应于上述实施例；
根据本发明的距离测量系统匹配于或响应于根据实施例的距离测量系统1。
类似地，读取器单元或距离测量装置匹配于或响应于读取器/写入器10，
通信单元匹配于或响应于天线11，
距离测量单元匹配于或响应于距离测量部分13，
频率分量获取单元匹配于或响应于频率分量分离部分14，
非接触IC介质匹配于或响应于RFID标签20，
通信单元匹配于或响应于天线21，并且
调制单元匹配于或响应于调制部分23。
但是，本发明并不仅局限于上述实施例的构成，而是可符合各种实施例。
根据本发明的一方面，可以提供距离测量方法、距离测量装置、非接触IC介质和距离测量系统，即使在非接触IC介质处于移动中时，其也能执行较高准确性的距离测量。

Claims (8)

1.一种测量从读取器单元到非接触IC介质之间的距离的方法，所述方法包括：
以第一频率将查询信号从所述读取器单元发射到所述非接触IC介质；
使所述非接触IC介质执行调制，以通过利用第二频率对所述第一频率进行调制而获取调制频率，并使所述非接触IC介质以所述调制频率对响应信号进行响应；
使所述读取器单元接收所述响应信号，以获取多个频率分量；
计算所获取的多个频率分量中的至少两个频率分量的信号之间的相位差；以及
通过利用所述相位差来计算所述距离。
2.如权利要求1所述的方法，其中将相移键控用于所述调制。
3.如权利要求1所述的方法，其中将频移键控用于所述调制。
4.如权利要求1所述的方法，其中
所述调制是数字调制，并且
所述多个频率分量是在所述数字调制中产生的高频分量。
5.如权利要求1所述的方法，其中
将所述响应信号分离成上边带和下边带，以获取所述多个频率分量。
6.一种用于测量从读取器单元到非接触IC介质之间的距离的装置，所述装置包括：
通信单元，其以第一频率将查询信号从所述读取器单元发射到所述非接触IC介质，并且从所述非接触IC介质接收响应信号；
频率分量获取单元，其从所述响应信号获取多个频率分量；以及
距离测量单元，其计算所获取的多个频率分量中的至少两个频率分量的信号之间的相位差，并通过利用所述相位差来测量所述距离。
7.一种非接触IC介质，包括：
通信单元，其以第一频率从读取器单元接收查询信号，并对于到所述读取器单元的响应信号进行响应；以及
调制单元，其执行调制，用以通过利用第二频率对所述第一频率进行调制而获取调制频率，
其中，所述通信单元以所述调制频率响应于所述响应信号。
8.一种距离测量系统，包括：
非接触IC介质；以及
距离测量装置，用于测量从读取器单元到非接触IC介质之间的距离，所述装置包括：
第一通信单元，其以第一频率将查询信号从所述读取器单元发射到所述非接触IC介质，并且从所述非接触IC介质接收响应信号；
频率分量获取单元，其从所述响应信号获取多个频率分量；以及，
距离测量单元，其计算所获取的多个频率分量中的至少两个频率分量的信号之间的相位差，并通过利用所述相位差测量所述距离，其中，
所述非接触IC介质包括：第二通信单元，所述第二通信单元以所述第一频率从所述读取器单元接收所述查询信号，并对于到所述读取器单元的所述响应信号进行响应；以及调制单元，所述调制单元执行调制，用以通过利用第二频率对所述第一频率进行调制而获取调制频率，以及，
所述第二通信单元以所述调制频率响应于所述响应信号。
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