CN108268807B - 一种对低信噪比下超高频rfid信号的解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法，包括如下步骤：步骤一、采用基于自适应拟合的预处理方法拟合出RFID信号的变化包络曲线，然后进行去扰，获得基带信号；步骤二、先将RFID基带信号波形进行相关匹配，再利用帧头滤波输出与反馈信息的联合进行对齐处理，然后分别进行“1”、“0”编码波形的匹配处理，最后在最佳采样点位置对匹配输出进行判决得到最终的解调结果。本发明不仅具有很强的抗噪、抗干扰性能，可较好地适应于恶劣的电磁环境，且所需的信号样本点少，运算量较小，对RFID信号监测系统、认知无线电接收系统、交通信号管控系统等都具有较高的工程实用价值。同时，本发明的解调方法性能优越，适用性强。

Description

一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法

技术领域

本发明涉及一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法。

背景技术

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是一种自动识别技术，即利用射频信号和空间耦合传输特性，实现物体的自动识别。随着无线通信、物联网研究的发展，RFID技术在各领域迅速兴起，形成巨大的产业链。超高频段RFID信号典型的工作频率主要包括433MHz、860MHz至960MHz等，其数据传输率高，防碰撞机制较为完善，可以同时读取大批量的标签，目前已用于智能交通、智能制造、物流、身份识别等很多方面，越来越受到重视。以RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网是RFID技术发展的趋势。例如在民用方面，世界各国的许多大型企业包括沃尔玛、强生公司等都支持超高频RFID系统在物流中的应用；美国的铁路运输标准AAR S-918中规定采取了超高频RFID技术，有利于实现轨道控制系统的自动化。在军事领域，美军通过和SAVI公司等合作，研发的特定物品查寻系统、物资可视化管理系统、军械军备物资出入库管理等都是基于超高频RFID传感器技术进行构建，从而使美军的物资补给、交通运输时间大大缩短，在阿富汗战争和伊拉克战争的实际应用中也取得了理想的效果。并据报道，北约部队已利用车辆RFID传感器实现了“驻地警戒”功能，即在安全距离预先获取车辆的身份信息，对于非法身份目标提前进行安全警戒和防御部署。

超高频段RFID设备的基本原理是采用反向散射方式，当电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同目标，反射能量中的一部分最终将返回发射天线，在雷达技术中用这种方式测量目标的距离和方位。对于RFID系统，则利用电磁波反射机制完成从电子标签到读写器的数据传输。开始时，超高频RFID读写器持续发射较大功率的查询(单音能量)信号，用以激活标签，当电子标签收到能量信号后，将其一部分整流为直流电源，供电子标签内的电路工作使用，另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回读写器。读写器接收反射回的信号，提取出标签中标识性数据信息。如图1所示。

工作过程中，读写器发出的查询信号与接收发射回的标签信号是同时存在的，此时RFID幅移键控调制信号与同频能量信号叠加。实际读写器到标签的能量信号功率较大，还将导致接收到的反射信号调制指数很低。另一方面，由于硬件因素限制，读写器一般能收到的反射调制信号微弱，在读写器和标签数据通信时，随着距离增加，信噪比更低，须对信号进行消除干扰和降噪，以此提高可靠性和数据传输的准确性。并且由于传播过程中多径效应与接收机载波泄露、直流偏移等因素，RFID信号还表现出明显的衰落现象，时域波形变化大。这些问题将会恶化接收信噪比，导致RFID读写器的接收距离下降和误码率增加，读写器性能下降。在低信噪比情况下，RFID信号包络起伏变化较严重，如图2所示。

随着超高频RFID系统的大量应用，使得其系统传输信息安全性逐渐成为了研究关注的焦点。RFID安全研究人员通常希望能够获得系统的信息数据，以便能够找到提高读取标签信息准确率以及实现缩短读取时隙的方法。然而，多数商用的RFID读写器只提供上层结果，底层数据并不对用户公开，属于厂家私有协议，这使得RFID信息交互的鲁棒性能很少为人所知。另一方面，从无线电监测的角度，对超高频RFID信号实现非合作解调，即可在此基础上获取标签中的身份信息、位置信息和其它各种信息，进行安全监测。

目前，通过专利检索，尚未发现在低信噪比情况下对超高频RFID信号进行解调的解决方案。检索到的、已提出专利申请的类似方法有：1.“一种用于RFID读卡器的接收解调电路及方法”，(公开号：104166826A，申请号：201410404667.8，申请人：中山大学，广州中大微电子有限公司，广州中大数码科技有限公司，发明人：郝志刚，胡建国，丁一等)。该方法设计了一种用于RFID读卡器的接收解调电路，应用于读卡器芯片领域。但该方法仅针对合作通信中的RFID信号，信噪比需求也较高，无法对低信噪比下的信号进行非合作解调。2.“RFID读写器的解调器电路”，(公开号：103546400A，申请号：201010514585.0，申请人：上海华虹NEC电子有限公司，发明人：杜涛，朱红卫，彭敏)。该方法实现了一种RFID读写器的解调器电路，包括依次相连的接收天线；混频、滤波和放大模块、位解码模块等。该方法也只能适用于理想情况的解调，难以达到对低信噪比的RFID信号解调的目的。

超高频RFID设备已广泛应用于各个方向，并对其发展起着推动作用，在安全监测、认知无线电领域也倍受关注。对于这些场景中成功地获取、掌握目标对象交互的信息数据，必须要有效解决针对低信噪比的超高频RFID信号解调的问题。但由于接收距离较远，电磁环境较为复杂，且由于读写器能量信号和标签信号的发射频率相同，以及受到多径效应、环境干扰等因素影响，所以基于传统的方法难以正确解调。结合实际需求，因此需要提出一种低信噪比下超高频RFID信号的解调方法。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法，包括如下步骤：

步骤一、采用基于自适应拟合的预处理方法拟合出RFID信号的变化包络曲线，然后进行去扰，获得基带信号；

步骤二、先将RFID基带信号波形进行相关匹配，再利用帧头滤波输出与反馈信息的联合进行对齐处理，然后分别进行“1”、“0”编码波形的匹配处理，最后在最佳采样点位置对匹配输出进行判决得到最终的解调结果。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明有效地解决了低信噪比下超高频RFID信号的非合作解调问题，可应用于安全监测、认知无线电等领域。对于非合作方，需要在复杂环境中进行接收处理，受到各种噪声和干扰的影响，导致信号质量较差。传统的一些方法在低信噪比的条件下对RFID信号的非合作解调性能不理想，难以正确得出信息数据，本发明的解调方法不仅具有很强的抗噪、抗干扰性能，可较好地适应于恶劣的电磁环境，且所需的信号样本点少，运算量较小，对RFID监测系统、认知无线电接收系统、交通信号管控系统具有较高的工程实用价值。同时，本发明的解调方法在实际环境中经过大量测试，性能优越，该方法稍加改进也能扩展应用于其它多种类型的无线智能传感器信号解调，适用性强。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为超高频RFID系统工作原理示意图；

图2为RFID信号包络的剧烈起伏变化示意图；

图3为改进的同步解调结构；

图4为自适应算法的拟合曲线；

图5为去除干扰后的信号波形；

图6为解调性能曲线。

具体实施方式

本发明提出了一种在低信噪比下超高频RFID信号的解调方法。核心思想是利用了自适应降噪算法以及优化的盲同步解调实现结构，从而具有良好的性能。在预处理过程中，首先需要对接收信号进行正交下变频，为降低噪声干扰，加入带通滤波处理，这样可以在一定程度上降低后续运算中非线性处理带来的信噪比损失。但是从图2中可以看出，此时的标签信号调制波形是“悬浮”在直流分量与残余载波信号的起伏包络上。为了恢复信号的基带调制波形，则需要去除掉这些干扰，并进一步减小噪声的影响，否则将无法正确解调出RFID信息。传统的去噪方法大多数是通过傅里叶变换等得到信号的频谱，滤波去除掉其它干扰和噪声，然后再使用反变换重新获得原始信号，这种方法只能适用于信号和干扰的频带没有重叠的情况。但由于标签信号和读写器的能量信号处于同频，在频谱上有重叠，所以需要采用新的去干扰方法。本发明采用了一种基于自适应拟合的预处理思路，能有效地拟合出RFID信号的变化包络曲线，然后进行去扰，获得基带信号。自适应算法通过自动跟踪学习，最终使输出信号y(n)与主输出信号达到同幅和同相。LMS算法是实现自适应的常用算法，其原理是通过一系列运算调整参数使线性组合器的输出信号与期望响应之间的误差均方值为最小。权系数更新算法采用LMS算法，公式表达式为

y(n)＝W(n)^HX(n)；e(n)＝d(n)-y(n)；W(n+1)＝W(n)+μX(n)e(n)

其中X(n)为现在时刻的输入向量，W(n)代表现在时刻的权系数向量，W(n+1)代表下一时刻的权系数向量。期望响应信号d(n)与实际输出信号y(n)之间的误差为e(n)，μ为控制稳定性和收敛速度的步长因子。LMS算法的一个缺点是收敛速度慢，不易满足实时解调的要求。为了获得较快的收敛速度，对自适应算法进行改进，新算法的基本思想是：当权系数远离最佳系数即误差较大时，使用较大的步长，加快收敛，反之则使用较小步长，从而使得稳态失调较小，提高算法性能。这里采用洛伦特函数作为μ(n)的变步长自适应算法，可实现对信号变化的跟踪。其公式如下：

其中α是洛伦特函数范围的参量，δ是洛伦特函数形状的参量。设L为自适应滤波器的长度，该算法以滤波器权系数误差作为算法收敛和跟踪性能的指标。进行降噪和消除干扰的处理后，再采用基带解调算法就可以恢复出RFID标签信号携带的信息。

同步是信号解调的前提。典型的盲同步方法是基于相位反馈环路的方法和基于超前-延迟滞后门的同步算法。在本发明中实现了改进——首先使用基于相位的反馈环路来提取信号的同步时钟，将接收信号平方后，通过一个窄带滤波器可将时钟分量提取，滤波器一般用锁相环路实现。这种同步方法可避免符号速率误差影响，但处理速度很慢。超前-滞后同步算法利用信号波形的对称性，即经过匹配或相关处理后的输出信号是对称的或部分对称的，对于矩形脉冲，若匹配滤波的输出在t＝T时达到最大，则只要样值在峰值上，就一定能保证信号的同步。适当的采样时刻是在t＝T-△和t＝T+△之间的中点，这种方法的处理速度比基于相位反馈环路的思路更快。在本发明中采取综合处理的思路：一方面利用匹配滤波器实现超前-滞后型判决比较，提高同步的速度，同时结合相位反馈环路调整来解决符号速率不够精准的问题。

改进结构如图3所示，把RFID基带信号波形进行相关匹配。由于帧头的波形长度较长，对其相关匹配时性能较优，同步的精度高。为了适应信号有时发生突变的情况，还可以进一步采取设置动态门限的方式。帧头匹配之后再实现RFID数据信息的解调判决，利用帧头滤波输出与反馈信息的联合，更加准确的对采样时刻进行调整处理，对齐后分别进行“1”、“0”编码波形的匹配处理，然后在最佳采样点位置对匹配输出进行判决便可以得到最终的解调结果。

下面对基于自适应降噪的预处理方法进行仿真说明。以遵循AAR S-918标准的超高频RFID信号为仿真目标，信号采样率设为2MHz，信号中心频率为70MHz。在自适应滤波中设置参数α＝1/16，δ＝0.04，可提取出信号包络实际变化曲线。自适应算法的包络拟合是对逐个样点进行的，当曲线产生变化时，自适应算法进行权系数的递推和修正，重新实现信号的跟踪。基于洛伦特函数的自适应算法得的多项式具有很好的拟合效果，且可以进一步准确滤除包络局部不平滑成分，在图4中，居中的曲线表示由自适应拟合算法处理后，RFID信号中各种噪声与干扰等分量的包络。

去除掉这些干扰包络后，可以得到基带信号波形。如图5所示。

再对改进的解调方法性能进行仿真，在AARS-918标准中，对信号编码方式做了规定，即基带数据码对应关系：信息“1”编码为“10101100”，信息“0”编码为“11001010”。仿真设置信号码速率为2MHz，将信号分别采用传统的解调方法和本发明提出的解调方法进行比较，得到图6所示的解调性能曲线。

从图6中可以看出，本发明的解调方法在信噪比为4dB左右时能解调出RFID信息，且新方法比起传统方法仅需更低的解调信噪比，体现了较好的工程实用性，是一种性能优越的解调方法。

Claims (2)

1.一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、采用基于自适应拟合的预处理方法拟合出RFID信号的变化包络曲线，然后进行去扰，获得基带信号；其中：

在进行基于自适应拟合的预处理时，采用的权系数更新公式如下：

y(n)＝W(n)^HX(n)；e(n)＝d(n)-y(n)；W(n+1)＝W(n)+μX(n)e(n)

其中y(n)为实际输出信号，X(n)为现在时刻的输入向量，W(n)代表现在时刻的权系数向量，W(n+1)代表下一时刻的权系数向量，d(n)为期望响应信号，e(n)为d(n)与y(n)之间的误差，μ为控制稳定性和收敛速度的步长因子，采用如下公式确定：

其中，α是洛伦特函数范围的参量，δ是洛伦特函数形状的参量；

步骤二、先将RFID基带信号波形进行相关匹配，再利用帧头滤波输出与反馈信息的联合进行对齐处理，然后分别进行“1”、“0”编码波形的匹配处理，最后在最佳采样点位置对匹配输出进行判决得到最终的解调结果。

2.根据权利要求1所述的一种对低信噪比下超高频RFID信号的解调方法，其特征在于：确定步长的方法为：当权系数远离最佳系数时，使用较大的步长，反之则使用较小的步长。

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