CN109738851A - 一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，本发明涉及RFID定位技术领域；载波相位测量系统包括读写器，环形器、射频标签和上位机，将射频标签放在待测位置，通过读写器天线发射电磁波，射频标签的反向散射信号被读写器的接收天线接收，相位信息通过下变频之后最终表现为幅度信息，利用接收到的I/Q两路基带信号的强度来恢复载波信号相位。其占用资源小，速度较快，测量的相位得到的定位精确度可以达到毫米级，能够修正载波泄漏和读写器内部的I/Q失配对测量相位带来的误差。

Description

一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法

技术领域

本发明涉及RFID定位技术领域，具体涉及一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法。

背景技术

射频识别技术，简称RFID技术，最初是由雷达技术催生演变而来的一种自动识别技术。目前，射频识别技术已经在很多领域中得到了成功地应用，如零售业，医疗领域，物流管理，防伪领域，车辆管理，室内定位系统等等，它使得人们的生活更加地便利和智能化。室内定位系统通常使用红外线、超声波、无线通信等技术来获得目标物的位置信息。

采用红外线的定位系统工作距离比较短，易受遮挡物的影响，但是通信率高，适合高速短距离应用。超声波定位多采用收发信号的相位差来测距，定位精度高，但超声波随着距离的传输衰减大，因此工作距离较短，且通信率低。基于图像的定位系统，通过对视觉检测系统的输出图像进行分析处理以获得目标的位置。基于图像的定位系统要求目标物与背景图像有较明显的区分，且目标物不能被其他东西所遮挡。

基于到达相位差的RFID定位技术，利用射频方式实现移动设备识别和定位的目的，相位差通过读写器和标签之间的距离产生，它可以在短时间内得到毫米级定位精度的信息，而且受到的信道噪声和系统误差的影响更容易控制或测量，且传输范围大、成本较低。

UHF RFID系统一般由读写器，标签及主机三部分组成。根据选用标签类型，标签的分布情况，读写器端的测量方式，UHF RFID定位系统的实现方案不尽相同。UHF RFID定位系统应用在测距场合时，测距功能主要依赖于以下信息的测量来实现：接收信号强度、到达时间(差)、到达角度和到达相位(差)；基于接收信号强度的方法需要大量的参考标签和读写器以及较长的时间积累，系统成本高；基于到达时间(差)法需要高精度的时钟，实现起来比较困难，基于到达角度法对读写器的要求很高。所以，采用基于到达相位差的RFID定位技术，相位差的测量只要有距离就会产生相位差，而且，相位相比信号强度和时间，受到的信道噪声和系统误差的影响更容易控制或测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其占用资源小，速度较快，测量的相位得到的定位精确度可以达到毫米级，能够修正载波泄漏和读写器内部的I/Q失配对测量相位带来的误差。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它的操作步骤如下：

1、载波相位测量系统包括读写器，环形器、射频标签和上位机，将射频标签放在待测位置，通过读写器天线发射电磁波，射频标签的反向散射信号被读写器的接收天线接收，相位信息通过下变频之后最终表现为幅度信息，利用接收到的I/Q两路基带信号的强度来恢复载波信号相位；

2、为了抑制载波泄漏或本振泄露等对接收机直流工作点带来的影响，导致测量值偏差，根据FM0的编码特点采用两步均值法，即，S0和S1对应标签的两个不同状态，相邻不同状态S0和S1下的接收信号均值预相减，相当于把S0和S1的连线平移到了坐标原点，连线与I轴的夹角即就是所求相位值；

3、建立延迟-相位模型进行相位恢复：当读写器上电之后，发射信号经过环形器有一部分泄露到接收机，造成接收机I/Q存在失配，在进行载波相位测量前需要对测量得到的接收信号幅度进行修正后来获取载波信号相位；在短时间的通信过程中，可以认为各种幅度/相位失配因子是固定的，为了获取该修正因子，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器输出标准的正弦信号，该信号经过环形器有一部分泄露到接收机，将该部分泄露信号作为校准输入信号，它与本振信号的频率差等于发射机的基带输入信号频率，通过对接收机的I/Q支路信号进行幅度和相位差的计算，获得幅度/相位修正因子ε和Φ，最后通过带入修正因子计算可以得到修正后的相位值。

进一步地，所述步骤3中修正后的相位值的具体计算过程为：设幅度失配因子是ε，相位失配因子是Φ，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器,输出标准的正弦信号，设发送的两个正弦信号分别为信号1和信号2，幅度分别为A和B，经过环形器到达接收机的信号分为I/Q两路，I路得到的两个信号1和信号2幅度分别变为a和b,相位都为直流分量都为δ_I；Q路得到的信号1和信号2幅度分别变为a(1+ε)和b(1+ε)，相位都为直流分量都为都为δ_Q；分别将I路和Q路的信号1和信号2相减后，就能把直流分量δ_I和δ_Q去掉，因此，幅度失配因子ε就可以通过得到，相位失配因子由得到，最后得到修正后的相位值为：当失配因子ε＝0,Φ＝0时，相位值为：即就是Q路信号强度和I路信号强度之比的反正切值。

进一步地，所述的步骤3中得到的相位值为多次测量得到的相位值的平均值，作为最终的测量结果。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其占用资源小，速度较快，测量的相位得到的定位精确度可以达到毫米级，能够修正载波泄漏和读写器内部的I/Q失配对测量相位带来的误差，本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的读写器与标签的通信原理图。

图2是本发明用到的FM0编码数据0的特点示意图。

图3是本发明用到的FM0编码数据1的特点示意图。

图4是本发明的延迟-相位模型图。

图5是本发明的接收机失配因子检测实现框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本具体实施方式采用的技术方案是：它的操作步骤如下：

1、(参看图1)载波相位测量系统包括读写器，环形器、射频标签和上位机，上位机控制信号的发送和接收；标签接收到信号后通过反向散射将信号传输到读写器的接收端，接收信号经过ADC处理后得到的数字基带信号，通过直流偏移消除、噪声抑制、幅度校准、相位校准、相位恢复后得到最终的相位；

2、(参看图2和图3)，由于标签反向散射调制返回给读写器的信号是FM0编码后的数据，这样读写器接收到的信号高低电平出现的几率基本相等，(参看图4)，为了减小直流漂移带来的相位误差，建立延迟-相位模型；S0和S1是标签的两种不同状态，直流偏移使得电路的直流工作点S1'与标称工作点S1不同，得到的相位值矢量从B变成了B’,有相位偏差，所以采用均值相减的方法来消除直流偏移：(1)通过相邻不同状态S0和S1下的接收信号均值预相减，没有直流偏移Δdc存在的时候，S0和S1相减得到矢量是B，因为S0和S1的直流偏移都是Δdc，所以S0’和S1’得到的矢量也是B，这样就消除了直流漂移带来的影响；(2)通过延迟-相位模型，可以看到，B的相位就是所求的相位值，然后利用基于流水线设计的cordic算法获得载波相位，对各个相位值进行再平均获得相位值；

3、(参看图5)，当读写器上电之后，发射信号经过环形器有一部分泄露到接收机，造成接收机I/Q存在失配，在进行载波相位测量前需要对测量得到的接收信号幅度进行修正后来获取载波信号相位，在短时间的通信过程中，可以认为各种幅度/相位失配因子是固定的。为了获取该修正因子，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器输出标准的正弦信号，该信号经过环形器有一部分泄露到接收机。将该部分泄露信号作为校准输入信号，它与本振信号的频率差等于发射机的基带输入信号频率。通过对接收机的I/Q支路信号进行幅度和相位差的计算，获得幅度/相位修正因子ε和Φ，最后通过带入修正因子计算可以得到修正后的相位值；

具体计算过程为，所述步骤(3)中修正后的相位值的具体计算过程为：设幅度失配因子是ε，相位失配因子是Φ，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器,输出标准的正弦信号，设发送的两个正弦信号分别为信号1和信号2，幅度分别为A和B，经过环形器到达接收机的信号分为I/Q两路，I路得到的两个信号1和信号2幅度分别变为a和b,相位都为直流分量都为δ_I；Q路得到的信号1和信号2幅度分别变为a(1+ε)和b(1+ε)，相位都为直流分量都为都为δ_Q；分别将I路和Q路的信号1和信号2相减后，就能把直流分量δ_I和δ_Q去掉，因此，幅度失配因子ε就可以通过得到，相位失配因子由得到，最后得到修正后的相位值为：当失配因子ε＝0,Φ＝0时，相位值为：即就是Q路信号强度和I路信号强度之比的反正切值。

本具体实施方式的工作原理：读写器通过发射未调制的载波来激活可识别区域内的标签，通过调制其发送的载波向标签发送命令；无源标签从读写器天线辐射电磁场中捕获能量，从中获得能量从而激活标签，发送信号经过标签的反向散射调制，将反向散射信号发送回读写器的接收端完成响应；接收信号经过ADC采样后得到数字基带信号，相位信息通过下变频之后最终表现为幅度信息，最后通过直流偏移消除、噪声抑制、幅度校准、相位校准、相位恢复后得到最终的相位。

采用上述结构后，本具体实施方式有益效果为：本具体实施方式所述的一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其占用资源小，速度较快，测量的相位得到的定位精确度可以达到毫米级，能够修正载波泄漏和读写器内部的I/Q失配对测量相位带来的误差，本发明具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其特征在于：它的操作步骤如下：

(1)、载波相位测量系统包括读写器，环形器、射频标签和上位机，将射频标签放在待测位置，通过读写器天线发射电磁波，射频标签的反向散射信号被读写器的接收天线接收，相位信息通过下变频之后最终表现为幅度信息，利用接收到的I/Q两路基带信号的强度来恢复载波信号相位；

(2)、根据FM0的编码特点采用两步均值法，即，S0和S1对应标签的两个不同状态，相邻不同状态S0和S1下的接收信号均值预相减，来消除载波泄漏带来的直流偏移。相当于把S0和S1的连线平移到了坐标原点，连线与I轴的夹角即就是所求相位值；

(3)、建立延迟-相位模型进行相位恢复：在短时间的通信过程中，可以认为各种幅度/相位失配因子是固定的，为了获取该修正因子，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器输出标准的正弦信号，该信号经过环形器有一部分泄露到接收机，将该部分泄露信号作为校准输入信号，它与本振信号的频率差等于发射机的基带输入信号频率，通过对接收机的I/Q支路信号进行幅度和相位差的计算，获得幅度/相位修正因子ε和Φ，最后通过带入修正因子计算可以得到修正后的相位值。

2.根据权利要求1所述的一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其特征在于：所述步骤(3)中修正后的相位值的具体计算过程为：设幅度失配因子是ε，相位失配因子是Φ，当读写器上电之后，利用读写器的发射机作为信号产生器,输出标准的正弦信号，设发送的两个正弦信号分别为信号1和信号2，幅度分别为A和B，经过环形器到达接收机的信号分为I/Q两路，I路得到的两个信号1和信号2幅度分别变为a和b,相位都为直流分量都为δ_I；Q路得到的信号1和信号2幅度分别变为a(1+ε)和b(1+ε)，相位都为直流分量都为都为δ_Q；分别将I路和Q路的信号1和信号2相减后，就能把直流分量δ_I和δ_Q去掉，因此，幅度失配因子ε就可以通过得到，相位失配因子由得到，最后得到修正后的相位值为：当失配因子ε＝0,Φ＝0时，相位值为：即就是Q路信号强度和I路信号强度之比的反正切值。

3.根据权利要求1所述的一种基于超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中得到的相位值为多次测量得到的相位值的平均值，作为最终的测量结果。