超高頻RFID定位的相位式測距方法研究

射頻識別(Radio Frequcncy Identification，RFID)是一項非接觸式自動識別技術，具有能耗低、適應性強、操作快捷等許多優點。近年來，研究的重點轉向了超高頻段 (UHF，860～960 MHz)，已經有科研人員將提取射頻信號到達入射角或相位差作為RFID定位研究的新方向。低信噪比實測環境中提取相位差信息的可行性，但是沒有提取出位置信息;參考文獻中采取機器學習訓練機制對多天線相位差信息進行參數提取，但是僅限用于活動范圍較小的醫療跟蹤。

本文研究的基于相位式測距的UHF RFID定位方法，與基于信號的傳播時延和強度衰減作為定位依據的方法有所不同。結合離散頻譜校正技術提取發射信號與接收信號之間的相位，得到信號相位差，進而得到閱讀器與標簽之間的距離，利用多個閱讀器所測得的距離，實現對目的標簽的定位。

1 基于相位式測距的UHF RFID定位方案

1.1 閱讀器和標簽的通信機制分析

閱讀器和標簽的通信是基于ITF(Interrogator TalkFirst)機制的，即基于閱讀器的命令與閱讀器的回答之間交替發送的半雙工機制。

對于基于相位法的超高頻RFID定位系統，選擇標簽返回PC+EPC+CRC16信息這一過程為基準進行信號相位的提取并用于標簽的定位中。標簽返回這些信 息的過程為反向散射過程，需要閱讀器發送一個單頻的CW信號為標簽提供能量并作為標簽反向散射信息的載波。對于標簽信息的調制過程，則是通過標簽的基帶數 字信號控制標簽芯片阻抗在兩種狀態之間切換，使得天線與標簽芯片阻抗在匹配與失配之間轉換來改變天線的反射系數，完成整個調制過程。若改變標簽芯片和天線 實部阻抗的匹配與失配，為ASK調制;改變阻抗虛部的匹配與失配，則為PSK調制。

由于ASK調制較為容易實現，目前市面上絕大多數標簽采用ASK調制。標簽芯片和天線的等效電路如圖1所示。

圖1 標簽芯片和天線的等效電路

其中，Za為天線阻抗，Z1為數字信號為高電平時的阻抗，與Za失配;Z2為數字信號為低電平時的阻抗，與Za相匹配。當信號為高電平時，天線阻抗與芯片阻 抗失配，閱讀器發送的CW信號無法進入芯片，被天線反射到空間中;當信號為低電平時，天線阻抗與芯片阻抗匹配，閱讀器發送的CW信號將進入芯片，不會反射 回空間中，由此便完成了信號的調制過程。

1.2 系統設計

對于整個定位系統，需采用多個閱讀器分別計算與同一標簽的距離信息，并根據幾何定位獲取標簽的位置信息。對于單個的閱讀器及相關算法模塊，系統硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 定位系統硬件設計框圖

①閱讀器的設計，主要進行閱讀器與標簽之間的通信，并提取標簽的EPC信息;

②相位提取預處理電路與相位提取算法模塊設計，主要用于處理收發副載波信號，并提取這兩個信號的相位用于測距和定位。