（微电子学与固体电子学专业论文）用于rfid信号到达角度aoa定位系统中的adc设计.pdf

摘要 随着标签芯片成本的不断降低和r f l d 系统技术的不断完善，r f i d 技术日 益渗透到我们生活的方方面面，为我们带来了方便快捷和安全的生活方式。目前， r f i d 的主要应用方向之一为物品的标识以及室内物体的定位。 在本文中，针对r f i d 系统在室内定位领域的应用，介绍了几种常用的室内 定位方法。分析、研究了r f i d 定位方法之一信号到达角度( a o a ) 定位方法，对 该定位方法做了较为具体的算法分析，阐述了如何利用相邻信号波程差计算到信 号的达角度，进而在二维平面空间得出标签的坐标值。为了实现该定位方法，文 中提出了一种可基于a o a 方法的r f i d 定位系统，该系统包括一个天线组，阅 读器，一组a d 转换器，一个终端处理计算机。在该系统中a d 转换器的性能直 接影响到整个系统的定位性能，在本文中选取了l o 位8 0 m h z 流水线a d c 作为 此定位系统中的模拟数字信号转换器，对此a d c 进行电路仿真，并完成部分电 路的流片测试。 在本文的电路仿真中，采用s m i c0 1 8 u mr fc m o s 工艺，完成了自举开关 电路、全差分增益提高运算放大器、预放大动态比较器、两相不交叠时钟产生电 路以及相关数字电路等模块的设计与仿真。 其中自举开关电路显著缩短了开关的导通速度，减小了开关在断开时电容极 板上的电荷注入；全差分增益提高运算放大器具有很高的直流增益，因此缩短了 建立时间，提高了a d c 的转换速度；采用预放大结构的动态比较器，大大提高 了比较器的工作频率，明显消除了一般动态比较器的噪声，而且减小了比较器的 失调电压，对a d c 的精度提高有重要的作用。对两相不交叠时钟产生电路以及 相关数字电路进行优化设计，使其和相关的模拟电路更加匹配，提高了a d c 的 性能。 前端电路仿真完成以后，采用s m i c0 1 8 u ml 强c m o s 工艺，六层金属互连 线，对该流水线a d c 的采样保持级电路进行了版图设计，对混合信号版图中模 拟数字模块进行了优化布局，减小相互之间的信号串扰，提高电路芯片的可靠性， 流片完成以后，利用p r o t e l9 9 s e 软件制作芯片测试用p c b 板，在板上焊接与测 试相关的电子元件，安排对芯片的实际性能的测试工作。 关键词：l u i d 室内定位信号到达角度全差分增益提高运算放大器预放大动态 比较器a d 转换器 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s eo ft h e1 a b e l - c h i pc o s ta n dt h ei m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g yo f r f i ds y s t e m ，r f i di su s e di ne v e 叫a s p e c to fo u r “v e sa n db 旷i n gu sc o n v e n i e n ta n d s a f ew a yo fl i f c a tp r e s e n t ，t h em a i n 印p l i c a t i o n 行e l d sf o ri u i dc o n t a i no b j e c t i d e n t i 仃e r si t e m sa n di n d o o rr a d i ol o c a l i z a “o n i nt h i sp a p e r ，a i m i n ga tt h er f i ds y s t e mi ni n d o o rl o c a t i n g 印p i i c a t i o nn e l d s ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ec o m m o ni n d o o rl o c a t i n gm e t h o d s m a k e 鲫a n a l y s i so fa m e t h o dw h i c hi sc a l l e dt h es i g n a la n g l eo fa 仃i v a l 。m a k ea ni n t r o d u c t i o no f h o w t ou s e t h ea d j a c e n ts i g n a l 、a v et oh a v et h es i g n a la n g l eo fa 币v a l ，a n dt h e ng e tt h e t w o d i m e n s i o n a ls p a c ec o o r d i n a t eo ft h et a g i no r d e rt or e a l i z et h i st h o u g h t ，t h i s p a p e rb r i n g sf o r w a r dan e wm e t h o do fa o a c a nb eb a s e do nl f i dp o s i t i o n i n gs y s t e m ， t h i ss y s t e mi n c l u d e sa n 锄t e n n a ，r e a d e r ，ag r o u po fa dc o n v e r t e r ，ac o m p u t e rt e m l i n a l h a n d l i n g i nt h i ss y s t e m ，t h ea d c i sak e yp a r t ，a n di nt h i sp a p e rw eu s e 粕a d c w h i c hh a s10b i tp r e c i s i o na n dc a nw o r ki n8 0 m h z 能q u e n c y i nt h i sp a p e r ，w i t hs m i c0 18 u mc m o st e c h n o l o g y ，t h ec i r c u i t so f b o o t s t r a p p e d s w i t c h ，如l l yd i 俄r e n t i a l o u t p u tg a i nb o o s t i n ga m p l i f i e r ，s a m p l e 一肌d - h o l dc i r c u i t p r e c i s i o nm u l t i p l y - b y - t w oc i r c u i t ， n e wt y p e h i g h s p e e dc o m p a r a t o r ，t w o - p h a s e n o n - o v e r l a p p i n gc l o c ka n dd i g i t a le i r o rc o l l e c t i o nc i r c u i t sa r ec o m p i e t e di nc a d e n c e i nt h e s ec i r c u i t s ，m eb o o t s t r a p p e ds w i t c hc a nr e d u c et h er e s i s 伽c eo fs w i t c ha n d i su s e di nh i 曲p e m r n l a n c ea d c t h ef u l l yd i 腩r e n t i a l - o u t p u tg a i nb o o s t i n g a m p l i 6 e rh a sv e 巧h i g hd c - g a i nv a l u e ，s ou s i n g t h i ss t r u c t u r ec a ni n c r e a s et h e1 i m i t e d w o r kf r e q u e n c yo fa d c t h eh i 曲一s p e e dc o m p a r a t o ra l s oi n c r e a s e st h el i m i t e dw o r k f r e q u e n c ya n di m p r 0 v e st h ea d c 0 v e t c r sp e 墒舯a n c e a r e rt h ec i r c u i td e s i g n ，“sp 印e ri n t r o d u c e st h el a y o u td e s 咖o ft h es hc h u i t p a r a s i t i ce x 仃a c t i o na n dp o s c - s i i l l u l a t i o nh a v eb e e nc o m p l e t e db a s e do n “s m i cm m r f0 18 啪 lp 6 m1 8 vp r o c e s s ”1 i lt l l el a y o u td e s i 铲，w es h o u l dp a ya 仳e n t i o nt om i x - s i 印a lc i r c u i t 1 1 1 i s p a p e ri n 打o d u c e sh o w t 0r e d u c e 也el i n kb 帆e e nd i g i t a lc n u i ts i 印a l 狮d 锄a l o gc i r c u i ts i 印a 1 a f t e rt h ec 锄p l e t i o no ft l l ec h i p - f l o w ，w em a k eu s eo f 廿l ep r o t e l9 9 s es o f h a r et od e s i 印t l l e 恻 p c bb o a r d a d d i i l gt h er e l a t e de l e 咖n i cc o m p o n e n t st ot i l ep c bb o a r 也w ec 锄m a l ( eat e s to f t h e c h i pa n dg i v et h ea n a l y s i so f t h et e s tr e s u l t k e yw o r d s ：i 江i ds y s t 锄，s i 鲫a l 锄g l e o fa 仃i v a l ，a d c ，亿l l yd i f f 旨e n t i a l 。o u t p u tg a i n b o o s t i n g 锄p l i f i e r ，h i 曲_ s p e e dc o m p a r a t o r ，b o o t 咖p p e ds w i t c h 第一章绪论 1 1i 江i d 技术概述 第一章绪论弟一早瑁化 r f l d 中文译为射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yl d e n t i f l c a t i o n ，缩写r f i d ) ， 射频识别技术为2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术，是利用射频信号 通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 的形式来实现无接触信息传递并通过所传递 的信息以达到识别目的的技术。 根据信息传递的基本原理，在低频段，射频识别技术为基于变压器耦合模型 ( 初级与次级之间的能量传递及信号传递) 原理进行系统工作，在高频段，射频 识别技术为基于雷达探测目标的空间耦合模型( 雷达发射电磁波信号碰到目标 后，携带目标信息返回雷达接收机) 原理进行系统工作1 2 1 。 相比较传统的一些识别技术，如条形码识别技术等，r f i d 技术拥有明显的 优势，主要体现在以下几个方面： 1 r f l d 中芯片标签具有体积小，容量大，寿命长，可以重复读写等优点； 2 r f i d 标签封装形式多样，可以满足人们在不同场合下对不同形状标签的 要求； 3 使用r f i d 阅读器可以同时对多个范围内的标签进行读写操作，大大提 高了这方面的读取工作效率； 4 当要识别的目标物体处于距离阅读器较远或者移动速度较大的状态时， 利用r f i d 技术依然可以对其进行非接触和非可视状态下的识别，这也 是i 强i d 技术区别于条形码等传统识别技术的最大优点； 5 最近提出的构建物联网的概念，是基于r f i d 技术的发展，来实现全球 的范围内物品跟踪和物品信息的共享的一种新的理念。 1 2l u i d 系统的组成 一般情况下，i 玎i d 较为完整的系统包括四个主要部分：阅读器( r e a d e r ) ，标 签( t a g ) ，天线( a n t e n n a ，可以和阅读器集成一体化) 以及与读写功能相对应的应用 软件。 第一章绪论 1 2 1 阅读器 阅读器是整个系统中的信息中转站，阅读器所发出射频信号的频率就是整个 r f i d 系统的工作频率；阅读器所发出的信号功率直接影响了标签的识别距离， 即整个r f i d 系统的有效工作范围。在l u i d 系统正常工作时，应用软件通过阅 读器将命令信号传输到标签上，进行标签的相关控制工作，对标签的返回信号进 行处理，将处理后的数据送到应用软件系统，从数据获取相关信息。 通常情况下，阅读器主要有控制模块和射频模块两部分组成，控制模块主要 完成信号的编码解码，执行应用软件的程序：射频模块主要产生高频的发射信号， 对发出信号进行调制以及对接收到的信号进行解调掣3 1 。 1 2 2 标签 r f i d 系统中标签按照应用频率的不同分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频 ( u h f ) 、微波( m w ) ，相对应的代表性频率分别为：低频频率13 5 k l z 以下、高频 频段13 5 6 m 、超高频频率8 6 0 m 9 6 0 m h z 、微波频段2 4 g ，5 8 g 。 标签芯片按照能源的供给方式分为无源r f i d ，有源r f i d ，以及半有源 r f i d 。无源r f i d 读写距离近，价格低；有源i u l d 可以提供更远的读写距离， 但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。 本课题组主要研究无源标签的芯片设计，其内部没有外加电源，工作电压 由其内部的谐振电路通过感应阅读器发出的电磁波信号并进行整流得到，无源标 签需要高频电磁场信号的驱动。在创新应用中，可以在芯片设计时加入传感器等 附加模块，从而可以使芯片完成温度、湿度、压力以及电磁波强度等物理量的测 定，实现了r f i d 系统功能的扩展，扩大了其应用领域。 1 2 3 天线 天线是l u i d 标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接 的设备。r f i d 系统中包括了两类天线，一类是j 玎i d 标签上的天线，它已经和 l u i d 标签芯片集成为一体，通常集成在芯片内部：另一类是阅读器天线，既可 以内置于阅读器中，也可以通过一定的技术手段连接在射频的输出端口。在实际 应用中，天线的功能参数是影响r f l d 系统识别范围的主要因素。阻抗匹配是一 个具有较好性能的天线的基础，可以保证天线工作的效率以及可靠性，除此之外 还需要根据f u f l d 应用环境的不同，对天线的方向特性、极化特性以及相关的频 率特性等进行专门的设计1 4 j 。 第一章绪论 1 2 4 应用软件 应用软件是整个r f i d 系统的关键部分，阅读器和标签的所有的读写操作行 为都是由应用软件来控制的。根据具体的应用需求，应用软件系统首先根据事先 编写好的程序指令，对阅读器进行相关操作，而阅读器响应这些指令，从而按照 指令完成阅读器的相关功能，如对标签发射信号，将标签返回的信号进行数据信 息的提取，向软件系统返回相应的数据等。通过应用软件操作阅读器的指令主要 包括以下几个功能：配置阅读器的参数、识别( i d e n t i f y ) 、读取( r e a d ) 、写入( w r i t e ) 世 奇。 应用软件的开发需要根据l 讧i d 不同应用领域进行专门的制定，因此很难具 有通用性。从应用评价的标准来说，使用者能否便捷的操作一个软件系统，是判 断一个r f i d 应用案例是否成功的重要标准之一。 1 3r f i d 系统工作原理 如图1 1 所示，为一般r f i d 的工作原理示意图，当标签芯片的供电方式不 同时工作原理稍有差别， 控制 指令 应用软 控制模 件 块 标签 一数据 返回 双 ji 熨 据 据 jl 请 接 射期 虫1 r 收 1r 射频模 块 天线 馈线 阅读器 图1 1l 玎i d 系统工作原理示意图 信号 当系统中的标签为有源标签时，将会外加驱动芯片的电源，根据人为的不同 设置，该标签芯片将会按照一定的间隔时间主动向外界发射射频信号，因此该系 统的识别距离很长，通常可以达到数十米到一百米左右，由于采用了外加电源， 第一章绪论 将使该标签芯片的体积增大，从而使用寿命较短而且成本显著提高。有源标签芯 片发送的电磁波信号包含了芯片自身的相关信息，这些信息代表了标签所附物体 的相关信息。此系统中阅读器在收集到相关的电磁波信号后，按照相关的通信协 议来对信号进行解调，从而获得相对应的标签数据，送到应用软件进行处理。 当系统中的标签采用半有源结构时，类似于有源的标签芯片的结构，只不过 此时的芯片不会主动向外界发射射频信号，而是在收到阅读器所发出的信号后， 半有源的标签在电源的辅助之下进行电磁波信号的调制，并且将调制后的信号返 回给阅读器。半有源的标签芯片不仅有较为理想的读写距离，与有源标签相比较 而言还延长了标签芯片的寿命，从而提高了整个r f i d 系统的可靠工作时间。常 见到的有源r f i d 标签芯片一般指的是半有源的结构。 无源标签由于没有外加芯片电源，仅仅靠接收阅读器的电磁波射频信号来产 生驱动芯片工作的电压，所以读写距离收到了很大的限制，一般有几厘米到几十 米不等，本课题组采用0 1 8 u m 的工艺下设计出的无源超高频i 讧l d 标签，其读 写距离达到了九米，性能处于国内领先水平。 标签芯片和阅读器天线之间依靠电磁波信号进行通信，当整个i u i d 系统工 作在低频时，此时标签芯片和天线之间的感应方式为电感耦合，工作原理为电磁 感应定律，即所谓的变压器工作模型。而当标签的种类为超高频或者微波频段时， 标签芯片和天线之间的感应方式为电磁反向散射耦合，此时依据电磁波的空间传 播规律，阅读器天线所发射出的电磁波在遇到目标标签后将发生反射，同时携带 回相关的信息，此种情况的模型为雷达模型。如图1 2 所示，为两种情况下天线 与标签芯片的通信方式。 电磁感应 电磁传播 图1 2l 强i d 两种空中信号传输通信方式 4 第一章绪论 1 4r f i d 的应用 1 4 1r f i d 应用系统及前景展望 从r f l d 技术发明到技术应用的这些年中，随着其不断进步与发展，在世界 范围内受到了更加广泛的关注。 在r f i d 产业方面，美国、欧洲和日本为三个主要的应用主体，从标签芯片 电路、天线的设计以及生产到后台管理系统建立，l 玎i d 逐渐成较大规模的较高 速度的发展。 在美国，t l 、i n t e l 等美国集成电路厂商都在r f i d 领域进行了巨资的投入， i b m 、m i c r o s o f 、h p 等也在积极开发相应的软件以及相应的操作系统来支持 r f i d 技术的应用。 在欧洲，p h i l i p s 、s tm i c r o e l e c t r o n i c s 积极开发廉价的r f i d 标签芯片，n o k i a 开发了能够基于i 强i d 的移动电话购物系统，s a p 则积极的开发能够支持r f l d 的企业应用管理软件。 在日本，电子标签研究领域起步较早，日本政府也将r f i d 作为一项关键的 技术来发展，经济产业省还选择了包括消费电子、书籍、服装、音乐c d 、建筑 机械、制药和物流7 大产业做i 江i d 的应用实验【5 】o 1 4 2i u i d 系统主要的应用领域 随着标签芯片成本的不断降低和l u i d 系统技术的不断完善，r f i d 技术日 益渗透到我们生活的方方面面，为我们带来了方便快捷和安全的生活方式。 目前，r f i d 产品的主要功能为物品的标识和定位，以达到对人员或者物品 等的身份识别和目标追踪等目的。在世界范围内已经有了很多成功的应用案例， 在一些重要的领域，例如物流、航空、邮政、金融、军事、医疗卫生、安全、等 等都有了相关的应用。 低频的r f i d 系统，是以变压器耦合原理实现无接触识别的r f i d 系统，工 作频率一般为1 2 5 m z 、l3 4 2k h z ，其市场占有率较高，电子标签内保存的数据 量较少，读写距离较短，电子标签外形多样，天线的方向性不强，相对于其他频 段的r f i d 产品，该频段数据传输速率比较慢等。主要用于短距离、低成本的应 用中。因为低频产品的技术门槛较低，所以它的参与企业较多，最先得到了发展 和推广。但是低频的电子标签和标签读写器之间的无接触距离相对较近、方向性 不强。典型的应用有：电子车票、证件防伪、出入控制、自动停车场收费和车辆 管理系统、设备管理、储值卡、医药流通环节监督和邮政包裹的送递等。 第一章绪论 当r f i d 系统的工作频率为l3 5 6 m h z 时，磁场的有效作用区域下降很快， 但是能够产生相对来说比较均匀的读写区域，而且该系统的重要特点是具有防冲 撞特性，可以同时读取多个电子标签，此时的数据传输速率要明显大于低频段时 候的传输速率，整套系统的成本也不高，适于推广。高频系统主要应用在图书管 理系统、服装生产线和物流系统、医药物流系统以及应用在管理智能货架等领域。 当一个r f i d 应用系统为超高频以及微波频段时，主要的工作通信原理为电 感耦合原理，主要频率集中在了4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、5 8 g h z 的频段上。超高频 的r f i d 系统是通过电场来传输能量，电场的能量下降的不是很快，因此在该频 段，r f i d 系统的读的取距离比较远，无源的盯i d 标签系统可达1 0 m 左右，有 源系统可以达到几十米甚至更远。虽然目前来看，超高频段的r f i d 系统市场的 总体占有率还不高，但是呈现了快速增长的势头，特别是9 l5 m h z 频段的无源 r f i d 标签系统在物流管理和仓库物品存放、5 8 g h z 频段的有源r f i d 标签系统 在高速公路不停车收费系统之中的应用前景十分广阔。 本课题组主要研究的是工作在9 15 m h z 频率下的r f t d 标签系统，系统中无 源标签的读取距离可以达到l0 m ，完全可以满足r f i d 应用的需求，研究水平在 国内处于领先地位。超高频和微波频段的灯i d 系统，其特点是标签可以储存大 量的相关数据，有着十分理想的读取距离，而且在物体高速运动状态下仍然能进 行读写操作，性能相对较好，但是读写器和有源电子标签的成本相对较高。高频 系统中的天线以及电子标签均有较强的方向性，主要用于要求较长的读写距离、 较快的读写速度等场合。 r f i d 系统相对于其他的一些射频应用系统来说，技术门槛较高，因而涉足 的企业相对较少。但是随着l 玎i d 应用系统的技术不断的更新和提高，为r f i d 系统的普遍使用推广创造了良好的条件。从技术性能方面来说，高频段的i 讧i d 电子标签和阅读器之间读写距离较远、方向性较强。尤其以9 15 m 比为代表的 u h fr f i d 频段，广泛的被物流等一些行业所接受，是一些行业应用r f i d 系统 首选的工作频率。 1 4 3r f i d 与物联网 所谓物联网，是指在计算机互联网的基础上，利用r f i d 相关技术和互联网 技术，构造的一个可以实现全球物品信息实时共享的“i n t e m e to f t h i n g s ”。我们所 熟知的互联网是用来实现人与人通信的网络，而物联网，则是利用l u i d 系统技 术对物体进行编码和识别，在现有的通信互联网络支持的基础上，构造的一个 “物品的互联网”1 6 j 。物联网系统旨在构造一个世界范围内的实物联网，以提高现 代物流、供应链管理水平，降低成本。物联网的最终目标是为每一个物品建立全 第一章绪论 球性的知识标准。 r f i d 应用于物联网与前面所描述的r f i d 应用实例的最主要区别在于：上 述的各项实例中，r f i d 系统中的电子标签都是在物体作为产品后才被运用一定 的方法附着到该物体上，同时，对于这些电子标签的读写以及系统中应用软件对 这些信息的处理，都是基于特定的应用环境下的特定设置。而当r f i d 应用系统 的应用环境发生变化时，整个r f i d 系统，包括阅读器，电子标签和系统应用软 件等都要进行相应改变来适应新的系统应用。同时，当一个r f i d 系统的电子标 签信息如果要通过互联网被其他的r f i d 系统所引用，则阅读器和标签之间的通 信协议指令需要重新一对一的进行设计【7 】。 物联网的目的是实现全球物品的信息的实时共享，显然，在上述实例中的特 定的应用环境和非标准的通信协议是要被彻底改变的。第一步要做的就是实现全 球物品的统一电子产品编码。即对于在地球上任何地方生产出来的任何一件产 品，都首先按照全球统一的l 讧i d 协议标准，给这些产品附上相应的i 讧i d 电子 标签，电子标签里信息为携带全球唯一的一个产品编码，注意这个电子产品编码 必须是全球唯一的，这样才能避免产品编码冲突，编码中包含了这个物品的基本 的识别信息，举例来说，它可以表示为“a 公司于b 时间在c 地点生产的d 类产品 的第e 件”。 目前，最具代表性的物联网架构为欧美支持的e p c 架构，e p c ( e l e c 仃o n i c p r o d u c tc o d e ，电子产品编码) 的思想核心是为全球范围内的每一个产品提供唯一 的电子标识符号，将这种符号标记在r f l d 的电子标签芯片中，因此可以通过建 立整个全球性的、通用性质的一套r f i d 系统来完成对标签的识别，电子标签中 只存储e p c 码，而对于e p c 码所表示的产品信息进行解读则是通过与互联网相 连的服务器完成的。 我们要实现全球范围的r f i d 标准化，也就是说对于特殊小范围内r f i d 应 用系统，当它们变换应用环境时，比如从一个国家转运到另一个国家，仍然可以 做到阅读器和标签之间的相互通信，顺利的读取相关数据。这就要求在阅读器和 系统的应用软件之间增加一个中间件，中间件的作用是作为不同的r f i d 系统共 用的平台和接口，使一个小范围内r f i d 系统可以大范围的不受限制的正常工作， 如图1 3 所示，为中间件的作用示意图。 在我国，l 强i d 应用系统的研究以及物联网信息系统的研究比美国、欧洲和 日本要晚一些。全球电子产品代码管理中心与中国物品中心在0 4 年正式签署中 国大陆唯一授权代理机构，标志着中国正式开始物联网信息系统的管理与开发的 工作。我国目前在邮政、航空、仓储、烟草、车辆识别和烟酒医药防伪上也开始 逐步采用r f i d 技术。相关的r f i d 项目也被纳入了国家8 6 3 计划，相对应的一 些项目也已经获得批准进行研究，这些项目中的部分技术将为物联网的发展奠定 第一章绪论 一定的基础f 8 1 。 从信息安全角度出发，建立符合我国自身国情的自主知识产权和表转化体系 的物联网系统具有重大意义。 应用 应用 接口和协议 中间件 ( 分布系统服务) 接口和协议 硬件操作系统硬件操作系统 1 5 论文结构 图1 3 中间件示意图 本论文分为六章，第一章简单介绍了l u i d 的工作原理，国内外的发展状况 以及最近提出的l 玎i d 与物联网的概念。第二章针对r f i d 在定位方面的应用， 介绍了几种r f i d 的定位方法，重点介绍了基于a o a 方法的1 玎i d 定位系统， 包括算法的实现和系统的构成。第三章对系统中的模块之一a d c 进行了简要的 概述，包括a d c 的性能参数，几种常用a d c 的介绍。第四章是可应用与基于 a o a 算法的l u i d 定位系统中a d c 的设计，着重介绍了流水线a d c 的采样保 持电路，增益提高运放的设计，高速动态比较器的设计改进以及自举开关带南路 的设计。第五章为版图设计和测试内容，介绍了模拟数字混合电路版图设计要点， 测试过程包括测试用p c b 板的制作以及对a d c 中采样保持电路s h 芯片的测试。 第六章为全文的总结。 第二章r f i d 定位技术 第二章i u i d 定位技术 2 1 室内定位系统简介 按照定位的范围和环境的不同，在移动定位的领域大体上可分为两类，一类 为室外定位，另一类为室内定位。 目前最著名的定位系统是美国的全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) ，经过了几十年的发展，g p s 技术已经广泛的应用于军用和民用的各个 领域，不过由于g p s 定位属于利用多个人造卫星进行定位，加上室内环境独有 的特殊性，g p s 系统并不适合于室内环境下的应用。但在实际的生活应用中，人 们对室内定位的需求与日俱增，有些方面甚至超过了对室外定位的需求，因此人 们对室内定位技术的研究提出了越来越高的要求。 所谓室内定位，就是使用自动定位设备，结合相关的算法及处理器，追踪和 确定室内目标的具体位置。与室外定位相比，室内定位有很多特殊的地方，一般 说来，室内环境通常要比室外的环境复杂，在定位过程中，内部物品的干扰和变 动更大，非视距因素更多1 9 j 。 2 2 常用的几种室内定位技术 随着计算机技术等硬件条件的不断提高，以及网络系统的日益完善，促进了 室内定位系统的迅速发展，但是，由于该技术相对来说属于较为前沿的技术，存 在一些缺陷与不足，例如现存的很多室内定位系统往往会出现性能差、精度低、 成本高等缺点。而射频识别定位技术，即l 强i d 系统定位，由于其定位精度高、 非视距以及成本低等优点，越来越成为室内定为的优选方案。下面介绍几种现阶 段常用的室内定为技术。 2 2 1 超声波室内定位系统 超声波室内定位系统是目前使用较为广泛的几种定位方法之一，在超声波通 信技术中，测距主要采用反射式测距法，然后通过三角定位等定位算法确定物体 的位置。主测距器发射超声波并接收由被测物产生的回波，然后根据回波与发射 波之间的时间差来计算出待测距离。 超声波定位系统可由一个主测距器和若干个应答器组成，主测距器放置在被 9 第二章r f i d 定位技术 测物体上，向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电 信号后同时向主测距器发射超声波信号，从而得到要定位的主测距器与各个已知 位置应答器之间的距离。当同时有3 个或3 个以上不在同一直线上的应答器做出 回应时，可以根据相关理论计算确定出被测物体( 主测距器) 所在的二维坐标系 下的位置【 o 】。 与其他室内定位技术相比，超声波定位精度相对较高，系统结构简单，但超 声波由于其波长的原因，容易受传输路径上障碍物的影响，使超声波在到达目标 物体之前发生了衍射或者反射，则超声波之后的传播就会受到影响，从而降低了 定位的准确度，同时采用超声波定位方法的话需要投资大量的相关硬件设施，增 加了广泛使用的难度。 2 2 2 红外线室内定位系统 所谓红外线室内定位系统，是指红外线发射器i r 标识发射调制的红外射线， 通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然理想传播环境里红外线技术具 有相对较高的定位精度，但是当传播路线上有障碍物时，将会极大的影响红外线 正常传播，因此红外射线仅能视距传播。所以红外线室内定位系统要求所跟踪目 标和探测器之间线性可视，这就把它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监 测的目标是不透明的【。由于其直线视距与传输距离较短，红外线室内定位的效 果很差。在红外线定位系统中，当标识放在口袋里或者放在有墙壁及其他遮挡的 地方时，系统就不能正常工作，另外红外线容易受到室内空间里的荧光灯或日光 灯光线的影响，因此红外线定位系统的使用非常具有局限性，不能满足大部分情 况下的定位要求，在成本方面，采用红外线定位需要在每个室内房间、走廊等安 装红外线发射器以及探测器，这两者的成本较高，导致整个系统的造价较高，不 适合普及应用。 2 2 3 室内g p s 定位系统 所谓室内g p s 定位系统，是指将卫星信号应用到建筑物当中，把室外的定 位方法应用到室内。当g p s 卫星信号接收机在室内工作时，由于信号受建筑物 的影响而衰减很严重，此时要从微弱的信号中得到有效的数据，达到室外定位系 统一样直接从信号中提取卫星导航的数据和时间等一些信息是很难实现的。因 此，为了在室内定位中也能得到较高的信号灵敏度，就需要采用a g p s 技术【l2 1 ， 一般情况下，这种室内g p s 定位技术需要在手机内集成一种特殊的g p s 接收器， 这样就决定了它的应用受限性，应用范围较窄，所需要的应用成本也比较高。因 此，目前普通的g p s 接收机正朝着单片机的方向发展，并努力实现把g p s 的r f l o 第二章r f l d 定位技术 电路和一些其它相关电路集成到手机现存的r f 芯片以及综合数字芯片中，已达 到广泛应用的目的。 2 2 4 蓝牙定位系统 蓝牙技术是一种近距离、功耗低的一种无线数据传输技术，在定位方面，主 要为通过测量信号的强度进行物体的定位。蓝牙定位系统一般在室内特定位置安 装蓝牙局域网接入点，把室内网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并以 蓝牙局域网接入点作为主要定位设备，通过一些列相关的运算程序处理获得用户 位置的信息。蓝牙由于其传输距离短，主要应用于小范围的定位场所。蓝牙室内 定位技术的最大优点是所需的设备体积小，在p d a 、p c 以及手机中比较容易集 成，易推广普及范围，其次，采用蓝牙技术作为室内短距离定位时，信号传输不 受视距的影响。对蓝牙室内定位系统的用户，只要其持有集成了蓝牙功能移动终 端设备，然后将设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够完成对其进行位 置判断。但是蓝牙技术的不足在于蓝牙通信器件和设备的价格昂贵，而且在复杂 的空间环境中，蓝牙系统的稳定性稍差，容易受到噪声信号干扰。 2 2 5 射频识别定位系统( r f i d 定位技术) 射频识别技术利用射频通信方式进行非接触式双向通信，通过交换数据以达 到识别和定位的目的。与其他技术相比，虽然射频识别定位系统的有效定位距离 短，一般为几米到几十米。但其系统成本较低，而且定位时间短、误差小，可以 在几毫秒内得到厘米级的定位精度信息。同时射频识别定位系统还有着非接触和 非视距等优点，因此，随着室内定位技术的不断发展，射频识别技术可望成为优 选的室内定位技术。目前，射频识别技术研究的热点和难点问题还有很多，比如 理论传播模型的建立问题、国际标准化问题和用户的安全隐私等问题。 由于射频识别系统在室内通信环境中有其它技术不可比拟的优势，本文中所 设计的室内定位系统即基于射频识别技术，完成了基于a o a 方法的l 讧i d 定位 系统算法的研究以及系统设计的思路。 2 3r f i d 定位技术研究背景 移动计算技术和无线局域网技术的飞速发展促进了移动定位技术的突飞猛 进。对于应用于近距离或室内空间中的定位系统，g p s 系统具有明显的局限性， 而应用诞生于自动识别领域的射频识别( 1 强i d ) 技术进行室内封闭空间中的定 第二章r f j d 定位技术 位，以其非接触、非视距、定位精度高且成本低等其他定位技术无可比拟的优势， 逐渐成为室内定位系统的首选。 射频识别系统最主要的功能是完成对射频标签的识别，既通过阅读器配合一 定的软件程序对标签中的信息进行解读。但是如果使用i u i d 系统来完成定位功 能，单纯的从标签中读出物品信息是不够的，还需要从r f i d 系统中获取更多的 信息作为依据来定位。一般来说，我们有以下几种依据可以作为定位算法的已知 条件来使用。 2 3 1 信号强度定位法 在利用r f i d 定位技术的系统中，常用的一种定位方法是利用阅读器接收 到标签反射回的射频信号的强度值来计算信号传播距离，进而确定标签位置的定 位方法。它的原理是射频信号也是一种电磁波信号，在其传播的过程中，射频信 号的场强值也会按照一定的规律不断的衰减。如果我们能够建立信号传播的衰减 模型，即建立信号强度值与传播距离之间的映射关系，就可以通过测量阅读器接 收到的射频信号的场强值来计算阅读器与标签之间的距离，通常将相应的算法事 先编为软件程序，使用计算机对数据进行处理，进而确定标签的位置。 目前，很多阅读器具有测量接收到的射频信号强度的功能，从而为通过信号 强度的定位方法提供了可能。下面分析通过路径损耗模型得到的强度值与距离的 映射关系。 首先，根据电磁波传播理论，射频信号在信道中传播会发生衰减。无线信道 中信号的衰减通常包括大尺度衰减和小尺度衰减。在l 让i d 系统中，起主要作用 的衰减形式是大尺度衰落，用r 来表示。r 与很多因素有关，包括传播时间、标 签与阅读器之间的距离、载波频率高低等。为了得出r 与距离d 的关系，我们将 r 表示为距离d 的函数，记作r ( d ) 。 通过理论推导和实际测试，得出一种传播模型，平均接收信号强度随距离的 对数而衰减。对于任意的标签和阅读器之间的距离d ，信号的平均大尺度路径衰 减表示为 r ( d ) = r ( 哦) + l o 即l o g ( ) ( 2 一1 ) d o 其中，n 为路径损耗指数，显示了信号衰减随距离增加的速率，d o 为已知的近处 距离，作为参考距离，d 为标签与阅读器之间的距离。式( 2 1 ) 称为对数路径损耗 模型，是由理论推导和实际测量共同得到的结果。 根据上述模型，就可以根据测试数据使用线形递归方法，按照此种算法进行 计算机软件编程，通过相关的程序处理可以求得路径损耗指数以及标准偏差，进 1 2 第二章i 强i d 定位技术 而可以确定信号强度与相应距离之间的关系。 2 3 2 信号到达时间定位法 在l u i d 定位系统中，另一种定位方法为通过信号到达时间定位，这种定位 方法中，利用处理器记录下两个关键时刻，即标签将信号发送出去的时刻与阅读 器接收到信号的时刻，得出将这两个时刻的时间差，然后将时间差乘以信号的传 播速度，从而得到了标签与阅读器之间的距离，进而确定了标签位置。在r f i d 定位系统中，依据相关的r f l d 通信协议，参考标签记录时间一般需要以下3 个 步骤： ( 1 ) 处理器向阅读器发送读标签相关指令，同时记录阅读器发送指令信号 的时刻t l ； ( 2 ) 阅读器收到返回的标签信号后向处理器报告，同时处理器记录此时的 时刻t 2 ： ( 3 ) 信号单程时间可以由下式计算得出： f = ( f 2 一f l 一f ) 2( 2 - 2 ) 其中垃为标签响应阅读器命令的时间，可以通过将标签放置到阅读器天线 表面，即距离为0 时读取标签，此时由于标签与天线( 阅读器) 距离为0 ，没有 路径上的时间差，故此时的 一 即为& 。 射频信号在真空中以光速c - 3 0 幸l0 8 州s 速度传播。下面对此种定位方法的 定位误差作简要分析。 如果一个处理器的工作主频率为f = 1 g h z ，则处理器的处理周期为 t = 1 仁l n s 。所以在一个处理器周期内，射频信号传播距离为s = c 木t = 0 3 m 。若信 号是从阅读器发出经过标签反射后返回阅读器的，即从标签到阅读器的距离为 o 1 5 m 。因此这种定位方法可以识别的最小距离精度为0 1 5 m ，即在基于信号到 达时间的r f i d 定位系统中，通过测量时间存在最小间隔，引起的距离误差至少 为o 1 5 m 的整数倍数，加上应用于室内定位的系统一般距离小，且处理器的主频 不可能很高，所以这种方法对室内近距离的定位精确度产生很大的影响。故而限 制了此种方法的普及应用。 在本文中采用的是基于信号到达角度( a o a ) 定位的i 讧i d 定位方法，a o a 方 法是指在l 玎i d 定位系统中，使用标签或者标签返回信号相对于阅读器天线阵列 的角度作为依据信息进行定位。通常在系统中使用天线阵列进行标签角度信息的 获取。下面将对a o a 定位方法做具体的算法分析，并且针对基于a o a 方法的 l 让i d 定位系统提出了设计思路。 第二章r 兀d 定位技术 2 4 盯i d 信号到达角度定位方法的研究及系统实现 2 4 1 信号到达角度定位算法的研究 在应用r f i d 技术进行定位的各种方法中，信号到达角度定位法( a o a ) 是 新提出的，可以提高定位精度的一种重要思想。通常是基于几组阅读器( 最少是 两组) ，通过计算应答器反射信号与阅读器的夹角，然后结合两组阅读器之间的 距离，完成对应答器的定位。基于a o a ( a n g l eo fa r r i v a l ) 信号到达角度定位方法 具有低成本，易实现，抗干扰能力强，原理简单等优点。基于信号到达角度的 r f l d 定位方法所用的应答器既可以是有源应答器，也可以是无源应答器。 基于a o a ( a n g l eo f a m v a l ) 信号到达角度定位方法的i u i d 定位系统信号处理 任务后再将射频信号反射回阅读器。如图2 1 所示，假定标签在天线主要采用如 下的工作方式：阅读器发出射频信号，该信号到达应答器，应答器完成阵列的远 处，标签与天线之间的距离 天线阵列元的间距，则标签的信号到达天线处可 以看作平面波，若已知天线阵列元之间的间距，阵列组间距离，根据三角函数算 口：a r c c o s ( 竺) 法，可得2 万d ，其中口为到达信号与天线的夹角，d 为相邻两个天线 的距离，为接收到的信号的相位差，为信号调