（电工理论与新技术专业论文）rfid系统中盲信号处理技术研究.pdf

硕i j 学位论文 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i sak i n do fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ya t t h eb e g i n n i n go f19 9 0 s b l i n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw h i c h b e l o n g st or f i di sar e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s b l i n ds i g n a ls e p a r a t i o n ，b l i n d e q u a l i z a t i o na n db l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o na r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r b l i n d s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sas i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o dw h i c hd r a wo rr e s t o r et h e o r i g i n a ls i g n a lf r o mr e c e i v i n gm i x e ds i g n a lw i t h i nt h es i t u a t i o n st h a tt h es o u r c es i g n a l a n dt r a n s m i s s i o nc h a n n e l sa r eu n k n o w n b l i n ds i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw h i c h i n v o l v e st h ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，o p t i m i z i n gi n f o r m a t i o n t h e o r ye t ce a r n sw i d e s p r e a dr e s p e c tb yr e s e a r c hi n s t i t u t i o n si nr e c e n ty e a r s b ya n a l y z i n gt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt a g sa n dr e a d e r s ，t h ep r o b l e mt h a t a l i a s i n gs i g n a l se m e r g ew h e nm u l t i s i g n a l sc o m m u n i c a t ew i t has i n g l er e a d e ri s p o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h ei n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ( i c a ) a l g o r i t h mi sp u t f o r w a r di nt h i sp a p e r ，i no r d e rt od e a lw i t ht h ep r o b l e mt h a tt h em i x e ds i g n a l sa r e s e p a r a t e dd i f f i c u l t l y t ov e r i f yt h ei c aa l g o r i t h ma v a i l a b l y ，s i m u l a t i o n sb a s e do n m a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r ma r em a d ei nt h i sp a p e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e r e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h es o u r c es i g n a la n dt h es i g n a lw h i c hi ss e p a r a t e dt h r o u g hi c a a l g o r i t h m i ti n d i c a t e st h a tt h ei c aa l g o r i t h mi se f f e c t i v e t h eu n c e r t a i n t yi nt h i s s i m u l a t i o ni ss t u d i e da sw e l l t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h ei n f l u e n c eo nt a g m o d u l a t i o ns i g n a lc a u s e db yt h eu n c e r t a i n t yo fs i g n a la m p l i t u d ei s a c c e p t a b l e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h er e s e a r c hh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ot h er e s e a r c ho ft h e r e a d e rw i t hm u l t i p r o t o c 0 1 i tc a na l s ob eu s e da san e wm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e m o ft a gc o l l i s i o n a st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et a ga n dr e a d e ri sn o n - c o n t a c t ，t h et a gi s i n t e r f e r e db yo t h e rt a g sw h e ni tc o m m u n i c a t e sw i t ht h er e a d e r t h e r e f o r e ，c h a n n e l e q u a l i z a t i o n ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c eo ft h e r e a d e r ss i g n a le x i ti nt h er f i ds y s t e m t h ec o n s t a n tm o d u l u sb l i n de q u a l i z a t i o n a l g o r i t h m ( c m a ) i ss u g g e s t e di nt h i sp a p e rt od e a lw i t hi n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e f r o mt h ec u r v eo fm s e ，i s ia n dt h ee r r o rr a t e ，i tc a nb es e e nt h a tb i te r r o rr a t ea n d i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt h et a g si sr e d u c e da f t e rt h ec o n v e r g e n c eo ft h e a l g o r i t h m t h ea i mo fc h a n n e l se q u a l i z a t i o ni sa c h i e v e da sw e l l t h em u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c ei so n eo ft e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fm u l t i p l ea c c e s s t e c h n o l o g y t h e i i i r f i d 系统中盲信号处理技术研究 t r a d i t i o n a lc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h mf o rb l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o ni si m p r o v e da n da n e ws i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sb a s e do nl s c m ab l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o ni s p u t f o r w a r di nt h i sp a p e r b ya n a l y z i n gt h em a t l a bs i m u l a t i o na n db e r ，t h er e s u l ts h o w s t h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h ei m p r o v e do n eh a s m o r ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c ew h i c hi n c l u d ec o n v e r g e n c es p e e d ，b i te r r o rr a t ea n d p r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ；b l i n ds i g n a lp r o c e s s i n g ；i n d e p e n d e n t c o m p o n e n ta n a l y s i s ；b l i n de q u a l i z a t i o n ；b l i n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n i v 硕上学位论文 第1 章绪论 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别技术，是2 0 世纪 9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术。它具有抗干扰力强、精度高、操作便捷、 能适应恶劣的环境等特点，因此广泛应用于工业、交通、商业等领域，方便了人 们对物流信息的采集和统计及日常生活，极大的提高了人们的生产效率。本部分 首先介绍了射频识别技术的研究背景，然后分析了r f i d 技术的研究现状与发展 前景，接着简单介绍了盲信号处理技术的发展和研究趋势，最后介绍了本文主要 研究内容及结构的安排。 1 1 研究的背景与意义 射频识别技术n 1 是将数据自动采集和识读，并自动输入计算机的一种重要方 法。与传统的磁卡和i c 卡相比，r f i d 技术不需直接接触、不需人工干预、不需 光学可视就可以完成信息的输入和处理，同时它可以实现运动或多个目标的识别， 可工作于各种恶劣的外界环境，没有机械磨损，应用便利，使用寿命长，因而r f i d 技术在全球范围内得到了迅猛的发展，并且广泛应用于工业自动化、交通运输控 制管理、商业自动化等需要收集和处理数据的众多领域。r f i d 系统的读写器和 标签之间是通过信号编码、调制、发送、接收、解调和解码的方式来进行双向通 信的。正确地对混合调制信号进行分离、提取和恢复，是调制信号进行解调的前 提，也为后面的分析和处理信号提供了重要依据。 盲信号处理乜1 ( b l i n ds i g n a lp r o c e s s i o n g ，b s p ) 的研究起源于“鸡尾酒会问题”， 即如何从众多的话语中分辨出感兴趣的声音。在实际中，可通过传感器检测获取 信号数据，而检测到的数据往往是混合且未知的，因此源信号的分离就是成为了 信号处理的一项基本内容。这样，将感兴趣的信号成分从混合信号中提取出来， 进而获得有用的信息，为后面的信号处理提供了必要的准备。盲信号处理区别于 传统的信号处理方法，如i i r 滤波器、自适应滤波器、小波分析、神经网络理论 和f i r 滤波器等。一般来说，盲信号处理是指在源信号和传输通道几乎没有可利 用信息的情况下，仅观测信号估计或恢复出源信号各个独立分量的一种信号处理 方法。 r f i d 系统射频信号的混合是指单个读写器接收多个调制信号的组合。在当 今通信中，通信信号越来越复杂，且对原来的发送信号没有任何的先验知识，诸 如发送信号概率密度，发送数目和混合通道参数等，因此要提取信号中所需要的 信息就变得很困难。由于多个标签在同一时刻向读写器发送调制信号数据，或者 r f i d 系统中盲信口处理技术研究 信号经信道传输后叠加噪声等原因，单个读写器接收的多个信号分离方法具有很 重要的研究价值。与此同时，在通信中，由于发送端所发出的原始信号未知，通 信信号在传输中可能产生码间干扰和多址干扰，因此，我们迫切地需要一种新的 数字信号处理方法来解决发送信号未知的信号分离问题。盲信号处理作为未知混 合调制信号处理的一种研究技术就应运而生了。本文针对r f i d 系统通信的特点， 将对调制信号的分离、信道均衡和用户检测等问题做详细的分析和研究。 1 2r f i d 技术研究现状与发展前景 r f i d 技术被视为2 1 世纪十大重要技术之一，世界上许多的国家都开始大力 的发展该项技术。r f i d 技术在国外的研究起步较早。在2 0 世纪9 0 年代和本世 纪初，一些国家的零售商( 如年营业额占全球零售业两成及美国零售业六成的大型 连锁超市集团美国沃尔玛百货公司) 和政府机构( 如美国国防部) 都要求他们的供 应商应用r f i d 技术的电子商品条形码，大力推进了射频识别技术的应用。与此 同时，许多欧美国家高速公路的电子收费站、英国航空公司的探测仪、e p cg l o b e 的电子产品码网络( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d en e t w o r k ) 等都利用了r f i d 技术。目前 已有很多成熟的r f i d 产品，像德州仪器、飞利浦、摩托罗拉等世界著名的厂商 都在生产r f i d 产品，且各有各的特点，自成系列。 目前中国也已经开始尝试在一些领域上应用r f i d 技术。比如邮政业进行物 品传输方面的安全及整体数据模型的应用测试；高频r f i d 在铁道、航空、海关 等部门得到了试点；煤矿在安全帽上使用电子标签来监测工人的安全；e p cg l o b e c h i n a 也建立了中国的测试中心；上海、深圳、北京等地也陆续采用了自动收费 系统和射频公交卡；r f i d 技术也应用到了公共交通、学校校园、地铁、社会保 障等领域。中国标准化协会e p c 和物联网应用标准化工作组进行了一系列有关的 测试包括硬件、软件、e p c 标准的测试，以及对r f i d 产品及兼容的测试，还包 括解决方案如实际应用之前的测试。 随着r f i d 技术在安全性和成本方面的快速发展，分析家们都认为r f i d 技 术具有巨大的市场潜力和广阔的市场发展空间，其潜在的商用价值将逐渐显现出 来。华尔街的分析师分析，r f i d 技术具有独一无二的优势，最终会在全球形成 一个非常巨大的产业，r f i d 技术市场将在未来五年的时间内达到数百亿美元的 市场空间。未来几年内该技术主要以供应链的应用为赢利的主体，全球开发的市 场将为r f i d 带来巨大的商机。从采购、仓储、生产、包装、装卸、流通加工、 配送、销售到服务，这些都是供应链上的流程和环节。r f i d 技术是一项能有效 地解决供应链上各个环节运作资料的输入和输出、过程的控制与跟踪、减少出错 率等的先进技术。中国已经成为世界第三大贸易大国，年外贸进出口额超过一万 亿美元，r f i d 市场的规模也正在迅速扩大。中国市场上，r f i d 在低频、高频和 2 硕上学位论文 超高频的应用已相对成熟。如2 0 0 5 年第二季度中国r f i d 市场规模已经达到2 2 6 亿元，超过2 0 0 4 年同期一倍以上，显示了r f i d 市场迅速增长的态势。i d t e c h e x 预测，到2 0 1 7 年，r f i d 市场价值将会达到2 7 8 8 亿美元，采用有源r f i d 的实 时定位系统的市场价值甚至会超过6 0 亿美元。 虽然r f i d 技术被预计在供应链和物流领域起重要作用，但从目前国内状况 来看，r f i d 技术的发展也面临一些障碍。制约该项技术发展的主要问题有价格、 隐私、性能、标准、政策等方面。比如电子标签的价格，用于军事和医疗方面的 价格在5 美元以上；用于运输、包装和仓储等的芯片在1 0 美分一1 美元左右；消 费应用于零售的电子标签在5 10 美分。由此可以看出，成本还没低到可以用在 较低价值产品上，所以高成本将阻碍r f i d 技术在超市等大型物流行业的应用。 尽管如此，r f i d 技术所独有的优势，最终这些问题将随着技术的发展和规模的 扩大得以逐步解决。 1 3 盲信号处理技术发展与研究趋势 由于盲信号处理技术的内容很多，本论文仅就所涉及的i c a 盲源分离技术、 盲均衡技术和盲多用户检测技术的发展历史聆1 作简单的介绍。 2 0 世纪8 0 年代，i c a 盲源分离技术的研究才真正取得进展。1 9 9 1 年，法国 研究学者j e a n n yh e r a u l t 、c h r i s t i a nj u t t e n 、p i e r r ec o m m o n 和e s o r o u c h y a r i 在s i g n a l p r o c e s s i n g 上发表的盲信号分离的文章，极大地推动了盲源分离的研究。1 9 9 4 年， p i e r r r ec o m m o n 将神经网络的主分量分析( p c a ) 扩展变成了独立分量分析( i c a ) ， 他在文章中还阐述了独立分量分析的概念，提出了i c a 方法的基本假设条件。19 9 5 年，a j b e l l 和t j s e j n o w s k i 采用神经网络的非线性来消除信号中的高阶统计相 关性，将信息论方法与i c a 方法结合，利用信息最大化建立目标函数。该文献成 为i c a 技术发展史中的里程碑。1 9 9 6 年，c a r d o s o 等提出了i c a 算法中的“相对 梯度 、“等变化性 等重要思路。2 0 0 4 年，z h i j i a ny u a n 等提出了一种用于非负 独立分量分析的f a s t i c a 算法。近年，国内外的学者对i c a 盲信号分离问题的研 究，在理论和应用方面取得了非常大的进展。2 0 0 5 年，研学论坛 ( h t t p ：b b s m a t w a v c o r n ) 还特别成立盲信号处理的专栏，以便于盲信号研究学者交 流。 最早的盲均衡方法是s a t o 等的b u s s g a n g 类算法。y e l l i n 和w e n s t e n 提出了基 于高阶累积量和高阶谱多通道盲均衡方法。t o k k o l a 提出了反馈网络结构，将 i n f o m a x 算法推广到具有时间延迟或卷积混叠信号的情况。l e e 和b e l l 提出了基 于信息最大化传输算法，将训练算法推广到频率域。 较早的多用户检测方法可以追溯到19 8 6 年美国学者v e r d u 提出的最优多用户 检测方法。但是最优多用户检测器的算法非常复杂，计算量很大。因此，次最优 r f i d 系统中盲信号处理技术研究 多用户检测技术成为了后面研究的重点。次最优多用户检测利用了自适应滤波器 的原理，对接收信号进行线性变换来达到检测目的。直到1 9 9 5 年，h o n i g 等人首 次提出了盲自适应多用户检测的概念。随着移动通信的发展，盲多用户检测技术 因为具有突出的优点而成为目前多用户检测的主要发展方向。 近年来，盲信号处理理论获得了长足的发展。特别是i c a 盲源分离技术、盲 均衡技术和盲多用户检测技术在移动通信、语音处理、阵列信号处理和地震勘探 等领域的成功应用。目前，盲信号处理方法的研究趋势主要有：理论体系的完善； 信号可分离性问题的研究；盲信号处理与其他学科的有机结合；盲信号处理在硬 件方面的实现。 1 4 本文的主要研究内容及结构安排 本文的主要研究内容是针对r f i d 系统读写器和标签通信的特点，采用盲分 离技术对混合调制信号进行分离，利用盲均衡技术对调制信号的码间干扰问题进 行补偿，运用盲多用户检测技术消除其他标签的多址干扰。本文结构和各章的内 容安排如下： 第一章，阐述了本文研究的背景及意义，介绍了r f i d 技术的研究现状与发 展前景，简单介绍了盲信号处理的发展和研究趋势。 第二章，主要介绍射频识别技术和盲信号处理技术的相关基础知识，为以后 的研究做好铺垫。介绍了r f i d 技术基本概念、基本原理及所需的理论知识，分 析了r f i d 通信中的信号调制与解调技术，信源与信道的编解码技术，并对r f i d 技术中所要求的不同的调制和编码技术做了m a t l a b 的仿真实现。然后，介绍了盲 信号处理问题的描述和分类、应用范围，以及独立分量分析、盲均衡和盲多用户 检测这三种技术的基本原理。 第三章，分析了r f i d 系统存在的信号混合问题，提出运用i c a 盲信号分离 技术对标签信号进行分离。然后对i c a 盲信号分离之前的信号预处理做了深入的 分析，介绍了三种i c a 盲分离算法，并在此基础上对不同的混合调制信号进行了 m a t l a b 仿真实现，并对仿真结果进行分析。 第四章，分析了r f i d 系统存在的信道均衡问题和读写器接收信号的多址干 扰问题，提出了运用恒模盲均衡技术来解决接收信号的码间干扰问题，运用恒模 盲多用户检测技术及其改进的l s c m a 算法来解决接收信号的多址干扰问题。对 标签信号做了盲均衡的m a t l a b 仿真及性能分析。然后，基于r f i d 系统中标签信 号的多址干扰，做了m a t l a b 仿真和误码率的分析，并取不同的参数进行算法性能 的比较。 4 硕j j 学位论文 第2 章射频识别技术和盲信号处理技术的基本理论 r f i d 技术是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据 通信，实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。射频识别是以非接 触方式进行双向通信，可实现批量读写和远程读写，也可实现高速运动物体的读 取。在信息业飞速发展的今天，r f i d 系统必将广泛使用。 2 1r f i d 系统的工作原理及流程 2 1 1 工作原理 射频识别系统n 3 是读写器通过无线传送的数据信息来识别和读写带有标签的 物体的。如图2 1 所示，r f i d 系统有标签( 也称应答器) 、读写器( 也称识读器、查 询器) 、计算机等。r f i d 系统的基本工作原理是：由读写器通过发射天线发送特 定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能 量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的 接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号模块， 经解调和解码后将有效信息送至后台计算机系统进行相应处理；计算机系统根据 逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出 指令信号控制读写器完成不同的读写操作。 无线射频识别操作中标签与读写器之间通过天线进行数据传输转换的方式， 称为耦合。耦合可以利用磁( 电感应) ，也可以利用电磁波( 反向散射) 。电感耦合是 依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合；电磁反向散射耦合( 雷达原 理模型) 是依据电磁波的空间传播规律，发射出的电磁波遇到标签后反射，并能带 回标签的信息。 电感耦合的读取范围很小，作用距离一般小于l m ，典型的作用距离为 1 0 2 0 c m 。当r f i d 标签移进读写器的范围内时，读写器才会动作。电感耦合方 式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有1 2 5 k h z 、 2 2 5 k h z 及1 3 5 6 m h z 。电磁反向散射耦合是利用电磁波进行r f i d 标签和读写器 通信的，读写器发送一个信号给标签，标签通过将一部分能量反射回读写器来应 答。收到信号时标签的电容得到充电，标签存储了从读写器接收到的能量，回应 时就使用这一能量发回信号，电容放电。这种电磁反向散射耦合方式的识别距离 大于l m ，典型的作用距离为4 6 m ；般适用于高频、微波工作的远距离射频识 别系统，其典型的工作频率为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。 5 r f i d 系统中盲信号处理技术研究 读写器 电子标签 电源能量 一 时钟 射 控 时钟 形 天频 制 存 射 频天 储 读 数据输入 模模 线线模 数据输入 器 写 块块 块 模 数据输出 数据输出 块 、 卜 图2 1 射频识别系统的结构框图 2 1 2 基本的工作流程 r f i d 系统的基本工作流程如下： ( 1 ) 读写器将载波信号经过发射天线发射到空间中。 ( 2 ) 当电子标签进入发射天线的有效范围时，电子标签被激活后，将自身信 息的代码经天线发射出去。 ( 3 ) 读写器通过接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传 输给读写器。读写器对接收到的信号进行解调译码处理后，送往后台的主机控制 器。 ( 4 ) 主机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性和有效性，针对不同的预 先设定做出不同的处理，并发出控制指令用于指导不同器件的动作。 ( 5 ) 计算机通信网络将各子计算机连接起来，形成控制平台，可以根据不同 的目的完成所要求实现的功能。 2 2r f i d 技术的通信理论基础 在r f i d 系统中，数字信号在读写器与标签之间完成信息的交换。从研究信 号传输的观点来讲，信号的传输质量与传输媒质、发射设备和接收设备等都密切 相关。因此要想在有限的资源上尽可能地提高信号质量，就必须对射频识别系统 的通信学知识进行了解和认识。 2 2 1 通信原理 2 2 1 1 通信过程 r f i d 系统哺1 的过程主要包括信息的发送、传输和接收三个方面。r f i d 系统 6 硕上学位论文 的识别是指在电子标签和读写器间完成数字信号的交换。标签信息被编码后，调 制到载波上，通过空间信道的传输媒介发送，读写器接收载波信息，后经过解调、 解码等数字信号的处理技术将信息传递给用户。 信号编码是为了让传输信息和它的信号尽可能最佳地与传输通道的性能匹 配。信号编码也即基带信号处理，包括对信息提供某种程序保护，防止信息受到 碰撞或者干扰。信号调制是指改变高频载波的信号处理，即调制的基带信号与载 波的振幅、频率或相位相关联，可将它们分为振幅健控( a m p l i t u d es h i f tk e y , a s k ) 、频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y ，f s k ) 和相移键控( p h a s es h i f tk e y ，p s k ) 。 信道是指信号的传输介质，是信号传输的一段预定距离。r f i d 系统的信道 是无线信道，它采用的传输介质是电场和磁场。 信号解调过程与调制过程截然相反，它可用以再生基带信号。通常，读写器 和标签中都有信息源，因此读写器和标签都有调制器和解调器。解码是从信号编 码中恢复原来的信息内容并识别和标识出传输中的错误码。 2 2 1 2 电磁场的基本理论 读写器和标签通过各自的天线构建了两者之间的非接触信息传输通道，空间 信息传输信道的性能由天线周围的场区特性决定，射频信号加载到天线上，在紧 邻天线的空间中，形成辐射场和非辐射场。通常根据观测点距离天线的距离分为 无功近场区：辐射近场区和辐射远场区。无功近场区也称电抗近场区，是天线辐 射场中紧邻天线口径的近场区域，区域的界限为距天线口径表面兄2 7 r 处；辐射 近场区也称菲涅尔区，在场区中辐射场占优势，角度分布与距离天线口径的距离 有关，其相对相位和相对幅度是天线距离的函数；辐射远场区也称夫朗荷费区， 该场的角分布与距离无关，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。 天线的方向图是指辐射区域中辐射场的角度分布。公认的辐射近场区与远场 区的分界距离尺为2 d 2 a ，其中d 为天线直径，a 为天线波长，d a 。 2 2 1 3 数据传输原理 在射频识别系统中，读写器和标签之间的通信通过电磁波实现，数据交换方 式有负载调制和反向散射调制。负载调制是通过改变标签天线上的负载电阻的接 通和断开，使读写器天线的电压发生变化，实现近距离标签对天线电压的振幅调 制，主要应用在1 2 5 k h z 和1 3 6 5 m h z 的射频识别系统中；反向散射调制是r f i d 系统中标签将数据发送到读写器时的通信方式，发送的数据信号是具有两种电平 的信号，通过一个简单的混频器与中频信号完成调制，调制后的信号送到一个“阻 抗开关，由阻抗开关改变天线的发射系数，来完成对载波信号的调制。 7 r f i d 系统中盲信号处理技术研究 2 2 1 4 反向散射调制的能量传输 对r f i d 系统来说，读写器的电磁波从发射天线向周围空间发射，会遇到标 签，到达标签的电磁能量一部分被吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。 反射能量的一部分最终会返回给读写器的发射天线。 读写器到标签的能量传输：在标签和发射天线最佳对准和正确极化时，标签 可以吸收的最大功率与入射波的功率密度s 成正比，即- - a , s = ( a 2 4 , 0 g 五o , s = 吒( a , 4 z r r ) 2 ，r = 最嚷4 r c r 2 = 4 z r r 2 ，其中为标签的天线增益， 为天线的有效辐射功率，即读写器发射功率和天线增益的乘积，r 是标签和读写 器之间的距离，最为读写器的发射功率，g n 为发射天线的增益。 标签到读写器的能量传输：标签返回的能量与它的雷达散射截面仃( r c s ) 成正 比， 即为= s c r = 嚷仃4 z t r 2 = 仃4 z r r 2 ，接收功率为：= 以 = 啄瓯a 2 1 7 6 4 z r 3 r 4 ，其中& 础为标签返回读写器的功率密度，厶为接收天线 的有效面积，g 妇为接收天线的增益。 2 2 2 数字调制方式 调制是指按调制信号的变化规律去改变载波的参数的过程。调制在通信系统 中具有十分重要的作用，它不仅可实现频谱搬移，把调制信号的频谱移到规定的 位置上，转换成适合信道传输的调制信号，还可对系统的传输的有效性和可靠性 产生很大的作用。 在现代通信系统中，信号的调制方式有模拟调制和数字调制两种。与模拟调 制相比，数字调制有抗噪声能力强、易将不同形式的信息融合、鲁棒性好和安全 性好等优点。数字调制用载波信号某些离散的状态来表征传递的信息，在接收端 对载波信号的离散调制参量进行检测。数字调制可分为线性调制和非线性调制。 线性调制是指已调信号的频谱结构与基带信号的频谱结构相同，只是频率的位置 搬移了；但是非线性调制不是简单的频率搬移而是出现了新的频率成分。数字调 制信号也可称为键控信号，所以在二进制时有二进制振幅键控( 2 a s k ) 、二进制频 移键控( 2 f s k ) 和二进制相移键控( 2 p s k ) 三种基本的调制方式。2 a s k 属于线性调 制，2 f s k 和2 p s k 属于非线性调制。 2 2 2 1 二进制振幅键控( 2 a s k ) 为了使标签的接收部分简单化和便宜化，r f i d 系统常采用振幅键控调制技 术和包络检波技术。包络检波是一种非相干检波的方法，可以得到调制信号的幅 度信息。最实用的包络检波电路是由两个微波二极管组成的倍压整流检波电路。 在幅度键控中，载波幅度随着调制信号l 和0 的取值的变化而改变。一个二 进制的振幅键控信号的时域表达式可以表示为一个正弦信号载波和一个单极性脉 8 硕上学位论文 冲的乘积，即 j ( f ) = a g ( t - n t , ) c o s c o j ( 2 1 ) 式中，z 为码元周期，g ( ，) 为持续为t 的矩形脉冲，q 为二进制符号1 和0 的数 字信息。2 a s k 调制信号可以通过键控法产生，键控法是指利用数字基带信号去 控制载波信号以得到调制信号。键控法产生2 a s k 调制信号的波形如图2 2 所示。 振幅 基带信号 ji r t 防 调制后振幅已调信号 ji l lllll|llll l | t 一 4 1| | il i 1 l 4 i i i l卜 基带信号 开关 已调信号 图2 2 键控法产生2 a s k 信号 假定2 a s k 的载波信号幅度随着二进制被调制信号在两种状态钆和k 之 间切换，则调制后信号的键控度m 可定义为 朋：丝：鱼止! 喧：g x - 4 血 ( 2 2 ) 4 ，l以钆+ 缸 、7 当k 与4 血相等时，键控度i t i 等于零，说明此时没有产生调制；当缸为零 时，键控度m 等于1 ，就产生通一断键控( o o k ) 调制。 2 a s k 信号的功率谱是由连续谱和离散谱构成，传输带宽是码元速率的2 倍， 所以2 a s k 信号的带宽是基带脉冲波带宽的2 倍。 2 2 2 2 二进制频移键控( 2 f s k ) 2 f s k 信号是利用频率的变化来传递信息，l 表示载波角频率纰，0 表示载波 角频率峨的已调波。2 f s k 信号的实现可以用一个矩形脉冲对载波进行调频，在 形式上是两个不同频率交替发送的a s k 信号叠加而成，其时域表达式为 s ( f ) = g o 一刀c ) 】c o s 皑f + 二。9 9 一n t , ) c o s 0 0 2 t ( 2 3 ) 式中，a 一是的反码，五为码元周期，g ( f ) 为持续为t 。的矩形脉冲，以为二进制 符号1 和0 的数字信息。2 f s k 调制信号可以通过键控法实现。该方法是通过基 9 r f i d 系统中盲信号处理技术研究 带信号控制开关打开或关闭其中一个载波源，使载波频率在两种角频率劬和鸭进 行切换来实现。键控法产生2 f s k 调制信号的波形如图2 3 所示。 假定2 f s k 的载波信号频率随着二进制被调制信号在两种角频率和鸭之间 切换，则调制后信号的调制指数( 频移指数) h 可定义为 厅：i f , - a i ：笠 f 2 4 ) 愿愿 、。 式中，足为基带信号的码元速率，彳= c d i 2 7 r ，五= 哆2 刀r 。 同样，2 f s k 信号的功率谱是由连续谱和离散谱两种构成，离散谱在两个载 波频谱的位置，连续谱是两个双边谱叠加而成。如两个载频间距离比较小，则连 续谱出现单峰，如两个载波间距离比较大，则连续谱就会出现双峰。 振幅 基带信号 ji i i 一 t 弓 匪 ji v 崎_ y ，ii 罗弘干、 j i i | lllll入lli |l入|l 一 l l 4 l vy w lv| l压 基带信号 开关 已调信号 图2 3 键控法产生2 f s k 信号 2 2 2 3 二进制相移键控( 2 p s k ) 2 p s k 是用二进制数字信号控制载波信号的相位，载波信号的相位随着基带 脉冲的变化而变化。用相位0 表示二进制数字信号0 ，相位，r 表示二进制数字信 号1 ，将编码信号的二进制状态o 和1 转变成载波的相位0 和丌的相应状态。2 p s k 调制信号的一般时域表达式为 s ( t ) = 【a g ( t 一玎e ) 】c o s 叫 ( 2 5 ) ” 式中，a 。的取值为1 时，s ( ，) 为0 相位；a n 为+ 1 时，s ( f ) 取兀相位。同样，2 p s k 调制信号可以通过键控法获得。该方法是通过基带信号控制开关的打开或关闭其 中一个载波源，使载波的相位在0 和7 r 之间做出相应的变化。键控法产生2 p s k 调制信号的波形如图2 4 所示。 2 p s k 调制信号的功率谱同样是由连续谱和离散谱两种构成。当双极性基带 1 0 硕上学位论文 信号0 和l 出现的概率相等时，2 p s k 信号的功率谱可能没有离散谱部分，连续 谱部分和带宽将与2 a s k 信号相同。 振幅 基带信号 ji 一 t 弓 限 j i 叩p y ，l1 日u | lll|mj1 1 1 1 入m 1 1 l ll l1刖wyyywwyy i 基带信号 开关 已调信号 图2 4 键控法产生2 p s k1 言号 2 2 3 编解码方式 信号的编码系统的作用是对传输的信息进行编码，便于信号能与信道最佳的 匹配，防止对某些特性进行改变和防止对信息的传递造成干扰等。 2 2 3 1r f i d 系统常用的编码方式 反向不归零( n o nr e t u r nz e r o ，n r z ) 编码：用高电平表示二进制1 ，低电平表 示二进制0 ，在整个位周期内电平保持不变。此码型虽然简单，但不宣传输。 曼切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：又称分相编码，用半个位周期的负跳变表示二进 制1 ，正跳变表示二进制0 。由于此码型在整个比特位周期内，“没有变化的情 况是不允许发生，这样便于读写器检测碰撞产生错误的具体位置，所以常用于从 电子标签到读写器的负载调制或反向散射调制上。 单极性归零( u n i p o l a rr z ) 编码：用第一个半个位周期的高电平表示二进制l ， 整个位周期没有变化的低电平表示二进制0 。 差分双相( d b p ) 编码：用整个位周期内无跳变的电平表示二进制1 ，在半个位 周期内有跳变的电平表示二进制0 ，在每个位周期开始的时候，电平都应该交变。 密勒( m i l l e r ) 编码：用半个比特周期内的任意跳变的电平表示二进制l ，而整 个比特周期内无跳变的电平表示二进制0 ，在每个比特周期开始的地方产生电平 的反相。此码型和差分双相码型比较容易提取位同步信号，从而重建出位节拍。 差分编码：二进制l 将会改变上一位的电平值，二进制0 却会保持原来的电 平值。 r f i d 系统中盲信号处理技术研究 n l 讫码 曼切斯特码 单极性归零码 差分双相码 密勒码 差分码 l 0llo01o z zz z 1011o01o z l01l0010 z 1 o l1 0 0 1 0 77十 10ll0o10 1o1lool0 图2 5 常用的编码方式 2 2 3 2 选择编码方式的考虑因素 在一个实际的r f i d 系统中，选择合适的编码方式应该综合考虑到： 编码方式本身所具有检测错误的能力：由于信道干扰的存在，数据会在传输 过程中产生干扰。衡量一个信道的抗干扰能力就是衡量这个编码方式的检测错误 的能力。不同的编码方式有不同的检测错误的能力，选择检测能力较高的编码方 式就能提高错误检测的能力。 标签的能量供应：r f i d 系统的标签是无源的，这就要求标签在与读写器通 信过程中能提取电磁波的能量，以保证系统的正常工作。 表2 1 常用编码方式的检错能力比较 标签的时钟信息：标签没有时钟电路，经常要求标签能从读写器的发送数据 中提取到时钟信息，这就需要基带编码的相邻位之间具有跳变的特点。这种编码 1 2 硕上学位论文 方式不仅能保证标签的能量供给，而且方便提取时钟信息。密勒码和m a n c h e s t e r 码具有码型变化丰富的优点，容易满足要求。 2 2 4 数据的完整性与安全性 2 2 4 1 数据的完整性 在r f i d 系统中，每个环节都有可能产生误差。在实际的系统中，可以提高 设备的可靠性和稳定性，从而使数据传输实际设备和通信控制器本身的误差很小。 但由于该通信系统3 采用的是无接触式的方式进行数据通信，因此在传输过程中 很容易受到系统外部的各种电磁和噪声的干扰，会使传输的信号发生畸变导致接 收数据错误；由于数据传输线路本身物理特性的限制，传输数据也会产生相位失 真等错误。要进一步提高数据传输系统的可靠性，就要采用数据校验方法，对可 能或者已经出现的差错进行控制。 r f i d 系统最常用的数据校验方法有奇偶校验法和循环冗余校验法。这两种 方法通过启动校正措施检测出数据是否发生传输错误。 奇偶校验