無芯射頻標(biāo)簽編碼方式研究*

謝朝臣，鄒傳云，徐 利

（西南科技大學(xué) 移動(dòng)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000）

近年來，射頻識(shí)別[1]技術(shù)（RFID）應(yīng)用快速發(fā)展。其射頻標(biāo)簽結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從有源標(biāo)簽到半有源再到無源標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程[2]。但這些標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的共同之處是都是有芯的,其制作工藝、結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。因而價(jià)格較貴，是這類標(biāo)簽的致命缺陷，也限制了射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用和推廣。而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的無芯射頻標(biāo)簽[3]的研究和發(fā)展可以彌補(bǔ)有芯標(biāo)簽的不足，并帶來更加廣泛的應(yīng)用。雖然無源無芯射頻標(biāo)簽應(yīng)用還處于理論研究階段，但其本身所具有的優(yōu)點(diǎn)是有芯標(biāo)簽無法比擬的，所以無芯射頻標(biāo)簽研究尤其是對(duì)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及編碼技術(shù)研究引起了國(guó)內(nèi)外研究者的極大興趣。由于在有芯標(biāo)簽中含有用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的芯片,因而對(duì)有芯射頻標(biāo)簽的識(shí)別中,可以根據(jù)存儲(chǔ)在標(biāo)簽芯片的數(shù)據(jù)同閱讀器進(jìn)行交換數(shù)據(jù)來識(shí)別標(biāo)簽身份。然而無芯射頻標(biāo)簽中不含有任何電子元件，自然不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也不能與閱讀器交換數(shù)據(jù),所以無芯射頻標(biāo)簽的編碼技術(shù)不同于傳統(tǒng)意義的編碼技術(shù)，其射頻頻識(shí)別也不同于有芯射頻標(biāo)簽的識(shí)別。無芯射頻標(biāo)簽編碼是根據(jù)包含在標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中不同的電磁場(chǎng)反射波形，如波峰、波谷位置的差異，表示不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。編碼是把標(biāo)簽結(jié)構(gòu)與編碼技術(shù)結(jié)合起來，以便于射頻識(shí)別的信號(hào)處理技術(shù)。根據(jù)目前已有的文獻(xiàn)資料，對(duì)于無芯射頻標(biāo)簽的識(shí)別方法，通常是對(duì)標(biāo)簽的散射場(chǎng)的幅度或者相位進(jìn)行編碼，根據(jù)不同的編碼方式，對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)，每一個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于一個(gè)標(biāo)簽身份，最終完成目標(biāo)的識(shí)別。如參考文獻(xiàn)[4]中，對(duì)于“C型”標(biāo)簽使用幅度或相位編碼，一個(gè)標(biāo)簽的幅度或相位編碼即在一定頻率范圍內(nèi)的幅度或相位的波谷為“01”，另一標(biāo)簽在一定頻率范圍內(nèi)的幅度或相位的波谷為“10”。由于標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的差異，則標(biāo)簽的散射波形幅度或者相位會(huì)出現(xiàn)在不同的頻率范圍。當(dāng)閱讀器檢測(cè)到標(biāo)簽的雷達(dá)散射波形，識(shí)別標(biāo)簽的幅度或相位如01或10，分別表示不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。當(dāng)然也可以將這兩個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)組合為0110或1001表示一種新的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[5]中使用時(shí)分復(fù)用的編碼技術(shù)，這是利用標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的時(shí)域延時(shí)方式。當(dāng)激勵(lì)源照射標(biāo)簽時(shí)，激勵(lì)波形通過標(biāo)簽有一定的延時(shí)，不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)會(huì)在時(shí)域上得到不同的時(shí)域波形。對(duì)這些時(shí)域波形編碼，代表不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。本文在研究已有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合已開發(fā)的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)也以為今后應(yīng)用研究為前提，提出一種新的編碼技術(shù)即PCM-△編碼方式。此編碼技術(shù)吸取了脈沖編碼技術(shù)[6]的特點(diǎn)，增加對(duì)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)波形辨別的技術(shù)，減少為求標(biāo)簽的奇點(diǎn)[7]而進(jìn)行的大量數(shù)據(jù)計(jì)算。因而這種編碼方式具有碼位擴(kuò)展方式容易，編碼容量高的特點(diǎn)，同時(shí)也易于硬件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

1 編碼技術(shù)

如在前面的敘述，無芯射頻標(biāo)簽的編碼技術(shù)不同于傳統(tǒng)的編碼方式，其編碼是根據(jù)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的散射波形的幅度或相位（即標(biāo)簽開槽時(shí)的散射波形的凹點(diǎn)）的位置變化，如在蝶形標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖中不同的開槽會(huì)產(chǎn)生不同的波形凹點(diǎn)即奇點(diǎn)而進(jìn)行編碼。每個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的開槽具有不同的散射截面RCS(或者相位)。通過檢測(cè)標(biāo)簽的RCS的峰值或相位的變化，判別不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)。編碼的容量與標(biāo)簽開槽的數(shù)量有密切的關(guān)系。

2 編碼方式

2.1 幅度、相位編碼

無芯射頻標(biāo)簽采用的幅度、相位編碼[4],就是根據(jù)標(biāo)簽散射信號(hào)的雷達(dá)散射截面RCS幅度峰值或者相位變化來識(shí)別標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的一種編碼方式。標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的差異，反應(yīng)在不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于雷達(dá)散射截面 （RCS）、相位。通過檢測(cè)雷達(dá)散射信號(hào)(RCS)的幅度強(qiáng)度或相位在不同頻率點(diǎn)的變化賦予不同碼字，從而標(biāo)識(shí)不同的標(biāo)簽。對(duì)于圖1開槽數(shù)目為3個(gè)的蝶形標(biāo)簽結(jié)構(gòu)編碼方式如圖2。

激勵(lì)頻率為 2～10 GHz，RCS最小幅度約為－35 dBm，開槽對(duì)應(yīng)的最低頻率點(diǎn)分別為5.8 GHz、7.1 GHz、8.2 GHz、編碼為“111”。如果每個(gè)頻段采用兩位編碼 01、10、11表示，則整個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)編碼為：011011。

相位編碼原理與幅度編碼相似，也是根據(jù)無芯標(biāo)簽的散射波形的相位在不同頻率段的不同（其相當(dāng)于檢測(cè)在不同頻率段的極值點(diǎn)）進(jìn)行編碼。如圖2中對(duì)于在5～5.9 GHz，5.9～7.1 GHz，7.1～8.3 GHz三個(gè)頻段內(nèi)分別編碼為 01、10、11，則具有 3個(gè)開槽標(biāo)簽編碼為011011。

2.2 混合編碼

混合編碼[4]是一種變相的幅度或相位編碼方式，差異是利用不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)散射截面混合在一起排列。由于每個(gè)標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的雷達(dá)散射截面（RCS）峰值或凹點(diǎn)位于不同的頻率區(qū)間,當(dāng)把幾個(gè)不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)混合地排列在一起時(shí)，其雷達(dá)散射截面（RCS）或相位在連續(xù)的頻率區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為峰值或相位的變化，通過檢測(cè)這個(gè)幅度、相位的變化，標(biāo)示為不同的碼子。反之，對(duì)應(yīng)不同的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)排列組合?！癈”型標(biāo)簽是這種編碼方式的典型代表。“C”型標(biāo)簽結(jié)構(gòu)雷達(dá)散射截面（RCS）如圖 3。

3 基于PCM-△編碼

PCM-△編碼是不同于以上幾種的編碼方式，而是一種全新的編碼方式。其原理是一種基于PCM的編碼方式，但工作頻率要遠(yuǎn)高于脈沖編碼技術(shù)，量化分階采樣后的值也不是為了以后的信號(hào)重建，而是用來比較采樣間的增量△。同時(shí)，采樣頻率也不滿足奈奎斯特頻率采樣定理，而是在信道帶寬內(nèi)取有限的點(diǎn)數(shù)。其編碼原理如圖 4。

3.1 編碼方式

在給定的帶寬上，劃分不同的信道（其信道的劃分依椐是標(biāo)簽結(jié)構(gòu)所能容納的最多散射極點(diǎn)個(gè)數(shù)）。對(duì)每個(gè)信道（可以是幅度，也可以是相位）量化階數(shù)的規(guī)定，在每個(gè)信道上進(jìn)行采樣，采樣準(zhǔn)則是2＜(fH-fL)/F＜4,f為每個(gè)信道的帶寬，F(xiàn)是每個(gè)信道的采樣頻率間隔。根據(jù)準(zhǔn)則，在每個(gè)信道中的采樣點(diǎn)數(shù)是3次。編碼就是根據(jù)第一次和第二次的采樣增量與第二次和第三次的采樣增量進(jìn)行比較。如果第一次的增量△為正，第二次的增量△為負(fù)。通過比較兩次的△，如果兩次的符號(hào)是相異的則輸出一位，用“1”表示；反之，如果兩次的增量無變化，用“0”表示。其意義表示在這個(gè)信道內(nèi)有個(gè)極點(diǎn) （也表示有個(gè)開槽）或者是無極點(diǎn) （無開槽）。對(duì)于所有的信道上，最終輸出結(jié)果“1”的個(gè)數(shù)就是標(biāo)簽結(jié)構(gòu)的開槽數(shù)量，而且“1”的位置也表示開槽的位置。PCM-△編碼如圖5所示。

3.2 編碼原理

對(duì)于只有一個(gè)開槽的標(biāo)簽如圖6。

根據(jù)PCM-△編碼原理,在帶寬 B＝fH－fL中， 在頻率點(diǎn) f1時(shí)刻的采樣值為 d1，在 f2時(shí)刻的采樣值為 d2，f3時(shí)刻的采樣值為 d3。d2-d1=△，若為負(fù)則表示為“－”；d3－d2＝△，若結(jié)果為正，則表示為“＋”。通過一個(gè)異或門電路可以輸出一個(gè)“1”。其結(jié)果表示在帶寬B內(nèi)有個(gè)開槽。若采用對(duì)8個(gè)開槽的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)用8 bit碼子表示,則編碼結(jié)果是00001000。其意義是在工作頻率為2～10 GHz的頻段內(nèi)，在6.312 5～7.143 6 GHz頻帶內(nèi)有一個(gè)開槽。如果在標(biāo)簽上開槽為8,則其編碼為 11111111。對(duì)于開槽數(shù)為8的無芯射頻標(biāo)簽采用等長(zhǎng)編碼，其編碼容量為28=256個(gè)，本文列舉了前8個(gè)不同位置的開槽和同時(shí)8個(gè)開槽方式的編碼如表1。

表1 標(biāo)簽不同位置開槽對(duì)應(yīng)編碼表

采用PCM-△編碼方式，對(duì)無芯射頻標(biāo)簽進(jìn)行編碼，不但可以減少求極點(diǎn)時(shí)的大量數(shù)據(jù)計(jì)算，節(jié)省計(jì)算處理時(shí)間，而且編碼簡(jiǎn)單快捷。所得碼字與標(biāo)簽的開槽相對(duì)應(yīng)，對(duì)于開槽的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)預(yù)先進(jìn)行編碼可以直接根據(jù)所得碼字進(jìn)行識(shí)別。但是這種編碼方式也存在難點(diǎn)，就是雷達(dá)散射信號(hào)的處理要在頻域里進(jìn)行，因而接收到的散射信號(hào)要先進(jìn)行傅里葉變換后再采樣比較。同時(shí)，也要能夠?qū)π诺雷詣?dòng)地合理劃分，使信號(hào)極值點(diǎn)處在所規(guī)定的信道內(nèi)。本文研究考慮采用能夠追蹤信號(hào)強(qiáng)度的自適應(yīng)濾波器組處理信道自動(dòng)劃分問題，但這些問題的解決會(huì)增加硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

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