超高频射频识别定位系统中载波相位测量技术的研究

Ultra High Frequency (UHF) Radio Frequency Identification (RFID) localization has attracted wide attention and been researched due to its system characteristics. With the expansion of its applications, the requirements for system power consumption, precision and hardware cost are becoming increasingly higher. According to recent research, Phase of Arrival (POA) based UHF RFID localization system can provide precision of centimeter level, which is better than other methods. But most of the work focuses on the research of phase-based localization methods rather than the phase measurement to achieve high precision, especially in our country. That is depended on the development of UHF RFID system. In this project, the structure of carrier phase measurement is designed and realized on the basis of research on UHF RFID system. By analyzing the key issues that affect the performance of carrier phase measurement, such as carrier leakage, I/Q mismatch of the receiver, DC offset, noise, etc. Research on the removing of DC offset, the establishment of the relationship model of delay and phase, and the fast algorithm of phase recovery will be carried out in this work. New technologies or methods will be provided. And the proposed theoretical approaches will be verified by a reader platform, to make a foundation for the realization of a reader chip with carrier phase measurement.

超高频射频识别定位系统因其系统特性得到了越来越广泛地关注和研究。随着其应用范围的不断扩大，对系统功耗，定位精度，硬件成本等方面的要求也越来越高。就目前的研究而言，基于相位测量的超高频射频识别定位系统的定位精度可以达到厘米量级，比其余几种方案更优。但大部分工作的研究集中在基于相位测量的位置解算方案而忽略了载波相位测量本身以提高定位精度，特别是在国内。这是由超高频射频识别系统的发展现状所决定的。本课题在对超高频射频识别系统研究的基础上进行载波相位测量方案的设计与实现。对影响载波相位测量性能的关键问题如载波泄露、接收机的I/Q失配、直流漂移、噪声等进行分析。拟在直流漂移的消除方法，非理想效应下的延迟-相位模型的建立和快速相位恢复算法等方面开展研究。提出解决这些问题的新方法和技术。并通过读写器平台对所提出的理论方法进行验证，为今后带有载波相位测量的读写器芯片的实现打下基础。

项目重点研究了超高频射频识别定位系统中载波相位测量的方法。主要研究内容包括非理想效应下的延迟-相位模型的建立、相位快速测量算法设计及系统测量验证三部分内容。在延迟-相位模型方面，首先针对超高频射频识别系统中存在的非理想效应，如载波泄露，直流失调，幅度/相位失配等，建立非理想效应下的系统模型，分析其对相位测量的影响。通过内建自测试方法修正相位-延迟模型解析式，并分离发射机幅度失配和接收机幅度失配对相位测量带来的影响，减小非理想效应对相位测量精度的影响；其次在相位测量模块的设计与实现中，考虑到FM0编码的特征，利用不同调制状态相减消除直流偏移对相位测量的影响。对于FM0编码对称性带来的180°相位模糊度，通过检测回波命令到达时的跳变情况识别标签的默认状态，恢复360°的相位变化周期，并且将相位测量检测约束在[0,π/2]，从而可以通过CORDIC算法快速而有效地获得测量相位；最后在系统验证中，相位测量模块得到的相位是否有效与通信成功与否有关。为了保证系统在± 22%的标签回波码率偏移下可靠工作，针对硬件系统带来的信号畸变对信号解码性能的影响，采用支持向量机算法进行解码模块的设计从而优化系统性能。考虑到非理想效应对信号的影响主要在于其波形分布和波形周期长度，帧头检测采用序列检测，不同频偏对应不同长度的向量，从而用分类学习问题处理帧同步问题，实现精确的频率估计。对于数据检测部分，采用码元检测以满足协议规定的严格通信时序要求，并通过两步调节法，自动调节非理想效应对码元宽度的影响。测试结果表明，与传统的解码方案相比，该方案可有效提高通信的正确率，从而保证相位测量系统结果的有效性；设计的系统在实验室环境下的测距精度在毫米量级，满足室内定位的需求。