無芯射頻標簽編碼方式研究*

謝朝臣，鄒傳云，徐 利

（西南科技大學(xué) 移動計算實驗室,四川 綿陽 621000）

近年來，射頻識別[1]技術(shù)（RFID）應(yīng)用快速發(fā)展。其射頻標簽結(jié)構(gòu)經(jīng)歷從有源標簽到半有源再到無源標簽結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程[2]。但這些標簽結(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。因而價格較貴，是這類標簽的致命缺陷，也限制了射頻識別技術(shù)的應(yīng)用和推廣。而結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的無芯射頻標簽[3]的研究和發(fā)展可以彌補有芯標簽的不足，并帶來更加廣泛的應(yīng)用。雖然無源無芯射頻標簽應(yīng)用還處于理論研究階段，但其本身所具有的優(yōu)點是有芯標簽無法比擬的，所以無芯射頻標簽研究尤其是對標簽結(jié)構(gòu)設(shè)計以及編碼技術(shù)研究引起了國內(nèi)外研究者的極大興趣。由于在有芯標簽中含有用來存儲數(shù)據(jù)的芯片,因而對有芯射頻標簽的識別中,可以根據(jù)存儲在標簽芯片的數(shù)據(jù)同閱讀器進行交換數(shù)據(jù)來識別標簽身份。然而無芯射頻標簽中不含有任何電子元件，自然不能存儲數(shù)據(jù)，也不能與閱讀器交換數(shù)據(jù),所以無芯射頻標簽的編碼技術(shù)不同于傳統(tǒng)意義的編碼技術(shù)，其射頻頻識別也不同于有芯射頻標簽的識別。無芯射頻標簽編碼是根據(jù)包含在標簽結(jié)構(gòu)中不同的電磁場反射波形，如波峰、波谷位置的差異，表示不同的標簽結(jié)構(gòu)。編碼是把標簽結(jié)構(gòu)與編碼技術(shù)結(jié)合起來，以便于射頻識別的信號處理技術(shù)。根據(jù)目前已有的文獻資料，對于無芯射頻標簽的識別方法，通常是對標簽的散射場的幅度或者相位進行編碼，根據(jù)不同的編碼方式，對應(yīng)不同的標簽結(jié)構(gòu)，每一個標簽結(jié)構(gòu)對應(yīng)于一個標簽身份，最終完成目標的識別。如參考文獻[4]中，對于“C型”標簽使用幅度或相位編碼，一個標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”，另一標簽在一定頻率范圍內(nèi)的幅度或相位的波谷為“10”。由于標簽結(jié)構(gòu)的差異，則標簽的散射波形幅度或者相位會出現(xiàn)在不同的頻率范圍。當閱讀器檢測到標簽的雷達散射波形，識別標簽的幅度或相位如01或10，分別表示不同的標簽結(jié)構(gòu)。當然也可以將這兩個標簽結(jié)構(gòu)組合為0110或1001表示一種新的標簽結(jié)構(gòu)。參考文獻[5]中使用時分復(fù)用的編碼技術(shù)，這是利用標簽結(jié)構(gòu)的時域延時方式。當激勵源照射標簽時，激勵波形通過標簽有一定的延時，不同的標簽結(jié)構(gòu)會在時域上得到不同的時域波形。對這些時域波形編碼，代表不同的標簽結(jié)構(gòu)。本文在研究已有文獻資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合已開發(fā)的標簽結(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，增加對標簽結(jié)構(gòu)波形辨別的技術(shù)，減少為求標簽的奇點[7]而進行的大量數(shù)據(jù)計算。因而這種編碼方式具有碼位擴展方式容易，編碼容量高的特點，同時也易于硬件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。

1 編碼技術(shù)

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

2 編碼方式

2.1 幅度、相位編碼

無芯射頻標簽采用的幅度、相位編碼[4],就是根據(jù)標簽散射信號的雷達散射截面RCS幅度峰值或者相位變化來識別標簽結(jié)構(gòu)的一種編碼方式。標簽結(jié)構(gòu)的差異，反應(yīng)在不同的標簽結(jié)構(gòu)對應(yīng)于雷達散射截面 （RCS）、相位。通過檢測雷達散射信號(RCS)的幅度強度或相位在不同頻率點的變化賦予不同碼字，從而標識不同的標簽。對于圖1開槽數(shù)目為3個的蝶形標簽結(jié)構(gòu)編碼方式如圖2。

激勵頻率為 2～10 GHz，RCS最小幅度約為－35 dBm，開槽對應(yīng)的最低頻率點分別為5.8 GHz、7.1 GHz、8.2 GHz、編碼為“111”。如果每個頻段采用兩位編碼 01、10、11表示，則整個標簽結(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)無芯標簽的散射波形的相位在不同頻率段的不同（其相當于檢測在不同頻率段的極值點）進行編碼。如圖2中對于在5～5.9 GHz，5.9～7.1 GHz，7.1～8.3 GHz三個頻段內(nèi)分別編碼為 01、10、11，則具有 3個開槽標簽編碼為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簽結(jié)構(gòu)散射截面混合在一起排列。由于每個標簽結(jié)構(gòu)的雷達散射截面（RCS）峰值或凹點位于不同的頻率區(qū)間,當把幾個不同的標簽結(jié)構(gòu)混合地排列在一起時，其雷達散射截面（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，通過檢測這個幅度、相位的變化，標示為不同的碼子。反之，對應(yīng)不同的標簽結(jié)構(gòu)排列組合。“C”型標簽是這種編碼方式的典型代表。“C”型標簽結(jié)構(gòu)雷達散射截面（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重建，而是用來比較采樣間的增量△。同時，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簽結(jié)構(gòu)所能容納的最多散射極點個數(shù)）。對每個信道（可以是幅度，也可以是相位）量化階數(shù)的規(guī)定，在每個信道上進行采樣，采樣準則是2＜(fH-fL)/F＜4,f為每個信道的帶寬，F(xiàn)是每個信道的采樣頻率間隔。根據(jù)準則，在每個信道中的采樣點數(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行比較。如果第一次的增量△為正，第二次的增量△為負。通過比較兩次的△，如果兩次的符號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。其意義表示在這個信道內(nèi)有個極點 （也表示有個開槽）或者是無極點 （無開槽）。對于所有的信道上，最終輸出結(jié)果“1”的個數(shù)就是標簽結(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

對于只有一個開槽的標簽如圖6。

根據(jù)PCM-△編碼原理,在帶寬 B＝fH－fL中， 在頻率點 f1時刻的采樣值為 d1，在 f2時刻的采樣值為 d2，f3時刻的采樣值為 d3。d2-d1=△，若為負則表示為“－”；d3－d2＝△，若結(jié)果為正，則表示為“＋”。通過一個異或門電路可以輸出一個“1”。其結(jié)果表示在帶寬B內(nèi)有個開槽。若采用對8個開槽的標簽結(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)有一個開槽。如果在標簽上開槽為8,則其編碼為 11111111。對于開槽數(shù)為8的無芯射頻標簽采用等長編碼，其編碼容量為28=256個，本文列舉了前8個不同位置的開槽和同時8個開槽方式的編碼如表1。

表1 標簽不同位置開槽對應(yīng)編碼表

采用PCM-△編碼方式，對無芯射頻標簽進行編碼，不但可以減少求極點時的大量數(shù)據(jù)計算，節(jié)省計算處理時間，而且編碼簡單快捷。所得碼字與標簽的開槽相對應(yīng)，對于開槽的標簽結(jié)構(gòu)預(yù)先進行編碼可以直接根據(jù)所得碼字進行識別。但是這種編碼方式也存在難點，就是雷達散射信號的處理要在頻域里進行，因而接收到的散射信號要先進行傅里葉變換后再采樣比較。同時，也要能夠?qū)π诺雷詣拥睾侠韯澐郑剐盘枠O值點處在所規(guī)定的信道內(nèi)。本文研究考慮采用能夠追蹤信號強度的自適應(yīng)濾波器組處理信道自動劃分問題，但這些問題的解決會增加硬件實現(xiàn)的復(fù)雜度。

[1]Syed Ahson Mohammad Ilyas.RFID handbook,Applications[C].Technology,Security,and Privacy.CRC Press Taylor&Francis New York,2008.

[2]單承贛,單玉峰,姚磊,等.射頻識別技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[3]Stevan,KARMAKAR N,KARMAKAR N.UWB chipless tag RFID reader design[C].Program for the IEEE International Conference on RFID-Technology and Applications,17-19 June 2010:251-261.

[4]VENA A,PERRET E.Chipless RFID tag using hybrid coding technique[C].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2011:1-8.

[5]Raji,PERRET N E,TEDJINI S.Chipless RFID based on group delay encoding[C].IEEE Inernational Con-ference on REID_Technologies and Applicatons,2011:214-217.

[6]曹志剛,錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學(xué)出版社,1992.

[7]BAUM C E,ROTHWELL E J,Chen Kunmu.The singularity expansion method and its application to target identification.Proceedings of the IEEE,1991,79(10):1481-1489.