声表面波射频辨识标签与系统研究

论文摘要

基于声表面波（SAW）技术的射频标签具有纯无源、阅读距离远、环境适应性强等特点,正在逐步受到大家的关注。本文对基于声表面波的射频标签系统和阅读器进行了理论研究,着重在提高标签识别率、多标签辨识和提高检测精度等方面。并在此基础上设计制作了一套完整的SAW标签系统。主要研究内容如下:首先,介绍了SAW标签系统的远场工作条件,分析了阅读器天线和声表面波标签天线的链路模型。并对SAW标签设计相关的SAW技术进行了论述。其次,讨论了SAW标签的各种编码方法及其特点;分析了反射栅多次反射的影响;讨论了SAW标签材料的选择。第三,在射频识别系统空间传播技术和信号检测原理分析的基础上,对SAW标签阅读器系统设计做了理论分析。阐述了时域采样和频域采样时的不同检测原理和系统组成及各自工作特点,据此确定本文采用时域采样的阅读器设计方案。着重分析了时域采样下的检测理论方法,包括振幅检测、相位检测和相位估计方法。指出在大信噪比时,采用振幅检测能够获得更高的检测概率;而在小信噪比时,相位检测则能够更好地利用有用信息。同时,针对振幅检测和相位检测在不同信噪比下的各自检测特点,采用基于检测距离的单标签融合检测方法来提高阅读识别率。第四,由于SAW标签是纯无源标签,不具有任何数据处理能力,因此多目标识别是SAW标签系统的一个难点。本文分析并指出了各种防冲突方法的优点和存在的不足。在此基础上,采用基于Walsh域的匹配门限滤波方法来对多目标进行辨识。并采用滤波门限的方法保证了运算速度。第五,反射脉冲的峰值和位置是标签解码的两个主要参数。本文采用基于最小均方误差的权重数据融合方法来估计标签的脉冲响应的幅度和位置信息。第六,设计了一套完整的SAW射频识别系统,包括SAW标签和阅读器。SAW标签是按照本文提出的多目标辨识方法筛选并制作。阅读器包括射频发射机、接收机、高速数据采集、数据信号处理等部分,实现了对标签信息的幅度检测和相位检测。并提出了提高阅读器射频通道隔离度的改进措施,在系统工作频段上,将阅读器查询信号的隔离度提高到60dB。最后试验测试了SAW标签辨识系统,其阅读距离达到4.5米以上,验证了基于检测距离来提高单标签识别率的融合方法,并测试了多目标标签的识别能力。本文的主要创新点:1.提出了基于检测距离的融合检测方法来提高单标签阅读识别率。2.提出了基于Walsh域的多目标辨识方法。并进一步提出采用滤波门限的方法保证了运算速度。3.提出基于匹配追踪-小波包原子分解估计的最小均方误差权重数据融合方法来估计标签脉冲响应的幅度和位置信息。4.成功地设计了一套完整的SAW射频识别系统,包括SAW标签和阅读器。并通过试验验证了本文提出的研究方法的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 RFID 介绍
• 1.2.1 RFID 工作原理及分类
• 1.2.2 RFID 的现状及发展趋势
• 1.3 基于SAW 技术的射频标签
• 1.3.1 SAW 技术
• 1.3.2 SAW 标签工作原理
• 1.3.3 SAW 标签的特点
• 1.3.4 SAW 标签发展状况
• 1.4 论文的研究内容与编排
• 第二章 SAW 射频识别系统的空间传播技术
• 2.1 射频天线及辐射场
• 2.2 天线产生的电磁场和方向图
• 2.3 发射天线和接收天线
• 2.4 天线的噪声和信噪比
• 2.5 射频识别系统的信道
• 2.6 小结
• 第三章 声表面波理论和技术基础
• 3.1 压电效应和Christofel 方程
• 3.2 叉指换能器
• 3.2.1 叉指换能器结构
• 3.2.2 IDT 模型
• 3.2.3 IDT 和外电路的连接及其匹配
• 3.3 SAW 反射栅
• 3.3.1 反射栅
• 3.3.2 反射栅模型
• 3.3.3 反射栅的反射和透射
• 3.3.4 反射栅的制作
• 3.4 小结
• 第四章 SAW标签分析与设计
• 4.1 SAW 标签编码方法
• 4.1.1 脉冲键控编码
• 4.1.2 脉冲位置编码
• 4.1.3 相位编码
• 4.1.4 脉冲位置与相位的组合调制
• 4.2 SAW 标签反射栅的排列及多次反射
• 4.3 SAW 标签材料的选择
• 4.4 小结
• 第五章 SAW 标签阅读器的设计和性能分析
• 5.1 SAW 标签回波信号分析
• 5.1.1 高频限带高斯噪声的分析
• 5.1.2 标签回波信号加噪声分析
• 5.2 SAW 标签阅读器系统架构分析
• 5.2.1 时域采样的SAW 标签阅读器系统架构
• 5.2.2 频域采样的SAW 标签阅读器系统架构
• 5.3 SAW 回波信号检测方法
• 5.3.1 振幅检测系统
• 5.3.2 相位检测系统
• 5.3.3 相位估计检测
• 5.4 提高阅读范围的融合判别方法
• 5.5 小结
• 第六章 多目标识别研究和提高检测精度方法
• 6.1 现存的多目标识别方法
• 6.1.1 时间分段编码
• 6.1.2 信号强度辨识
• 6.1.3 空间聚焦
• 6.1.4 匹配滤波器辨识
• 6.1.5 信号减法
• 6.2 Walsh 变换及其滤波
• 6.3 基于Walsh 域的匹配门限滤波识别方法
• 6.3.1 基本原理和步骤
• 6.3.2 滤波门限与采样率
• 6.4 提高脉冲位置和峰值估计精度的融合方法
• 6.4.1 基于MMSE 的权重融合方法
• 6.4.2 基于匹配追踪的小波包原子分解
• 6.4.3 融合算法测试
• 6.5 小结
• 第七章 系统设计及试验
• 7.1 标签设计
• 7.2 阅读器系统设计实现
• 7.2.1 阅读器系统结构
• 7.2.2 阅读器模拟电路设计
• 7.2.3 阅读器数字电路设计
• 7.2.4 阅读器电磁兼容设计
• 7.2.5 阅读器软件部分
• 7.3 实验测试及结果分析
• 7.3.1 单标签阅读范围测试
• 7.3.2 振幅检测和相位检测信息融合测试
• 7.3.3 多标签防冲突试验
• 7.4 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文