多邊形無芯射頻標簽及其識別*

劉利圣,鄒傳云,黃 俊

(西南科技大學信息工程學院,四川綿陽621010)

多邊形無芯射頻標簽及其識別*

劉利圣,鄒傳云,黃 俊

(西南科技大學信息工程學院,四川綿陽621010)

傳統(tǒng)的射頻標簽因含有芯片而導致價格高、功率需求大,使得射頻標簽無法廣泛使用。基于導體結構的自然諧振特性,本文提出了一種新型無芯射頻標簽,該標簽除了散射體本身不包含任何芯片和電路,可以大幅降低標簽成本。仿真結果表明該標簽諧振特性明顯,通過改變標簽的物理參數(shù)使不同標簽在不同頻率點產(chǎn)生諧振,這樣可以用來實現(xiàn)編碼。利用矩陣束算法提取出的極點可以識別出該標簽結構,表明該標簽結構具有可行性。

無芯射頻標簽 矩陣束算法 極點

0 引 言

射頻識別是無線電頻率識別(RFID,Radio Frequency Identification)的簡稱,即通過無線電波進行識別。目前,RFID在票務系統(tǒng)(城市公交車、高速公路收費、門票等)、收費卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、家政、食品安全追溯、藥品、礦井生產(chǎn)安全、防盜、防偽、證件、集裝箱識別、動物追蹤、運動計時、生產(chǎn)自動化、商業(yè)供應鏈等眾多領域獲得廣泛重視和應用[1]。射頻標簽的一系列優(yōu)勢表明它具有取代條形碼的潛力,如長距離、非視距、自動識別和跟蹤等。傳統(tǒng)射頻標簽一般都含有芯片,主要由IC芯片、天線和封裝等幾部分組成,標簽的價格主要集中在應用型專用集成電路上,所以為了降低價格,國內外學者開始研究無芯片標簽[2]。

利用無芯標簽編碼數(shù)據(jù)的研究分為時域和頻域兩大類,時域內的編碼方式類似于脈沖調制(PPM, Pulse Position Modulation),頻域內的編碼方式類似于開關鍵控(OOK,On/Off Keying)[3-6]。文獻[7]中介紹了具有橢圓偶極子標簽的散射特性,通過在橢圓偶極子標簽上人為的開槽,改變導體反向散的射頻域特性來實現(xiàn)標簽的識別。文獻[8]介紹了一種將諧振體作為射頻條形碼的標簽,通過改變諧振體的諧振頻率并觀察特定頻率點上的是否存在諧振進行數(shù)據(jù)編碼。C.Baum提出奇點展開法[9],金屬散射體的瞬態(tài)響應可以在復頻域內用一系列極點及其相應的耦合系數(shù)(留數(shù))來表征,極點依賴于散射體的幾何形狀。文獻[10]分析了橢圓偶極子標簽結構與極點之間的關系。本文在此基礎上,設計了一種基于目標極點識別的多邊形無芯標簽。

1 極點與留數(shù)

1.1 奇點展開法

根據(jù)C.Baum的理論,金屬散射體的瞬態(tài)響應在其后期是由很多衰減震蕩的和構成的,目標瞬態(tài)電磁響應的數(shù)學模型可以表示為:

式中x(t)為無噪信號;n(t)為噪聲;Ri為復振幅(留數(shù));si=αi+jωi是極點(αi、ωi分別代表衰減因子和角頻率);M是極點數(shù)目。

1.2 矩陣束算法

矩陣束算法的思想是:將已知的時域信號離散采樣,構造兩個特殊矩陣,根據(jù)這兩個特殊矩陣間的相互關系求解廣義特征值,最終所要求解的信號信息(極點)就包含在這些廣義特征值中[11]。將式(1)采樣離散,得到式(2)如下:

其中k=0,1,…,N-1為采樣個數(shù);極點zi=esiTs=e(σi+jωi)Ts,i=1,…,M;Ts為采樣周期。

要從y(kTs)中提取出最佳的M,Ri和zi等信息,先對采樣數(shù)據(jù)用最小二乘矩陣束法(TLS-MPM, Total-Least-Squares Matrix pencil Method)進行預濾波處理,然后用y(kTs)構造Hankel矩陣Y如下:

對矩陣Y進行奇異值分解(Singular-Value Decomposition,SVD),則

式中“H”表示矩陣共軛轉置,U、V為酉矩陣,分別是Y的左奇異矢量和右奇異矢量,由YHYHH、YHHYH的特征矢量構成;對角矩陣∑由Hankel矩陣Y的奇異值組成。

在式(4)兩邊同時左乘UH和右乘V,得到包含奇異值的對角矩陣:

其中:

極點對數(shù)M通過矩陣∑確定。比較∑中每個奇異值σi與最大奇異值σmax的比值直至滿足信噪比要求,即可確定M的值。判斷方法為:σi/σmax≈10-p,其中p代表計算精度,默認為采樣數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。M確定后,構造過濾矩陣V′,V′只包含V中M個主奇異值,(M+1)到L較小奇異值舍棄,得到如下式子:

其中,V′1和V′2分別是V′去掉最后一列和第一列得到的,∑′由對角矩陣∑的前M階對應的最大奇異值組成。由此可以推導得出:

根據(jù)式(9)就可以求得極點zi。M和zi確定后,對應的留數(shù)Ri可根據(jù)以下式子算得:

2 無芯標簽結構

多邊形無芯標簽結構如圖1,由兩個梯形組成,梯形腰10 mm,梯形間隔0.5 mm,在梯形上開槽,開槽寬度0.5 mm,開槽間隔0.5 mm,一端封死,這樣就可以形成諧振腔。為了保證兩邊諧振體可以在不同頻率點諧振,開槽時需注意兩邊起始位置不同,左邊凹槽起始位置距邊界0.5 mm,右邊凹槽起始位置距邊界1 mm。

圖1 多邊形無芯標簽結構Fig.1 Structure of polygon chipless RFID tag

圖1所示標簽結構中有8個開槽,在仿真軟件FEKO中用平面波照射該標簽結構,然后觀察散射場,可以清晰地看到8個諧振頻率點。仿真設置在Z負半軸施加的入射平面波,極化方向平行X軸方向,對25 MHz～7 GHz的遠場求解,得到該標簽結構的散射場頻域特性如圖2所示。8個波峰分布在3.5 GHz～6 GHz范圍內,第一個波峰與第二個波峰離得較近,這是由于在邊界的諧振體會存在耦合現(xiàn)象,不過這種現(xiàn)象對標簽的檢測識別影響不大,如果利用此標簽編碼,則可以編碼為11111111,然后通過在既定位置是否開槽來形成其他編碼標簽,在散射場頻域內表現(xiàn)為某個頻率點(允許一定的誤差)是否存在波峰,如圖2中也給出了編碼為11101101的標簽散射場頻域特性,“1”表示在相應位置有開槽,“0”表示在相應位置沒有開槽。

圖2 多邊形標簽散射場頻域特性Fig.2 Frequency scattering field of polygon tag

3 基于極點的標簽識別

對圖2所示的兩種標簽結構的瞬態(tài)響應進行極點提取,其結果如圖3所示,極點個數(shù)對應開槽個數(shù),并且極點所分布的頻率點基本一致。相同極點的位置不能完全重合,這是由于相鄰開槽諧振結構之間有耦合作用,導致衰減因子(亦即留數(shù))不相等。

圖3 標簽極點分布Fig.3 Distribution of poles

根據(jù)圖3中的極點分布,可以對相應標簽進行編碼,而無需用頻域響應來編碼數(shù)據(jù),這樣方便對離散數(shù)據(jù)而非連續(xù)波形進行處理,降低了硬件設施成本。

4 結 語

極點特征是目標識別方式的重要參數(shù),極點提取的準確性會受到目標結構、提取算法、使用環(huán)境等多種因素的影響。本文提出了一種多邊形開槽無芯標簽,在超寬帶平面波照射下,如上文中可以在標簽上改變開槽位置實現(xiàn)不同頻率點諧振進而實現(xiàn)8bit數(shù)據(jù)的多標簽編碼,若是改變標簽的面積可以實現(xiàn)更多位數(shù)據(jù)編碼的標簽,并通過對極點參數(shù)的分析,論證了該標簽作為無芯標簽及其識別方式的可行性。無芯射頻標簽具有低功耗、結構簡單、價格低等優(yōu)點,具有取代條形碼的潛力。后續(xù)研究工作將圍繞環(huán)境因素,如噪聲、將標簽附著在介質上等方面進行研究。

[1] 單承贛,單玉峰,姚磊.射頻識別(RFID)原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

SHAN Cheng-gan,SHAN Yu-feng,YAO Lei.Principle andApplicationofRadioFrequencyIdentification (RFID)[M].BeiJing:Publishing House of Electronic Industry,2008.

[2] PRERADOVIC S,BALBIN I,KARMAKAR N C,etc.ANovel Chipless RFID System based on Planar Multiresonators for Barcode Replacement[C]//2008 IEEE International Conference.Las Vegas:IEEE,2008:289-296.

[3] KALANSURIYA P,KARMAKAR N.Signal Space Representation of Chipless RFID Tag Frequency Signatures [C]//2011IEEEGlobalTelecommunicationsConference.Houston:IEEE,2011:1-5.

[4] 徐利,鄒傳云,陳民等.基于矩陣束算法的極點提取分析[J].通信技術,2012,45(06):58-60.

XU Li,ZOU Chuan-yun,CHEN Min.Analysis on Pole Extraction based on Matrix Pencil Algorithm[J].Communications Technology,2012,45(06):58-60.

[5] GIRBAU G.Time-coded chipless RFID tags:Design, characterization and application[C]//2012 IEEE International Conference.Nice:IEEE,2012:12-17.

[6] VENA A,PARRET E.A fully Printable Chipless RFID Tag with Detuning Correction Technique[J].IEEE JOURNALS&MAGAZINES,2012,22(04):209-211.

[7] MANTECHI M,RAHMAT Y.Frequency Notched UWB Elliptical Dipole Tag with Multi-bit Data Scattering Properties [C]//2007 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Honolulu:IEEE,2007:789-792.

[8] VENA A,PERRET E.A Compact Chipless RFID Tag U-sing Polarization Diversity for Encoding and Sensing [C]//2012 IEEE International Conference.Orlando: IEEE,2012:191-197.

[9] WANG S,GAUN X,WANG D.Application of Matrix Pencil Method for Estimating Natural Resonances of Scatters[J].IET JOURNALS&MAGAZINES,2007,43 (01):3-5.

[10] BLISCHAK A,MANTEGHI M.Embedded Singularity Chipless RFID Tags[J].IEEE JOURNALS&MAGAZINES,2011,59(11):3961-3968.

[11] SARKAR T K,PEREIRA O.Using the Matrix Pencil Method to Estimate the Parameters of a Sun of Complex Exponentials[J].IEEE JOURNALS&MAGAZINES, 1995,37(01):48-55.

LIU Li-sheng(1988-),male,graduate student,majoring in radio frequency identification technology.

鄒傳云(1960—),男,博士、教授,主要研究方向為電路與系統(tǒng)專業(yè);

ZOU Chuan-yun(1960-),male,Ph.D.,professor,mainly working at circuit and system.

黃 俊(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為無線射頻識別技術。

HUANG Jun(1989-),male,graduate student,majoring in radio frequency identification technology.

張 浪(1987—),男,碩士研究生,主要研究方向為戰(zhàn)術網(wǎng)絡組網(wǎng);

ZhangLang(1987-),male,graduate student,mainly engaged in tactical networking.

李大雙(1963—),男,博士,研究員,主要研究方向為戰(zhàn)術網(wǎng)絡組網(wǎng)與路由技術;

Li Da-shuang(1963-),male,Ph.D.,research fellow,mainly engaged in tactical network and routing technology.

毛建兵(1981—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡;

MAO Jian-bing(1981-),male,Ph.D.,senior engineer, mainly engaged in wireless sensor network.

景中源(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向為戰(zhàn)術網(wǎng)絡組網(wǎng).

JING Zhong-yuan(1988-),male,graduate student,mainly engaged in tactical networking.

Polygon Chipless RFID Tags and Its Identification

LIU LI-sheng,ZOU Chuan-yun,HUANG Jun
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

Due to its high price and power demand,traditional chipped RFID tags couldn't be widely used. And thus a new chipless RFID tag based on natural resonant characteristics of conductors is proposed.This tag contains no chip and circuit but contains only a scattering body,and as a result,the cost of tag is substantially reduced.Simulation results indicate that the resonance characteristics of this tag are evident,and tags with different physical parameters resonate at different frequencies,and these features can be used to realize data encoding.Poles extracted by the matrix pencil method can indentify the tag structure,this indicates the feasibility of this tag structure.

chipless RFID tag;MPM;pole

TN92

A

1002-0802(2014)10-1183-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.015

劉利圣(1988—),男,碩士研究生,主要研究方向為無線射頻識別技術;

2014-07-28;

2014-08-28 Received date：2014-07-28;Revised date：2014-08-28

國家自然科學基金(No.61075030)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61075030)