基于CIDT的聲表面波標(biāo)簽防碰撞編碼設(shè)計(jì)

黃鴻偉, 陳智軍, 鐘悅蕓, 朱衛(wèi)俊, 徐輔慶

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106；2. 中電科技德清華瑩電子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

對(duì)于采用聲表面波(SAW)標(biāo)簽的無(wú)線傳感系統(tǒng)，當(dāng)閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽時(shí)，各個(gè)標(biāo)簽產(chǎn)生的回波信號(hào)會(huì)發(fā)生混疊，以致難以區(qū)分并獲取各標(biāo)簽信息，即出現(xiàn)標(biāo)簽碰撞問(wèn)題[1-3]?，F(xiàn)有基于空分多址[1,4]、時(shí)分多址[1,5]等原理的SAW標(biāo)簽防碰撞解決方案，但都存在一定的限制條件：空分多址方案對(duì)標(biāo)簽與閱讀器的空間位置有明確要求；時(shí)分多址方案必須增大標(biāo)簽尺寸才能增加防碰撞標(biāo)簽的數(shù)量。

本文采用基于相關(guān)叉指換能器(CIDT)的SAW標(biāo)簽來(lái)解決碰撞問(wèn)題。通過(guò)對(duì)普通IDT的叉指對(duì)極性進(jìn)行相位編碼調(diào)制得到CIDT[6]。針對(duì)基于CIDT的SAW標(biāo)簽，設(shè)計(jì)防碰撞相位編碼是實(shí)現(xiàn)防碰撞功能的首要環(huán)節(jié)。本文基于具有較優(yōu)自相關(guān)或互相關(guān)性能的偽隨機(jī)碼Gold序列與Walsh序列分別設(shè)計(jì)了兩組防碰撞相位編碼;建立了CIDT的δ函數(shù)模型，對(duì)CIDT輸出的SAW信號(hào)進(jìn)行仿真以驗(yàn)證編碼的防碰撞性能，并分析了相位編碼的自相關(guān)與互相關(guān)特性對(duì)SAW標(biāo)簽防碰撞性能的影響程度。

1 防碰撞原理

通過(guò)對(duì)IDT的叉指對(duì)極性進(jìn)行相位編碼調(diào)制得到CIDT，如圖1所示。圖中，IDT的4對(duì)叉指極性相同，為{+,+,+,+}；CIDT的各叉指對(duì)極性隨相位編碼{1,1,-1,-1}的變化而變化，為{+,+,-,-}。

圖1 CIDT調(diào)制原理

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)作用于CIDT時(shí)，基于δ函數(shù)模型的基本思想，通過(guò)壓電效應(yīng)產(chǎn)生SAW的近似響應(yīng)過(guò)程如圖2所示。極性為‘+’的叉指對(duì)產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)一致的SAW響應(yīng)信號(hào)，極性為‘-’的叉指對(duì)產(chǎn)生與激勵(lì)信號(hào)相位相差180°的SAW響應(yīng)信號(hào)，最終的輸出響應(yīng)為4對(duì)叉指產(chǎn)生SAW信號(hào)的線性疊加。

圖2 激勵(lì)信號(hào)作用于CIDT的近似響應(yīng)過(guò)程

設(shè)圖2中激勵(lì)信號(hào)的相位編碼為x(n)，CIDT的相位編碼為y(n)。由圖2可得，CIDT的SAW響應(yīng)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中N為相位編碼位數(shù)。

任意兩個(gè)編碼s1(n)、s2(n)的相關(guān)函數(shù)的定義如下：

(2)

式(1)與式(2)一致，因此,可用激勵(lì)信號(hào)與CIDT相位編碼的相關(guān)函數(shù)來(lái)近似描述CIDT響應(yīng)。

由圖2可知，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)編碼{1,1,-1,-1}與CIDT編碼{1,1,-1,-1}匹配時(shí)，發(fā)生自相關(guān)響應(yīng)，產(chǎn)生大幅值尖峰信號(hào)，自相關(guān)峰值幅度(SPA)為4，自相關(guān)旁瓣幅度(SSA)為2。激勵(lì)信號(hào)編碼{1,-1,1,-1}與CIDT編碼{1,1,-1,-1}不匹配時(shí)發(fā)生互相關(guān)響應(yīng)，產(chǎn)生小幅值雜峰信號(hào)，互相關(guān)峰值幅度(CPA)為1。因此，根據(jù)自相關(guān)與互相關(guān)響應(yīng)特點(diǎn)，有可能從混疊的多個(gè)CIDT輸出SAW信號(hào)中分辨出與激勵(lì)信號(hào)編碼匹配的CIDT的響應(yīng)信號(hào)。

2 防碰撞編碼搜索

2.1 搜索原理

通過(guò)自相關(guān)主旁瓣比(PSR)與自互相關(guān)峰值比(PPR)來(lái)表征編碼的自、互相關(guān)性能。針對(duì)某個(gè)編碼，PSR為該編碼自相關(guān)響應(yīng)的最大峰值SPA與次大峰值SSA的比值，PSR越大，自相關(guān)性能越好。針對(duì)某對(duì)編碼，設(shè)其自相關(guān)響應(yīng)最大峰值分別為SPA1與SPA2，編碼之間的互相關(guān)響應(yīng)最大峰值為CPA，取SPA1與SPA2中的最小值為SPA，PPR即為SPA與CPA的比值，PPR越大，互相關(guān)性能越好。本文以從混疊信號(hào)中分辨出匹配標(biāo)簽的CIDT輸出SAW信號(hào)的難易程度來(lái)判斷標(biāo)簽的防碰撞性能。通常由圖2可以近似估計(jì)，PSR與PPR越大，防碰撞性能越好。

雖然可以采用窮舉法搜索滿足PSR與PPR均足夠大的相容碼組，即該組編碼內(nèi)所有編碼的PSR均大于某個(gè)值，以及所有編碼兩兩之間的PPR均大于另外某個(gè)值，但隨著編碼的位數(shù)增加，需要窮舉的數(shù)量劇增，效率低下，故只能對(duì)位數(shù)較少的編碼進(jìn)行搜索。然而，因位數(shù)較少，導(dǎo)致搜索得到的相容碼組所含編碼數(shù)量稀少，且位數(shù)越少，自相關(guān)與互相關(guān)性能越差。

為解決上述問(wèn)題，本文在偽隨機(jī)碼的基礎(chǔ)上搜索防碰撞編碼。偽隨機(jī)碼類似白噪聲序列，其具有一定的隨機(jī)性，因此，在一定程度上也具有類似于白噪聲較優(yōu)的自相關(guān)與互相關(guān)性能[7]，從中搜索相容碼組的效率更高。偽隨機(jī)碼中的Gold序列與Walsh序列因其各具特色的相關(guān)性能，在無(wú)線通訊領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]，因此，本文在Gold序列與Walsh序列的基礎(chǔ)上搜索防碰撞編碼。鑒于8個(gè)防碰撞標(biāo)簽滿足當(dāng)前大部分的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，因此，本文擬搜索得到的防碰撞編碼數(shù)量即相容碼組所含序列數(shù)約為8個(gè)。

2.2 基于Gold序列搜索

Gold序列是兩個(gè)m序列的模2和。m序列的位數(shù)與數(shù)量都為2r-1，其中r是用來(lái)產(chǎn)生m序列的移位寄存器的階數(shù)。Gold序列的位數(shù)仍為2r-1，但由于選擇不同的m序列對(duì)可產(chǎn)生不同的Gold序列，因此,Gold序列數(shù)量遠(yuǎn)多于m序列。

鑒于Gold序列的自相關(guān)性能較好，為提高搜索效率并增強(qiáng)防碰撞性能，本文選擇從PSR>5.5的63位Gold序列中搜索相容碼組。首先通過(guò)式(2)計(jì)算各個(gè)Gold序列的自相關(guān)響應(yīng)，根據(jù)PSR是否大于5.5進(jìn)行篩選，得到滿足要求的43個(gè)Gold序列，然后計(jì)算出43個(gè)序列兩兩之間的PPR，如圖3所示。圖中，對(duì)角線上的43個(gè)小方塊表示序列的PSR，非對(duì)角線上的小方塊表示序列之間的PPR。由圖可知，Gold序列間的PPR大部分大于3，但均小于5，因此，雖然其自相關(guān)性能較好，但互相關(guān)性能一般。

圖3 43個(gè)PSR>5.5的63位Gold序列的PSR與PPR

對(duì)上述43個(gè)Gold序列采用深度優(yōu)先搜索(DFS)算法[9]來(lái)搜索序列間PPR>3的相容碼組，可獲得含有8個(gè)序列的相容碼組，如表1所示。為便于描述，本文將序列中的-1視作0，并采用十六進(jìn)制描述。如表1中的序列0x7A36E78B9482D11D表示{1 1 1, 1 -1 1 -1,-1 -1 1 1,-1 1 1 -1,1 1 1 -1,-1 1 1 1,1 -1 -1 -1,1 -1 1 1,1 -1 -1 1,-1 1 -1 -1,1 -1 -1 -1,-1 -1 1 -1,1 1 -1 1,-1 -1 -1 1,-1 -1 -1 1,1 1 -1 1 }。

表1 63位Gold序列中PSR>5.5、PPR>3的相容碼組

2.3 基于Walsh序列搜索

Walsh序列是一種典型的正交序列，其序列兩兩之間相互正交，即任意兩個(gè)Walsh序列x(n)、y(n)滿足如下關(guān)系：

(3)

Walsh序列可由Matlab自帶的Hadamard函數(shù)產(chǎn)生，其位數(shù)與數(shù)量都為2t，其中t=1,2,3,…。為使從Walsh序列與Gold序列搜索出的相容碼組具有可比性，兩組序列的位數(shù)應(yīng)盡量一致，故本文選擇Walsh序列的位數(shù)為64位。計(jì)算出這64個(gè)Walsh序列的PSR和兩兩之間的PPR，如圖4所示。由圖可知，Walsh序列的PSR都接近于1，自相關(guān)性能較差。除個(gè)別Walsh序列間的PPR較小外，大部分PPR遠(yuǎn)大于3，互相關(guān)性能較好。

圖4 64位Walsh序列的PSR與PPR

對(duì)上述64個(gè)Walsh序列采用DFS算法來(lái)搜索序列之間PPR>8的相容碼組，可獲得含有8個(gè)序列的相容碼組，如表2所示。PPR的篩選標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致相容碼組的序列數(shù)量過(guò)少，反之會(huì)降低標(biāo)簽的防碰撞性能，因此折衷選擇PPR>8作為篩選標(biāo)準(zhǔn)。

表2 64位Walsh序列中PPR>8的相容碼組

3 CIDT建模

前文基于δ函數(shù)模型的基本思想得到了CIDT近似響應(yīng)信號(hào)(見(jiàn)式(1))，并且鑒于其與相關(guān)函數(shù)的一致性，通過(guò)相關(guān)函數(shù)搜索獲得了兩組防碰撞相位編碼。但式(1)過(guò)于理想，不能完整地反映CIDT響應(yīng)的細(xì)節(jié)。因此，本節(jié)擬建立較精確的CIDT的δ函數(shù)模型。

選取切型為歐拉角(0°，90°，90°)的鈮酸鋰單晶作為SAW標(biāo)簽的壓電基底，自由表面SAW相速度vs=3 488 m/s。標(biāo)簽中心頻率f0=433 MHz時(shí)，SAW波長(zhǎng)λ=8.06 μm。取IDT的電極寬度與間距均為λ/4。

設(shè)激勵(lì)信號(hào)(角頻率ω=2πf0)的交變電壓為Vexp(jωt)，并在后面的敘述中省略exp(jωt)。此時(shí)，IDT上輸入的平均功率[10]為

(4)

式中：W為IDT的孔徑寬度；Re()為取實(shí)部；*為取共軛；Ψ(x)為位置x處的電極電勢(shì)；σ(x)為位置x處的表面電荷分布函數(shù)。

(5)

將式(5)代入式(4)并化簡(jiǎn)可得：

(6)

其中

(7)

引入表面有效介電常數(shù)ε(s)[11]：

(8)

將式(8)代入式(6)可得

(9)

在s=±s0=±1/vs處，有ε(s)=0，因此，式(9)的積分有兩個(gè)極點(diǎn)。根據(jù)留數(shù)定理，這兩個(gè)極點(diǎn)對(duì)積分的貢獻(xiàn)[12]可寫成：

(10)

對(duì)于IDT上輸入的平均功率P，其中一部分即式(10)中的Ps轉(zhuǎn)化為SAW的功率，另外一部分則轉(zhuǎn)化為其他波動(dòng)模式的功率。

IDT上激發(fā)出的SAW沿?fù)Q能器左、右兩個(gè)方向傳播。假設(shè)換能器向其中一個(gè)方向輻射的聲振動(dòng)為u1，向另一個(gè)方向輻射的聲振動(dòng)為u2，則Ps還可表示為

例1～例4“勿”都修飾謂語(yǔ)，可見(jiàn)“勿”的用法在兩部文獻(xiàn)中無(wú)太多差別，例1和例2“勿”后的動(dòng)詞“令”接賓語(yǔ)“煙”，“示”接賓語(yǔ)“人”，“先秦時(shí)期，禁止性否定副詞‘勿’后動(dòng)詞、介詞一般不出現(xiàn)賓語(yǔ)。至遲到東漢，‘勿’后動(dòng)詞或介詞已經(jīng)完全不受是否接賓語(yǔ)的限制了?！盵8] 相對(duì)而言“勿”在北方使用頻率更大。

(11)

式中Zc為聲阻抗，與頻率成反比。

對(duì)比式(10)、(11)，得到u1、u2與電荷分布σ(x)的關(guān)系式：

(12)

IDT通過(guò)交變電壓V激發(fā)SAW的u1的傳遞函數(shù)為

(13)

對(duì)于中心位置在x0=0處的單個(gè)叉指電極，當(dāng)施加V時(shí)，其電荷分布[13]為

(14)

式中：a=1/2為叉指電極相對(duì)于叉指周期的歸一化寬度；Pn(x)為n階勒讓德函數(shù)。

(15)

式中n,t分別為kλ/(4π)的整數(shù)部分與小數(shù)部分，即

(16)

設(shè)第l個(gè)電極的中心位置在xl。若只對(duì)第l個(gè)電極施加V，根據(jù)傅里葉變換的平移定理，可得此時(shí)電荷的波數(shù)譜：

(17)

式(17)即任意位置處單個(gè)電極的電荷分布?；讦暮瘮?shù)模型，各個(gè)電極相互獨(dú)立且互不影響，而IDT由一系列電極組成，因此，通過(guò)對(duì)上述電荷的波數(shù)譜線性疊加，可以得到IDT的電荷波數(shù)譜：

(18)

式中wl為第l個(gè)電極的加權(quán)，若該電極施加正電壓，wl=1；反之，wl=-1。

將式(18)代入式(13)，得到由多個(gè)電極構(gòu)成的整個(gè)IDT的傳遞函數(shù)：

(19)

由式(19)可知，只需要根據(jù)CIDT的相位編碼決定wl的取值，即可得到CIDT的傳遞函數(shù)。以表2中編號(hào)為1的Walsh序列0x9999999999999999為例，圖5為以該序列進(jìn)行相位編碼調(diào)制的CIDT的傳遞函數(shù)頻譜。與之對(duì)應(yīng)，以該序列進(jìn)行相位編碼調(diào)制的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)傅里葉變換的頻譜如圖6所示。若按照CIDT近似響應(yīng)的式(1)，CIDT的傳遞函數(shù)與對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)頻譜基本一致?；讦暮瘮?shù)模型的CIDT傳遞函數(shù)(見(jiàn)式(19))更精確，因此，圖5、6具有明顯不同的頻譜。

圖5 CIDT的傳遞函數(shù)頻譜

圖6 與CIDT對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)頻譜

4 防碰撞性能分析

4.1 基于Gold序列編碼

以Gold序列0x7A36E78B9482D11D(見(jiàn)表1中編號(hào)1)作為激勵(lì)信號(hào)的相位編碼為例，SAW響應(yīng)信號(hào)的防碰撞仿真結(jié)果如圖7所示。首先仿真只存在一個(gè)SAW標(biāo)簽且其CIDT相位編碼與激勵(lì)信號(hào)匹配的情況：根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的相位編碼獲得激勵(lì)信號(hào)經(jīng)傅里葉變換的頻譜，與此同時(shí)建立相應(yīng)的CIDT傳遞函數(shù)，將激勵(lì)信號(hào)頻譜與CIDT傳遞函數(shù)相乘得到SAW響應(yīng)信號(hào)的頻譜，并對(duì)響應(yīng)信號(hào)頻譜進(jìn)行逆傅里葉變換(IFFT)運(yùn)算轉(zhuǎn)換到時(shí)域，如圖7(a)所示。由圖7(a)可知，只存在一個(gè)與激勵(lì)信號(hào)匹配的SAW標(biāo)簽時(shí)，SAW響應(yīng)信號(hào)存在明顯的單個(gè)尖峰，且其幅值較大，其原因是Gold序列相容碼組的PSR>5.5，具有較優(yōu)的自相關(guān)性能。

圖7 基于Gold序列編碼的SAW響應(yīng)信號(hào)防碰撞仿真

模擬存在其他7個(gè)SAW標(biāo)簽，其CIDT相位編碼與激勵(lì)信號(hào)均不匹配的情況：激勵(lì)信號(hào)的相位編碼仍為0x7A36E78B9482D11D，以表1中編號(hào)為2、3、4、5、6、7、8的Gold序列作為7個(gè)SAW標(biāo)簽的CIDT相位編碼，分別建立相應(yīng)的CIDT傳遞函數(shù)，并與激勵(lì)信號(hào)頻譜相乘，得到7個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的SAW響應(yīng)信號(hào)頻譜，經(jīng)IFFT轉(zhuǎn)換到時(shí)域后7個(gè)SAW響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行疊加，如圖7(b)所示。圖7(b)的響應(yīng)信號(hào)存在多個(gè)雜峰，但與圖7(a)中的單個(gè)尖峰幅值相比，多個(gè)雜峰的幅值并不算小，其原因是Gold序列相容碼組的PPR<5，互相關(guān)性能一般。

之后模擬8個(gè)SAW標(biāo)簽都存在的情況：激勵(lì)信號(hào)仍保持不變，表1中的8個(gè)Gold序列作為8個(gè)標(biāo)簽的CIDT相位編碼，建立8個(gè)CIDT的傳遞函數(shù)并分別與激勵(lì)信號(hào)頻譜相乘以得到8個(gè)標(biāo)簽的SAW響應(yīng)信號(hào)頻譜，再在時(shí)域進(jìn)行疊加，如圖7(c)所示。圖7(c)存在多個(gè)雜峰，與圖7(b)相似，并不存在幅值明顯高于雜峰的單個(gè)尖峰，表明匹配標(biāo)簽的SAW響應(yīng)信號(hào)完全被非匹配標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)淹沒(méi)，無(wú)法從混疊信號(hào)中分辨出來(lái)。

采用表1中其他編號(hào)的Gold序列作為激勵(lì)信號(hào)的相位編碼，仿真結(jié)果與圖7類似，表明基于Gold序列編碼的CIDT不具備良好的防碰撞性能。

4.2 基于Walsh序列編碼

以Walsh序列0x9999999999999999(見(jiàn)表2中編號(hào)1)作為激勵(lì)信號(hào)的相位編碼為例，采用與4.1節(jié)相同的分析步驟，SAW響應(yīng)信號(hào)的防碰撞仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8(a)可知，即便只存在一個(gè)與激勵(lì)信號(hào)匹配的SAW標(biāo)簽時(shí)，SAW響應(yīng)信號(hào)也并非基于Gold序列編碼如圖7(a)所示的單個(gè)尖峰，其原因是Walsh序列相容碼組的PSR接近1，自相關(guān)性能較差。圖8(a)雖然雜峰很多，但各雜峰呈規(guī)律性分布，其幅值包絡(luò)為明顯的山峰狀圖形，且主峰位于中間，因而便于通過(guò)信號(hào)處理獲取標(biāo)簽信息。圖8(b)的響應(yīng)信號(hào)存在多個(gè)分布不規(guī)律的雜峰，且雜峰幅值比圖8(a)的主峰幅值小很多，其原因是Walsh序列相容碼組的PPR>8，具有很好的互相關(guān)性能。圖8(c)與圖8(a)相比幾乎無(wú)變化，表明非匹配標(biāo)簽引入的噪聲不大，可以從混疊信號(hào)中分辨出匹配標(biāo)簽的SAW響應(yīng)信號(hào)。

圖8 基于Walsh序列編碼的SAW響應(yīng)信號(hào)防碰撞仿真

采用表2中其他編號(hào)的Walsh序列作為激勵(lì)信號(hào)的相位編碼，仿真結(jié)果與圖8類似，表明基于Walsh序列編碼的CIDT具有良好的防碰撞性能?；贕old序列、Walsh序列的兩組相位編碼具有不同的防碰撞性能，其原因可能是與自相關(guān)相比，序列的互相關(guān)對(duì)基于CIDT的SAW標(biāo)簽的防碰撞性能起著更關(guān)鍵的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析CIDT防碰撞原理的基礎(chǔ)上，基于Gold序列與Walsh序列設(shè)計(jì)了兩組聲表面波標(biāo)簽的CIDT相位編碼。建立了CIDT的δ函數(shù)模型，對(duì)CIDT的防碰撞性能進(jìn)行了分析?；贕old序列編碼的CIDT防碰撞性能較差，基于Walsh序列編碼的CIDT具有良好的防碰撞性能，表明編碼的互相關(guān)對(duì)CIDT的防碰撞性能比自相關(guān)更重要。