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基于MATLAB仪器控制工具箱的SAW标签阅读器系统设计

时间:06-24 来源:中电网 点击:

 引言

声表面波(SAW)是一种能量集中在固体浅表面传播的弹性波。由于声表面波在介质表面进行换能和传播,所以信息的注入、提取、处理都可以方便地实现。目前声表面波器件主要应用在滤波器、延迟线、振荡器、触摸屏等方面,其中移动通信中的滤波器应用最广泛。基于声表面波技术的传感器也被较广泛的研究。随着信息技术特别是射频识别技术的发展,SAW标签成为声表面波领域的另一个研究热点。SAW标签的独特性使其成为射频识别领域的新生力军。

SAW标签系统

如图1所示,SAW标签系统包括阅读器和射频标签两部分。SAW标签通常是一个单口器件,其包括标签天线、叉指换能器、反射栅以及压电基体。标签天线与叉指换能器电气连接,叉指换能器一方面把标签天线接收的射频信号转换为声波信号,并延基体表面传播出去;一方面把接收到的延基体表面传播的声表面波信号转换为射频信号传输到标签天线。反射栅是一组蚀刻在基体表面的金属指条,其能够反射沿轨迹传播的声表面波信号。在声表面波轨迹上放置多个反射栅并安排不同的位置,则实现了SAW标签的编码。现在可实现的编码方法有脉冲键控编码、脉冲位置编码、相位编码以及脉冲位置和相位组合编码等编码方法。

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图1 SAW-RFID标签系统工作原理

SAW-RFID独特的工作原理,使其与通用的基于IC技术的RF无源标签相比具有不同的特点:首先,在相同情况下,可读取的距离较大;更能在存在液体或金属物品等较恶劣环境下读取;此外,SAW标签是纯无源标签,多个目标标签的辨识只能在阅读器端解决。

SAW标签阅读器系统设计

在阅读器的发射机发射查询信号并在其接收机接收SAW标签信号的过程中,不可避免地要受到各种噪声的干扰而使信号发生一定程度的畸变,使得在阅读器接收机端对回波信号的检测发生困难。噪声是限制检测系统性能的决定性因素。SAW标签信号检测就是从噪声中提取回波信号的过程。

另外电波传播条件的变化、SAW标签的移动以及回波信号通过阅读器接收机等一系列因素,均会导致标签回波信号相位和幅度的变化。且由于信号持续时间总是比载波周期宽得多,因而回波信号时延上不大的变化也归结为相位的变化。因此,回波信号的振幅和相位可都被看作随机变量来处理。在确知信号的检测中,振幅-相位检测系统是最佳的检测系统,这说明信号存在与否的信息既包含在振幅中,也包含在相位中。由信号检测理论,标签回波信号加噪声的相位闂傚倸鍊搁崐鎼佸磹閹间礁纾归柟闂寸绾惧綊鏌熼梻瀵割槮缁炬儳缍婇弻鐔兼⒒鐎靛壊妲紒鐐劤缂嶅﹪寮婚悢鍏尖拻閻庨潧澹婂Σ顔剧磼閻愵剙鍔ょ紓宥咃躬瀵鎮㈤崗灏栨嫽闁诲酣娼ф竟濠偽i鍓х<闁诡垎鍐f寖闂佺娅曢幑鍥灳閺冨牆绀冩い蹇庣娴滈箖鏌ㄥ┑鍡欏嚬缂併劌銈搁弻鐔兼儌閸濄儳袦闂佸搫鐭夌紞渚€銆佸鈧幃娆撳箹椤撶噥妫ч梻鍌欑窔濞佳兾涘▎鎴炴殰闁圭儤顨愮紞鏍ㄧ節闂堟侗鍎愰柡鍛叀閺屾稑鈽夐崡鐐差潻濡炪們鍎查懝楣冨煘閹寸偛绠犻梺绋匡攻椤ㄥ棝骞堥妸鈺傚€婚柦妯侯槺閿涙稑鈹戦悙鏉戠亶闁瑰磭鍋ゅ畷鍫曨敆娴i晲缂撶紓鍌欑椤戝懘鎮樺┑瀣€垫い鎾跺枍缁诲棝鏌曢崼婵堢闁告帊鍗抽弻娑㈡偆娴i晲绨界紓渚囧枦椤曆囧煡婢跺á鐔荤疀閹惧墎楔闂佽桨鐒﹂崝娆忕暦閵娾晩鏁婇悹渚厛閺€銊х磽閸屾艾鈧绮堟笟鈧、鏍礋椤栨稑娈戦梺鍛婃尫閻掞箓锝為弴銏$厵闁硅鍔﹂崵娆戠棯閹冩倯闁逛究鍔岄~婊堝幢濡も偓楠炲姊虹粙娆惧剱闁圭懓娲獮鍐ㄢ堪閸喎娈熼梺闈涱槶閸庮噣宕戦幘璇查敜婵°倓鑳堕崣鍡涙⒑閸濆嫭澶勬慨妯稿姂瀹曟繂顓兼径瀣幍闂佸憡鍔樼亸娆撴倿閸涘﹥鍙忓┑鐘插鐢盯鏌熷畡鐗堝殗鐎规洏鍔嶇换婵嬪磼濞戞瑧鏆梻鍌氬€峰ù鍥х暦閻㈢ǹ绐楅柛鈩冪☉绾惧潡鏌熼幆鐗堫棄缂佺姵鐓¢弻鏇$疀閺囩儐鈧本绻涚粭鍝勫闁哄苯绉烽¨渚€鏌涢幘瀵告噰妞ゃ垺宀搁弫鎰板幢濞嗘垹妲囨繝娈垮枟閿曗晠宕㈤崗鑲╊洸婵犲﹤鎳愮壕濂告煟閹伴潧澧い搴㈢矊椤啰鈧稒蓱閸婃劗鈧鍠楅悡锟犮€佸Δ鍛妞ゆ垼濮ょ€氬ジ姊绘担鍛婅础閺嬵亝绻涢幘顕呮缂侇喖顭烽獮妯尖偓闈涙憸椤旀洟鏌i悩鍙夊巶闁告侗鍘奸悡鍌炴⒑鏉炴壆顦﹂柣妤€锕ョ粚杈ㄧ節閸ヮ灛褔鏌涘☉鍗炴灈婵炲懌鍊濆铏圭矙濞嗘儳鍓梺鍛婃尰缁诲嫰骞戦姀鐘斀闁搞儮鏅濋惁鍫ユ⒑缁嬫寧婀扮紒瀣灥閳诲秹鏁愰崪浣瑰瘜闂侀潧鐗嗙换鎺楀礆娴煎瓨鐓忛柛顐ゅ枑閸婃劖顨ラ悙鎻掓殲缂佸倹甯為埀顒婄到閻忔岸寮查鈧埞鎴︽倷閺夋垹浠搁柦鍐憾閹綊宕堕埡浣锋濠殿喖锕ㄥ▍锝夊箯閻樿鐏抽柧蹇e亞娴滃爼姊绘担钘夊惞闁革綇闄勬穱濠囧炊椤掆偓缁犳煡鏌曡箛鏇炐涢柡鈧禒瀣€甸柨婵嗙凹缁ㄤ粙鏌涙繝鍕槐婵﹥妞藉Λ鍐归妶鍡欐创鐎规洘锕㈡俊鎼佸Ψ椤旇棄鏋犳繝鐢靛Х閺佸憡鎱ㄩ悜钘夋瀬闁告稑锕ラ崣蹇涙煟閹达絾顥夐柡瀣╃窔閺岀喖姊荤€靛壊妲紒鐐礃椤濡甸崟顖氬唨妞ゆ劦婢€缁爼姊虹紒妯虹瑨闁诲繑宀告俊鐢稿礋椤栨氨顔婇梺鐟扮摠缁诲秵绂掗懖鈺冪<闁绘劦鍓欓崝銈嗐亜椤撶姴鍘寸€殿喖顭烽幃銏ゆ偂鎼达綆妲堕柣鐔哥矊缁绘帡寮灏栨闁靛骏绱曢崢浠嬫⒑鐟欏嫬鍔ゆい鏇ㄥ幖鐓ら柟缁㈠枟閻撴瑦銇勯弮鍌滄憘婵炲牊绮撻弻鈩冩媴閻熸澘顫嶉梺璇″灡濡啴宕规ィ鍐╁殤妞ゆ帊鐒﹀▍锕€鈹戦悩鍨毄濠殿噮鍙冮獮蹇涘礃椤旇偐顦ㄥ銈呯箰閸熺増銇欓幎鑺モ拻濞撴埃鍋撻柍褜鍓氱粙鎾诲煘閹烘鐓曢柡鍌濇硶鑲栭梺鐟扮畭閸ㄥ綊鍩為幋鐘亾閿濆簼绨荤紒鎰☉椤啴濡堕崱妯碱槬闂佺懓鍟跨粔鐟扮暦椤愨懡鏃堝川椤旇瀚藉┑鐐舵彧缁蹭粙骞夐敍鍕闁跨喓濮甸悡娆撴煣韫囷絽浜濋悘蹇曟暬閺屽秷顧侀柛鎾磋壘椤繈濡搁敂鑺ョ彿濠德板€撻懗鍫曞煘瀹ュ應鏀介柣妯哄级閹兼劗绱掗悩鍨殌闂囧鏌ㄥ┑鍡欏闁逞屽厸缁瑦淇婇幖浣哥厸闁稿本绮屽鎶芥⒒娴e憡鎯堥柛鐔哄█瀹曟垿骞樼紒妯煎幈闁硅壈鎻槐鏇㈡晬瀹ュ洨纾奸弶鍫氭櫅娴犺鲸顨ラ悙鏉戠瑨閾绘牕霉閿濆懎绾ч悗姘矙濮婄粯鎷呴崨闈涚秺瀵敻顢楅崟顒€浠梺闈浥堥弲娑氱矆閸屾壕鍋撻崗澶婁壕闂佸憡娲﹂崜娑㈠储閻㈠憡鈷戦柟顖嗗嫮顩伴梺绋款儏閹冲酣鎮惧畡鎵殕闁逞屽墴閸┾偓妞ゆ帒鍠氬ḿ鎰箾閸欏鐭掔€殿噮鍋嗛幏鐘差啅椤斿吋顓垮┑鐐差嚟婵挳顢栭幇鏉挎瀬闁搞儺鍓氶悡鐔兼煙闁箑寮鹃柛鐔风箻閺屾盯鎮欓崹顐f瘓濠殿喖锕︾划顖炲箯閸涘瓨鍤嶉柕澹讲鍋撴繝鍥ㄢ拺闂傚牃鏅濈粔鍓佺磼閻樿櫕宕岄柣娑卞枦缁犳稑鈽夊▎鎰仧闂備浇娉曢崳锕傚箯閿燂拷...的概率密度为

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根据以上分析,设计的SAW标签阅读器系统如图3所示。主要分为射频发射通道、射频接收通道、数据采集/处理模块以及天线等几部分。在射频发射通道,首先由频率合成器产生固定的载频信号,而后经射频开关调制,变为射频脉冲信号,最后经过带通滤波和功率放大后经天线发射出去。发射通道中射频开关的隔离度是一个关键因素,如果隔离度不够高,会影响发射的射频脉冲质量,从而影响接收信号;在接收回波时,还会引起串扰。本系统中通过采用多个射频开关组合方式,使信号隔离度达到70dB。

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图2 回波信号的相位检测系统框图

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图3 阅读器硬件原理框图

标签的回波信号通常非常微弱,为了提高信噪比,通常采用相位估计方法来检测回波信号。在射频接收通道,回波信号经过低噪声放大器、带通滤波器、对数放大器、I/Q解调等部分,得到正交的I和Q两项输出信号。为了正确辨识标签编码,对输出的I/Q两路信号同时进行模拟数字转换。本系统中工作频率为433MHz,射频脉冲宽度为100ns~200ns,为了正确识别标签编码,需要不低于20MHz的采样频率来进行A/D转换。

MATLAB采集系统实现及试验

由上文分析可知,要想正确识别SAW标签的编码,在进行A/D变换时,需要采样频率20MHz以上,而如果要进行多标签的防冲突识别,需要的采样频率会更高。目前,国内超高速A/D采集系统应用相对较少、价格昂贵,而高速A/D采集电路设计复杂、开发调试硬件周期长。现在使用的数字示波器通常都有几百兆到GHz的采样频率,且绝大部分都支持不同的数据传输协议。MATLAB作为一款科学计算软件,在研究算法和数据处理中经常使用。而MATLAB的仪器控制工具箱则提供了示波器和MATLAB软件之间的连接通道。从而解决了实验

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