声表面波射频标签回波时延的精确确定方法
技术领域：
本专利涉及编码式声表面波(SAW)射频标签技术，具体地说，涉及利用载波相位 信息并结合群时延测量精确确定回波时延的方法，包括测量在未知温度下进行时作必要 的温度补偿。
背景技术：
上世纪90年代，在科研机构和企业界掀起了一股研发和使用射频标签(RFID)的热 潮。声表面波(SAW)射频标签属于射频识别技术的分类之一，是有别于IC芯片识别的 无源、无芯片的新型非接触自动识别技术。它是应用现代电子学、声学、半导体平面工 艺技术和雷达及信号处理技术的系统新成就。SAW技术实现的射频标签的主要特点是
a. SAW器件本身工作在射频频段且工作时不需要电源；
b. 读取范围大且可靠，可达数米或更多； C.可在金属和液体产品上读取；
d. 可用于识别速度达300千米/小时的高速运动物体；
e. 可在强辐照，或高、低温，如-100或+300'C等恶劣环境条件下使用； 在RFID的典型应用，例如物流管理、畜牧业管理、路桥收费系统中，要求每件
物品、动物或汽车上必须贴装具有唯一编码的标签，因此要求标签的编码容量必须足够 大。根据EPC标准，往往需要达到64位甚至96位编码，以实现全球任意项目有单一 标签号码的要求。由于声表面波RFID大多采用反射型延迟线结构，即利用叉指换能器 与各反射栅之间的不同距离形成反射信号串，从而确定其编码。各反射栅可以排列于一 行，也可排在多个通道。往往需要在有限尺寸的压电基片上尽量增加反射栅数量，以分 别表示不同编码状态。但由于受到无线电管理相关法规对射频信号带宽的限制，SAW 标签中叉指换能器和反射栅之间的距离以及反射栅之间的间距均不能太小，否则将使得 反射信号拥挤在一起，形成码间串扰，无法进行解码。
通常，两个反射回波之间的时延用来决定SAW标签的温度变化和编码码值。为要 提高编码容量必须大大增大对该时延的确定精度。利用载波相位信息可以使位置分辨率 从几个波长提高到声表面波波长的几十分之一的数量级。但待测的时延值往往远大于时
间周期，测定到的相位值只是时延中的小数部分，而时延值中载波信号周期的个数，即 时延的整数部分则有待确定，也就是说，这是因为相位延迟存在有360。模糊性的缘故。 此外，时延数值随实际环境温度而变，尤其是对于SAW标签制作在高温度系数压电材 料上的情况。这些因素都造成精确确定时延的困难。
经对现有技术文献的检索发现，文献[Maximum Accuracy Evaluation Scheme for Wireless SAW Delay Line Sensors, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics， and Frequency Control, vol. 55, no. 7, 2008, pp. 1640-1652.]提到了几种解决反射型延迟线声表 面波无线传感器360。模糊性的方法。该方法主要利用二或三个已知位置的反射栅作为参 考，使得人为构造出的时延相位差变化在整个传感器的工作范围内不超过360。。但在确 定SAW标签回波时延时，本身就需要通过精确确定反射回波时延从而判定反射栅所在 的位置，因此在每条反射栅与参考反射栅距离无法确定的情况下，无法直接获得时延的 载波周期的整数个数。
美国RFSAW公司申请的美国专利US6966493，提出了采用脉冲位置结合相位调制 的确定标签回波位置的方法，提出在相邻脉冲之间的利用四种正交的相位提高时延分辨 率，但该方法(1)未考虑温度影响。当一个反射信号的载波相位设计时具有(+I,-Q) 的第四象限，经过设计、标签制作以及实际解调等过程，解调得到的相位无论如何都不 能超出第四象限范围，否则就会导致标签解码错误。而标签工作温度的改变，往往使反 射信号的所有实测相位都偏离设计值。随着温度范围的增加，导致实测相位超出第四象 限是在所难免的，因此必须进行温度补偿。(2)未提出时延确定的具体实施方法。在搜 索时延的整数部分时只能在有限的范围内进行。这个范围恰如其分时，才能真正大幅度 提高回波时延分辨率。(3)设计时对回波时延的限制是本方法中的关键环节，该限制所 用的数值大小对整个系统的性能起着决定性的作用。该参量过大则同一系统所具有的异 码容量将大大降低，减小了本方法的优越性；该参量过小会引起确定的时延整数值的不 唯一性，致使系统损失工作的可靠性。
发明内容
为了解决上面讨论的现有技术的不足，本发明提供了一种在未知测量温度下利用相 位信息，对声表面波射频标签精确确定反射脉冲时延的方法。从而使在一定温度范围内 在有限基片面积上进行大容量的编码和解码成为可能。
声表面波射频标签的回波中各反射脉冲的形状基本一致，所以各反射脉冲之间的时
延确实可以有相当精确的值。用中心频率下的传播相位来对它进行度量，以下用'相时
延'来表述，其单位为周期，其小数部分乘以360即为相位。
一种声表面波射频标签回波时延的精确确定方法，包括以下主要内容
第一，测量相位可以获得很高的时延分辨精度，但存在有360度模糊性，需要确定
其整数部分才能完全确定该相时延。为了解决相位360度模糊性，除相位外还测量群时
延，从而给出相时延整数的一个搜索范围。在设计相时延的时候设定某些限制，借助于
该限制条件，在群时延的搜索范围中可以获得唯一的精确位置。该限制条件为设定一
个参量」m在标准温度下将每一个反射脉冲可能的时延分成多个等大小的区间，每个 区间只有中心位置附近是允许的设计时延，在该区间内的其他位置不允许存在反射脉
冲。譬如，第m个时延区间^"w的中心位置为时延"附，其小数部分对应的相位是&。
考虑到实际情形中总有一定的误差，所以所允许的设计时延也有一个狭窄的范围wwi
5伊，^p的值取决于实际系统的误差。见图2。为了看得清楚，图2中把土5p的范围 相对扩大了。参量」w可以分离为整数部分和小数部分」w-」iV-4^于是相邻区域的 相位值之间相差^p。 <^+/-《^=ap。这样就形成一些事先给定的时延与相位之间的约束 条件，具体可以用」伊和ziiV (或」")来表示。在群时延的误差范围内，符合所测得相
位值的时延有一系列的可能值，这些可能值之间相互相差1或1的整数倍。^ 值确定 得恰当时，这一系列可能值中只有一个落在设计允许的范围中。
第二，设计时设定的限制条件是针对某一特定标准温度下的，而实际测量时的温度 不一定是标准温度，因此本方法还包括在未知温度下所进行的温度补偿。主要包括两个 步骤(1)通过在标准温度下已知时延的l-2个反射栅间隔，从其反射脉冲相位测量温 度或温度时延系数。由于标准温度下的时延已知，不需要寻求时延的整数部分，通过所 测得的相位就可以精确确定其相时延。该相时延与标准温度下已知的相时延之间的比例 就可以得到温度时延系数；(2)根据未知温度r下同时测量第z'个脉冲的群时延"g,和 相位;^,来确定该温度r下的精确相时延。相时延的小数部分就是所测的相位;^,。但由 于群时延测量存在一定的误差，只能在其误差范围内寻找真实的相时延，获得一系列可 能的相时延值"a，见图3a。然后经过温度补偿，将每一个可能的相时延值",，t，转化为 对应的标准温度下的时延，有一系列可能的相时延值"a ^T",见图3b。按预定约束条 件所设计的该反射脉冲，经温度变化后的时延值必是这一系列可能的值中的一个。经过 温度补偿后返回到原始设计值，这个相时延必会正好落在
图1中某个 土5p的范围内，
如图3b所示。由于温补系数在数值上非常接近l，而这一系列的时延值之间的差仍是1 的数量级，相位变化不很大。在一个区间内只有一个 f ^p的狭窄范围是可能的设计， 所以除了所找到的相时延，其它的可能值都不会落入"mi^p的范,。当越出」^的区 间后，由于」^的值远大于因整数值的温度补偿所引入的小数变化，这些"aO^J值也 不会落入相邻的或区间中的《伊或^p范围。由于相位的360 度重复性，相隔几个区间(设为y个)后，^"的值会回到原来的^值附近。这时还存
在可能的wa rr^值，就很有可能落入该区间的^力土^^的范围中。但如果我们采用 的dW的值不太小，当以上情况发生时，相应的整数差/X」iV己经远超过群时延的误
差范围，也就是说，所测量到的群时延否定了这种情况发生的可能性。这样就保证了温 度补偿后所获得的时延的唯一性。
由以上讨论可以看出，」"(」p和dA0数值的选取非常重要。 一方面从系统的相 位误差分布及群时延误差分布计算，(^p和」A0数值的选取要保证发生误码的几 率小于系统可靠性的要求;另一方面，(/1p和zlA0数值的选取也要使4"绝对值 尽量小，从而在反射栅可能的时延空间中获得最大的异码
应用本发明的方法可以在满足系统可靠性的条件下，在基片长度有限的声表面波射 频标签上设计最大的异码数量。从效果看本发明与美国专利相比，美国专利US6966493 只提出了四象限的限制，而本发明方法阐明了基本原理及要点，使人们可以根据具体系 统的误差分布来决定设计的限制，对许多实际系统而言，事实上可以选择所用的参量具 有比美国专利US6966493好得多的系统优越性,而且在实际工作温度有异于设计温度的 情况下本方法仍适用。
附图及说明
图1是声表面波射频标签的查询原理；
图2是按群时延测量精度划分约束时延的原理图3是时延测量的原理。其中(a)是未知温度下群时延估计后确定出的可能的若 干情况；(b)是温度补偿后如何利用群时延与相位之间的约束关系找到模糊的相延迟整数 部分。
具体实施例方式
如图i所示，在未知的rc下，通过阅读器io发出査询信号20，得到声表面波射
频标签40的应答响应30，在信号频带之外的频率补零以提高时域分辨率。然后做逆傅
立叶变换得到时域的信号。加时域窗口分割出各个回波脉冲，再对每个分割出的回波l;1c 冲做傅立叶变换求出对应中心频率处各个脉冲的相位，求得各脉冲相位与参考脉冲的相 位差以及各个编码脉冲信号的群时延。利用所述已知位置反射栅的参考脉冲101、 102、 103之间的固定时延作为比较标准，该时延在标准温度To下的值是事先给定的，设为 noOV。进行测量时，首先将作为标准用的时延 f7)(譬如说，第一个反射脉冲到第二 个反射脉冲之间的时延)测得，如果材料的延时温度变化是预知的，即/Y7)="0(X)/ fl(7V 为己知，就可以得到温度r。如果材料的延时温度变化不知道，仍可以用已经得到的/>(7) 对其他的时延进行温度补偿。对于所有其他待测的时延，只要测量得到时延值w^7)的值， 就可以根据r(7)的值进行修正，从而获得在标准温度下的时延 f7V。
为了得到nof"，应该对事先给定的标准温度To下的值no「oM乍一定的限制。根据 实际应用的温度范围，合理选择n0 ^b〗数值，使其在整个温度范围内的变化不超过士0.5 (以中心频率下的时间周期为单位)。这样nom的整数部分就恒等于no"o〗的整数部分。 根据所测的相位就可以确定nof"，从而确定温度修正比例吖T〗及温度T。
对于其他的时延值n,m，在解码时并不知道其整数部分。所以，除了测量该相位 ph,卩j外，还要另外测量其群延时ng,丫"，作为补充信息。取其整数部分加上测量到的 相位ph,〖"，用已经得到的温度补偿比例返回去求r^To〗。所测到的相位值是比较准的， 但所测量到的群延时ng,m的误差一般比较大，与相延时的整数部分的真值可能相差一 个不很大的整数(以中心频率下的时间周期为单位)。
为确定这个未知的整数，在设计标签时需要事先设置好群时延与相位之间的关联关 系。如图2所示，根据群时延测量分辨率把所有的时延值分成许多区间，每个编码与一
个区间相对应，例如范围A 与编码m相对应。设计声表面波射频标签时把反射栅 的时延位置安放在这个区间的中央，其载波相位(中心频率下)为给定的值&。每一 对相邻的区间和A"m+1中的相位之间的差= —& = &是某给定的值。设 计中出于工艺误差或设计本身也会有的误差，也要允许有一定的误差范围&±^>。每 一个A 的值均相等，其值Aw也是事先给定的。事先给定的约束条件就是在标准温度下 Ap和Aw之间的对应关系。反射栅的精确位置由nm决定。
实际的n,(r)的真值可能是一系列值中的一个，设最接近ng,m的整数是N，则这一
系列的值为(N腸M-phi， …，N-〖-phi， N-ph,'， N+卜ph,、…，N+M-phi}，如图3a所 示。根据群时延的测量误差，M被限制在一个有限的范围里，在这一系列可能的值中， 实际发生的机率也是不同的，随着它远离中心的绝对值增大而发生的机率变小。这一系 列可能的",(r)值除以""进行温度补偿，从而获得在标准温度下的时延n,(7o"通过温
度补偿，可以变换到图3b中的一系列可能的^(r。)值，表示为n,:k。它们有可能会覆盖 几个A"区间，如图3b所示。既然原始的",(r。)是遵照约定设计的，处于"i(r。)的某一 个A"区间中的很小的范围内相位满足^土^。温度补偿后这2M+1个可能的值r^W 中必有一个恰好落在该范围内。由于测量及数据处理过程中可能增加的误差，实测的相 位范围有可能会从设计的^土^^扩大到^士^&,但^3的范围仍很小，其值取决于实
际系统。若补偿得到的",(r。)的整数部分仍落在的A 内，但由于温度补偿前相差一个 整数，而除以温度延迟系数后所造成的数值变化不大，所以这些nuc的相位就远离
^土^Vm;若补偿得到的w,(7;)的整数部分越出A 区间进入邻近的区间，由于相邻区间
的相位差A伊远大于由整数部分温度补偿引入的相位变化，这些可能的值nuc也不可能落
入那些区间的c^范围，于是就唯一地找回了未知的整数部分，从而得到了精确的定位。
选定的A"值不能太小，必须保证这一系列值n,k虽然越出了原始的区间，到达邻近 的几个区间，但不会到达太远的区间，因为相位是在360度的范围内重复的，当经过好 几个A炉之后，又重新回到原始的值，这时n,k的相位值与该区间的&相符合，但如果
区间离得太远，也就是整数部分相差得非常大，发生的机率足够小，其可能性也被排除。 这也说明群延时测量的必要性。
举例说明A^和A"的选择。设我们取厶"=3-2/13=2.85, △ ^=2/13，相当于55. 4° 。
设材料是128° Y旋转铌酸锂，温度范围在-5° +45° C。己经知道延时温度系数大致 在0.9984 1.0011的范围内变化。已经知道系统的群时延的误差不超过士6，误差超过 7 8的机率极小，相当于不可能发生；系统的相位误差不超过±10° ，误差超过15° 的机率极小，相当于不可能发生。在事先设置该A^的值时已经考虑到因工艺、测量、
设计及数据处理等各种因素所产生的相位误差^伊约为4° 。设我们所用的 "oj值大约为90,则在整个温度变化范围内，与nom的相位变化不超过土0.15的范围，满足设 计要求。对于待测的回波/'，当n^To〗在某个区间落入该区间的^土^3范围中时，同一
区间内当然不可能再有其他的rWW落入&土却范围。当rWW进入相邻区间时，其整
数值的差约为3 4，由温度变化造成的相位变化在2"5 3°以下。与55.4°相比小得
多。所以在相邻区间中可能的值也不可能落入^+1±^^范围。对于再其次的区间，中心
范围的相位差达到2X55.4° =110° ，而整数值差约为7，由温度变化造成的相位变化 在5°以下。比110°小得多，其可能时延值n,fc(7o〗依然不会与该区间所设定的相位值
&+2相重合。到相邻的第七个区间，相位差为1/13，相当于27.7° (由于360度的循
环，12/13的差额绝对值相当于1/13)，相位差回到比较小的值，但这时整数差已经达 到6X2.85 17，远超出了群时延的误差范围。因此也不可能在这个范围内发生。总之
A^和認的设置决定于设计、制作工艺、测量及数据处理中的相位误差分布、群延时误
差分布、系统可靠性要求、温度范围和温度补偿的唯一性等。在可靠的前提下，应当尽 可能设置比较小的Aw值。
权利要求
1. 一种声表面波射频标签回波时延的精确确定方法，其特征是它设定一个参量⊿n，在标准温度下限制每一个反射脉冲可能的时延只允许在一系列由⊿n决定的很小的时延范围内存在；利用测量群时延辅助确定脉冲时延中载波周期的整数个数，使回波相时延整数部分的不确定性限制在一定的范围内，利用事先设定的允许时延范围与该范围内回波相位之间的关联关系将这一定范围内时延的整数部分确定下来，从而精确获得回波时延。
2. 根据权利要求1中所述的声表面波射频标签回波时延的精确确定方法，其特征 是所述的J"数值的选取一方面根据声表面波射频标签系统的相位误差分布及群时延 误差分布，保证发生误码的几率小于系统可靠性的要求；另一方面，的选取也要使J" 绝对值尽量小，从而在反射栅可能的时延空间中获得最大的异码可能性。
3. 根据权利要求1中所述的声表面波射频标签回波时延的精确确定方法，其特征 是所述的在未知温度下测量回波时延，是通过在标准温度下已知时延的l-2个反射栅间隔的相位差测量温度时延系数后，采用权利要求l中所述的允许时延范围与该范围内 回波的相位之间的关联关系，获得设计时标准温度下的时延。
全文摘要
一种声表面波射频标签回波时延的精确确定方法，它是设定一个参量Δn，在标准温度下限制每一个反射脉冲可能的时延只允许在一系列由Δn决定的很小的时延范围内存在；利用测量群时延辅助确定脉冲时延中载波周期的整数个数，使回波相时延整数部分的不确定性限制在一定的范围内，利用事先设定的允许时延范围与该范围内回波相位之间的关联关系就能将这一定范围内时延的整数部分确定下来，从而精确获得回波时延。在未知温度下测量回波时延，可以通过在标准温度下已知时延的1-2个反射栅间隔的相位差测量温度时延系数后，获得设计时标准温度下的时延。应用本发明的方法在满足系统可靠性的条件下，在基片长度有限的声表面波射频标签上设计最大的异码数量。
文档编号G06K7/00GK101388065SQ200810154948
公开日2009年3月18日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者水永安, 韬 韩 申请人:水永安
文档序号 :
【 6466775 】
技术研发人员：水永安,韩韬
技术所有人：水永安
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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技术研发人员：水永安,韩韬
技术所有人：水永安
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