无芯射频标签编码方式研究*

谢朝臣，邹传云，徐 利

（西南科技大学 移动计算实验室,四川 绵阳 621000）

近年来，射频识别[1]技术（RFID）应用快速发展。其射频标签结构经历从有源标签到半有源再到无源标签结构的发展过程[2]。但这些标签结构的共同之处是都是有芯的,其制作工艺、结构都很复杂。因而价格较贵，是这类标签的致命缺陷，也限制了射频识别技术的应用和推广。而结构简单、价格便宜的无芯射频标签[3]的研究和发展可以弥补有芯标签的不足，并带来更加广泛的应用。虽然无源无芯射频标签应用还处于理论研究阶段，但其本身所具有的优点是有芯标签无法比拟的，所以无芯射频标签研究尤其是对标签结构设计以及编码技术研究引起了国内外研究者的极大兴趣。由于在有芯标签中含有用来存储数据的芯片,因而对有芯射频标签的识别中,可以根据存储在标签芯片的数据同阅读器进行交换数据来识别标签身份。然而无芯射频标签中不含有任何电子元件，自然不能存储数据，也不能与阅读器交换数据,所以无芯射频标签的编码技术不同于传统意义的编码技术，其射频频识别也不同于有芯射频标签的识别。无芯射频标签编码是根据包含在标签结构中不同的电磁场反射波形，如波峰、波谷位置的差异，表示不同的标签结构。编码是把标签结构与编码技术结合起来，以便于射频识别的信号处理技术。根据目前已有的文献资料，对于无芯射频标签的识别方法，通常是对标签的散射场的幅度或者相位进行编码，根据不同的编码方式，对应不同的标签结构，每一个标签结构对应于一个标签身份，最终完成目标的识别。如参考文献[4]中，对于“C型”标签使用幅度或相位编码，一个标签的幅度或相位编码即在一定频率范围内的幅度或相位的波谷为“01”，另一标签在一定频率范围内的幅度或相位的波谷为“10”。由于标签结构的差异，则标签的散射波形幅度或者相位会出现在不同的频率范围。当阅读器检测到标签的雷达散射波形，识别标签的幅度或相位如01或10，分别表示不同的标签结构。当然也可以将这两个标签结构组合为0110或1001表示一种新的标签结构。参考文献[5]中使用时分复用的编码技术，这是利用标签结构的时域延时方式。当激励源照射标签时，激励波形通过标签有一定的延时，不同的标签结构会在时域上得到不同的时域波形。对这些时域波形编码，代表不同的标签结构。本文在研究已有文献资料的基础上，结合已开发的标签结构也以为今后应用研究为前提，提出一种新的编码技术即PCM-△编码方式。此编码技术吸取了脉冲编码技术[6]的特点，增加对标签结构波形辨别的技术，减少为求标签的奇点[7]而进行的大量数据计算。因而这种编码方式具有码位扩展方式容易，编码容量高的特点，同时也易于硬件结构的实现。

1 编码技术

如在前面的叙述，无芯射频标签的编码技术不同于传统的编码方式，其编码是根据标签结构的散射波形的幅度或相位（即标签开槽时的散射波形的凹点）的位置变化，如在蝶形标签结构图中不同的开槽会产生不同的波形凹点即奇点而进行编码。每个标签结构的开槽具有不同的散射截面RCS(或者相位)。通过检测标签的RCS的峰值或相位的变化，判别不同的标签结构。编码的容量与标签开槽的数量有密切的关系。

2 编码方式

2.1 幅度、相位编码

无芯射频标签采用的幅度、相位编码[4],就是根据标签散射信号的雷达散射截面RCS幅度峰值或者相位变化来识别标签结构的一种编码方式。标签结构的差异，反应在不同的标签结构对应于雷达散射截面 （RCS）、相位。通过检测雷达散射信号(RCS)的幅度强度或相位在不同频率点的变化赋予不同码字，从而标识不同的标签。对于图1开槽数目为3个的蝶形标签结构编码方式如图2。

激励频率为 2～10 GHz，RCS最小幅度约为－35 dBm，开槽对应的最低频率点分别为5.8 GHz、7.1 GHz、8.2 GHz、编码为“111”。如果每个频段采用两位编码 01、10、11表示，则整个标签结构编码为：011011。

相位编码原理与幅度编码相似，也是根据无芯标签的散射波形的相位在不同频率段的不同（其相当于检测在不同频率段的极值点）进行编码。如图2中对于在5～5.9 GHz，5.9～7.1 GHz，7.1～8.3 GHz三个频段内分别编码为 01、10、11，则具有 3个开槽标签编码为011011。

2.2 混合编码

混合编码[4]是一种变相的幅度或相位编码方式，差异是利用不同的标签结构散射截面混合在一起排列。由于每个标签结构的雷达散射截面（RCS）峰值或凹点位于不同的频率区间,当把几个不同的标签结构混合地排列在一起时，其雷达散射截面（RCS）或相位在连续的频率区间内表现为峰值或相位的变化，通过检测这个幅度、相位的变化，标示为不同的码子。反之，对应不同的标签结构排列组合。“C”型标签是这种编码方式的典型代表。“C”型标签结构雷达散射截面（RCS）如图 3。

3 基于PCM-△编码

PCM-△编码是不同于以上几种的编码方式，而是一种全新的编码方式。其原理是一种基于PCM的编码方式，但工作频率要远高于脉冲编码技术，量化分阶采样后的值也不是为了以后的信号重建，而是用来比较采样间的增量△。同时，采样频率也不满足奈奎斯特频率采样定理，而是在信道带宽内取有限的点数。其编码原理如图 4。

3.1 编码方式

在给定的带宽上，划分不同的信道（其信道的划分依椐是标签结构所能容纳的最多散射极点个数）。对每个信道（可以是幅度，也可以是相位）量化阶数的规定，在每个信道上进行采样，采样准则是2＜(fH-fL)/F＜4,f为每个信道的带宽，F是每个信道的采样频率间隔。根据准则，在每个信道中的采样点数是3次。编码就是根据第一次和第二次的采样增量与第二次和第三次的采样增量进行比较。如果第一次的增量△为正，第二次的增量△为负。通过比较两次的△，如果两次的符号是相异的则输出一位，用“1”表示；反之，如果两次的增量无变化，用“0”表示。其意义表示在这个信道内有个极点 （也表示有个开槽）或者是无极点 （无开槽）。对于所有的信道上，最终输出结果“1”的个数就是标签结构的开槽数量，而且“1”的位置也表示开槽的位置。PCM-△编码如图5所示。

3.2 编码原理

对于只有一个开槽的标签如图6。

根据PCM-△编码原理,在带宽 B＝fH－fL中， 在频率点 f1时刻的采样值为 d1，在 f2时刻的采样值为 d2，f3时刻的采样值为 d3。d2-d1=△，若为负则表示为“－”；d3－d2＝△，若结果为正，则表示为“＋”。通过一个异或门电路可以输出一个“1”。其结果表示在带宽B内有个开槽。若采用对8个开槽的标签结构用8 bit码子表示,则编码结果是00001000。其意义是在工作频率为2～10 GHz的频段内，在6.312 5～7.143 6 GHz频带内有一个开槽。如果在标签上开槽为8,则其编码为 11111111。对于开槽数为8的无芯射频标签采用等长编码，其编码容量为28=256个，本文列举了前8个不同位置的开槽和同时8个开槽方式的编码如表1。

表1 标签不同位置开槽对应编码表

采用PCM-△编码方式，对无芯射频标签进行编码，不但可以减少求极点时的大量数据计算，节省计算处理时间，而且编码简单快捷。所得码字与标签的开槽相对应，对于开槽的标签结构预先进行编码可以直接根据所得码字进行识别。但是这种编码方式也存在难点，就是雷达散射信号的处理要在频域里进行，因而接收到的散射信号要先进行傅里叶变换后再采样比较。同时，也要能够对信道自动地合理划分，使信号极值点处在所规定的信道内。本文研究考虑采用能够追踪信号强度的自适应滤波器组处理信道自动划分问题，但这些问题的解决会增加硬件实现的复杂度。

[1]Syed Ahson Mohammad Ilyas.RFID handbook,Applications[C].Technology,Security,and Privacy.CRC Press Taylor&Francis New York,2008.

[2]单承赣,单玉峰,姚磊,等.射频识别技术及应用[M].北京：电子工业出版社,2008.

[3]Stevan,KARMAKAR N,KARMAKAR N.UWB chipless tag RFID reader design[C].Program for the IEEE International Conference on RFID-Technology and Applications,17-19 June 2010:251-261.

[4]VENA A,PERRET E.Chipless RFID tag using hybrid coding technique[C].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2011:1-8.

[5]Raji,PERRET N E,TEDJINI S.Chipless RFID based on group delay encoding[C].IEEE Inernational Con-ference on REID_Technologies and Applicatons,2011:214-217.

[6]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社,1992.

[7]BAUM C E,ROTHWELL E J,Chen Kunmu.The singularity expansion method and its application to target identification.Proceedings of the IEEE,1991,79(10):1481-1489.