陈 智, 陈智军, 韩 宇, 朱卫俊, 王春涛

(1.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 211106；2. 中电科技德清华莹电子有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

声表面波(SAW)标签既可用于射频识别，也可用于传感和定位。射频识别时，为了扩大编码容量，通常采用脉冲时延结合相位的编码方式[1]；温度传感时，通过反射栅间相对相位的变化进行信息解算[2]；定位时需关注反射栅的绝对相位，根据绝对相位与距离间的关系实现测距并进一步定位[3-4]。

传统的时域采样阅读器需要对极短的回波信号采样,因而需要使用高速模数转换器(ADC)，导致系统成本偏高。基于频率步进连续波(FSCW)的频域采样阅读器，采用连续波作为发射信号，与此同时将发射信号与回波信号进行相干混频至零中频，获取其频域响应，因此只需进行慢速AD采样，极大地降低了系统成本[5]。最后将采集到的系统频域响应通过逆傅里叶变换(IFFT)从频域转换到时域，进行标签的时延、相位等信息解算。本文给出了基于FSCW的声表面波频域阅读器设计方案，包括快速变频发射链路设计、正交相干零中频接收链路设计，并使用实际制作的阅读器对SAW标签进行测试，将所得结果与矢量网络分析仪测得结果进行对比，验证了本文设计方案的有效性。

1 基于FSCW的频域采样原理

基于FSCW的频域采样阅读器的工作原理类似于矢量网络分析仪[6]。在进行频域采样时，发射链路采用频率步进信号，其频率步进范围覆盖传感器响应带宽。每步进一个频率，测量相应回波信号与发射信号在幅值与相位上的差异，并以复数的形式进行记录。当频率步进完设计扫频范围时，可以得到标签在被测带宽内的频域响应。

图1为阅读器发射的频率步进连续波信号。第n次的发射信号可表示为

图1 频率步进连续波信号模型

x(n)=Acos[2π(f0+nΔf)t+θ0]

(1)

式中：A为信号幅值；f0为扫频起始频率；Δf为频率步进值；θ0为发射信号初始相位；n=0,…,N-1为扫频次数。扫频带宽B=(N-1)Δf。

具有p个反射栅的SAW标签模型如图2所示。其对应回波信号可表示为

图2 SAW标签模型

θ0+θi]

(2)

式中：p为反射栅的数量；αi、τi分别为第i个反射栅对应回波信号的衰减因子和时延；θi为第i个反射栅对应的相移，即绝对相位。

将发射信号分为两部分，一部分用于激励SAW器件，另一部分与SAW器件的回波信号进行硬件相干混频。然后将混频后所得的相互正交的I、Q路信号通过低通滤波器滤除高频干扰项，得到的两路低频信号为

(3)

(4)

式中β为从发射信号分离出用于正交相干混频的衰减系数。

由式(3)、(4)可看出，在相干混频滤波后，得到的基带信号消除了发射信号中未知的初始相位θ0的影响，进而可对标签绝对相位信息进行测量。阅读器每步进一个频率，需要在此频率上停留一定的时间，使得从标签反射的回波信号的幅值和相位稳定后，再利用双通道ADC同时对I、Q两路信号进行采样。采样后的信号用复数可表示为

(5)

对频域采样数据做IFFT运算，得到对应的合成时域波形[7]为

(6)

式中：Il与Ql分别为Hl的实部和虚部，y=l-NΔfτi，0≤l≤N-1(l为离峰值响应最近的距离位置)，Hl的包络可写成:

(7)

在y=0，±N，±2N，…，±kN处|Hl|达到峰值，记l=li，可得：

(8)

2 频域阅读器设计方案

目前常用的FSCW信号发射方案通常采用变频较快的直接数字频率合成器(DDS)作为信号源，但DDS输出信号的频率一般较低，且高频的DDS价格高，因此需要将DDS的输出信号与高频载波进行调制，得到对应的高频信号[8]。

本文采用双通道DDS分别输出正交的I、Q两路信号，以I、Q调制上混频的方式产生所需信号。信号产生方案如图3所示。图中，ID(t)、QD(t)分别是DDS产生的两路相位相差90°的正交信号，ILO(t)与QLO(t)分别为IQ调制器内部产生的相位相差90°的正交本振信号，SI(t)为ID(t)与ILO(t)两路信号的混频信号，SQ(t)为QD(t)与QLO(t)两路信号的混频信号，S(t)为SI(t)与SQ(t)经过IQ调制器内部加法器后的输出信号。与传统的使用DDS产生变频信号与输出固定频率的锁相环(PLL)进行混频，然后用滤波器滤除低频项相比，双通道DDS具有更简单的结构，且可极大地抑制镜频干扰，提高发射信号质量。阅读器发射链路结构框图如图4所示。

图3 本文FSCW信号产生方案

图4 阅读器发射链路结构框图

本文通过调节DDS每个通道的频率控制字、相位控制字等相关寄存器，可以实现正交两路信号的独立输出，配合内置PLL的IQ调制芯片，可实现高频信号的产生与快速变频，产生高质量的FSCW信号。

设置发射链路信号扫频范围为915～930 MHz，扫频步进100 kHz。使用频谱仪测试阅读器发射链路的FSCW信号频谱如图5所示。图中,151个尖峰对应发射FSCW信号915～930 MHz，每次步进100 kHz的每个频率分量信号。由图5可看出，本文阅读器发射的FSCW信号在扫频带宽内功率基本一致，表明本文阅读器的发射链路具有较好的稳定性。

图5 发射FSCW信号频谱

由于基于FSCW的声表面波频域阅读器工作在全双工模式，接收时首先要考虑和解决收发隔离部分的设计。本文采用的双向耦合器方案如图6所示。其在收发隔离的同时，可将发射端耦合过来的本振(LO)信号引入混频器，并与天线接收的回波信号进行正交相干混频，完美匹配频域阅读器的要求，故选用双向耦合器作为收发隔离开关。

图6 双向耦合器工作原理

阅读器接收链路结构(见图7)可分为LO路、RF路和混频采样电路3部分。LO回路的信号是通过双向耦合器将部分发射信号耦合过来的信号，虽然耦合器存在一定的衰减，但其信号功率依然较大，故在LO路上需要设置一个衰减器。RF回路是标签的回波信号，由于空间衰减和标签的插入损耗，因而在RF路上设置两级放大。将LO路信号与RF路信号通过1∶1巴伦转换为差分信号，以增加信号的抗干扰能力，然后同步进入混频器进行正交相干混频来获得相互正交的两路频域响应，将射频信号转换到基带。与此同时，回波信号与本振信号相干可使最终解算的绝对相位保持稳定。经混频后，得到的基带信号中会耦合高频杂波，需要对其进行低通滤波处理。同时在基带对信号进行放大，使之与ADC的动态采样范围相匹配。最后使用采样速率为1 MHz的ADC进行采样，在极大地降低阅读器成本的同时，满足本文设计阅读器的要求。

图7 阅读器接收链路结构框图

在步进至频率为930 MHz时对双向耦合器进行频谱测试，图8(a)、(b)分别为使用高频示波器的傅里叶变换功能测试得到的由双向耦合器将部分发射信号耦合过来的功率为17.5 dBm的LO路信号以及经过衰减器衰减至3 dBm并进入混频器前的LO路信号。由图可看出，经过双向耦合器耦合过来的LO路信号质量很好，噪声很小。最终实际制作并焊接调试的阅读器如图9所示。

图8 LO路信号测试

图9 阅读器PCB板

3 实验测试与分析

为验证本文设计的基于FSCW的频域阅读器对声表面波标签回波峰值时间与相位测量的准确性，使用三反射栅标签进行实验，其设计方案如图10(a)所示。图中，λ为波长。图10(b)为经过制作、封装后焊接在测试板上的标签实物。

图10 SAW标签

实验前首先需确定发射FSCW信号的各项参数。式(8)中最小时间分辨单元为1/(NΔf)，由此可看出，扫频带宽决定了测量结果在IFFT转换到时域后的时间分辨率，扫频带宽越大，对应时间分辨率越高，但扫频带宽过大则会导致信号源成本过高，功耗增加，并且超出SAW标签带宽范围的扫频获得的信息大多是无用的。结合实验所使用的SAW标签中心频率为922.5 MHz，且所使用的标签相邻最近两反射栅的距离为120λ，其对应的往返时延约为260 ns，为确保相邻最近的回波峰值不混叠，要保证时间分辨率小于260 ns。综合考虑，选取扫频带宽为915～930 MHz，对应时间分辨率为66 ns。与此同时，由式(8)可看出，最大不模糊时间为1/(2Δf)，因此，扫频步进决定了测量结果在IFFT后的有效时域特性范围，扫频步进越小，对应可以观测的时间范围越大，但由于SAW器件的有效时域特性均在微秒级，再结合实验使用标签最远的反射栅所对应的时延约为2 μs，为了保留一定余量，最终选取频率步进为100 kHz，对应最大不模糊时间为5 μs。

实验测试时，对于每个步进的FSCW频点，均获得该频点处的频域响应对应的I、Q值(实部和虚部)。依次步进，最终可获得标签在步进频率范围内的频域响应。对获得的频域响应SI(n)+jSQ(n)取模值绘出的幅频响应曲线如图11(a)所示。仅从阅读器采集到的频域响应难以看出标签所携带的信息，将频域响应进行IFFT转换至时域，绘制的幅度谱与相位谱如图11(b)、(c)所示。由图11(b)可看出标签的3个回波峰值，由图11(c)可获得回波峰值对应的绝对相位。

图11 阅读器测量结果

将网络分析仪扫描参数与阅读器测试参数保持一致，对标签的S11参数进行测量。网络分析仪测得的幅频响应曲线如图12(a)所示，图12(b)、(c)分别为标签时域响应的幅度谱和相位谱。将本文设计阅读器测量结果与网分测量结果进行对比，所得结果如表1所示。由表可看出3个峰值时延测量结果完全相同。在表1中，将相对相位定义为相邻两峰值点绝对相位的差，通过将两者的相对相位信息进行对比可看出其误差不超过4°，二者的相对相位基本一致。在绝对相位的测量中，通常由于测量仪器的硬件结构不同会导致绝对相位的测量存在一个固定偏差。由表1还可看出，本文阅读器与网络分析仪的绝对相位差的固定偏差约为29°，且绝对相位差间的偏差不超过4°，由此可看出本文阅读器性能较好。

图12 VNA测量结果

表1 阅读器与VNA测量结果对比

为了验证本文阅读器绝对相位测量的重复性，使用阅读器对SAW标签进行4次重复测量，得到的峰值时延与绝对相位测量结果如表2所示。由表可看出，标签回波峰值的时延完全一致，与此同时，绝对相位在4次测量中上下浮动不超过4°。测量结果表明，本文设计的基于FSCW的声表面波频域阅读器具有较好的相干性，能够准确测量SAW标签回波峰值时间与绝对相位。

表2 阅读器4次重复测量结果

4 结束语

本文设计了基于FSCW的SAW频域采样阅读器。首先，基于FSCW信号测量频域响应的原理，对信号模型进行推导分析；然后，采用双通道DDS结合PLL，以IQ调制上混频的方案设计阅读器发射链路，在接收链路中采用双向耦合器的方案，将回波信号与发射信号进行正交相干混频，获得SAW标签的频域响应；最后，对实际制作的频域阅读器进行实验测试，并将所得结果与网络分析仪进行对比，表明本文设计的阅读器具有良好相干性且对SAW标签回波峰值时间与相位测量具有较高的准确性，充分说明了本文阅读器设计方案的有效性。本文设计的基于FSCW的SAW频域采样阅读器成本低，变频速度快，结构简单，能够实现峰值时延与绝对相位的精确解算，具有较大的实用意义。