0 引 言
射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，它是自動識別技術(shù)(Automatic Equipment Identification，AEI)在無線電領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。RFID是通過射頻信號自動識別目標(biāo)并獲取數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預(yù)，RFID技術(shù)具有防水、防磁、使用壽命長、耐高溫、取距離大、保密性強(qiáng)、數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點(diǎn)。
近年來，隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)在關(guān)系國計(jì)民生的重要領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。正確有效地識別出這些信號，從中解調(diào)出有用信息，在此方面的研究意義重大。本文提出一種新的RFID調(diào)制識別方法，主要研究的內(nèi)容包括基于瞬時(shí)信息提取特征參數(shù)以及設(shè)計(jì)判決的分類器。具體步驟如下：首先是計(jì)算出信號的瞬時(shí)信息，包括瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)相位;接著，利用上一步驟中算出的瞬時(shí)信息，提取5個(gè)特征參數(shù);最后，設(shè)計(jì)了調(diào)制識別分類器，采用決策論法對RFID調(diào)制方式行進(jìn)有效識別。
1 瞬時(shí)信息的計(jì)算
自然界中的信號都是實(shí)信號，通過正交采樣(正交變換化或希爾伯特變換法)可以構(gòu)造出復(fù)信號的實(shí)部和虛部。就信號處理本身而言，由于實(shí)信號的頻譜是共軛對稱的，即S(f)=S*(-f)，知其一則可知另一半。所以，一般用右半邊頻譜來代表整個(gè)實(shí)信號，其優(yōu)點(diǎn)就是帶寬只為原來的[12，]帶寬占用減少了。定義復(fù)信號z(t)的頻譜為(只保留實(shí)信號的頻譜正頻部分)：
[Z(f)=2S(f)，f>0S(f)，f=00，f<0] (1)
求Z(f)的逆變換，得時(shí)域z(t)表示為：[z(t)=s(t)+s(t)?h(t)=s(t)+j1π-∞+∞s(τ)t-τdτ] (2)
定義s(t)的Hilbert 變換為： [H[s(t)]=1π-∞+∞s(τ)t-τdτ] (3)
H[s(t)]和s(t)是正交的，因此，原來實(shí)信號的復(fù)信號和實(shí)信號頻譜的正頻率分量是一一對應(yīng)的，這個(gè)復(fù)信號的實(shí)部是原實(shí)信號本身(同相分量)，復(fù)信號的虛部是原實(shí)信號的Hilbert 變換(正交分量)。
復(fù)信號z(t)可用極坐標(biāo)表示：
[z(t)=s(t)+jH[s(t)]=a(t)ejφ(t)] (4)
式中a(t)為信號z(t)的瞬時(shí)包絡(luò)，表示為：
[a(t)=s(t)2+H2[s(t)]] (5)
φ(t)為信號z(t)的瞬時(shí)相位，表示為：
[φ(t)=arctanH[s(t)]s(t)] (6)
根據(jù)瞬時(shí)相位求得信號的瞬時(shí)頻率f(t)，表示為：
[f(t)=12πdφ(t)dt=12πddtarctanH[s(t)]s(t)] (7)
這樣，就得到實(shí)信號s(t)的瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位、瞬時(shí)頻率這3個(gè)分析信號過程中的重要的基礎(chǔ)參數(shù)。
2 特征參數(shù)的提取
文獻(xiàn)[1?4]中，Azzouz提出了基于瞬時(shí)信息的9個(gè)特征參數(shù)，后進(jìn)行分類識別，形成了調(diào)制識別領(lǐng)域中較為經(jīng)典的方法，但識別率不高且識別過程比較復(fù)雜。本文要識別的RFID調(diào)制信號有6種： 2ASK，4ASK，2PSK，4PSK，2FSK和4FSK，經(jīng)過多方面權(quán)衡考慮，采用下面5個(gè)參數(shù)，其中有3個(gè)是(σap、σaa和σaf)取自于Nandi A K等提出的9個(gè)特征參數(shù)，Ra和Rf是本文提出的2個(gè)新的特征參數(shù)，減少誤判以提高識別率。
(1)信號瞬時(shí)幅度均值的平方值的二倍與方差比Ra：
[Ra=2u2ada] (8)
式中：da為瞬時(shí)幅度的方差;ua為瞬時(shí)幅度的均值;參數(shù)Ra是Chan提出的R參數(shù)[5]的倒數(shù)的2倍。由于R的數(shù)值比較小，在識別判定的過程中很小的誤差就能引起誤判，所以這里Ra采用倒數(shù)形式，并且2倍加權(quán)。這樣的改進(jìn)能夠提高識別的正確率。
Ra參數(shù)是用來區(qū)分信號是否含有幅度信息。對于要識別的調(diào)制信號而言，Ra值如表1所示。
表1 各調(diào)制信號Ra的值
因此，本文要識別的6種信號中，2PSK，4PSK，2FSK和4FSK信號不含幅度信息，可以分為一類;2ASK，4ASK是含有幅度信息，可分為另一類。
(2)零中心非弱信號瞬時(shí)相位非線性分量絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差[2][σap：]
[σap=1c(An(i)>ai2NL(i))-(1cAn(i)>aiNL(i))2] (9)
式中：ai為是弱信號的一個(gè)幅度判決門限電平;c是在Ns中屬于非弱信號值的個(gè)數(shù);[2NL(i)]是經(jīng)零中心處理后瞬時(shí)相位的非線性分量，在載波完全同步時(shí)，[]NL(i)=(i)-(0)，(i)是瞬時(shí)相位，[0=1Nsi=1Nsi]是非線性相位分量的均值。[σap]主要用來區(qū)分是調(diào)制信號不含有絕對相位信息或者含有絕對相位信息。對于要識別的調(diào)制信號而言，[σap]的值如表2所示。
表2 各調(diào)制信號[σap]的值
因此，該參數(shù)可以把4PSK信號從2PSK或者ASK信號中區(qū)分開來。
(3)零中心歸一化瞬時(shí)幅度絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差值[1][σaa]：
[σaa=1N(i=1NA2cn(i))-(1Ni=1NAcn(i))2] (10)
式中I(i)=An(i)-1。[σaa]主要用來區(qū)分調(diào)制信號是2ASK信號還是4ASK信號，對于要識別的調(diào)制信號而言，[σaa]如表3所示。
表3 各調(diào)制信號[σaa]的值
(4)信號瞬時(shí)頻率均值的平方與方差之比Rf：
[Rf=2u2fdf] (11)
式中：[df]是信號瞬時(shí)頻率的方差;uf是信號瞬時(shí)頻率的均值。Rf是參考Ra參數(shù)類推來的，該參數(shù)用以區(qū)分信號是否含有頻率信息，所以可將4PSK信號從4FSK和2FSK中識別出來。
(5)零中心非弱信號段瞬時(shí)頻率非線性分量絕對值的標(biāo)準(zhǔn)偏差[1][σaf]：
[σaf=1c(An(i)>aif2N(i))-(1cAn(i)>aifN(i)2] (12)
[fN(i)=fc(i)=f(i)rb， fc(i)=f(i)-mf， mf=1Ni=1Nxf(i)]
式中：f(i)是信號的瞬時(shí)頻率。
這個(gè)參數(shù)用來區(qū)分信號是否含有絕對頻率信息，對于要識別的調(diào)制信號而言，[σaf]的值如表4所示。所以這個(gè)參數(shù)可以用來區(qū)分2FSK信號或者4FSK信號。
表4 各調(diào)制信號[σaf]的值
3 RFID信號識別流程
根據(jù)上述分析，可以得到4PSK，2PSK，2ASK，4ASK，2FSK和4FSK六種RFID調(diào)制方式識別算法的詳細(xì)步驟。
步驟一：根據(jù)接收射頻信號，計(jì)算出信號的瞬時(shí)信息;
步驟二：提取出信號的5個(gè)特征參數(shù)Ra，Rf，[σap]，[σaa]，[σaf];
步驟三：采用決策樹的識別分類法對信號進(jìn)行有效識別，具體流程見圖1。這里，tra，taa，tap，trf，taf為不同階段的決策判定時(shí)選擇的門限值，根據(jù)判決門限t的值可以將信號識別為4ASK，2FSK，QPSK，2PSK，2FSK和4FSK。
4 仿真及結(jié)果分析
4.1 含噪調(diào)制信號的仿真
信號的調(diào)制方式的識別與其信噪比有非常重要的關(guān)系，不同的信噪比所提取的特征參數(shù)的值不同，所以為了產(chǎn)生一定信噪比的RFID調(diào)制信號，需要在理想的信號中加入噪聲。
通信系統(tǒng)中用到的最多的噪聲高斯是白噪聲，其是指服從高斯分布的功率譜密度的均勻噪聲。因此，本文含噪信號的仿真，就是在理想的調(diào)制信號中加上高斯白噪聲。
圖2～圖6即是采用Matlab仿真在SNR=10 dB下的2ASK，2PSK，2FSK，4ASK，4FSK，4PSK信號的波形。
4.2 調(diào)制識別的仿真
本系統(tǒng)在Matlab仿真環(huán)境中完成，仿真實(shí)現(xiàn)了對2ASK，2FSK，2PSK，4ASK，4FSK和4PSK這六種數(shù)字調(diào)制類型的有效識別。仿真試驗(yàn)中，采樣頻率[Fs]為12 000 kHz，采用的調(diào)制信號的載波頻率[Fc]為2 000 kHz，碼元速率[Fd]為500 KC/s。用理想高斯白噪聲作為噪聲信號，信噪比取0～30 dB。
圖8是Nandi提出的參數(shù)R的仿真結(jié)果[1]，可見不含有幅度信息與含幅度信息的調(diào)制信號的這兩種不同的類型的信號，各曲線相距較近，特別是在低信噪比下在數(shù)值上差異小，所以在識別判決時(shí)不容易分辨。圖9是由本文提出的參數(shù)Ra，由圖可見，對于含有幅度信息的調(diào)制信號和不含幅度信息的調(diào)制信號，數(shù)值上差異較大，所以在識別時(shí)容易分辨;而由之類推得到參數(shù)Rf，因此提高了識別率。
圖10是參數(shù)σaa在不同信噪比下的仿真結(jié)果，圖11是參數(shù)σaf在不同信噪比下的仿真結(jié)果，圖12是參數(shù)σap在不同信噪比下的仿真結(jié)果，圖13是參數(shù)Rf在不同信噪比下的仿真結(jié)果。
經(jīng)過對各種調(diào)制信號在0～30 dB的信噪比下獨(dú)立仿真15次，得到在1 dB步進(jìn)的不同信噪比下各種調(diào)制信號的識別正確率，如圖14所示，圖中橫坐標(biāo)代表不同的信噪比，縱坐標(biāo)表示識別的成功率。可見，采用本文所提出的識別算法，在信噪比為10 dB 時(shí)，識別率都在99.6% 以上。
5 結(jié) 語
正確地識別出RFID調(diào)制方式是實(shí)現(xiàn)通信互聯(lián)和信號測試等處理的前提，因此研究RFID調(diào)制方式識別具有非常重要的意義。本文提出兩種新的特征參數(shù)，用來識別RFID調(diào)制方式。仿真結(jié)果顯示，該方法不僅簡單并能實(shí)現(xiàn)比較高的識別率，而且在進(jìn)行識別的過程中，用到的特征參數(shù)較少。但是這種方法也存在一些問題。第一，本文提出兩個(gè)的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)放置的判決位置會對識別正確率造成影響，不同的判決位置會導(dǎo)致不同的識別正確率;第二，判決門限選取也將影響識別正確率。這都將在今后的工作中做進(jìn)一步研究。
