射频原理

UWB RFID是最近出现的一门学科，它代表了先前描述的窄带 RFID 系统的有趣替代方案。

事实上，在超宽带通信中，超短脉冲（纳秒量级）用于传送数据，这使我们能够精确估计双向旅程的持续时间或信号执行的飞行时间。如果读取器天线能够动态修改其辐射方向图，这还允许我们以非常精确的方式选择标签的检测区域。

然而，使用具有非常宽频谱的信号使我们能够克服窄带通信中出现的干扰问题。频谱扩展在不同的信号衰减机制和多路径环境中更加稳健。与窄带 RFID 系统相比，在相同功率下，这可实现更大的读取范围。

UWB通信系统的特点是带宽大于或等于500MHz 。在美国，联邦通信委员会(FCC) 授权 3.1 至 10.6 之间的 UWB 通信    说明了不同的授权传输掩码。最大授权功率谱密度为 

图1、UWB通信掩模

UWB RFID 系统可实现 10 Mbit/s 的读取速率，同时保证良好的读取范围。可以在检测范围和数据速率之间建立直接关系。事实上，在标准中，每秒脉冲重复频率（PRF）定义了比特率以及传输所需的平均功率。例如，在同等平均功率下，1 MHz 的 PRF 将使每个脉冲传输的能量比 10  MHz 的 PRF 多 10 倍。

UWB RFID读写器的硬件架构对于传输部分来说比较简单。脉冲发生器直接连接到天线，无需混频器和本地振荡器。这提供了比窄带传输更好的能源效率。

标签和阅读器级别的接收部分更难实现，我们区分了几种方法

第一种是直接方法，其中模数转换器通过放大级连接到接收天线。在这种情况下，处理是以数字方式进行的。考虑到计算能力，这种方法可能很复杂，而计算能力是处理 3.1 至 10.6  GHz 之间频率信号的样本流所必需的。这导致使用采样频率大于最大频率两倍的转换器（香农定理）。其他方法使用模拟相关器将接收到的信号与参考脉冲进行比较。这种接收级可以实现非常好的灵敏度，但代价是同步和显着的功耗。异步检测器灵敏度较低，但实现起来更简单，特别是它们的功耗较低。它们基于对给定时间段内能量水平的检测。我们使用平方律检测器，后跟有限时间内的积分器，其积分周期对应于一位的持续时间。

UWB RFID 标签可以是有源或无源的[GUI 10、DAR 10、DAR 08] 。无源系统使用与传统 RFID 一样的负载调制原理。常用的编码有脉冲位置调制 (PPM)、脉冲幅度调制(PAM) 或开关键控 (OOK)。图 2展示了无源 UWB 标签[DAR 08]的可能架构，作为所用调制类型的函数。

图2、无源 UWB 标签的架构

在无源系统中，UWB 读取器定期发送脉冲。这些脉冲被远程标签捕获，如图2所示。在 PPM 编码的情况下，直接或通过延迟线重传脉冲，根据要传输的二进制状态进行切换。在 OOK 或 PAM 编码的情况下，脉冲可以通过短路（或开路）反射，这在两个反射状态之间提供 180°（或 0°）的相位差。

实际上，我们需要更精确地定义 UWB 信号情况下标签反向散射的机制。无论连接到其端子的负载如何，信号在所有情况下都会被标签天线反射。这种反射模式是结构性的。它仅取决于几何形状天线的。反射的另一部分（称为天线模式）与连接到天线的负载有关。因此，这种反射模式会根据负载的配置而变化（见图2）。对于 UWB 天线，与结构模式相关的反射甚至比天线模式更重要。

UWB半无源标签在读取范围方面提供了良好的性能。请记住，“半无源”意味着使用无源反向调制原理来生成响应。标签的数字部分由电池供电。因此，据报道，以 1 kbits/s 的速率，平均发射功率为 0.09 mW [DAR 10]， 可以达到 20 m的距离。  

当今 UWB RFID 系统的商业解决方案均基于有源标签的使用。在大多数情况下，标签由电池供电[ZEB 16，DEC 16]。Zebra Technologies 的有源标签“DartTag” [ZEB 16] 可在自由空间中以 3,500 个标签/秒的读取速率在长达 100 m 的距离内进行检测。 以每秒读取一次的速度计算，标签的自主寿命约为 7年。此外，还可以以30厘米的精度定位标签 。据报道，通过确保6.8 Mbit/s的数据传输，可以实现 自由空间450 m和室内45 m的读取范围。 标签的定位在 10 以内 厘米距离是可能的。

为了计算UWB标签的读取范围，我们可以使用Friis方程[1.4]并得到关系式

所使用的频率带宽、与白噪声功率谱密度N 0相关的噪声功率以及接收级（低噪声放大器）的噪声因数N F将定义灵敏度阈值。SNR位级别所需的理论信噪比是所需误码率(BER) 和所使用编码的函数。例如，对于 OOK 编码和 10-3 的 BER ，需要 12.5 dB 的SNR位[ZHU 11]。实施损失PI可以添加以考虑检测阶段的缺陷。发射功率对应于授权的功率谱密度DSP eirmax乘以脉冲的带宽BP 。可以修改以提高读取距离的参数是接收天线增益G rx、脉冲重复频率PRF以及脉冲带宽BP。然而，应该注意的是，标准对脉冲中包含的最大能量施加了限制。FCC 定义了1 MHz 的最小PRF ，最大BP为 7,500  MHz。表 1.5列出了几个PRF和BP值的理论范围值，根据 FCC 标准计算。 在 3.1 至 10.6 GHz 之间的整个 UWB 频段上，功率谱密度定义为 − 41.3 dBm  。参数IF和NF对应于[ZHU 11]中定义的接收级。

表 1.5。使用[ZHU 11]中定义的接收级的有源UWB标签的理论读取范围（N0 = − 174 dBm/Hz，NF = 10 dB，PI = 5 dB，SNRbit = 12.5 dB，Grx = 1）   

然而，存在一些标签远程供电的解决方案[TAG 16、MUC 08、REU 06]，在这种情况下，图表略有不同（参见图3、(a)和(b)）。在Tagent解决方案中，为了给标签供电，我们使用 ISM 频段中包含的 UHF 或 SHF 频率的电磁场源。我们在标签附近（最大 1 m）使用远程供电信标，通过 5.8 GHz 的 CW 波为它们供电。标签存储能量为其电子设备供电并以 UWB 脉冲的形式将响应传输到基站。通过此过程，检测范围为 10  m 是可能的，条件是标签靠近远程电源。Tagent开发的芯片集成了面积为2.3  ×  2.3  mm 2的天线。这减少了标签及其支撑件（票证等）封装期间天线和芯片之间的连接问题。据报道，标签单位成本为 0.3 美元，与传统 RFID 相比，它是一种极具竞争力的解决方案，在读取系统上的投资更大（阅读器 2,000 美元，每个远程供电信标 50 美元）系统。其他解决方案 [ MUC 08、REU 06 ] 使用 UWB 链路为标签供电并进行双向通信（见图3、(b) ）。与传统的RFID系统不同，命令的传输阶段或响应的接收阶段与标签的供电阶段是分开的。为了给标签供电，阅读器以恒定的间隔发送一系列脉冲。能量收集器设备是一个将能量存储在电容器中的电荷泵。能量收集阶段和数据传输阶段交替进行。

图3、远程供电有源 UWB 标签的架构： a) 读取器命令和能量通过窄带 UHF/SHF 链路提供。标签的响应采用UWB格式；b) 阅读器到标签的通信和能量通过 UWB 链路提供。标签的响应采用 UWB 格式

尽管在范围（有源标签）和定位方面实现的性能很有趣，但 UWB 技术仍然不够普及。原因是监管标准非常严格，特别是在欧洲，涉及 3.1-10.6  GHz 频段频率的使用，以及“脉冲无线电”规则的使用时间相对较短。