专利名称：带有增强数据内容的表面声波识别标签及操作和制造方法
技术领域：
本发明一般地涉及识别标签，并且更具体地涉及一种带有增强数据内容的表面声波(SAW)识别标签及其操作和制造方法。
背景技术：
现代技术已经产生若干有用的电子识别方法和部件，最熟悉的是无处不在的条形码和磁条，和读出器一起它们由商业和其它部门广泛使用以完成几种识别功能。如此广泛采用条形码和磁条的主要原因是它们非常便宜。
然而，由于它们可以编码的数据量相对小并且读它们的有效范围相当短，条形码和磁条是有限制的。例如，磁条通常具有这样的限定范围，为了解码其中的数据读出器必须和其直接接触。在极少的用直接接触读出器之外的设备读磁条的情况中，有效读出区段仍然最多仅为几厘米。类似地，条形码的可以被可靠地读取的有效区段典型地不大于几厘米。
除了范围限制之外，如果在读出设备和条形码或磁条之间存在障碍，都不能读条形码和磁条。当读磁条或条形码时，读出设备相对条形码或磁条的取向也引起问题。如果读出设备不正确对齐或者处于不正确角度，不能读出编码信息。由于这些问题，如果需要高的读准确性，每次读操作都需要人工扫描。条形码和磁条的引入特征是它们便宜。但是，它们的固有限制防碍在范围广泛的机器可读标签应用中使用它们，在这样的应用中出于对高达数米的读取区段要求高可靠的和完全自动的读出。
射频识别(“RFID”)标签是另一种类型的现有技术识别部件。当询问时，RFID标签反射或者转发射频信号以对询问器回送编码的识别号。RFID标签的一个好例子是在高速公路和桥梁通行费收取中的应用。RFID标签位于用户的车辆上以便当该车辆通过收费点时对询问信号作出响应。和计算机相连的读出设备处理标签识别号并且利用该解码信息通过对用户的信用卡或其它账户扣除应付额对用户收取通行费。
现有技术的RFID标签部件基本为二种类型含有微芯片的和不含有微芯片的标签部件。这二种类型之间在成本和性能上存在根本差异；以至事实上二者不争夺专用的使用类型。作为一个一般规律，芯片标签比无芯片标签成本高但数据容量大。例如，当按小于一百万个的量订购时通常不能按每块约1美元的单元成本以下买到芯片标签；而即使按十万个的量制造时无芯片标签预计的成本会每个小于20美分。
大多数RFID标签会具有比磁条以及条形码更长的可靠范围。作为一个规律，可在不具有对于条形码和磁条为明显的视线和取向问题下询问RFID标签。尽管芯片标签的范围比磁条和条形码系统长，其中可靠使用的范围仍是一个限制因素。
芯片标签是最普及的。芯片标签包含四个元件或特征(1)一个计算机微芯片；(2)用于把无线电信号转换成计算机数据信号并且再转回成无线电信号的电路；(3)一个天线；以及(4)向芯片电路提供DC电源的装置。在低成本RFID芯片标签中，通常部分地或者全部地把前二个特征集成到单个微芯片中，这种集成需要牺牲一些标签性能(读出长度，位数等)。这种特征组合还导致一定的集成电路(IC)成本和/或设计牺牲以在单块IC上容纳数字电路以及射频电路二者。这些设计折衷影响可以通过使用低射频(RF)工作频率补偿，但这反过来导致相当大的和昂贵的天线。
芯片标签的最大难事是需要用于芯片电路的DC电源。环境问题以及对成本、尺寸、重量的严格限制组合在一起通常要求标签不带有电池或者其它板上电源。唯一的通常可采用的解决办法是通过把从标签读出器信号接收到的RF功率转换成标签内的DC功率。业内人士把不带有电池或其它电源的标签称为“无源”标签，而把带有电池或其它电源的标签称为“有源”标签。向芯片标签提供DC电源的无源方法需要更加有效的标签天线(即，尺寸更大和成本更高)以及读出器发出更高的功率电平。它还需要附加的器件，它们会提高微芯片的成本或者因为标签上需要额外的电器件提高标签的成本，这还会造成标签尺寸的加大。但是，无源芯片标签的最重要限制是对标签的读出范围的严格限制，因为来自标签读出器天线的对标签供电的足够强的信号只延伸短的距离。
从而，尽管芯片标签在RFID市场中占有主导份额，其高价格和受限制的读出范围阻止芯片标签以明显的方式替代条形码或磁条。
“无芯片”RFID标签不含有微芯片，而是替代地依靠磁性材料或者无晶体管薄膜电路存储数据。无芯片RFID标签的主要优点是它们的成本相对低。无芯片标签的缺点包括它们是范围有限(最多几厘米)以及只含有有限的信息量。尽管它们具有低价格潜力，这些问题的严重性阻碍市场对它们的接受。
在2000年，常规RFID系统和服务的全球市场为5亿美元量级。该市场主要是每个标签的典型价格约一美元到几十美元的芯片标签。尽管无芯片标签销售不好，由于它们的低价格潜力一些潜在用户对它们产生大的兴趣。自动识别市场中在价格非常低的条形码和性能较高的RFID芯片标签之间存在一个大空档。整个市场正在呼吁一种填补该空档的技术解决方法。填补该空档的新型自动识别技术的关键特征是(1)当高数量制造时价格在每个标签1美分到10美分之间；(2)不必通过操作员人工扫描的可靠读出；(3)无需标签和标签读出器之间视线下的可靠读出(即，即使标签划伤、盖上灰尘或者位于包装的背面等等下的可靠读出)；(4)至少1到2米的可靠读出范围；以及(5)标签数据容量约为100位。邮政机构、航空公司和机场、大型货运机构、动物饲养商、畜牧业、投递行业、任何带有明显供应链的行业尤其保存库存或者处理快速移动消费品的行业、等等对这种标签非常感兴趣。它们是所有高价格标签不实用的应用，尤其其中标签是一次性使用的或者和产品一起出售的应用。
从而，技术上需要的是一种可靠、价格经济的小识别标签，在其上可以编码着可在充分范围上读出、可在各种环境下使用并且用于各种应用的相当多的识别数据。
发明内容
为了解决上面讨论的现有技术不足，本发明提供一种表面声波(SAW)识别标签以及操作和制造该标签的方法。在一实施例中，该标签包括(1)一块一个SAW换能器位于其上的压电基片，(2)所述基片上的一组按脉冲位置和相位位置排列的隙；以及(3)若干分布在这些隙中的反射器从而这些反射器通过脉冲位置以及相位位置编码一个数字。
从而本发明引进采用相位位置以及脉冲位置调制和/或使用多个脉冲组合的宽阔概念，由此惊人地增加SAW识别标签可包含的数据量。这种增加允许标签含有重要数据，例如全球唯一号码，这允许所使用的标签能唯一地和可靠地识别并跟踪客体从未有过的号码。
在本发明的一实施例中，反射器排列成其中相位位置相差90°。在一个要示出并加以说明的实施例中，隙的相位排列实现相位调制，这部分地决定依据本发明的原理构建的标签的数据承载能力。
在本发明的另一实施例中，该识别标签还包括位于换能器和隙组之间的成帧反射器。该成帧反射器可以看成是一个起始反射器。在一个要说明和要示出的实施例中，另一个结束反射器和该起始反射器用于使一组实际编码该号码的反射器成帧。
在本发明的再一实施例中，该SAW识别标签还包括多个由无信号区隔开的组。尽管对于本发明不是必须的，这些无信号区隔开这些组，从而减少可能造成过度符号间干扰的相互作用。
在本发明的一实施例中，该标签编码一个至少为8位长的号码。在再一实施例中，该标签具有至少四组的多个组，从而提供至少32位长的号码。在一特别有益的实施例中，该标签具有至少十二组的多个组，从而编码至少96位长的号码。
在本发明的再一实施例中，该换能器配置成产生频率在2和3吉赫之间的SAW。该实施例的一个有用方面使该换能器产生频率约为2.45吉赫的SAW。
在本发明的又一实施例中，至少一部分的反射器是单个的传导材料条。这些反射器可以替代地是多个耦合在一起的多个条以充当单个反射器，或者可以为任何适用于某特定应用的形状。
本发明的一种特别有益的实施例是提供带有全球唯一号码的标签，从而允许全球唯一识别大数量的客体。这种唯一编号能力有益地实现客体(或资产)跟踪，并且当和编码非常大的号码的能力耦合时实现全球客体跟踪系统。
在本发明的一实施例中，该号码含有与该标签关联的客体相关的数据。从而，该标签有益地固定于一种客体；该客体可以是机器零件、组件、供给件、库存件、其它识别标签、动物或者可以成组或分类的任何其它类型或类别的客体。
在本发明的另一实施例中，该号码包括一个检错部分。该检错部分还能至少在一定程度上纠错。当然，在本发明的宽阔范围内不强求检错或纠错。
上面概括了本发明相对广义、优选以及替代的特征，从而业内人士能更好地理解下面的对本发明的详细说明。本发明的其它特征会在下面说明以形成本发明的权利要求书的主题。业内人士应理解，他们可以方便地把所公开的概念以及具体实施例用作为设计或者修改其它结构的基础从而实现和本发明相同的用途。业内人士还应意识到，这些等同结构不背离本发明最广义形式下的精神和范围。
为了更完整地理解本发明，现在在连带着各附图下参照下面的说明，附图中图1是一个等角侧视图，示出一个采用本发明的一实施例的包裹分类和识别机，用于当包裹在传送带上经过该机器中安装的读出器时识别包裹；图2示出可和本发明一起使用的计算机或通信网络型实施例的方块图；图3示出根据本发明构建的一SAW识别标签实施例的顶表面平面图；图4示出数字PPM的一个例子，以便表示四个利用常规PPM发送数据的时间片段部分；图5示出本发明的一个实施例例子，以表示用于常规四状态数字PPM的脉冲位置；图6示出本发明的一实施例例子，其允许故意把脉冲位置构建成具有小于Tmin的明显重叠间距；图7示出一种脉冲实施例的细节，其五重地增加状态数量但检测裕量有限；图8A和8B示出带有+90°附加相移重叠脉冲的实部和虚部；图9示出本发明的一实施例，其中采用不等于90°的相位增量从而明显改进修正状态和相邻状态之间的辨别，其允许的脉冲间距是Tmin/5并且在相邻的允许状态之间采用78.5°的相位差；图10示出最小脉冲间距规则的实施例，其允许同时使用MPGK和PTSK；图11示出一张表，其表示当在跳跃因子为4的一个21个隙的组中采用3个反射器时存在的286种可能状态。
图12示出二张表，以表示来自一个SAW RFID标签的二个状态子组，该标签每个组带有4个反射器和20个隙，相邻隙之间的相位增量为±90°并且分成二个各带有10个隙的交错子组。
图13示出一张表，以示出带有10个隙、二个反射器以及36种可能布局的SAW RFID标签的状态；图14示出操作根据本发明的原理实现的SAW识别标签的方法的框图；以及图15示出制造根据本发明的原理实现的SAW识别标签的方法的框图。
具体实施例方式
首先参照图1，其示出一个采用本发明的一实施例的包裹分类和识别机100的等角侧视图，以用于当包裹110在传送带120上经过该机器100所包含的读出器130时识别包裹110。该机器100代表本发明可应用于大量需要识别客体的特殊性的行业的此类机器100，并且示出以展示本发明的一些有用方面。业内人士会理解，可以利用看起来是数量无限的用来包含应用本发明的读出器130的配置的机器100。在共同转让给本发明的Hartmann的标题为“高信息容量SAW识别标签的读出器以及其使用方法”的美国10/066,249号专利申请中详细说明用来询问并且解码SAW识别标签140响应的SAW识别标签140读出器130，该申请收录作为参考文献。
存在一些总是需要对客体识别出特定特殊性的历史行业应用。例如，运输业总是必须识别每个带有从起点到目的地的特殊性的行李和货运件。其它这样的行业包括隔夜投递服务；包裹投递服务；邮购目录商店；以及甚至畜牧业，其中从诞生到送到屠宰场跟踪每条牛。这些行业采用的方法包括从在客体上设置标签或标牌以便能目视识别客体到使用某种形式的现有技术识别标签系统。本文中说明便宜的SAW识别标签140将革命传统的识别和跟踪系统。本发明所覆盖的SAW识别标签140具有充足的数据容量以及足够可靠的读出范围以取代大部分现有技术识别系统。本发明能使要求按特殊性全球地识别和跟踪客体的传统行业更经济地并且更有效地进行识别和跟踪。
不仅目前正在使用或者明显需要使用某种形式的识别标签的行业会发现本文所说明的发明是特别有用的，而且其低价格、高数据容量以及更长的可靠读出范围会使其它行业寻求SAW识别标签140的使用，现在只能预料其中的一些。例如，由于可以如此便宜地制造SAW识别标签140同时仍能含有大量的数据，杂货商店跟踪各个存货，例如某特定的汤罐头或者某特定的面包棍，会变为经济。通过使它的供应商能够使用该信息(例如利用因特网)，通过补充售出的商品或者去掉过期的商店这些供应商能使该商店的货架保持更加有效。
当然，仍然存在有待确定的会发现本发明对它们是有用的一些行业和其它应用，它们都在本发明的预期范围内。本发明的一种想象应用要求用SAW识别标签140放在其它识别标签上，不论这种其它标签是SAW识别标签140、现有技术标签或者是以后发明的标签。例如，在使用非常贵的识别标签识别货运集装箱并且必须把该标签送回到货主或者验证该集装箱标签是真实的情况中，这种使用应是合适的。
现在回到图1，假定所示出的机器100由一个包裹投递公司使用，其业务是在一个城市里接收货主的包裹并且投递到另一个城市里的收件人。还假定机器100只是一些类似机器100中的一个，该投递公司在它的终端、集中点和投递车辆系统中使用这些机器100。
在该公司的投递系统中，依据本文说明的发明构建并操作的SAW识别标签140位于每个包裹110上或内。在该系统中的每个点上当包裹110经过机器100中的窗口135时，安装在机器100上的读出器130中的询问器145发出激励包裹110上或内的SAW识别标签140的射频询问信号。接着SAW识别标签140响应该询问信号，该响应由读出器130检测。接着读出器130解码该响应以得到该特定包裹110的识别号码。
业内人士会理解，采用本文说明的这种类型的SAW识别标签140的系统将具有独特性质。例如，图1中所示的系统最有可能要求读出器130具有一个跨越传送带120的宽度的读出场的询问器145，以便当包裹通过窗口135时和它在带120上的位置和取向无关地识别每个包裹110。为了应对不同尺寸的包裹110，读出器窗口135还必须足够大以允许各种尺寸的包裹110方便通过。这还意味着读出器130和标签140组合必须具有充足的范围，从而读出器130可以可靠地读出离读出器130最远的包裹110上的SAW识别标签140。
在如本文所假设的投递系统中，重要的是，在包裹110被识别后使它的有关信息能被广泛使用。为了传播这种信息该示出的机器100和一个计算机150连接，但它只是网络中的若干计算机150中之一(后面说明)。由于在该网络上能得到包裹110的识别信息，可以对包裹110采取一些决策和动作，例如，向货主提供有关包裹100的跟踪信息，为了投递对包裹110选择通过另一个承运公司的路线；指定包裹110装到某车辆上以便投递，等等。
现转到图2，图中示出一个可以有用地和本发明一起使用的计算机或通信网络200的实施例的方块图。网络200可以是局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)、内联网、外联网、因特网、广义互联网、它们的任何组合以及许多其它网络。出于简明的目的，本文中采用的内联网是一个企业(例如一个带有多个办公室的包裹投递公司)内的专用网，并且它可能包括互联的LAN以及WAN中的租用线。典型地，内联网还包括通过一个或多个网关计算机(未示出)对因特网的连接。内联网的主要用途是共享信息和计算资源，以及在一些实例中促进成群工作。例如，一个投递公司可以在它的内联网系统中保持某些有关包裹110的信息，供它自己使用但允许它的顾客在因特网上访问有关包裹的信息例如跟踪信息。
本发明如何可以有用地采用计算机或通信网络200的另一个例子是例如杂货或五金商店。由于商店里的每件商品会具有一个和它关联的SAW识别标签140，当售出一件商品时把有关售出的信息输入到该商店的和网络200连接的计算机中。如果该商店的供应商访问该网络(可能通过因特网)，这些供应商可以监视库存并且补充售出的物品或者去除过期的或未售出的物品。类似地，大范围的感兴趣方可以同时从访问该数据获益。
典型计算机网络200环境内含有一个服务器210，后者包括至少一个数据库用于接收请求、完成规定任务并且检索和更新信息例如本情况下有关通过SAW识别标签140识别的物品的活动。计算机网络200最有可能包括一个或多个的各种常规接口设备，例如个人计算机220、常规工作站230、常规办公室计算机系统240以及常规膝上计算机250。除了常规接口设备之外，计算机网络200还可以包括个人数字助理260和可单独寻址装置(“IAV”)。IAV270可以是任何含有一些和无线接收器和/或发送器组合的计算机功能并且能单独寻址的装置。例如，投递车辆或行李装卸机可以具有一个是IAV270的终端。
再转到图3，图中示出一依据本发明构建的SAW识别标签300实施例的上表面305的平面图。SAW识别标签300有一个带着周知的压电特性的基片310。换能器315位于基片310表面305的一端上。当换声器315和一个用来获得来自读出器的询问信号的装置(例如通过一个天线)连接时，产生一个频率和振幅已知的信号，其作为表面声波或SAW向下朝基片310行进。在本发明的一实施例中，换能器315配置成产生频率在2和3吉赫之间的SAW。该实施例的一个特别有用的方面是把该换能器配置成具有国际认可ISM频带内的约为2.45吉赫的频率。当然，如业内人士会理解那样，在400MHz和6GHz之间的任何频率以及任何其它用来产生SAW的频率都在本发明的预期范围内。
设计成把一部分SAW反射回到换能器315的各反射器320位于基片310的表面305上。这些反射器320排列成用一个可以解码或者解调的识别号编码反射响应。在本发明的一实施例中，对于具体的SAW识别标签300该识别号是全球唯一的。
在本发明的一实施例中，至少一些反射器320是单条的导电材料。反射器320可以替代地是多条耦合在一起充当单个反射器320的导电材料。业内人士会理解，反射器320可以是隔离的金属条，电气短路的金属条，介质条，半导体条，表面变形例如蚀刻槽、上述任何一者的点阵，以及各种其它结构，如可以采用任何其它各种反射器320配置那样，它们全都在本发明的预期范围内。
当换能器315产生SAW信号时，SAW信号沿基片310的长度方向前进直到它遇到一个反射器320并且反射一部分信号。SAW信号的未反射部分继续沿着基片305前进并且从所有随后的反射器产生其它反射信号以产生一个对该SAW识别标签300唯一的完整调制反射响应。换能器315把该完整调制反射响应变换成一个通过适当装置(例如天线)回送到读出器的电信号。然后译码或解调该响应以便揭示具体的SAW识别标签300号码。在共同转让给本发明的Hartmann的标题为“用于识别标签的对象命名网络基础设施以及其操作方法”的美国10/062,791号专利申请中更详细地说明确定SAW识别标签300号码的方法，该申请收录作为参考文献。
为了说明各反射器320在基片305上的布局，研究有关的信号调制方法是有帮助的。利用常规脉冲位置调制(PPM)，可以通过把一个数据流分成各个样本值对该数据流编码，其中利用单脉冲发送一个样本中含有的信息。在预定的时间跨距上改变该单脉冲的时间位置起发送该样本中的信息的作用。类似地使用后续时间跨距中的各个单脉冲以便发送后续各样本值中的信息。
现转到示出数字PPM的一个例子的图4，其中示出一个利用常规PPM发送数据的时间跨距的四种位置。在此情况下，要发送的样本是数字的并且具有四种可能值中的一个值。示出四种可能的波形，它们由标称相同的单脉冲波形构成，波形的时间位置可以集中在四种时间位置或脉冲位置之一上。为了保证任何选定脉冲峰值处来自相邻脉冲位置的裙缘基本为零，脉冲位置之间所需的最小时间间距为Tmin。当然，可以在不会影响对PPM信号的解调能力下采用比Tmin宽的脉冲间距，但是，如果脉冲位置间隔比Tmin更近，更难以清楚地把一个脉冲位置和它的邻居区分开来。在这四种可能的峰值脉冲位置的每个上对PPM波形采样并且选取最大的一个造成对常规PPM的解调。业内人士容易清楚，必须利用技术上已知的一些同步方法中的一种同步解调过程。
这四种可能的脉冲位置代表数据的二个二进制位。单脉冲占据的后续四脉冲位置组可以代表数据的另二个二进制位。可以使用任何所需数量的后续四脉冲位置组以表示一个包含许多信息位的期望数据字。
对于基于SAW部件的RFID标签PPM调制是一种有利的方法，因为(1)通过布置在SAW基片上的SAW反射器容易建立和规划单脉冲，(2)各种脉冲时间位置直接和可能的SAW反射器的空间布局相关，(3)数据的位数大于单脉冲的数量(这减小标签插入损失)以及(4)对于所有可能的标签识别号SAW反射器的数量保持不变(这对于任何标签识别带来带有均匀脉冲振幅的损耗相当低的标签)。但是，采用用于SAWRFID标签的PPM也具有局限。这些局限包括(1)PPM数据密度低(这增加芯片尺寸和成本)；(2)低数据密度和SAM芯片的实际最大尺寸产生实际标签位数的上限；以及(3)PPM SAW标签中各个反射器之间的多次反射产生不希望的会干扰PPM脉冲序列后面部分的脉冲。本发明克服这些以及其它问题。
出于简明目的，如后文中使用那样术语“隙”(图3中示出)指的是基片305上的某些空间位置，其上适当安放的反射器320会按预定方式和换能器315产生的SAW相互作用。每个隙是一个其上可以安放一个反射器320以作为对某个数据元素编码的一部分的位置。通常，每个隙相对于换能器315具有唯一SAW传播延迟。隙通常按“时隙”说明，因为利用一组预定规则在空间位置和时间位置之间存在一对一的对应关系。当在一个具体的隙中安放一个反射器315时，当整个部件遭受读出信号时形成一个SAW能量反射脉冲。如本文中使用那样，术语“组”(图3中示出)表示隙的一种特定集合，通过在组成该组的选定隙中选择性地安放一个或多个反射器320在编码和译码数据元素中集体处置该隙的特定集合。
在图4中，Tmin是按一个代表以任何可能的脉冲位置为中心的时间长度的隙定义的。组是通过相邻隙的集合表示的。在图4的例子中，示出一个代表二个二进制数据位的带有四种状态的组。如果采用四个四隙的组，可存在256个可能状态(或组合)(4状态×4状态×4状态×4状态＝256状态)。这对应8位的数据(或者比单组多四重的数据)。这256个状态(8位的数据)总共占据16个隙。如果把这16个隙组合成单个组并且采用常规PPM方法，则一个脉冲应占据这16个隙之一。可使用的16个状态(四位的数据)明显少于按四个各带有四个隙的独立的组产生的256个状态。
如果把常规PPM概念放在一边并且在单组中允许多脉冲的话状态数量明显增加。例如，如果在一个16个隙的组中允许四个脉冲的话，存在1820个状态，这明显多于四个各带有四个隙的组的更常规PPM可使用的256个状态(其中同样占据16个隙)。另外，如果在16个隙的组中使用八个脉冲，可得到12,870个状态，这是更大的改进。如果16个隙的组中允许七个、八个或九个脉冲，35,750个状态是可能的，这对应多于15位的数据(和在相同空间下采用常规PPM的八位数据对比)。
一旦在单个组中允许多个脉冲，把调制格式再按PPM描述是不恰当的。这种新方法的更适当的名字是每组多脉冲键控(MPGK)，其中键控等同于调制。MPGK具有数种变型。
MPGK包括(1)把要发送的数据流分成一个或多个分离的样本值；(2)利用多于一个(即多个)脉冲发送给定样本值；(3)在划分成名义上相邻但不必必须相邻的时隙的时间跨距中发送多于一个的脉冲；(4)构成该时间跨距的时隙集合组成一个隙组；以及(5)按预定方式在该隙组中分配多个脉冲以便通过数据映象函数和/或表表达各个样本值中包含的信息。各组在隙的数量和/或占用的隙数上可以不同。所有的隙不必必须相同(允许不等的隙宽、脉冲幅值等)并且隙不必彼此相邻。可以把单组定义成它只具有数量固定的占用隙，或者替代地可以允许占用数量不同的隙。每个数据报文可以包括多于一种类型的组(例如，标题可以为一种组类型，实际数据为第二组类型，而检错/纠错可能为第三类型)。所有这些变型在SAW RFID标签中找到特殊应用。所有这些变型在本发明的范围之内。
现转到图5，图中未出本发明的一实施例例子，其示出常规四状态数字PPM的各种脉冲位置。在最简单的实现下，本发明覆盖的调制方法采用每个组单个脉冲，这和常规PPM类似。图5中的例子紧凑表示带有四个隙的组中允许的脉冲位置，其中Tmin是允许的脉冲峰值位置之间的时间间距。在PPM下只发送该组中这些脉冲中的一个并且如果在允许的峰值位置上完成解调采样的话，样本中的三个实质上为零而正确样本会具有等于1的幅值。如果解调期间未把采样正确地同步到各峰值位置上，则该“正确脉冲”位置处的幅值开始减小同时相邻位置上的幅值变成大于零。但是，仍然可以正确地解调信号。如果系统中还存在噪声，因该计时误差造成的不正确解调的概率会增加。但是，如果计时误差小，可以忽略退化。原则上，如果信噪比足够小，只要计时误差小于Tmin/2仍可以成功解调信号。
即使脉冲部分重叠仍可成功区别单脉冲的二个可能位置的能力可以用于提高数据密度但其代价是加大信噪比敏感性。这种数据密度增加是通过以一个允许脉冲位置的裙缘和相邻脉冲位置的峰值重叠的方式使允许的脉冲位置靠得更近实现的。
现到图6，图中示出本发明的一实施例例子，其中允许的脉冲位置故意构建成具有小于Tmin的明显重叠间距。和图5中示出的五个单元相比，允许脉冲间距减小到为一个单元。在此情况下，隙宽等于Tmin/5，从而潜在地表示状态数量上的五倍增加。由于其明显减小用来区别相邻脉冲位置的检测裕量，很少采用这种增加数据密度的方法。
转到图7，图中示出状态数量增加五重但检测裕量有限的一种脉冲实施例的细节，为了解调图7中示出的带有强重叠脉冲的信号，对接收到信号在所有可能脉冲位置的各峰值位置(即，图7水平轴上的所有整数位置)进行采样应是必须的。如从图7清楚看出那样，对于相邻的脉冲位置幅值鉴别特别差，但是对于隔一个相邻的脉冲、隔二个的脉冲、等等这种鉴别提高。本发明提供一种本文所说明的新颖调制格式。各允许脉冲修改成各个脉冲不仅具有不同的时间位置而且在各相邻脉冲之间增加相位阶跃。例如，如果在每个相邻脉冲之间添加±90°的相位阶跃，则t＝0(时间等于零)处的脉冲将具有0°，t＝1处的脉冲将具有±90°，t＝2处的脉冲将具有±180°，t＝3处的脉冲将具有±270°，t＝1处的脉冲将具有±360°，等等。如后面表明那样，即使隙间距小于Tmin，同时组合相移和时移调制可以明显改进相邻隙之间的鉴别。
现转到图8A和8B，图中示出+90°附加相移下各重叠脉冲的实部和虚部。由于该示出的实施例中采用90°的相位倍数，奇数脉冲(1，3，5，等等)实部等于零而偶数脉冲虚部等于零。
为了解调图8中的信号，必须在峰值位置(t＝0，1，2，等等)上对接收信号的实部采样并且把采样信号的相位从一个时隙移到下个时隙，从而它会符合应在隙位置上出现的脉冲的预期相位。
通常，可以采用大范围的相角，它们中的许多可以给出和该特定90°情况相同的或者更好的性能。例如，在Tmin/5的隙间距情况下，阶跃角在90°附近按大于±20°改变不会造成明显退化。
转到图9，图中示出一个本发明的采用不等于90°的相位增量并且明显改善正确状态和相邻状态之间的鉴别的实施例，该例中允许脉冲之间的间距是Tmin/5并且相邻的允许状态之间采用78.5°的相位差。在图9中选择90°之外的相位增量，以便示出各种相角下正确状态和相邻状态之间的鉴别得到明显改进。更加重要的是，和前面示出的允许脉冲之间的间距相同但不带有相移的图7相比，图9显示惊人改进。和允许脉冲间的间距为Tmin的更常规的PPM相比，图7和图8、图9在状态数量上具有大致相同的五倍的改进。但是，在不带有相移(图7)下最小检测裕量仅为0.067，而带有相移(图8和9)下对相邻状态的检测裕量现在为0.81，这很类似于检测裕量接近1的更常规的PPM。
在图9中示出的实施例中，脉冲调制特征在于按已知方式同时偏移脉冲通信信号的相位和时间位置。以下把该实施例称为同时相移和时移键控(PTSK)，其中键控等同于调制。尽管本文中的讨论只考虑均匀间隔的时移以及均匀间隔的相移，业内人士会理解时移或相移(或者二者)的不均匀间距在本发明的范围之内。
在该实施例中，要发送的数据流(1)划分成一个或多个独立的样本值；(2)利用至少一个脉冲发送给定的样本值；(3)在划分成名义上相邻但不必必须相邻的时隙的时间跨距中发送至少一个脉冲；(4)构成该时间跨距的时隙集合组成一个隙组；(5)每个隙具有唯一相移和唯一时间位置；以及(6)按预定方式在该隙组中包含至少一个脉冲以便表示该独立样本值中包含的信息。各个组在隙的数量上和/或占用的隙数是可以改变的，这仍在本发明的范围内，而且，单组可以定义成它只具有固定数量的占用隙，或者替代地可允许它有数量不同的占用隙。另外，单个数据报文可以包括多于一种类型的组(例如，标题可以为一种组类型，实际数据为第二组类型，而检错/纠错可能为第三类型)。所有这些变型在SAW RFID标签上具有特定的用处，所有这些变型都在本发明的预期范围内。
在本发明的另一实施例中，可以实现多脉冲组键控和同时相移时移键控的组合(MPG/PTSK)。前面示出的MPGK里在一个组中使用多脉冲但用Tmin分隔脉冲位置。类似地，在前面示出的PTSK里每个组只使用一个脉冲(类似常规PPM)，但允许脉冲间的间距明显小于Tmin。组合这二种类型需要注意一些微妙细节。在MPGK情况下，二个相邻的隙可以都是占用的，因为如前面说明那样一个脉冲的裙缘不和任何相邻脉冲的峰值重叠(和常规PPM中一样，如图5中所示)。但是，当采用强重叠脉冲时如果允许同时占用二个相邻的或者靠得很近的隙如图7中所示，脉冲之间可能会存在符号间强干扰并且在脉冲间存在明显相移(例如图7和9)的情况下可现造成二者之间的几乎全部的抵消。如果要使MPGK调制方法和PTSK方法成功组合，必须解决这种可能的干扰。
当一起采用MPGK和PTSK时，解决该干扰问题的主要方法是施加最小脉冲间距规则。一个通常有用的规则是，尽管允许脉冲位置可以具有明显小于Tmin的时间间距，在具体波形上任何二个包含在该波形中的实际脉冲必须总是具有等于或大于Tmin的最小间距。
转到图10，其中示出允许一起采用MPGK和PTSK的最小脉冲间距规则的一个实施例。在该例中，该波形中的一个脉冲选择成在t＝0上出现，并且按照最小脉冲间距规则在位置t＝1，2，3和4上拒绝下个脉冲但允许在位置t＝5，6，7，等等上出现。(注意为了简明在图10中略去脉冲隙之间的PTSK相移。)注意在Tmin等于五个隙的情况下，选定的脉冲之间至少跳过四个脉冲隙。在更一般的情况下，如果隙宽度等于Tmin/N，则可把跳越因子定义为等于N-1。可以采用更大的跳越因子并且在一些情况中会是有益的(例如在外部强干扰的操作环境下)。在一些别的情况中略小的跳越因子也是有益的，但是看来确保最小间距规则等于Tmin会是大部分情况中的最佳选择。
当一起采用PTSK和MPGK时解决二个相邻占用隙的潜在干扰问题的另一种方法基于如果隙间的相移为±90°形成的相邻隙之间的正交性(参见前面图7中给出的例子)。如果相位足够接近±90°，则任何给定隙中的脉冲不会和二个相邻的隙干扰。在此情况下，所有奇数隙完全独立于所有偶数隙。但是，脉冲仍可以和它的第二、第四、第六等等的最近邻居干扰，如果这些邻居的间距比Tmin近的话。在该特定“最近邻居正交”情况下，一种分析选项的有用方法是把隙分成二个相互缠绕的子集(I和Q)。然后，如果需要，分别对每个子集施加图10中示出Tmin最小间距规则。
本发明的该组合采用PTSK和MPGK的实施例的特征在于，相邻隙中脉冲之间的明显重叠。从前面对PTSK和MPGK的说明中可以推出该实施例的变型。
但是，任何PTSK和MPGK的组合应考虑到需要提供一种手段以便避免当采用具有明显相邻隙重叠的脉冲时出现的符号间潜在干扰作用。由于该方法组合了前面说明的二种实施例的特征，可以适当地把它称为MPG/PTSK(即，多脉冲组和同时相移时移键控组合)。
业内人士清楚，其它广范围的相移和最小间距规则的组合在本发明的期望范围之内。例如，可能允许一个或更多的脉冲带有小于Tmin的间距。通常，利用下述变量的组合各种优化是可能的(1)相邻隙之间的相移；(2)整数或非整数分割Tmin以定义时隙间距；(3)各种不同的甚至可以在一个组中的各个隙上的“跳跃”规则；(4)采用(或者组合)二进制之外(因为每个组的状态数量不必等于2的幂)的数字系统；(5)采用其中“数据状态”的数量小于一个组中的总允许状态的映射，以便处理异常、检错/纠错和改善对传输劣化的免疫性等；以及(6)诸如脉冲幅值的其它改变。
现转到图11，图中的表示出在跳跃因子为4的21个隙的组中采用三个反射器时的286种可能的状态。这是一个单组的例子，其中SAW RFID标签具有每个组三个反射器、每个组21个隙、跳跃因子为四并且相邻隙之间的相位增量在75°到105°的范围内。相邻隙之间的相位增益范围和前面连同图8和9说明的范围相同。通过采用为四的跳跃因子避免相邻脉冲之间由于相邻脉冲间的五重重叠造成的干扰。很明显286个状态足以编码和8位数据对应的256个状态。该具体变型的组长度约比图4中示出的常规PPM方法长25％，但是它得到八个数据位，这是图4例子示出的二位的四倍。另外，它只用三个而不是四个SAW反射器达到八位，而对于常规PPM下的八个数据位则需要三个反射器。
现转到图12，图中示出来自一个SAW RFID标签的二个子状态组，该标签为每组四个反射器、每组20个隙、相邻隙之间的相位增益为±90°从而分成二个各为十个隙的交错子集，根据同相隙或者正交隙这二个子组称为I子组成Q子组。另外每个I或Q子组内最小脉冲间距为三(即跳跃因子为2)并且每个子组只允许每个具体相位一个反射器。(注意图12中偶数隙里的可能反射脉冲相位上和来自奇数隙的可能反射脉冲差180°。当一起考虑I子集和Q子集时，总共可能有256种组合，这足以编码8个二进制数据位。
回到图3，通过在基片305上于按脉冲位置和相位位置排列的隙330的组340中安放各反射器320产生唯一返回信号。隙的数量330取决于所采用的编码系统。在该示出的实施例中，隙330是按相位正交排列的以和SAW返回信号的+I336、+Q337、-I338和-Q339对应。第一组340中前四个隙330是用编号标志的，而在第二组340中每个隙330用各自的相位位置标记。在其它实施例中可使用不同的相位位置，这些不同的相位位置会要求相应地排列各个隙。当然任何数量的相位位置以及任何数量的隙都在本发明的预期范围内。
如上面叙述那样，相对于换能器315每个隙330位于预定的脉冲位置和相位位置。为了使符号间干扰最小，通常在实际反射器之间强制跳跃因子。
本发明的另一个特征是在SAW换能器315和组340之间安放一个成帧反射器350以便帮助隔离信号并且能更方便识别它以便进行译码。该成帧反射器350可以看成是一个起始点，其设置在离换能器315规定的距离处以便标识反射信号中开始译码或解调的点。在另一实施例中，还在表面305上安放一个结束反射器360，它和成帧反射器350一起用来框定编码SAW识别标签300号的整个反射信号。当然可以设置附加的成帧反射器350或结束反射器360来改善信号同一性并且在本发明的范围之内。
现转到图13，图中表示出带有10个隙、2个反射器以及36种布局的SAW RFID标签的状态。该表是在这样的情况下得出的，其中该SAWRFID标签每组具有4个反射器，每组20个隙，跳越因子为3和相邻隙之间的相位增量为正或负90°，并且每个组分成二个各具有二个反射器的交错子局。该例子和前面其中把四个不同的相位状态划分成各带有10个隙的二个子组的例子很类似。可以把每个子组看成是具有等于1的跳越因子。该表给出和一个这样的子组对应的状态。该例和该前面的例子之间的唯一不同是这二个同相反射器(+I和-I)符号可以相同或者相反。该例的主要优点是，在每个子组36个状态下，每个组可以得到总共10位，这比前面例子中的8位要好。该例的缺点是乱真反射可能比前一个例子差，并且对脉冲拖尾效应的敏感性可能会增加。
由此本发明引入采用相位位置及脉冲位置调整和/或采用多脉冲组合的广义概念，从而大大增加SAW识别标签300可以含有的数据量。这种数据容量允许SAW识别检签300含有对特定SAW识别标签300唯一的的号码，例如全球唯一号码，这允许把SAW识别标签300用于识别和可靠跟踪数量空前的客体。这种唯一编号能力有益地影响客体(或财产)跟踪，并且使全球客体跟踪系统成为可能，尤其当利用因特网的效力时。
SAW识别标签300的大数据容量在本发明的一实施例中允许在其上对一个关联客体编码数据。从而，可以使SAW识别标签300有益地附着于任何邻近客体，该客体可以是机械部件、包裹、供给器、动物或者其它物品，而且该信息可用来标识和分类该客体。
在本发明的另一实施例中，该号码包含检错部分。该检错部分还能进一步对至少部分内容纠错。当然，在本发明的广范围内不必强求检错或纠错。
现转到图14，其中示出操作SAW识别标签的方法1400的框图。该方法从开始步骤1410开始。该方法1400在激励步骤1420激励位于压电基片上的SAW换能器以建立SAW。在引起步骤1430中，根据本发明的采用相位位置及脉冲位置调制和/或使用多脉冲组合的广概念按预定方式引起该SAW在隙组中分布的各反射器上反射以便编码期望数据到标签上。在解调步骤1440中，对SAW的各反射部分译码以产生该SAW识别标签上所编码的号码或者其它数据。该方法于结束步骤1450结束。本发明提供几种操作SAW识别标签方法的实施例。上面对SAW识别标签的各种实施例的说明足够详细，从而业内人士能够理解并且实现所有这些实施例。
现转到图15，其中示出制造SAW识别标签的方法1500的框图。该方法1500从开始步骤1510开始。在换能器形成步骤1520中，在压电基片上形成SAW换能器，在方法1500的一实施例中，换能器配置成产生频率在2和3吉赫之间的SAW。在反射器形成步骤1530中，按预定空间位置、相位位置和反射幅值形成各反射器以便构成排列在至少一个隙组中的各个隙以及其它所需反射器例如成帧反射器。在反射器编码步骤1540中，形成一组和要编码的标签数据对应的具体反射器，从而在该表面上只存在所需的反射器并且所有不含有反射器的隙是空的或者是无效的。尽管图15顺序地列出三个步骤1520、1530和1540，可以以任何次序地或并行组合地或者按加工工艺允许并发地、在除去(例如蚀刻)方式或添加(例如沉积)方式下完成这些步骤。
在方法1500的一实施例中，至少一部分的反射器是传导材料条。在方法1500的另一实施例中，按正交相位部署相邻的隙。在该方法的另一实施例中，设置至少四个的组并且编码的号码至少32位长。在再一实施例中，设置十二个组并且该号码至少96位长。在又一实施例中，编码数据对该SAW识别标签是唯一的，而再一实施例提供的数据含有和该SAW识别标签相关的客体有关的数据。另一实施例中的数据包含检错部分。在另一实施例中数据包括由字母部分和/或数字部分组成的常用字母数字信息。
在方法1500的一实施例中，反射器形成步骤1520实现成用死区分开各个组。在该步骤中还可以形成成帧反射器。最好形成并且编码所需的换能器以及反射器，该方法在结束步骤1550结束。
利用基于单个换能器加以SAW反射结构的SAW识别标签说明了本发明。业内人士应理解各种所有可能的改变，替代和变化都在本发明预期范围之内。它们包括但不限于(1)可以利用多个声道和/或多个SAW换能器实现这种编码的SAW器件；(2)可以以各种方式折叠SAW传播路径以达到器件面积较小或用于其它目的；(3)换能器包括使用单向SAW换能器；(4)可以在器件表面上利用其尺寸是SAW波长的小百分率的反射器元件的细粒空间调整实现反射器结构的相位位置；(5)可以连同多于一个的SAW换能器布置反射器从而在该多于一个的SAW换能器之间器件输入可全部或部分地和器件输出隔开；(6)替代在SAW器件中采用编码的反射器，可以利用周知的带有规定脉冲响应的SAW换能器滤波器实现完成部分或者全部编码；(7)用来编码数据的反射条和/或换能器条可以使用各种各样的方法以便利用条的宽度、条的厚度(或深度)、条的数量和改变条的重叠对期望幅值加权；(8)SAW换能器还可以带有诸如频带成形、相位补偿的功能以及其它滤波器功能；以及(9)其它各种SAW技术元件。
本文中连带SAW识别标签说明了大范围的调制方法。也可以在除SAW识别标签之外的领域中使用这些调制方法，例如但不限于(1)基于SAW技术之外的技术的识别标签；(2)用于识别标签之外用途的SAW器件；以及(3)在不采用SAW技术并且用于识别标签之外用途下使用本文中所说明的调制方法。
尽管详细地说明了本发明，业内人士理解可以在不背离本发明的精神和范围的最广形式下做出各种改变、替代和变形。
权利要求
1.一种表面声波(SAW)识别标签，包括一个其上安放着一个SAW换能器的压电基片；一组在所述基片上按脉冲位置以及相位位置排列的隙；以及多个分布在所述隙之中的反射器，从而所述反射器通过脉冲位置以及相位位置编码一个号码。
2.根据权利要求1所述的SAW识别标签，其中所述反射器按其中所述相位位置成90°地排列。
3.根据权利要求1所述的SAW识别标签，还包括一个位于所述SAW换能器和所述组之间的成帧反射器。
4.根据权利要求1所述的SAW识别标签，还包括多个由死区隔开的所述组。
5.根据权利要求1所述的SAW识别标签，其中所述号码至少为8位长。
6.根据权利要求4所述的SAW识别标签，其中所述多个组为至少四组并且所述号码至少为32位长。
7.根据权利要求4所述的SAW识别标签，其中所述多个组为至少十二组并且所述号码至少为96位长。
8.根据权利要求1所述的识别标签，其中所述SAW换能器配置成产生频率在2到3吉赫之间的SAW。
9.根据权利要求1所述的识别标签，其中至少一部分所述反射器是单条的传导材料。
10.根据权利要求1所述的识别标签，其中所述号码对于所述标签是唯一的。
11.根据权利要求1所述的识别标签，其中所述号码包含和与所述标签关联的客体有关的数据。
12.根据权利要求1所述的识别标签，其中所述号码包含检错部分。
13.一种操作表面声波(SAW)识别标签的方法，包括激励一个位于一压电基片上的SAW换能器以建立SAW；使所述SAW从分布在所述基片上的按脉冲位置和相位位置排列的隙组之中的反射器反射；以及解调所述SAW的各个反射部分以产生一个通过脉冲位置以及相位位置编码的号码。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述子隙中的四个排列成其中所述相位位置成90°。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括引起所述SAW从位于所述SAW换能器和所述组之间的成帧反射器反射。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括引起所述SAW从分布在由死区隔开的多个所述组之中的反射器反射。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述号码至少为8位长。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个组为至少四组并且所述号码至少为32位长。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个组为至少十二组并且所述号码至少为96位长。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述SAW的频率在2到3吉赫之间。
21.根据权利要求13所述的方法，其中至少一部分的所述反射器是单条的传导材料。
22.根据权利要求13所述的方法，其中所述号码对于所述标签是唯一的。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述号码包含和与所述标签关联的客体有关的数据。
24.根据权利要求13所述的方法，其中所述号码包含检错部分。
25.一种制造表面声波(SAW)识别标签的方法，包括在压电基片上形成一个SAW换能器；以及在所述基片上按脉冲位置和相位位置排列的隙组中沉积反射器组，所述反射器通过脉冲位置以及相位位置编码一个号码。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述反射器按其中所述相位位置成90°地排列。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括一个位于所述SAW换能器和所述组之间的成帧反射器。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括多个由死区隔开的所述组。
29.根据权利要求25所述的方法，其中所述号码至少为8位长。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述多个组为至少四组并且所述号码至少为32位长。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述多个组为至少十二组并且所述号码至少为96位长。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述SAW换能器配置成产生频率在2到3吉赫之间的SAW。
33.根据权利要求25所述的方法，其中至少一部分的所述反射器是单条的传导材料。
34.根据权利要求25所述的方法，其中所述号码对于所述标签是唯一的。
35.根据权利要求25所述的方法，其中所述号码包含和与所述标签关联的客体有关的数据。
36.根据权利要求25所述的方法，其中所述号码包含检错部分。
全文摘要
一种表面声波(SAW)识别标签以及该标签的操作和制造方法。在一实施例中，该标签包括(1)一块其上安放一个SAW换能器的压电基片，(2)在所述基片上的一组按脉冲位置和相位位置排列的隙，以及(3)一些分布在隙之中的反射器从而这些反射器通过脉冲位置以及相位位置编码一个号码。
文档编号H03H9/64GK1615490SQ02827335
公开日2005年5月11日 申请日期2002年11月18日 优先权日2001年12月18日
发明者克林顿·S·哈特曼 申请人:射频表面声波元件公司