（通信与信息系统专业论文）超宽带射频应答器关键技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 超宽带通信技术具有高安全性、高传输速率、低功率谱密度、发射机易 于数字化等特点；相对于传统的窄带通信系统，超宽带系统更适合于低功耗、 高安全性、数据量大的应用场合。 r f i d 是一种非接触式的自动识别技术。将超宽带与r f i d 技术结合， 采用无源方式即超宽带无源r f i d ，提高r f i d 系统的安全性、可靠性和数 据传输速率。 本文针对超宽带无源应答器的非对称结构，首先研究了无源应答器的能 量获取电路的结构，给出了应答其中能量获取电路的设计考虑，采用n m o s 管的二极管接法构成的电荷泵电路降低了二极管对电荷泵的影响；然后设计 了数字化的u w b 发射机并采用编程逻辑进行了设计的仿真验证；最后考虑 超宽带r f i d 系统的安全问题提出了基于t h p p m 的随机化安全认证协议， 针对该协议研究了超宽带射频应答器中要增加的与安全认证相关模块，并基 于该模块设计了适用于超宽带无源应答器帧格式发生器，构成了一个基于安 全认证协议的无源应答器的u w b 信号源。对能量获取电路的研究和数字 u w b 发射机的设计，为后续的应答器芯片的设计打下理论基础。 关键词：数字式u w b 发射机r f i d 安全认证能量获取 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t u l t r ab r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a s h i g hs e c u r i t y ，h i g h t r a n s m i s s i o nr a t e ，l o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t ya n de a s yd i g i t a lt r a n s m i t t e r ，a n ds o o n c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a ln a r r o w b a n dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ， u l t r a - w i d e b a n ds y s t e m si sm o r es u i t a b l ef o rl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h s e c u r i t y ，l a r g ea m o u n to f d a t ao c c a s i o n r f i dt e c h n o l o g yi san o n c o n t a c ta u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e t r a d i t i o n a lr f i ds y s t e m ，a d o p t i n gn a r r o w b a n dm o d u l a t i o nm o d e ，i sn oh i g h s a f e t y ，l o wd a t ar a t e ，p o o ra n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ye t c r f i dc o m b i n e du w b ， n a m e l yu l t r a w i d e b a n dr f i d ，c a no v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a l r f i d f o ru l t r a w i d e b a n dp a s s i v er e s p o n s eo ft h ea s y m m e t r i cs t r u c t u r e ，t h ef i r s t i sr e s e a r c ho fe n e r g yc o l l e c t i n gc i r c u i tw i t hp a s s i v et r a n s p o n d e r ，p r o p o s e d c o n s i d e r a t i o nw h e nd e s i g n i n ge n e r g yc o l l e c t i n gc i r c u i t u s i n gn m o si nt h e c h a r g ep u m pr e d u c ei n f l u e n c ew i t hd i o d et oc i r c u i t t h e n ，d i g i t a lu w b t r a n s m i t t e ri sd e s i g n e da n dv e r i f i e d f i n a l l y ，b a s e do nt h - p p mr a n d o ms e c u r i t y a u t h e n t i c a t i o nw a sp r o p o s e d af l a m eo fu w bi s p r o p o s e du s i n gt h e a u t h e n t i c a t i o n ，a n dt h e nt h ef r a m eg e n e r a t o ri sd e s i g n e da n dv e r i f i e d t h e s e s t u d i e sp r o v i d et h ef o u n d a t i o nf o rd e s i g n e dp a s s i v et r a n s p o n d e rc h i p k e yw o r d s ：d i g i t a lu w bt r a n s m i t t e r ；r f i ds a f ea u t h e n t i c a t i o n ； e n e r g ya c q u i s i t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 研究背景 超宽带与r f i d 技术的融合仅仅是在近几年在国外兴起，对超宽带r f i d 的研究多数都集中在有源r f i d 的方式，阅读器和应答器采用对称通信方式， 即阅读器和应答器的上下行链路采用u w b 技术实现双向的高速数据传输， 应答器中集中了u w b 的接收机和发射机，由于u w b 接收机电路复杂且功 耗大，因此应答器设计复杂、功耗大。瑞典皇家理工学院m a j i db a g h a e in e j a d 博士注意到，从阅读器到应答器的数据速率( 下行数据速率) 不要求很高，因 此设计了非对称的超宽带r f i d 通信模式【】，将u w b 与r f i d 结合，采用无 源r f i d 的方式实现了系统的高数据传输速率。m a j i db a g h a e in e j a d 博士等 人将超宽带技术与r f i d 技术融合的目的就是实现应答器的低成本、低功耗， 为此m a j i db a g h a e in e j a d 博士提出了阅读器和应答器之间的通信上下行链 路采用不同的通信技术，并结合防碰撞技术，采用u m c 0 18 1 t m 的c m o s 工 艺实现了简单的超宽带无源应答器芯片，并测试证明了非对称的结构是可行 的 1 1 。 1 2 研究目的及意义 r f i d 技术研究方向主要围绕阅读器设计、应答器的小型化、应答器成本、 中间件、与其他短距离无线通信技术融合( z i g b e e 、w i f i 、u w b 等) 、应答 器天线的设计等。在一些场合如资产管理、防盗等不需要系统具有很高的性 能( 通信速率、安全性、抗干扰等) ，只需应答器和阅读器之问通过反向散射 完成识别，对成本和尺寸等也不敏感。但随着r f i d 技术应用场合的推陈出 新，有些场合( 如：电子支付、仓储盘点、人员身份识别) 需要r f i d 系统具 有高安全性、高吞吐量、强抗攻击能力、低功耗和快速读写的能力，而结合 u w b 技术，可以实现r f i d 系统的高安全性、大数据量传输，同时可附加 定位、测距等功能。在控制成本的前提下，可替代现有的r f i d 系统，提高 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 现有系统的安全性、抗干扰能力，提升数据的传输速率。对超宽带r f i d 的 研究集中在无源应答器的能量获取电路和u w b 发射机、超宽带r f i d 系统 的安全性等方面。 无源应答器中的能量获取电路性能决定这r f i d 系统的识别距离，也即 决定了系统的应用领域，因此如何提高无源应答器能量获取电路对电磁波的 转换能力是提高系统识别距离的有效方法。无源应答器中的能量获取电路根 据应用环境识别距离的远近采用不同的电路结构，近距离识别系统的应答器 采用桥式整流电路，而中远距离r f i d 应答器采用d i c k s o n 电荷泵电路， d i c k s o n 电荷泵电路输出电压受二极管的管压降很大影响，如何降低二极管 管压降是能量获取电路研究的主要方向。 本文中超宽带r f i d 应答器借鉴了m a j i db a g h a e in e j a d 博士等人的非对 称结构，设计验证了数字化u w b 发射机；传统的u w b 发射机采用的是雪 崩三极管实现，为了降低功耗采用竞争冒险实现数字化的u w b 发射机，使 得后期的应答器芯片更容易集成。 阅读器向应答器发送数据采用窄带调制方式，其发送的信号存在可能被 截取、窃听等问题：现在应用于r f i d 系统的安全认证协议常采用h a s h l o c k 协议、随机h a s h l o c k 协议、随机数加密认证协议、h b 协议等，这些安全 认证协议或多或少存在各种缺陷，如h a s h l o c k 安全认证协议不能抵抗重传 攻击，且计算成本较高，标签需进行h a s h 运算模块，因此增加了标签的制 造成本，h b 协议也存在计算成本较高的缺点，而随机数加密认证协议发送 未加密的随机数，使得随机数可能被窃听，若应答器再采用该随机数加密i d ， 若经过随机数加密的i d 也被窃听，则会使标签的信息泄露。为了解决这些 问题，在超宽带r f i d 应答器中，充分考虑超宽带的安全优势，超宽带信号 极困难被截取，对于非对称通信结构的超宽带r f i d 系统，加入随机数再加 密的方式，保证随机数的安全，而应答器i d 采用随机数加密后以u w b 方 式发送保证了应答器的信息安全。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 论文结构 1 3 1 主要研究内容 在超宽带无源r f i d 系统中，阅读器和应答器之间的通信采用非对称方 式，阅读器以窄带调制的方式向应答器发送数据，而应答器采用单脉冲的 u w b 调制方式向阅读器发送数据。超宽带无源r f i d 系统的关键就是应答 器的研究，应答器的成本决定了系统的可行性和有效性，而超宽带应答器的 研究主要集中u w b 发射机和应答器芯片的能量获取。本文主要研究了超宽 带r f i d 应答器的能量获取电路、u w b 发射机、基于t h p p m 的随机化安 全认证协议等。 本文从超宽带r f i d 应答器的物理结构出发，主要进行了超宽带r f i d 应 答器能量获取电路的理论分析研究，设计了数字化的u w b 发射机并进行了 仿真分析和硬件测试，结合设计的u w b 发射机实现了基于t h p p m 的随机 化安全认证协议的帧格式，并进行了仿真分析和硬件测试。 1 3 2 章节安排 本文的章节安排如下： 绪论分析了将u w b 技术与r f i d 技术融合的意义、国内外对超宽带r f i d 研究的现状，阐明了本文的研究对象和目标及论文的结构。 第二章从射频识别技术的基本知识入手，分析了无源应答器的基本结构。 并对超宽带信号的波形及调制方式的进行了介绍，为后续章节做铺垫，且对 超宽带应答器做了简要说明并与基本的无缘应答器结构做了对比。 第三章主要围绕应答器的能量获取电路。分析了近距离r f i d 应答器和 阅读器的电感耦合方式，并指明采用实现近距离应答器的能量电路是桥式整 流电路，对桥式整流电路做了理论分析。从中远距离应答器能够接收到阅读 器的功率入手，分析了d i c k s o n 电荷泵的基本原理，及如何应用于应答器的 能量获取电路。在对桥式整流电路和d i c k s o n 电荷泵进行理论分析的同时也 对两种电路做了理论仿真，验证了二极管管压降与输出电压的关系。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 第四章为本文的最主要章节文中设计了由全数字逻辑构成的u w b 发射 机。首先给出了全数字u w b 发射机的整机结构，然后对其中的主要模块的 设计原理做了详细讲解，并采用f p g a 实现了u w b 发射机的整机功能，通 过功能仿真和硬件测试，其输出结果与设计初衷完全吻合。 第五章从常用的r f i d 安全协议流程入手，设计了基于t h p p m 的随机 化r f i d 安全认证流程，结合第四章介绍的u w b 发射机，设计了符合该安 全协议流程的数据帧格式，实现了帧格式发生器，并与全数字u w b 发射机 进行了联调仿真、硬件测试测试和验证。 最后对论文所做的工作进行了全面的总结，并分析了论文的不足之处并 对下一步工作进行了展望。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 无源射频识另f ( r f i d ) 系统与超宽带技术 2 1 射频识别简介 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，简称r f i d ) 是一种利用射频信号 自动识别目标对象并获取对象相关信息的非接触式识别技术。r f i d 技术与 条形码识别技术相比具有可擦写、非接触，可同时识别多个对象、数据存储 容量大、保密性好、安全性高、抗污染等优点；与磁卡技术相比，具有不易 失效、携带方便、安全性高等优点【l 】。 r f i d 系统有无源、半无源和有源之分。无源r f i d 系统因应答器工作能 量来自阅读器发射的电磁波，所以应答器的功耗要求较高，需要尽量降低应 答器功耗。 为了降低无源r f i d 应答器的功耗，应答器和阅读器之间的通信一般采 用比较简单的窄带调制如f s k 、a s k 等，但是窄带调制的多径衰落严重、 抗干扰能力有限，且易受到主动和被动攻击( 如：伪造攻击、假冒攻击、拥 塞链路、重放攻击、信息篡改、服务后抵赖等) ；应答器数据易受非法篡改。 因此，在高安全性( 如安全支付) 、高速识别、传输数据量大的应用场合并不 适用。 射频识别( r f i d ) 技术利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非 接触的双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。最基本的r f i d 系统分为三个部分：应答器、阅读器和天线。应答器用于存储、处理信息和 通过天线实现与阅读器之间进行通信；阅读器用于通过天线读取( 写入) 应答 器信息；天线用于应答器和阅读器之间传递射频信号。 r f i d 系统有多种分类方法，以应答器的能量供给方式可以分为：有源、 半无源和无源射频识别系统。有源r f i d 系统的应答器带有电池，采用电池 供电，在任何时候应答器都是激活的；半无源r f i d 系统应答器带有电池， 采用激活、休眠机制，应答器在休眠状态不消耗电池能量，当被阅读器激活 以后应答器采用电池的能量开始工作，i 无源r f i d 系统的应答器不携带电池， 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 其能量完全由阅读器采用无限功率传输的方式供给，只有当应答器接收到阅 读器足够激活自身的能量后才被激活开始工作。典型的无源r f i d 系统如图 2 1 所示。 数据 图2 - 1无源r fid 系统 无源r f i d 系统的基本工作原理是：阅读器通过自身天线发送定频率 的射频信号，当应答器进入阅读器的识别范围后，应答器天线便开始接收阅 读器发射的电磁波并产生感应电流，通过能量转换电路应答器获得能量并被 激活；然后应答器通过天线将自身的i d 码等信息通过自身天线发送出去； 阅读器天线接收到应答器发送来的信号后送给阅读器解调、解码，阅读器然 后将应答器信息送到后台数据库进行相关处理，后台数据库判断该应答器的 合法性，针对不同的权限做出相应的处理和控制，并发出指令信号控制其他 附加系统。 2 2r f i d 无源应答器原理 无源r f i d 应答器的原理图如图2 2 所示，主要由天线、能量获取电路、 调制解调器、逻辑控制控制模块和存储模块组成。无源应答器进入阅读器的 识别距离内，应答器的能量获取电路就开始获得从天线上接收到的部分射频 功率，并转换为应答器芯片所需的直流电平，激活应答器；应答器激活后， 解调器从射频信号中解调出阅读器发送的信息并提供给逻辑控制模块，控制 应答器进行如安全认证、防碰撞协议等工作。存储模块主要用于存储应答器 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 识别码和安全协议等掉电仍需保存的相关信息。 图2 - 2无源r fid 应答器 f i 9 2 2p a s s iv er f l dt r a n s p o n d e r 2 3 超宽带( u w b ) 技术 超宽带通信( u w b ：u l t r aw i d e b a n d ) 是近年来通信领域兴起的一种无线 通信技术。u w b 技术定义为采用相对信号带宽大于2 0 或者绝对带宽大于 5 0 0 m h z 的信号进行数据传输的无线通信技术；传统上，u w b 技术是将采 用极窄脉冲作为信息的载体，然后经天线辐射出去即冲激无线电；事实上， 根据u w b 信号对带宽的定义，只要满足该定义的，无线信号都可以认为是 u w b 信号。 u w b 脉冲通常使用高斯函数产生，因为脉冲发生器产生的脉冲类似钟形 而高斯脉冲也类似钟形。传统的u w b 多址方式一般使用跳时( t h ) 和直接序 n ( d s ) ，而调制方式根据改变脉冲的不同参数通常采用脉冲幅度调制( p a m ) 和脉冲位置调带t j ( p p m ) ，一般使用t h p p m 、t h p a m 、d s p a m 。u w b 技 术主要应用于无线个域网( w p a n ：w i r e l e s sp e r s o n a la c c e s sn e t w o r k ) 、无线 定位等一些近距离无线通信场合。 由香农公式： c = w l o g ( 1 + s n )( 1 1 ) 可知，无线信道容量c 与占用的信道带宽w 成正比，u w b 系统可以实 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 现1 0 0 m b p s 一1 g b p s 的高速数据传输，且u w b 采用冲激脉冲无线电或者多载 波调制方式，并以跳时或者直接序列扩频的多址方式，使u w b 系统具有很 强的抗干扰能力和很高的安全性。 u w b 技术发展至今其经历了以下几个过程： ，1 9 8 9 年以前，冲激无线电被认为是u w b 技术，u w b 信号主要是极窄 的脉冲。这种技术当时在雷达领域被广泛应用。 1 9 8 9 年，美国国防部高级研究计划署将冲激无线电技术称为u w b ，并 规定信号绝对带宽必须大于5 0 0 m h z 或者相对带宽大于2 5 的信号就是 u w b 信号 2 0 0 2 年美国联邦通信委员会( f c o 颁布了u w b 技术的频谱规划，并进 一步规定只要信号的绝对带宽大于5 0 0 m h z 或者相对带宽大于2 0 的信号就 是u w b 信号。 至今u w b 技术已经不再局限于冲激无线电技术。而是包括了所有只要 满足超宽带频谱规范的通信技术，且u w b 信号没有被规定为某种具体的实 现形式，所以在u w b 技术的实现方式上形成了很大的灵活性，对u w b 技 术的发展具有无限定的模式。 、 超宽带技术的目的是使用极低的功率在极宽的频带范围内以极高的速 率发送信息。在上世纪6 0 年代u w b 技术就已问世。此后，u w b 技术在雷 达、短距离通信等领域中崭露头角，因为具有：( 1 ) 频谱极宽、能量密度极低， 信号极难截获，信号传输安全性高；( 2 ) u w b 信号脉宽极窄、占空比极小， 抗多径能力强；( 3 ) 除u w b 脉冲发生器外皆可用数字电路实现，集成度高、 成本低、功耗低等特点，在短距离的大容量高性能无线通信系统中得到了广 泛应用。 一 2 3 1 超宽带( u w b ) 信号波形 根据f c c 对室内u w b 的频谱规范，超宽带信号波形要求具有陡峭的上 升沿和下降沿、低频分量尽可能少、能量主要集中在射频部分中，在u w b 系统中常用高斯函数产生脉冲。 由高斯函数表达式 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 厂( ) = 赢p 丽t ( 2 1 ) 1 令o t 2 = 4 舾z ，则有 删= 譬簪一p 一万2 r t 2 ( a - 国c 2 叼 高斯函薮产生的脉冲波形如图2 - 3 所示。 o 刁 ， 丘 图2 - 3高斯脉冲波形 根据对信号能量的定义即信号平方的积分，高斯脉冲波形的能量为 e 二d 2 d c = e 篇下警) 2 d 亡= 三c 2 删 由式2 - 2 可见，当改变q 的值时，宽度也随之改变如图2 - 4 所示，因此仅被 称为高斯脉冲的成形因子，厂( c ) 的脉冲宽度随着0 【的改变而改变，由图2 - 4 随 着a 的增加，脉冲宽度也随之增大。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 o 卫 星 图2 - 4q 对高斯脉冲宽度的影响 f i 9 2 4 t h ei n f i u e n c eo fg a u s s i a np u is ew i d t hb y a 为了实现有效的辐射，要求u w b 脉冲信号尢亘流分量，根据对信号半 均值的定义高斯函数脉冲的平均值为 c=ep-丁27rt2d_a疆(zf(t)dt a 一( 2 - 4 ) f= jp - 丁d = a 万 一( 2 4 根据式2 4 ，可知高斯函数脉冲有直流分量。 高斯函数的一阶至三阶导数如下： 一阶导数 m 讣( 一篇矿簪 =一筹矿譬(2-a s )= 一7 p 口2 s ) 。 二阶导数 厂一浯e - 警) 7 = a 等( 一簧彳警( 2 - 6 ) = i l 一1 + - 1 e 口2( 2 6 ) 口 、 口 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 三阶导数 八牡a 譬( _ 3 a z _ 4 仃t z m 等( 2 - 7 ) 求高斯一阶导函数的能量可以得到如下的表达式，其平均值为 e 厂7 d t = - a ( t ) d t 警矿譬d 亡( 2 _ 8 ) f 厂7f 署矿繁d 亡 ( 2 8 = 掣广一警a t = f i f 。p 口 伉 ，一 = a ee 一警d ( _ = 0 由式2 - 8 高斯函数的一阶导函数的平均值为零，因此产生的脉冲将没有 直流分量，如果对高斯导函数的各高阶导函数求平均值，得到的结果也是平 均值均为零，说明高斯函数的高阶导函数也都没有直流分量。实际的脉冲发 生器最容易产生方波，但是由于器件原因，方波不可能是标准的矩形脉冲， 而是类似于钟形，由高斯函数的波形图2 3 可知高斯函数产生的脉冲波形也 恰似钟形，而且它的各阶微分形式简单、无直流分量，由于u w b 天线对信 号具有微分作用，因此高斯函数产生的脉冲能够有效的向空中辐射。一 2 3 2 超宽带调制方式 超宽带中传统的冲激无线电属于脉冲调制，而脉冲调制是以在时间上离 散的脉冲串作为载波，用基带信号去改变脉冲的某些参数以达到承载信息的 目的。根据改变脉冲的不同参数分为脉冲幅度调制( p a m ) 和脉冲位置调制 ( p p m ) 等。 超宽带信号多址方式通常采用跳时( t h ) 和直接序列( d s ) 的方式。u w b 信号采用占空比极低的脉冲来传输信息，跳时( t h ) 超宽带技术就是利用 u w b 信号的这种特点，将脉冲的重复周期即t b 划分为n 个持续时间为t c 的 互不重叠的码片时间即t b = n 砭，随机跳时序列的值将决定脉冲出现在b i t 周期的这n 个码片时隙的位置。而直接序列多址是采用直接序列扩频的基本 原理，首先采用伪随机序列对将要发送的数据进行扩频编码，然后再进行脉 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 冲调制。 d s p a m 以直接序列多址采用脉冲幅度参数来承载信息的方式。对于二 进制信息，d s p a m 调制的基本原理是：首先将基带序列4 与伪随机序列c 进 行编码得到一个扩频序n d ，然后将d 变为1 的序列并送入脉冲幅度调制器， 脉冲幅度调制器根据变换后d 的值，输出不同幅度的脉冲，若采用高斯函数 脉冲，单用户d s p a m 调制产生的信号可以表示为 1 s ( c ) = d k f ( t k t a )( 2 9 ) z k r - 一 t h p a m 以跳时多址采用脉冲的幅度参数来承载信息的方式【6 1 ，与 d s p a m 相比，只是多址方式的不同。首先将基带序列变换为1 的形式，采 用高斯函数产生的脉冲，伪随机序列决定了脉冲的出现位置，然后采用基带 序列控制脉冲的幅度。单用户的t h p p m 信号可以表示为 1 s ( c ) = 5 , k 厂( 一七死一c k 瓦)( 2 1 0 ) j - - _ 【c = - 0 0 式2 10 中钆表示第k 个基带序列的值，而七n 表示脉冲出现的b i t 周期， 瓦表示脉冲在b i t 周期中选择的码片周期，脉冲的幅度将根据伍k 的值改变， 若历k = 一1 ，则脉冲幅度为负，而若鲰= + 1 ，则脉冲幅度为正。 t h p p m 即以跳时多址采用脉冲的位置参数来承载信息的方式，对于最 简单的2 p p m ：当信息为0 时，在脉冲周期内脉冲位置不变，当信息为1 时，在脉冲周期内，脉冲的出现位置发生一定的偏移量。若采用高斯函数或 者导函数的形式，单用户的t h p p m 信号可表示为 、1 s ( o = f ( n ( c j b q 瓦一乃) ( 2 1 1 ) j | f = 一 式2 11 中b 是脉冲出现的b i t 周期即脉冲重复周期，瓦表示第j 个脉冲 出现的b i t 周期位置，q 瓦表示第j 个脉冲根据随机跳时序列选择的码片时间 而乃表示在码片时间中脉冲根据基带序列的值作的偏移。根据式2 - 1 1 可 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 见，脉冲的位置根据随机跳时序列和基带序列作偏移即脉冲位置根据基带信 号作调整。 考虑r f i d 系统对成本和集成度的要求，需尽量减小应答器的体积、减 小功耗，在应答器中的脉冲成型器也应该越简单越好，如果超宽带r f i d 系 统选用高斯函数作为脉冲成型器，跳时脉位调帛l j ( t h p p m ) 作为上行链路的 调制方式，将能够达到r f i d 系统简单、成本低廉、降低应答器集成度的要 求。因此，本文主要运用了t h p p m 调制方式对应答器进行研究。 2 4 超宽带射频识别技术 超宽带射频识别技术根据应答器能量供给的方式，分为有源系统和无源 系统。超宽带有源r f i d 系统的阅读器和应答器之间的采用对称通信，在应 答器中和阅读器中分别都集成了u w b 发射机和接收机，阅读器和应答器之 间采用u w b 技术相互交换信息。 超宽带无源r f i d 系统的应答器和阅读器之间采用非对称的通信方式， 应答器能量来自于阅读器的电磁波，为了降低应答器电路的功耗和复杂度， 应答器以u w b 方式向阅读器发送信息即上行链路采用u w b 技术，而阅读 器以传统的窄带方式向应答器发送信息即下行链路采用窄带调制方式，上下 行链路采用不对称的数据传输速率。因超宽带阅读器不受能量、功耗和体积 等限制，其设计难度较低；而对于超宽带应答器，因为其能量需接收阅读器 电磁波后进行转换；然而由于电磁波在空间中传播随着距离的增大而成二次 方形式衰减，因此应答器接收到的功率非常有限，所以应答器芯片功耗要求 高，所以要将u w b 技术应用于无源r f i d 系统，将r f i d 技术与融合u w b 技术，必须降低应答器的所需的功耗。 超宽带无源应答器结构如图2 5 所示，主要由能量获取、窄带解调器、 u w b 发射机和逻辑控制和数据存储模块构成。与典型的无源r f i d 应答器 相比超宽带无源应答器用u w b 发射机代替了窄带调制器，采用了双天线的 结构，即窄带系统也u w b 系统采用不同的天线。 应答器中u w b 发射机的作用主要是将应答器的基带信息调制到离散的 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 极窄脉冲上，通过专用的u w b 天线辐射出去，而窄带天线的作用是从阅读 器的识别范围内接收阅读器的窄带射频信号，该信号一部分将转换为能量为 应答器芯片提供电能，另一部分将送入应答器前端的解调器，解调出阅读器 发送的信息。 ； u h f 天线 图2 - 5超宽带无源应答器结构 fi9 2 5u w bp a s slv et r a n s p o n d e rs t r u c t u r o 现有的u h fr f i d 系统应答器的窄带接收机集成度已相当成熟，而逻辑 控制主要包括控制单元和存储单元，皆可以采用数字电路实现，比较容易集 成，但是能量转换电路是整个应答器的能量供应源，而现有的能量转换电路 转换效率低、纹波系数大等缺点，且不易应用于射频电路中，所以能量转换 电路是所有应答器功耗的门槛。现有的超快带发射机部分电路采用的模拟器 件不利于己芯片集成，所以超宽带无源应答器的u w b 发射机简化是u w b 技术与r f i d 技术结合的关键。能量转换电路决定了应答器的能够消耗的功 耗，u w b 发射机的数字化也能减小应答器芯片集成度和功耗。 2 5 小- 结 本章主要介绍了射频识别技术、u w b 技术的基本原理，并分析了融合 u w b 技术的射频识别技术。首先简要介绍了什么是射频识矧j ( r f i d ) 技术， 然后分析了无源r f i d 应答器的结构；然后阐述了u w b 信号波形，及超宽 带调制方式，由此引出了超宽带射频识别技术，比较了典型的无源r f i d 应 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 答器与超宽带r f i d 应答器的结构，为以下章节中u w b 发射机的设计提供 参考和指导。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 无源应答器能量获取电路研究 r f i d 应答器与阅读器之间有两种耦合方式，近距离r f i d 系统是基于电 感耦合而中远距离r f i d 系统是基于电磁耦合。不论何种耦合方式，在天线 上感应的电压都是交流信号，而应答器芯片所需的是直流电源，所以能量转 换电路的目的就是将交流电压转换为直流电源为应答器芯片供电。仅仅是完 成交直流转换的目的一般采用整流电路，但如果需要提高输出电压幅度则一 般采用倍压电路。整流电路和倍压电路主要都是运用二极管的单向导电能力， 常见的整流电路是桥式整流电路；接入负载后，桥式整流电路的输出电压不 会超过输入电压的峰值。常用的倍压电路是d i c k s o n 电荷泵，d i c k s o n 电荷 泵的输出电压是输入电压峰值的倍数。对于近距离r f i d 系统，通常采用桥 式整流电路，中远距离r f i d 系统一般采用电荷泵电路作为应答器的能量转 换电路。桥式整流电路一般用于低频r f i d 应答器，而d i c k s o n 电荷泵主要 用于超高频段r f i d 应答器。以下将对基本的桥式整流电路和d i c k s o n 电荷 泵电路作一定的理论分析和仿真，为了降低电荷泵中二极管压降，分析了采 用n m o s 管设计的基本d i c k s o n 电荷泵，并进行了仿真，为后续应答器的能 量转换电路研究和设计提供了参考。 3 1 桥式整流电路 桥式整流电路因其结构简单、器件少而广泛应用于低频和高频r f i d 应 答器。低频和高频r f i d 系统中阅读器和应答器是采用电感耦合的方式，依 据的是电磁感应定律，即阅读器和应答器之间的数据和能量的交换是通过高 频交变磁场实现耦合的变压器模型如图3 一l 所示，高频的交变磁场由阅读 器的天线通入交流电流产生，并穿越天线横截面和周围空间，使附近的应答 器天线产生电磁感应，使应答器天线上感应出交流电流，实现阅读器和应答 器之间的耦合。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 1电感耦合模型 f i 9 3 1 i n d u c t a n c ec o u p li n gm o d e i 变压器的工作原理是利用互感来实现从一个电路向另一个电路传输能 量或信号。变压器一般有空心变压器和有铁芯的变压器，r f i d 系统的应答 器和阅读器的天线之间没有铁芯，和空心变压器模型类似。空心变压器模型 如图3 2 所示。 ，l - l 。r - ) ，、 初级线圈f 厶 1 次级线圈 图3 - 2空心变压器模型 f i9 3 2 h o ii o wt r a n s f o r m e rm o d e i 由图3 2 采用网孔电流法可得如下方程组 ru s = ( r 1 1 - j a _ i l l ) l l j t o m l 2 ( 3 1 ) ij o j m i i = ( 尺2 + r l + j o l l 2 ) j 2( 3 2 ) 式3 1 、3 - 2 中m 表示初级和次级线圈的互感系数，m 定义为初级线圈产 生的磁通( p 1 穿过次级线圈部分即( p 2 与初级线圈的电流值1 1 比，所以 =丁(02m ( 3 3 )= ( 3 3 ) j 1 一 将式3 3 带入3 2 可得 ，2 = 百石j o f j ( 0 丐2 五( 3 - 4 ) 式3 - 4 说明了输入桥式整流电路的电流大小。因此，由式3 4 可知，当 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 阅读器和应答器确定后，穿过次级线圈的磁通( p 2 决定了次级线圈产生的感应 电流的大小。穿过次级线圈的磁通( p 2 是初级线圈的电流，1 激发的磁通( p 1 穿过 次级线圈的部分，当次级线圈越靠近初级线圈则( p 2 就越大；因此对于r f i d 系统，应答器越靠近阅读器天线，则穿过应答器天线的磁通就越多，则应答 器天线产生的互感电流也越大，而随着应答器和阅读器相隔的距离越来越远， 穿过应答器天线的磁通越来越少，感应出的电流也逐渐变小以致不能为应答 器供电。电感耦合的r f i d 系统识别距离一般小于l m ，典型的识别距离在 1 0 2 0 e m 之间，典型的工作频率为1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和13 5 6 m h z 等。 阅读器天线产生的是交变的磁场，因此在应答器天线上感应出的也是交 变的电场，所以感应电压也是交变的， 源，所以在应答器中需加入整流电路， 为了给应答器芯片提供所需的直流电 将交流电压转换为直流电压，为应答 器芯片提供稳定的直流，在近距离无源r f i d 应答器中常采用桥式整流电路。 + 图3 - 3桥式整流电路工作原理 fi9 3 3 p rin cipieo f b rid g er e c t ifie l cir c uit 普通的桥式整流滤波电路如图3 3 所示。假设电路中二极管是理想模型 即正向导通内阻为零，反向截止内阻为无穷大。信号的正半周期到来时，二 极管d 2 和d 4 导通，形成的回路如图3 3 中实线箭头所示，电流从u 2 出发，流 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 经电路d 2 、r l 和d 4 最后回到u 2 ；当信号的负半周期到来时，二极管d 1 和d 3 导 通，形成的回路如图中虚线箭头所示，电流从u 2 出发，流经电路d 1 、r l 和d 3 1 后回到u 2 。桥式整流电路的输入输出波形如图3 - 4 所示。以下将从理论分析 桥式整流电路的输出电压、纹波系数。 缈t 图3 4桥式整流电路输入与输出电压波形 f i 9 3 4 in p u ta n do u t p u tv o i r a g ew a v e f o r mo fb ri d g er e c t i f i e rc ir c u j t 一 假设输入桥式整流电路的电压为 u 2 = 2 屹s i n ( w t )( 3 5 ) 根据图3 4 桥式整流电路的输入输出波形，输出的电压为： u a = l 扼屹s i n ( o l t ) l ( 3 6 ) 傅里叶级数的形式为 ( 3 7 ) 其中 铲妻 f ( x ) c o s 似d x ( n - 0 ，1 ，2 ，) ( 3 - 8 ) 驴昙d s 眦出= 1 j 2 ，) ( 3 - - 9 ) 由式3 - 8 、3 - 9 桥式整流电路的输出电压的傅里叶级数表示为 、 xnns n b+麟s dc n 以 脚 + 鱼2 = x ，_ ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 。2 444 、 = 、2 屹皤一磊c o s2 ( d t - - 丽c o s4 c o 卜丽c o s6 0 口t j ( 3 1 0 ) 所以由式3 10 可知整流电路的直流分量即平均输出电压为 2 、厄n 巩= i = 0 9 屹 ( 3 1 1 ) 由式3 1 0 可知，输出电压存在偶次谐波分量，这些谐波总称为输出电 压的纹波，纹波总是叠加在直流分量中使电压波动。衡量电源输出电压的稳 定性主要以纹波系数进行描述。纹波系数k 。定义为谐波电压的总有效值与直 流分量的比值，即【1 8 】 巧= 等= 宰 p 均 其中u l y = 扣i 两i 由式3 1 l 和式3 1 2 可知桥式整流电路的纹波系数为k = 0 4 8 3 。因此， 桥式整流电路并不能满足输出直流的要求：所以在桥式整流电路后级接入滤 波电路，将输出电压中的纹波滤除，得到平滑的直流。常用的滤波电路是 r c 滤波电路，应答器中采用r c 滤波电路的桥式全波整流滤波电路结构如 图3 5 所示，其输入输出波形如图3 - 6 所示。 图3 - 5桥式整流滤波电路 fi9 3 5b rid g er e c tifie rfii t e rcir c uit 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 l 页 当u 7 正半周期到来时，形成的回路如图3 5 中实线箭头所示，二极管d 2 和 d 4 导通，并对电容c 充电，其充电时间常数为t d = r d c ( r d 为二极管及u 2 的 直流内阻) ，因为r d 通常非常小，所以对电容c 的充电过程很快就完成并在 电容c 两端形成u c ；随着u 2 的下降，所有二极管开始截止，到u 2 负半周期 到来时，形成的回路如图3 5 中虚线箭头所示，由于负载的作用使电容c 经 r l 开始放电，放电的时间常数为吼= r l c ，u c 在放电时间内逐渐变小直到u 2 的负半轴到来并使d ，和d 3 导通，这时u 2 开始对电容c 进行充电，并完成与正 半周期类似的过程。 l 彦泌慕淤可丽 ，。，lt ，v v v 。- 国t 一 图3 - 6 桥式整流滤波电路输入与输出电压波形 f i 9 3 - 6 in p u l ：a n do u t p u tw a v e f o r mo fb ri d g er e e l ：i f i e rf ii 1 ：e rc ir c u i t 桥式滤波整流电路的输入输出电压波形如图3 - 6 所示，输出的是类似锯 齿波，且从图3 - 6 中可以得到输出波形的纹波系数与放电时间吼及u 2 的频率 有关，若u 2 频率越高，其二极管导通截止的频率也越高，需要形成放电回路 的时间也越小，由此可以减小输出的纹波系数。 3 2d i c k s o n 电荷泵电路 对于中远距离的r f i d 系统，由于其接收功率很低如图3 - 1 所示，所以 能量转换电路的输入电压非常低，当距离超过4 m 后，应答器能够接收的功 率只有约0 0 5 m w 。中远距离r f i d 系统应答器和阅读器之间依据的是电磁 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 2 页 波的空间传输规律实现耦合。 根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场， 而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相 互激发、相互依赖，交替产生，并以一定的速度由远及近地在空间中传播出 去。而周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周 期性变化的磁场，两者相互激发，当两者的变化频率很高的时候，电磁波从 天线辐射出去。 当电磁波辐射到空中后，由于各种障碍物如墙壁、建筑、地面等会的阻 碍和遮挡，将对电磁波产生反射、折射和绕射；对于r f i d 系统，应答器天 线和阅读器天线之间相距不远，电磁波的传播可以视为视距传播即无遮挡的 直线传播，因此假设应答器和阅读器之间的电磁波的传播路径是自由空间， 所以信号衰减主要来自于自由空间的路径损耗。自由空间的路径损耗定义为 发射功率和接收功率的比值【5 】即： 以 4 7 r d 、2 p l o 萨毒= 瞒) o 。3 ) 所以，应答器天线从自由空间接收到的功率为： 一 耳= ( 铬) p c ( 3 - 1 4 ) 式中压为发射天线和接收天线的增益乘积，a 为射频信号波长，d 为收 发天线之间的距离。根据式3 1 4 ，接收功率与收发天线之间的距离