（电工理论与新技术专业论文）基于simulink的uhf+rfid系统的数据传输分析与仿真.pdf

硕卜学位论文 a bs t r a c t r f i dt e c h n o l o g yi sk n o w na n dr e c o g n i z e dd a yb yd a yi ne v e r yw a l ko fl i f e ， h o w e v e r ，i ti ss t i l ln o ti nb i gs c a l eo fa p p l i c a t i o n t h eu l t i m a t ef o rt h i si st h e r ea r es o m e p r o b l e m sn o tb e e ns l o v e db o t hi n r f i dt e c h n o l o g yi t s e l fa n da p p l i c a t i o ns y s t e m d e r i v e df r o mi t t h e r e f o rr e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g yf o rr f i ds y s t e me s p e c i a l l yu h f r f i ds y s t e mw i l lr e d u c et h eh a r d n e s so fa p p l i c a t i o ni nc o r p o r a t i o n ，i ti sh e l p f u lo f p r o m o t i n gt of o r ma n dd e v e l o pt h ew h o l e r f i di n d u s t r yc h a i n t h ek e yt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r si nr f i ds y s t e mc a nb er e v e a l e da c c o r d i n gt o s i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e na n dr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s t h ef i s tp a r t ，t h ec o d e d e c o d ea n dm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o na c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r di s o i e c18 0 0 0 6 ba r ea n a l y s e d ，as i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta sw e l l a n o t h e r p a r t ，t h ep r i n c i p l e o f4k i n d so fc o m m i c a t i o nc h a n n e l s ，t h ec a p a b i l i t yo fd a t a t r a n s m i s s i o ni nc o m m i c a t i o nc h a n n e la n dt h ep r i n c i p l ea n dc a p a b i l i t yo fc r ca r e d e s c r i b e d ，as i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta sw e l l o nt h ec o d e d e c o d ea n dm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o na s p e c t ，t h ep r i n c i p l ea n d b u i l d i n gp r o c e s so fm a n c h e s t e rc o d ea n df m 0c o d ea r em a i n l ya n a l y s e d c o m b i n e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fu h fr f i dc o m m u n i c a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r a n s m i t t e r a n dr e c e i v e ra n dt h ew a yc o r r e s p o n d i n gt ot h e mo fm o d u l a t i o n - d e m o d u l a t i o n t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d t h ew a yo fs i m u l a t i o no fa s km o d u l a t i o no fm a n c h e s t e r c o d ea n df m 0c o d ei se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d o nt h es y s t e mc h a n n e la s p e c t ，t h e r ea r e4k i n d so fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s ， w h i c ha r ea d d i t i v eg a u s s i a nw h i t en o i s ec h a n n e l ，m u l t i p a t hr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，a t h r a y l e i g hc h a n n e l ，r i c ef a d i n gc h a n n e l s ，b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e la n dt h ep r i n c i p l e a n dc a p a b i l i t yi nu h fr f i dc o m m u n i c a t i o na r ei n t r o d u c e d as i m u l a t i o nm o d e li s d e s i g n e dt oa n a l y s e t h ec a p a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni nd i f f e r e n ti n t e r f e r e n c e e o m m i n u c a t i o nc h a n n e l s s o m ec o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d ，t h e r ea r et h er e l a t i o n b e t w e e nc h a n n e le r r o rr a t ea n ds n ri ns y s t e m ，b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e le r r o rr a t e a n dc o d i n ge r r o rr a t e ，c h a n n e le r r o rr a t ea n dc r ce r r o rr a t e f i n a l l y , t h ep r o c e s so f d a t at r a n s m i s s i o ni na d d i t i v eg a u s s i a nw h i t en o i s ec h a n n e lo fu h fr f i di sa n a l y s e d ， as i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta sw e l l k e yw o r d s ：u h f ；r f i d ；d a t at r a n s m i s s i o n ；n o i s e ；c h a n n e le r r o rr a t e ；s i m u l i n k s i m u la t i o n i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： j ) 现p 绣 日期：油。净上月弓f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密耐。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙o 年岁月弓1 日 嗍弘下旷月弓、日 硕士学位论文 1 1 射频设别技术概述 第1 章绪论 r f i d ( 射频识别) 技术，是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术，利 用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递并通过所传递 的信息达到识别目的的一项新技术。不同于传统的磁卡和i c 卡，r f i d 技术解决 了无源和免接触两大问题，同时它可实现运动目标识别、多目标识别，能够广泛 应用于各类场合。其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储 量大，抗干扰能力强。r f i d 技术在交通运输、门禁安全、身份识别、货物管理、 自动控制、防盗防伪等方面广泛应用n 2 ，。 r f i d 技术是一门综合的技术，它涉及到微电子技术、材料科学、微波技术、 计算机软件及现代管理科学等许多领域，r f i d 的应用在受制与这些领域的同时， 又促进了相关领域技术的发展。随着社会的进步，r f i d 技术的应用将会逐渐渗 透到社会生活的方方面面，它将具有广阔的发展前景。 从总体上而言，r f i d 技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域， 它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起，如高频技术、电磁兼容技术、 半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。r f i d 技术 所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理 速度，有效跟踪物流动态等，目前r f i d 技术已经被广泛应用于工业自动化、商 业自动化、交通运输控制管理等众多领域。 r f i d 技术的发展得益于多项技术的综合发展，所涉及的关键技术大致包括 芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电子传播技术。对 于使用r f i d 技术的企业而言，如何有效地处理因应用r f i d 技术而带来的巨大 数据，进而降低运营成本，提高生产效率，这是一个至关重要的问题。企业需要 一个数据管理平台，它包括后端数据库、应用程序以及正确的分析能力，来处理 由r f i d 系统生成的大量数据。否则，企业可能会被大量的数据淹没而无法体验 r f i d 技术带来的好处。目前，许多大应用系统开发商( 如s u n 、s a p 、o r a c l e 、 i b m 等公司) 已经看到这个商机，纷纷开始在其产品中集成r f i d 技术以满足未 来这方面的巨大需求比1 。 r f i d 已经成为i t 领域的热点，许多国家都在不遗余力地推广这种技术。然 而，尽管r f i d 技术在各行各业中正逐步为人们所认识和重视，但它还是未能走 向大规模应用，仍局限于小范围的示范应用心1 。造成这种现状的根本原因在于， 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 无论r f i d 技术本身还是基于这项技术所衍生出的各种应用系统都还存在着尚未 解决的问题。这些棘手的问题制约了r f i d 技术在众多行业中应用的全面展开。 因此，在实际应用前对r f i d 系统特别是超高频段r f i d 系统的关键技术进行研 究，就会降低r f i d 在企业中部署和应用的困难，从而有助于促进整个r f i d 产 业链的形成和发展。 ， 面对巨大的市场需求以及激烈的国际竞争，中国必须实施有效的技术发展战 略，加快r f i d 技术的自主创新，在未来的国际竞争中占有一席之地。中国将以 应用为引导，带动具有自主知识产权的技术和产品的开发，促进中国自主r f i d 产业链的形成，实现r f i d 技术的全面发展和提升；建立以企业为主体的自主创 新体系，突破r f i d 关键技术；参与国际标准化工作，提出并建立中国的r f i d 技术标准体系，重点在我国的编码体系、数据管理与交换体系以及频率配置等方 面；推动成立技术及产业联盟，实现在国际合作和国际竞争大环境下技术和产业 的快速健康发展 1 2 1 。 1 2u h fr f i d 技术的发展及意义 目前国际上广泛采用的频率分布于4 种波段，低频( 1 2 5 k h z ) 、高频 ( 1 3 5 4 m h z ) 、超高频( 8 5 0 m h z 9 1 0 m f z ) 和微波( 2 4 5 g h z ) 。目前我国的射频识别技 术还处于一个起步阶段，从频率上看以低频和高频应用为主，这是由于该类频段 r f i d 技术门坎较低，产品应用成本也较低，而且在中国第二代身份证和智能交 通卡等项目带动下也加快了低频和高频r f i d 在其他领域的应用，但是目前这一 频段产品同质化程度高。超高频r f i d 应用现在也开始进入高速发展阶段，虽然 我国目前在超高频芯片的研发上还比较薄弱，但是政府非常重视超高频标准的制 定和芯片的研发，目前已经取得了很好的闭环应用效果。 随着r f i d 技术在各领域的推广和应用，对电子标签和读写器的要求逐步细 化，从对电子标签读写距离的要求来说，大致可以分为二大类：第一类为近距离 自动识别系统。r f i d 技术经过多年的发展，识别距离在数十厘米以内，频率在 1 3 5 6 m h z 或以下频段的近距离r f i d 技术已相对成熟。一般都由人手持电子标签 或读写器，让二者直接靠近进行读写。目前使用量很大，如我国的第二代智能身 份证、公共汽车和地铁的i c 卡电子车票，办公人员的门禁系统等等。第二类为远 距离自动识别系统，对电子标签读写距离在数米至十余米。如果要对行驶中的车 辆、传送带上的行李，流水线上的工件等运动或移动物体进行近距离识别，必须 使这些物体停下来，这不仅会降低效率，对有些应用甚至是不可能的。远距离r f i d 技术是物流、生产自动化、供应链管理和交通管理等行业进行数据自动采集，建 立网络化管理信息平台的必要手段，远距离r f i d 产品的应用已成为不可阻挡的 趋势。 硕十学位论文 从技术性能方面来说，低频电子标签和标签读写器之间的无接触距离相对较 近、方向性不强，产品应用成本不高，因而也促进了应用的扩展。典型的应用有： 电子车票、证照防伪、出入控制、设备管理、储值卡、医药流通环境监管和邮政 行包递送等口删。目前，我国已经公布了多项基于r f i d 技术的国家发展计划并进 行了实施。如我国公民已经开始使用r f i d 技术的身份证等。 目前，r f i d 在国内的应用普遍是基于低频和高频的应用，而r f i d 在商业物 流方面的大规模应用是基于超高频段的。当前国际上在超高频段的r f i d 技术主 要使用4 3 0 m h z 左右和8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 两段频率，但在我国4 3 0 m h z 频段属于 专用频段，现阶段开放此频段的r f i d 业务的条件不成熟；8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 频 段的主要业务为固定和移动，次要业务为无线电定位。我国在这个频段上已经没 有空闲的频率直接规划给r f i d 使用，因此，信息产业部划定8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 和9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 为超高频段我国r f i d 技术的具体使用频率。国家出台制定 的双频段超高频标准，8 0 0 m h z 贴近欧洲等地区标准、9 0 0 m h z 贴近美国等地区 标准，这样就可以兼容世界上绝大多数国家和地区的r f i d 标准，且保有自己的 特色。对于过去国内超高频生产制造企业的9 15 m h z 读写器产品，其设计范围大 都是参照北美的9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 范围进行的，很多是“跳频 实现，因此，这 些读写设备本身就包含了9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 的频段，目前我们可以采用将读写器 的跳频范围缩减到9 2 0 m h z 9 2 5 m h z 的办法来满足我国对超高频段的规定；而 8 4 0 m h z 8 4 5 m h z 目前尚不在i s o i e c l8 0 0 0 6 所规范的8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 频段范 围内但将来有很大可能包含在其中，现在我们可以做好研发工作，以便为未来中 国自主r f i d 标准的使用做好技术准备h 1 玑1 3 1 。 超高频远距离自动识别技术具有能一次性读取多个标签、穿透性强、可多次 读写、数据的记忆容量大，无源电子标签成本低，体积小，使用方便，可靠性和 寿命高，可以在车辆或其它被标识的物体高速运动的情况下工作、耐受户外恶劣 环境等特点，得到了世界各国的重视。近年来，由于受到以美国国防部和欧美大 企业的推动，确立了自动识别国际标准，加之超高频电子标签的价格逐年下降， 大大降低了r f i d 技术的应用门槛。超高频远距离自动识别技术的应用领域已逐 步由涉车应用，转为现代物流、电子商务、交通管理、电子政务以及军事管理等 国民经济的各个领域，超高频远距离自动识别已开始进入高速成长期。 从性能方面来说，高频电子标签的读写距离较远、方向性较强，产品应用成 本较高、技术上还不是很成熟，研究发现，更适合未来、特别是商业供应链中应 用的是u h f ( 超高频) 频段标签，所以u h f 频段r f i d 系统关键技术的研究显得尤 为重要。 3 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 1 3u h fi 心i d 系统数据传输分析与仿真的意义 随着r f i d 技术的迅速发展，以及巨大的应用前景，u h fr f i d 系统数据传输 仿真成为u h fr f i d 系统研制工作的一种必不可少的手段，通过仿真和分析，可 以获得系统研制所需的参数以及及早的发现研制中可能遇到的问题，为研制工作 做好理论上和实验数据上的充分准备。 在分析r f i d 系统数据传输的过程及传输中所遇到的问题对r f i d 系统的可 靠性十分重要，加入校验以保证数据的完整性，而当给定的通信时间非常短暂时， 加入的数据校验虽然会提高系统的可靠性，但会影响数据的通信效率。这就需要 设计高效的数据格式和采用合适的校验方法，从而做到在有限的时间内进行可靠 的数据通信。如果在设计之初从理论上对这些问题能进行较为透彻的分析，并仿 真出各种方案的性能，就会对自己设计的系统心中有数，知道它适宜于应用在什 么样的场合，可以在什么样的信道中使用。 本论文着眼于r f i d 的数据通信，从理论上分析在r f i d 系统数据传输中受 到的信道干扰、数据编码格式和校验方式对整个系统性能的影响，并利用 m a t l a b s i m u n l n k 软件建立仿真模型，结合仿真模型来研究在r f i d 系统中各种 信道编码方式、校验方式的性能及其对整个系统性能的影响。 1 4 本文主要研究内容及章节安排 近年来，有关r f i d 技术的研究和应用发展迅速，目前主要侧重于研究r f i d 系统在不同应用环境中的性能问题，对于涉及r f i d 数据通信的一些基本问题研 究较少。而国外在这一方面研究则较为广泛和深入，且侧重于将r f i d 系统进行 模块划分，并针对不同模块所涉及的技术进行深入研究，较少见通过对整个r f i d 数据通信建立数学模型并利用计算机仿真来研究r f i d 系统的性能。 本文研究了r f i d 标准，在此基础上，依据u h fr f i d 国际标准，建立了整 个r f i d 系统通信流程，详细介绍了流程中的各个模块，并通过s i m u l i n k 仿真来 研究u h f 频段上的r f i d 编码解码调制解调的方式和问题和在不同数据传输信 道中的干扰问题以及信道信噪比与误码率之间的关系曲线。研究方法和研究结果 可为实际r f i d 系统的设计与应用提供参考。本文结构和各章节内容安排如下： 第1 章：介绍了u h fr f i d 技术的发展及意义以及u h fr f i d 系统数据传输 仿真与分析的意义。 第2 章：介绍了r f i d 系统的基本组成以及它的射频工作原理，同时介绍了 u h fr f i d 系统的国际标准。 第3 章：分析了标准i s o i e c l 8 0 0 0 6 中t y p eb 的协议所使用编码及相应的 调制解调的原理，提出了m a n c h e s t e r 编码和f m o 编码下a s k 调制方式的s i m u l i n k 4 硕十学位论文 建模方法，及在这些理论基础上进行的s i m u l i n k 仿真。 第4 章；介绍了u h fr f i d 通信系统，深入分析了系统4 种信道的原理和数 据在信道中传输的性能以及c r c 冗余校验的原理和性能，并对各个模块的性能进 行了仿真，最后介绍了系统的仿真过程。 总结和展望：系统总结了本文的主要工作和研究重点，并且指出了在u h f r f i d 系统设计和应用待解决的一些问题，为今后进一步在本领域的研究指明了 方向。 5 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 第2 章r f i d 系统及u h fr f i d 国际标准 2 1r f i d 系统的基本组成 r f i d 系统一般包括射频标签，读写器和计算机系统三部分。射频标签是射 频识别系统的数据载体，是安装在被识别对象上，存储被识别对象相关信息的电 子装置。读写器是利用射频技术读取射频识别标签信息、或将信息写入标签的电 子设备。读写器读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输。射 频识别系统中，计算机通信网络是对数据进行管理和通信传输的设备1 。r f i d 系统的基本模型如图2 1 所示。 信息发 命令k送和接 网 信息 计y读_ 收k 射 一 k 算 _ 信息 写 频 络、iv 机 器 、r标 签 、 图2 1r f i d 系统的基本模型图 2 1 1 标签 射频标签是射频系统中的重要部件，也是射频识别系统的显著标志，每一个 被标记的商品都有一个射频标签，每个标签都有一个独立的代码，它使得在全球 范围内追踪商品成为可能。无源射频标签从结构上将，均包含天线和芯片两个部 分，因工作频率和应用场合的不同具有不同的结构和封装形式，其具体的工作方 式也有很大差异。 射频标签根据不同分类方法，可以分为许多不同类型。按照工作频率的不同， r f i d 标签可以分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 和微波等不同种类。低频 系统常用频率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2k h z ；高频系统，常用频率有1 3 5 m h z ；超高频系 统常用频率有9 1 5 m h z ：微波系统常用频率有2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等删。低频系 统的特点是电子标签内保存的数据量较少，读写距离较短，电子标签外形多样， 天线方向性不强等，主要用于短距离、低成本的应用中；中频系统则用于需传送 大量数据的应用系统；高频系统的特点是电子标签和读写器成本均较高，标签内 保存的数据量较大，读写距离较远，适应于物体高速运动，性能好，读写器天线 及电子标签天线均有较强的方向性，主要用于需要较长读写距离和较高读写速度 的场合。不同频段的r f i d 工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采 用电磁耦合原理，而u h f 及微波频段的r f i d 一般采用电磁发射原理。 6 硕十学位论文 根据电子标签性能的不同可分为可读写卡( r w ) 、写一次读多次卡( w o r m ) 和 只读卡( r 0 ) 等几种。r w 卡一般比w o r m 卡和r o 卡价格高得多，如电话卡、信 用卡等；w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比r w 卡 要便宜；r o 卡存有一个违约的识别码号码，不能修改，具有较高的安全性。 根据电子标签的供电形式又可分为有源标签、无源标签、半无源标签三种。 有源电子标签由于使用了卡内电池的能量，所以识别距离较长，可达十几米，但 是他的寿命有限且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到读写器发出的信 号后，利用读写器发射的电磁波能量完成通信，一般可以做到免维护、重量轻、 体积小、寿命长、价格低，但它的发射距离有限，一般仅有几十厘米，且需要读 写器有大的发射功率。 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式、被动式和半被动式。主动式 电子标签用自身的射频能量主动的发送数据给读写器，这种方式主要用于有障碍 物的应用中。被动式电子标签使用调制方式发射数据，它要用到读写器的载波调 制信号，故适宜在门禁或交通应用中使用n 引。 2 1 2 读写器 读写器是r f i d 系统的关键终端。它通过天线向标签发送射频调制信号，同 时通过天线接受从标签返回的载有信息的射频调制信号，经出来后传给后台计算 机系统。一个典型的读写器终端由发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电 源等部分组成。读写器的主机通常包括以下两个模块：射频模块和基带模块，其 中基带模块又可以分为控制处理模块和i o 接口模块。 射频通道模块是读写器的前端，也是影响其成本的关键部分。射频通道模块 通常完成控制处理模块传送来的控制命令的运行，向电子标签发送数据的载波调 制，以及对回波信号进行解调处理，并将处理后的回波基带信号送到控制处理模 块。射频通道模块的组成一般包括阳1 ： ( 1 ) 用于产生读写器的载波信号的频率源电路； ( 2 ) 用于实现基带信号载波发送与接收的调制与解调电路； ( 3 ) 用于实现将发送到天线的射频信号放大到足够功率电平的功率放大电路； ( 4 ) 用于实现读写器发送与接收射频通道的分离的单天线收发分离电路； ( 5 ) 用于处理解调后的回波信号的信号放大、滤波、整形处理电路； ( 6 ) 用于控制射频的输出功率及多天线系统的功率分配的收发控制电路。 控制处理模块是读写器的智能单元。其主要功能包括实现发送到电子标签的 命令的波形编码、回波信号的解码、差错控制、读写命令流程控制等；同时也起 到发送命令缓存的作用。与后端应用程序之间的接口协议的实现，i o 控制等也 由控制处理模块完成。控制处理模块的组成一般包括： 7 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 ( 1 ) 内装嵌入程序的智能处理单元，即c p u 或m p u ( 单片机) ； ( 2 ) 为c p u 或m p u 提供必要的存储区、中断控制器、i o 信号与i o 接口控 制信号等的c p u 或m p u 外围接口电路； ( 3 ) 对发送命令、接收回波信号进行编码、解码、缓冲存储等的信号处理、缓 存等处理电路； ， ( 4 ) 为c p u 或m p u 提供工作时钟以及系统自恢复功能的时钟电路和看门狗电 路： ( 5 ) 根据系统设定的功能，实现相应的控制与接l z l 预处理等的其它控制与接e l 电路； i o 接口模块用于实现读写器与外部传感器、控制器以及应用系统主机之间 的输入与输出通信。常用的i o 接口有： ( 1 ) r s 2 3 2 串行接口：计算机流行的标准串行通信接口，可实现双向数据传输。 优点是接口标准、通用、流行，缺点是传输速度与传输距离受限； ( 2 ) r s 4 2 2 4 8 5 串行接口：标准串行接1 2 1 ，支持远距离通信，标准传输距离 1 2 0 0 m 。采用差分数据传输模式，抗干扰能力较强，通信速度范围与r s 2 3 2 相同； ( 3 ) 标准并行打印接口：通常用于为读写器提供外接打印机，输出读写信息的 功能； ( 4 ) 以太网接e l ：提供读写器的直接入网接口，一般均支持t c p i p 协议； ( 5 ) 红外i r 接口：提供红外接口，近距离串行红外无线传输，传输速度与标 准串口速度相当； ( 6 ) u s b 接口：标准串行接i s l ，短距离、高速传输接e l 。 2 2r f i d 系统射频工作原理 r f i d 系统是由信息载体和信息获取装置组成。其中，射频标签为数据载体； 读写器是标签信息的读取装置。射频标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信 号的空中耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换n 引。 2 2 1 无源r f i d 系统 采用无源标签的r f i d 系统，每个被标记的物品都贴有一个无源标签。r f i d 标签由天线、微控制器和存储器构成。存储器存储着物品对应的唯一识别代码。 被动式无源标签工作所需的能量，以及系统时钟均从读写器电磁场获取，标签本 身不含电源。无源标签因为具有体积小、成本低的有点而获得了广泛应用。 无源r f i d 系统的频率范围相当宽，从低频、高频到超高频上均有应用，这 些应用的工作原理有很大不同，大致可分为磁场耦合和电磁后向散射两大类。磁 场耦合方式的r f i d 系统的典型工作频率采用低频1 2 5 k h z ( 九= 2 4 0 0 m ) 和高频 8 硕士学位论文 1 3 5 6 m h z ( l = 2 2 1 m ) ，强电磁场由读写器的线圈产生，虽然这并不是通常意义上的 天线的概念，但在r f i d 技术中也把读写器的线圈作为天线来看待。该高频强电 磁场由读写器的天线线圈产生，磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间，由于电 磁波的波长比读写器和r f i d 标签之间的距离大得多，故可以把读写器与射频标 签之间的电磁场简化为交变磁场来研究n 5 1 。 射频标签的天线也由线圈构成，标签线圈在交变磁场中产生一个感应电压， 将其整流后作为标签的工作电源，射频标签与读写器之间的通信是通过电磁互感 进行的。只要两个线圈中一个的电流发生变化，都会改变线圈之间的互感量，从 而引起另一个线圈中电流的变化，这样可以完成r f i d 标签与读写器之间的通信。 目前，采用磁场耦合方式的被动式r f i d 标签的最远作用距离在l m 左右。 电磁场向后向散射调制的r f i d 系统的典型工作频率采用u h f 波段和微波 段，如4 3 3 m h z 、9 0 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。采用该波段的被动式r f i d 标 签的工作距离一般都在几米到十几米之间。该波段的r f i d 系统，采用反射电磁 波能量的方式完成通信，根据雷达方程，读写器接收的r f i d 标签天线反射能量 大小为： = 器 ( 2 1 ) 式中，p 、g 、a ，分别为读写器的发射功率、天线增益、等效接收面积，r 为 距离，o 为r f i d 标签的天线散射面积，天线散射面积的大小与天线加载的电阻 大小有关，天线接收完全匹配负载与短路负载是的散射面积有很大不同，r f i d 标签平时处于匹配状态，它从读写器发射来的电磁场中获取能量和信息。而当 r f i d 标签发送数据时，微控制器根据数据的不同改变r f i d 标签天线的负载电阻 值，从而改变天线的散射面积，这样就会使读写器天线接收的电磁能量随着数据 的变化而变化，最终完成标签与读写器之间的通信。 2 2 2 半无源和有源r f i d 系统 r f i d 半无源标签采用电池给芯片供电，但通信模块采用与被动式标签相同 的工作方式。制约r f i d 标签通信距离的重要因素是标签芯片的供电问题，特别 是对于u h f 和微波波段的标签，标签芯片如果获得足够的能量，通信距离将会显 著增加，一些复杂的处理逻辑也可以实现。在某些较复杂的r f i d 应用中也有采 用有源标签的，通信模块和控制模块均由电池供电。有源标签和无源标签可以实 现更远的通信距离和更为复杂的逻辑。 2 3i 心i d 标准的国际现状及中国遇到的问题 目前，r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但 9 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 随着全球物流行业r f i d 大规模应用的开始，r f i d 标准的统一已经得到业界的广 泛认同。从全球来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发及 应用领域走在世界的前列。欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg l o b a l 标准。在 封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出u i d 标准， 但主要靠本国厂商支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。韩国政府对r f i d 给予了高度重视，但至今韩国在r f i d 标准方面仍然模糊不清。 中国的r f i d 标准的制定主要还面临几个难题。首先，r f i d 的使用频率还没 有完全开发。当前国际上在u h f 频段属于专用频段，现阶段开发此频段的r f i d 业务的条件不成熟。8 6 0 9 6 0 m h z 频段的主要业务为固定和移动业务，次要业务 为无线电定位。其次是r f i d 产业发展的滞后：芯片设计与制造、天线设计与制 造、标签封装及封装设备制造、读写设备开发、数据管理软件设计等等一个个生 产环节构成了一条完整的r f i d 产业链。产业发展滞后严重影响了标准的制定， 而标准的不统一，致使厂家只能研制兼容多个标准的产品，严重影响了应用的发 展1 2 1 。 总的来说，目前u h fr f i d 空中接口相关标准可分为i s o i e c 标准和e p c g l o b a l 标准两大类。e p cg l o b a l 是由美国统一代码协会( u c c ) 和国际编码协会 ( e a n ) 于2 0 0 3 年9 月共同成立的非营利性组织，其前身是1 9 9 9 年1 0 月1 日在美 国麻省理工学院成立的非营利性组织a u t o i d 中心。目前e p cg l o b a 已经发布了 一系列技术规范。和e p c g l o b a l 相比，i s o i e c 有着天然的公信力，因为i s o 是 公认的全球非盈利工业标准组织。与e p c g l o b a l 只专注于8 6 0 - 9 6 0 m h z 频段不同， i s o i e c 在各个频段的r f i d 都颁布了标准。i s o i e c 组织下面有多个分技术委员 会从事r f i d 标准研究。i s o i e cj t c l s c 3 1 ，即a i d c 自动识别和数据采集分技 术委员会，正在制定或己颁布的标准有不同频率下自动识别和数据采集通讯接口 的参数标准，即i s o i e c l 8 0 0 0 系列标准。i s o i e cj t c l s c l 7 是识别卡与身份识 别分技术委员会，正在制定或者已经颁布的标准主要有i s o i e c l 4 4 4 3 系列，我国 的二代身份证采用的就是该标准。此外，i s ot c l 0 4 s c 4 识别和通信分技术委员 会制定了集装箱电子封装标准等哺1 。 2 3 1u h fr f i d 国际标准i s o i e c1 8 0 0 0 6 i s o i e c1 8 0 0 0 是基于物品管理的射频识另i j ( r f i d ) 的国际标准，按工作频率的 不同分为7 部分，第1 部分：全球接受频率；第2 部分：低于1 3 5 k h z 的频率； 第3 部分：频率为1 3 5 6 m h z ：第4 部分：频率为2 a 5 g h z ；第5 部分：频率为 5 8 g h z ；第6 部分：频率为8 6 0 9 3 0 m h z ；第7 部分：频率为4 3 3 m h z h ，博3 。 i s o i e c1 8 0 0 0 6 信息技术一针对物品管理的射频识别( r f i d ) 一第6 部分： 针对频率为8 6 0 9 3 0 m h z 无接触通信空气接口参数的阅读器与应答器之间的物 1 0 硕士学位论文 理接口、协议和命令以及防冲突判断机制。 1 标准i s o i e c1 8 0 0 0 6 的物理接口 i s o i e c1 8 0 0 0 - 6 标准定义了两种类型的协议：t y p ea 和t y p eb 。标准规定， 阅读器需要同时支持两种类型，它能够在这两种类型之间切换。应答器需要至少 支持一种类型。 t y p ea 协议的通讯机制是基于一种“阅读器先发言 的，即基于阅读器的命 令与应答器的回答之间交替发送的机制。t y p eb 的传输机制也是基于“阅读器先 发言的，即基于阅读器的命令与应答器的回答之间交换的机制。 ( 1 ) 对于阅读器到应答器之间的通讯传输 t y p ea 协议阅读器发送的数据采用a s k ( 调制载波幅度) 进行调制，调制深度 是3 0 ( 误差不超过3 o 数据编码采用脉冲宽度编码( p i e ) 来编码数据。即通过 定义下降沿之间的不同宽度来表示不同数据信号。 t y p eb 协议采用a s k 调制，调制深度是1 1 或9 9 ，位速率规定为l o k b p s 或4 0 k b p s ，曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码来完成。具体来说就是一种o n o f f k e y 格式， 射频场存在代表1 ，射频场不存在代表0 。m a n c h e s t e r 编码是在一个位窗内采用电 平变化来表示逻辑“1 ( 下降沿) 和逻辑“0 ( 上升沿) 的。 ( 2 ) 对于应答器到阅读器之间的传输连接 t y p ea 协议应答器通过反向散射给阅读器来传输信息，数据速率是4 0 k b p s 。 数据采用f m 0 编码。f m 0 编码又叫双相间隔码编码( b i p h a s es p a c e ) ，是在一个位 窗内采用电平变化来表示逻辑，如果电平从位窗的起始处翻转则表示逻辑“l ”： 如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗的中间翻转则表示为逻辑“0n ot y - p e b 协议同t y p ea 一样，通过调制入射并反向散射给阅读器来传输信息，数据速率 是4 0 k b p s ，同t y p ea 一样采用f m 0 编码。 2 标准i s o i e c1 8 0 0 0 6 的协议和命令 传输协议定义了读写器和识别卡之间命令和数据在双方向交换的机制。它是 基于“读写器先说话 的概念。这意味着识别卡发送响应前，应当等待接收读写 器的命令并正确地解码。每个命令和响应包含在一个帧中。 ( 1 ) 两种应答器的命令格式：t y p ea 阅读器命令每个命令由s o f 、r f u 域( 为 协议扩展预留) 、命令码、参数( 或为将来预留的参数) 、c r c 5 、可选的参数域( 取 决于命令) 、应用数据域、c r c 1 6 、e o f 这些域组成。 由阅读器发送给应答器的数据按下图的帧格式组成： 基于s i m u l i n k 的u h fr f i d 系统的数据传输分析与仿真 图2 2 帧格式 开始的静默( q u i e t ) 是一段持续时间至少3 0 0 微秒的无调制载波。s o f 是帧开 始标志。在发送完e o f 结束标志之后，阅读器必需继续维持一段时间的稳定载 波来提供应答器回答的能量。 t y p ea 阅读器命令格式分两种，短命令格式和长命令格式分别如表2 1 与表 2 2 表2 1 短命令格式 可选数据域长度的高端值规定为n ，此处n = m + 8 ，式中m 为写入识别卡的存 储器的比特数。当前，采用值m = 3 2 ，但是协议允许n 多达2 5 6 。 t y p eb 阅读器命令帧由帧头检测、帧头、分隔符、命令码、参数、数据、c r c 16 这些域组成。 帧头检测域由一个稳定的载波( 没有调制) 组成，持续时间至少4 0 0p s 。对于 4 0k b p s 的通讯速率来说，它相对应为1 6 位。 帧头等效于9 位非归零( n r z ) 格式的曼彻斯特码0 ，帧头的编码形式为： 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 。 分割符是用来区分帧头和有效数据的，用n r z 形式定义了四种分隔符，编码 形式分别为：1 10 01 11 0t 0 、0 10 11 1o o1 1 、0 01l1 00 10 1 、1 lo lll0 010l 。 命令和参数段未作明确定义。c r c 采用1 6 位的c r c c c i t t 编码。 ( 2 ) 两种应答器的响应格式 b p ea 响应，每个响应由s o f 、标志、强制的与可选的参数域( 取决于命令) 、 1 2 硕士学位论文 应用数据域、c r c 1 6 、e o f 这些域组成。协议是面向比特( 位) 的。一个单一的域 的最优先比特( m s b ) 应最先发送。多字节域的最优先字节( m s b y t e ) 应最先发送， 每个字节的最优先比特( m s b ) 应最先发送。标志的设置表明存在可选