（电工理论与新技术专业论文）超高频射频识别系统相位噪声的研究.pdf

硕十学位论文 a b s t r a c t r f i di san e wt e c h n o l o g yo fn 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 nw h i c hb o o m s u pi nr e c e n ts e v e r a ly e a r sa n di s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dr e v o l u t i o n a r y t e c h n o l o g yi n2 1t hc e n t u r y a tt h ep r e s e n tt i m eb o t hi nt h e o r ya n da p p l i c a t i o na s p e c t s i tc o m e st ot h ef r o n tm o r ea n dm o r ei n t h a tu h fr f i dt e c h n o l o g yi s t h em o s t a d v a n c e di nt h ew o r l d t h i sp a p e ri na l l u s i o nt ot h ep h a s en o i s eo ft h eu h fr f i d s y s t e m i nt h i sp a p e r ，s t a r t i n gw i t ht h eb a c k g r o u n do fr f i ds y s t e m ，t h ec o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e o ft h eb a c k s c a t t e rm o d u l a t i o nr f i ds y s t e ma n dt h em a i ni n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so fr f i dw i t ht h e i ra p p l i c a t i o nb a n d sw e r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，t h er f f r o n t e n dc i r c u i t sa r c h i t e c t u r eo fr f i dr e a d e rw a sc h o s e n s e c o n d l y ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ep h a s en o i s ec o n c e p t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n m e t h o d s ，t h e nd e e pr e s e a r c ha n da n a l y s i sf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c p h a s en o i s ei so n eo f m o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c eo no s c i l l a t o ro fu h fr f i d r e a d e r t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h r e em o d e l so fp h a s en o i s e i ti n c l u d e dt w ol i n e a r t i m e i n v a r i a n ts y s t e mm o d e l s ：l e e s o ne m p i r i c a lm o d e la n dr a z a v im o d e l ，o n e t i m e - v a r y i n gp h a s e n o i s em o d e l ：h a j i m i r i & l e em o d e l t h e n ，a c c o r d i n gt os p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i t t e ra n dl i n kp a r a m e t e r so f r e c e i v e ri nu h fr f i ds y s t e m ，t h es p e c i f c a t i o no ft h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rh a s b e e na n a l y z e ds y s t e m i c a l l yi nr e a d e r ，a n di th a sb e e np r o v e nc o r r e c tb yt h es y s t e m s i m u l a t i o nm o d e l f i n a l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wa n a l y s i sm e t h o do fp h a s en o i s er e q u i r e m e n t s o nal o c a lo s c i l l a t o rf o rau h fr f i ds y s t e m i ng e n e r a le a s e ，p h a s en o i s er e q u i r e m e n t s a r ed e r i v e dc o n s i d e r i n gar e c i p r o c a lm i x i n gw i t ha ni n t e r f e r e n c es i g n a l i nu h f r f i d s y s t e m su s i n gt h es a m eo s c i l l a t o r f o rt h et r a n s m i t t e ds i g n a la n dt h el o ，r a n g e c o r r e l a t i o np h e n o m e n o ne f f e c t st h ep h a s en o i s er e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rh a sd e r i v e d n e wp h a s en o i s ee q u a t i o nc o n s i d e r i n gt h er a n g ec o r r e l a t i o ne f f e c to nt h er f i ds y s t e m a n das i m u l a t i o nh a sb e e nd o n e t h er e s u l t sf o ru h fr f i ds y s t e ms h o wt h a tr a n g e c o r r e l a t i o ne f f e c ti st h ei m p o r t a n tf a c t o ri nr f i ds y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：r f i d ；u h f ；r e a d e r ；p h a s en o i s e ；r a n g ec o r r e l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原刨性声明 本人郑崖声明：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零| 用的内容外，本论文不包含任 莓 其他个人域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 律后果交本人承担。 作者签名：荔艮缆 露期：沙碍年罗胃爿e t | 学位论文版权使用授权书 本学位论文律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予版，允许论文被 套阕和借阅。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 有关数据库进行裣索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段傈存和汇编 本学位论文。 本学位论文属予 l 、保密a ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上楣应方框内打“”) 作者签名： 导筛签名： 网期：刎罗年f - 月 e t 窭期：矽年岁蔑嚣 後p 讯研 j，订鼙、 第1 章引言 1 1 射频识别技术的研究背景 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i e a t i o n ) 是一种非接触式的自动 识别技术。它的基本原理是利用射频信号及其空间耦合f 包括电磁耦合和电磁传 播) 和传输特性，实现对静止或移动物体的自动识别，获取识别对缘相关信息，用 以实现信息的处理和交换，其识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境， 操作快捷方便。 标签 t 一” ：溜 天线 习读器 b 脑 图1 ir f i d 系统示意图 r f i d 技术起源于第二次世界大战时期的飞机雷达探测技术。雷达应用电磁能 量在空间的传播实现对物体的识别雷达发射无线电并通过接收到的日标反射信 号来测定和定位目标的位置及其速度。雷达在第一次世界大战中的应片j 极大才促 进了雷达理论的发展，也为r f i d 的产生奠定了基础”1 。 2 0 世纪5 0 年代是r f i d 技术和应用的探索阶段。远距离信号转发器的发明扩大 了敌我识别系统的工作范围。h a r r i s 的“使用可模式化的被动反应器的无线电波传 送系统”提出了信号模式化的理论和被动标签的概念。直到2 0 世纪7 0 年代，r f i d 技术终于走出了实验室进入应用阶段。很快，r f i d 技术与产品得到了很大的发展 各种测试技术加速发展，出现了早期的规模化应用。2 0 世纪8 0 年代以来，微电子 技术取得了重大的突破：微波肖特基f s c h o t t k y ) 极管可咀被集成在c m o s 集成电 超高频射频识别系统相位噪声的研究 路上，从而可以讲r f i d 标签电路集成在单个芯片中，这使得单芯片的无缘r f i d 标签成为可能。同时，越来越多的射频单元电路，如功率放大器( p a ) ，混频器 ( m i x e r ) ，中频滤波器( i f ) ，本机振荡器( l o ) ，低噪声放大器( l n a ) 等等，加上模拟 电路，数字信号处理，都可以在c o m s 工艺上实现，因而有可能在c m o s 工艺上 实现整个r f i d 芯片级片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。各种技术加速了r f i d 的发 展，各种规模化应用发展起来，封闭系统应用开始成形。在1 9 9 1 年，美国奥克拉 荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统。而近几年来，随着自动收 费、门禁、身份卡片等的应用，r f i d 技术走入了人们的生活。 在广泛应用的同时，r f i d 标准问题逐渐呈现在人们面前。目前，世界各国政 府和科研机构都投入了大量的精力进行标准的研究工作。随着标准的不断推出， 产品成本不断下降，加之结合了计算机技术和网络技术，行业的应用面不断扩大， r f i d 技术理论也得到了丰富和完善。 r f i d 技术的兴起并不是因为他是一项新技术，而是因为这项技术已经开始成 熟并逐渐具备了走向实际应用的能力，同时也是因为目前广泛应用的自动识别技 术( 例如条形码，语音识别技术) 已经无法满足人们更高的要求。 r f i d 技术的广泛应用，反过来影响着r f i d 的性能要求，而且这种要求也越 来越高，r f i d 性能甚至决定其自身能否应用到某些领域，这使得r f i d 朝着小型 化，低成本，低功耗的方向发展。 r f i d 已经有5 0 余年的发展历史，在世界零售业巨头沃尔玛宣布使用r f i d 系 统管理货物和美国将r f i d 应用于国防和军事管理中后，r f i d 的发展在世界范围 内受到了更广泛的关注。目前我国在r f i d 技术的研究和应用各方面尚不及发达国 家，在技术上基本处于跟踪发达国家的阶段，但是自主创新也在如火如荼地进行 中，有了政府的推动，科研人员和企业的积极参与，r f i d 技术在中国将得到全面 的推广和普遍应用。 1 2 射频识别技术的研究现状 射频识别系统主要包括阅读器( r e a d e r ) ，电子标签( t a g ) 以及中心数据交换与 管理系统( c e n t e rp r o c e s s e r ) z 部分，其中阅读器和标签之间是通过天线在无线信 道之间建立通信的。射频识别系统的工作频率可以选择从低频、高频、超高频、 以及微波等多个频率，工作频率不同，应用的场合也不尽相同1 。 图1 2 给出了r f i d 主要使用的各个频段的分布图。其中主要集中在 1 2 5 1 3 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 、4 3 3 9 2 m h z 、8 6 0 9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 这几个 区域。其中1 2 5 1 3 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 的识别作用距离小于l m ，典型的工作距离为 1 0 c m 2 0 c m 。1 2 5 1 3 5 k h z 主要应用与短距离、低成本的应用中，如门禁控制、动 物射频识别等领域；13 5 6 m h z 主要应用在商品流通、公共交通和出入检查等领域； 2 删1 学位论文 4 3 39 2 m h z 、8 6 0 9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 0 h 的识别作用距离大于l i n ，典型作用 距离为3 m 一1 0 m ，4 3 39 2 m h z 、8 6 0 9 3 0 m h z 辛要应用物流、仓储等领域：而微波 段的24 5 g h z 和58 g i i 则主要集中在物流、交通等领域的应用。在本论文中 u h f ( u l t r ah i h gf r e q u e n c y ) 是指8 6 0 - 9 3 0 m h z 。 1 01 0 0 1 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 0 m h z 3 0 3030 0 3 0 0 0 3 m 仆v h fu h f s h fe h f 图12 适用于r f i d 系统的频率分布图 由于r f i d 被州为2 1 世纪十大重要技术之一，因而世界各国无不仝力发展。从 全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领 域走在世界的前列。如超高频u h fr f i d 虽早由美国的a m t e c h 公刊推出，其技术 相当成熟，月独家垄断关键技术。欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p c g l o b a l 标准。 在封闭系统应用方而，欧洲与美国基本处在同阶段、几本虽然已经提出u i d 标 准，但主要得到的是奉国厂商的支持，如l 果要成为国际标准还有很长的路要走。 在l i j 国，r f i d 技术处于刚刚起步阶段，目前r f i d 在公路铁路民航等领域已 经逐渐应用起来，比如北京首都围际机场新航站楼的世界虽先进的行李传输系统 等。但是目前绝人多数都是国外的技术和设备，上面提到的北京机场的例子采用 的就是西门子的技术和设备。究其原园就是因为我国缺乏自己的相关标准以及技 术力量。为此近年来，我国制定自己的r f i d , j i 准的进程开始加速技术研发和产 业化准备工作也在同步进行。2 0 0 4 年4 月底，中国政府加入了全球化标准组织 e p c g l o b a l ，成立了e p cg l o b a lc h i n a 。2 0 0 5 年1 2 月，信息产业部宣稚成立i 乜于标 签国家标准工作纽，负责起草、制定中国r f i d 技术的国家标准。目前比较热门的 是标准是基于i s 0 1 8 0 0 0 6 c 的幽家标准草案。国内厂商唯有尽早掌握应用r f i d 技 术，逐步与国际先进水平接轨，才能在激烈竞争的国际市场内赢得一席z 地。研 超高频射频识别系统相位噪声的研究 究r f i d 的关键技术，提升我国应用r f i d 技术的水平，已经成为当前我国产业的 迫切需要。 射频识别系统的阅读器是r f i d 技术研究的一个重要方面，从系统设计的角度 来说，由于力求电子标签的设计能够简化，成本尽可能降低，因而更多的r f i d 应 用系统对电子标签的兼容功能、更远的读写距离、同时读写同一区域内的多标签 功能等，都集中在阅读器一方来实现。 随着r f i d 技术的发展，尤其是在e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 的概念的带动 下阅读器的价格将会进一步走低，性能将会更进一步提高h 1 。从技术角度来说， 阅读器设备的发展趋势将主要体现在以下几个方面： 1 阅读器射频信号处理模块与基带信号处理模块的标准化设计以及相关的 集成模块设计日益完善、品种丰富； 2 随着集成模块( 射频信号处理模块与基带信号处理模块) 的推出，阅读器的 设计将更简单，功能更完善； 3 低成本的多端口射频网络模块技术更趋完善与标准化； 4 多标签读写更有效，更快捷； 5 兼容性方面，不同厂家标签间的兼容读写，不同工作频段标签的兼容读 写； 6 不断降低成本； 7 不断提出新的阅读器设计方案与设计思想。 目前来看u h fr f i d 系统的发展是非常迅速的，对其的研究也在不断的深入， 作为u h fr f i d 阅读器一个重要的性能指标相位噪声，其优劣直接影响到阅读器的 性能，本文将主要研究u h fr f i d 系统相位噪声的要求，并提出了距离相关作用， 这个作用原来应用在多普勒雷达系统中，在r f i d 中的研究还比较少。 1 3 本文的主要内容 随着r f i d 系统的应用越来越广泛，u h fr f i d 系统的使用也在不断的发展， 其中系统阅读器对低噪声器件的精度要求越来越高，对相位噪声的要求也越来越 高。因此，需要对u h fr f i d 的相位噪声有一个系统的研究，其中主要是本振的相 位噪声。本文结构和各章节内容安排如下： 第一章主要是对目前r f i d 技术的发展历史，应用现状，应用领域有一个基本 的介绍，并对本文的研究内容进行说明。 第二章主要分析了r f i d 系统基本原理与结构，介绍了目前流行的三种r f i d 标准，并对r f i du h f 频段的频率规范进行了简单的叙述。 第三章主要介绍了相位噪声的基本概念、类型和基本特征，以及各种类型的 相位噪声的表征形式。接着介绍了三种射频振荡器的噪声模型，其中包括两种基 4 硕 ：学位论文 于线性时不变系统的模型：l e e s o n 经验模型和r a z a v i 模型，一种时变相位噪声模 型：h a j i m i r i & l e e 的线性相位时变噪声模型。 第四章主要对u h fr f i d 系统阅读器的相位噪声指标要求进行了分析，介绍了 阅读器的主要结构，最后利用仿真软件a d s 对u h fr f i d 系统进行仿真。 第五章主要是介绍了距离相关的相关概念，然后在考虑到距离相关影响的前 提下重新得到了r f i d 系统的新的相位噪声方程并进行了仿真，并研究了阅读器接 收到信号的误码率在距离相关作用下受到的影响。 第六章总结与展望归纳了本文的主要研究内容，为今后的研究指明了方向。 超高频射频识别系统榴位噪声的研究 第2 章r f i d 系统的组成及其工作原理 2 1r f i d 系统组成部分 一个r f i d 系统最基本的组成部分可以分为：电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 、 中心数据交换与管理系统( c e n t e rp r o c e s s e r ) 。下面分别就这三大部分进行详细介 绍： 1 电子标签：电子标签又称为射频标签、应答器，是射频识别系统真正的数 据载体。由藕合元件及芯片组成，每个电子标签都有唯一的电子编码，一般隧在 所要监测的物体上通过电磁波与阅读器进行无线数据交换，具有智能读写和加密 通信的功能。每一个电子标签中保存着物体的属性、状态、编号等信息。一般情 况下，电子标签由标签片上天线和标签专用集成芯片组成。其中包括加密逻辑电 路、枣行e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器、徽处理器c p u 以及射频收 发及相关电路 依据电子标签供电方式的不同，电子标签分为有源电子标签( a c t i v et a g ) 和无 源电子标签( p a s s i v et a g ) 。有源电子标签内装有电池，无源电子标签没有蠹嵌电池。 无源电子标签在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于不工作状态；进入阅读器 的读出范围之内时，无源电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的 电源，一般采用反射调制方式完成电子标签所带信息向阗读器传送的任务。对于 有源电子标签来说，根据标签内装电池供电情况的不同叉可细分为全有源电子标 签和半无源电子标签( s e m i pa s s i v e t a g ) 全有源电子标签的工作电源完全由内部电 池供给，电子标签电池的能量供应除了给芯片所有电路供电以外也部分地转换为 电子标签与阅读器通讯所需的射频能量。半光源电子标签未进人工作状态翦，标 签内的电池一直处于休眠状态，此时的半无源电子标签相当于无源电子标签，标 签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达1 0 年有效；当半无源电 子标签进入阅读器的读取区域接受舞读器发出的射频信号激励进入工侔状态时， 半无源电子标签内部电池的作用主要在于唤醒内部电路的工作，弥补标签所处位 置射频场强的不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量，标签与阅读器之 间信患交换的支持熊量主要来爨阅读器供应的射频能量( 反射调制方式) 。半无源 射频标签内的电池仪供电给电子标签内要求供电来维持数据的电路或者用作标签 芯片工作所需电压的辅助支持，也会对本身耗电很少的电子标签内部电路供电。 2 阅读器：读筠器是负责读取或者写入标签信息的设备，可以设计为手持式 或固定式；读写器可以是单独的整体，也霹以作为部件嵌入到其它系统中。它可 以单独实现数据读篙、显示和处理等功能，也可以与计算机或其它系统进行联合， 6 硕十学位论文 完成对射频标签的操作。根据支持的标签类型的不同和完成功能的不同，读写器 的复杂程度是不同的。读写器基本的功能就是提供与射频标签进行数据传输途径。 同时，读写器还可以提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等， 因而射频标签中除了存储需要传输的信息外，还必须包含一定的附加信息，如错 误校验信息等。 典型的读写器包含有控制模块、射频模块、接口模块以及读写器天线。此外， 许多读写器还有附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接e l 等) ，以便将所获得的数 据传送给应用系统或从应用系统中接收命令。 3 中心数据交换与管理系统：数据交换与管理系统主要完成数据信息的存储、 管理以及对射频标签进行读写控制，作为一个后台的存储控制以及显示部分，数 据交换与管理系统将记录所有电子标签的数据信息并加以备份，以便以后通过人 机界面进行查询。此外，数据交换与管理系统还可以远程控制阅读器对电子标签 进行读写、擦除等操作，实现整个r f i d 系统的智能化。 2 2r f i d 系统工作原理 阅读器和标签之间通过耦合元件实现射频信号的空间无接触耦合拍1 。在耦合 通道内，根据时序关系，实现能量的传递，数据的交换。阅读器将要发送的信息 数据经编码后加载在某一频率的载波信号上经阅读器天线向外发送。当r f i d 电子 标签进入读写器工作场强范围时接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信 号进行调制、解码、解密等操作，然后对命令请求、密码验证、权限级别等进行 判断、若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取相关信息，经加密、编码、 解密后再送至中央信息系统进行有关数据处理。计算机系统根据逻辑运算判断该 标签的合法性，针对不同的系统设定作出相应的处理和控制，发出指令信号给阅 读器，若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起内部电荷泵提升标签工作电压， 提供能量擦写e e p r o m 中的内容从而进行改写。若经判断电子标签对应的密码和 权限不符时，阅读器则返回出错信息，拒绝对信息进行任何操作。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： 1 电感耦合：通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电 感耦合方式的r f i d 系统的典型工作频率采用低频1 2 3 k h z 和高频1 3 5 6 m h z ，阅读 器的天线线圈产生高频的强电磁场，这种磁场闯过线圈的横截面和线圈周围空间， 由于使用频率范围内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大很多倍，所以把 应答器到天线的距离间的电磁场从数学上作为简单的交变磁场来对待，如图2 1 所示为一个工作在该高频频段的r f i d 系统射频部分示意图。 射频标签的天线也有线圈构成，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 7 超高频射频识别系统相位噪声的研究 进行的。只要两个线圈中的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。 图2 1 电感耦合式r f i d 系统作用原理 2 电磁反向散射耦合：基于雷达反向散射( b a c ks c a t t e r i n g ) 原理，发射出去 的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播 规律。电磁反向散射耦合的r f i d 系统的典型工作频率采用u h f 频段和微波波段， 女1 4 3 3 m h z ，9 0 0 m h z ，2 4 g h z ，5 8 g h z 等。采用反射电磁波能量的方式完成通信。其 工作原理如图2 2 所示，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时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 标签和读写器之间的通信。 p 1p 1 - 卜- 一 啄 p 2 7 偶极子应答器 图2 2 电磁反向散射耦合式r f i d 系统作用原理 2 3r f i d 的主要标准 上一节介绍了r f i d 系统的基本结构和主要工作原理，这一节将重点介绍 r f i d 的相关标准。目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标 准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给r f i d 的大范围应用带来了 困难。全球有三大r f i d 标准体系：国际标准化组织i s o 、以美国为首的e p cg l o b a l 、 硕 ：学位论文 日本u b i q u i t o u si dc e n t e r ( u i d ) 哺1 。当前，r f i d 标准主导权的争夺已经越演越烈， 争夺技术标准主导权的背后，是谋求未来庞大的经济利益回报。 国内r f i d 技术与应用的标准化研究的工作起步比国际上要晚4 5 年时间， 2 0 0 4 年2 月，中国国家标准化管理委员会宣布成立电子标签国家标准工作组，负责 起草、制定中国有关电子标签的国家标准。2 0 0 4 年4 月底，中国企业加入了r f i d 的全球标准组织e p cg l o b a l 。与此同时，日本的r f i d 标准化组织t e n g i n e 论坛与 中国企业合作成立了基于日本u i d 标准技术的实验室一u i d 中国中心。r f i d 的广 泛应用蕴藏着巨大的产业利益、还涉及国家安全利益、信息控制利益等，在这一 点上我国政府主管部门应高度关注。我国应全面部署电子标签标准体系，尤其应 重视编码体系、频率划分以及与知识产权有关的技术和应用，并推出具有我国自 主知识产权的标准。 2 3 1 全球产品电子编码( e p cg l o b a l ) 标准 e p cg l o b a l 是美国统一代码协会( u c c ) 和国际物品编码协会( e a n ) 于2 0 0 3 年9 月共同成立的非盈利型组织，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 非盈利型组织a u t o i d 中心。 国际自动化技术领域的两个标准化组织u c c 和e a n ，在吸收了a u t o i d 中心的 研究成果后，推出了e p cg l o b a l ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d eg l o b a l ，全球电子产品编 码) 标准。目前e p cg l o b a l 已经发布了一系列技术规范，包括电子产品代码( e p c ) 、 电子标签规范和互操作性、阅读器一电子标签通信协议、中间件软件系统接口、 p m l 数据库服务器接口、对象名称服务和p m l 产品元数据规范等。 e p cg l o b a l 系统作为产品与服务流通过程信息的代码化表示，其编码具有一 整套涵盖了贸易流通过程各种有形或者无形的产品所需的全球唯一的标识代码， 包括贸易项目、物流单元、位置、资产、服务关系等标识代码、e p c 标识代码随 着产品或服务的产生在流通源头建立，并伴随着该产品或服务的流动贯穿全过程。 e p c 标识代码是固定结构、无含义、全球唯一的全数字型代码。在e p c 标签信息 规范1 1 中采用6 4 9 6 位的电子产品编码；在e p c 标签2 0 规范中采用了9 6 2 5 6 位的 电子产品编码。 e p c 标签设定了六个不同等级( c l a s s ) 分别为： 1 c l a s s0 ( r e a do n l y ，只读) ：简单被动式标签。标签在出厂时即写入一组不 可更改的号码，提供简单的辨识服务。 2 c l a s si ( w o r m ，写一次读多次) ：简单被动式、可供一次写入的只读标 签。沃尔玛要求供应商所贴的标签就是c l a s sl 标签。 3 c l a s si i ( r e a d w r i t e ，读写) ：具可重复读写功能的被动式标签。在c l a s s 0 c l a s si 的基础上附加一些功能，如密码控制用户可改写等。 9 超高频射频识别系统相位噪声的研究 4 c l a s si i i ：内设感应器的半被动标签，有重复读写功能，包含额外的感应 器，可侦查温度、湿度、动向变化并记录在r f i d 标签中，内建电池增加读取距离、 兼容c l a s si i ，读写距离大，成本高，用于较贵重物品。 5 c l a s s ：是一种有源的半被动标签，可主动与其他标签沟通，但还处在 研发中。 6 c l a s sv ：可激励其它标签，与读写器不同。 e p c 系统的目标是为每一个物品建立全球统一的、开放的标识系统。它由电 子产品代码( e p c ) 体系、射频识别系统以及信息网络系统三部分组成，如表2 1 所 示。 表2 1e p c 系统的组成 e p c 系统的每一部分都有相应的规范，其中一部分尚在规划或制定中。e p c 系统现行规范如图2 3 所示。 图2 3e p c 标准的分类 e p cg l o b a l $ 0 定的e p c 编码标准，可以实现对所有物品提供单件唯一标识； 也制定了空中接口协议、读写器协议。这些协议和i s o 标准体系类似。在空中接 口协议方面，目前e p cg l o b a l 的策略尽量与i s o 兼容，如e p c i g e n 2u h fr f i d 标 准递交i s o 成为i s ol8 0 0 0 6 c 标准。但e p cg l o b a l 空中接口协议有它的局限范围， 仅仅关注超高频8 6 0 9 6 0 m h z 。 1 0 硕士学位论文 2 3 2 国际标准化组织( i s o ) 标准 和e p cg 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 cg l o b a l 只专注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。 国际标准化组织( i s o ) 以及其他国际标准化机构如国际电工委员会( i e c ) 、国 际电信联盟( i t u ) 等是r f i d 国际标准的主要制定机构。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。大部分r f i d 标准都是由i s o ( 或者与i e c 联合组成) 的技术委员会( t c ) 或分技术委员会( s c ) 制定的。 目前已经正式公布的常用r f i d 国际标准如图2 4 所示，其中，技术标准i s o 1 8 0 0 0 、i s o1 0 5 3 6 、i s o1 4 4 4 3 、i s o1 5 6 9 3 是最受关注的标准。他们规定了不同 频率卡的结构和工作参数，几乎所有的智能卡、标签和读写器都遵循这几种标准 中的一种或几种。数据标准，测试标准和应用标准根据不同行业和企业的应用侧 重点不同而不同。 国际标准i s o i e c 技术标准ll 安全标准ll 数据标准1i 测试标准lfr f i d 系统标准1 i 设备与生产标准1i 应 j 标准 1 8 0 0 0 1 空中接口一般参数和参考体系 1 8 0 0 0 21 3 5 k h z 以下空中接口通信参数 1 8 0 0 0 31 3 5 6 m h z 窀中接口通信参数 1 8 0 0 0 - 42 4 5 g h z 窄中接口通信参数 1 8 0 0 0 55 8 g h z 空中接口通信参数 1 8 0 0 0 - 68 6 0 - 9 3 0 m h z 空中接口通信参数 1 8 0 0 0 74 3 3 m l z 有源r f i d 空中接口通信参数 1 0 5 3 6 紧耦合卡 1 4 4 4 3 非接触集成电路卡近程( p r o x i m i t y ) 卡 1 5 6 9 3 非接触集成电路卡一近程( v i c i n i t y ) 卡 1 8 0 4 6r f l d 设备性能测试方法 18 0 4 7r f i d t 有源无源) 设备一 致性测试方法 1 5 4 1 8e a n u c c 应用标识符及 柔性电路数据标识符和保护 1 5 4 2 4 数据载体，特征标识符 l5 4 3 4 高容量a d c 媒体传递语法 1 5 4 5 9 物品管理的唯一i d l5 9 6 1 计算机和读卡器标签功 能命令与其他语法特征 1 5 9 6 2 传输语法 1 5 9 6 3 射频标签的唯一i d 1 0 3 7 4 货运集装箱标准( 自动识别) 1 7 3 6 3 货运集装箱一产品包装 1 7 3 6 4 可同收运输单品产品标识 1 7 3 6 5 运输单元 1 8 1 8 5 货运集装箱电子封条射频识 别通信协议 l1 7 8 4 动物无线射频识别代码结构 1 17 8 5 动物无线射频识别技术准则 1 4 2 2 3 动物无线射频识别高级标 准、空中接口 1 4 8 1 3 运输信息与控制系统- t i s c 部门的参考模犁构造 1 4 8 1 6 一般a v i ，a e i 的数字配置 1 4 8 1 9 交通和旅游信息( t t i ) 编码 1 4 8 2 5 地理数据文件( g d f ) 图2 4i s o 常用r f i d 国际标准 从i s o $ 4 定的r f i d 标准内容来说，r f i d 应用标准时在r f i d 编码、空中接口协 议、读写器协议等基础标准上，针对不同使用对象，确定了使用条件、标签尺寸、 标签粘贴位置、数据内容格式、使用频段等方面特定应用要求的具体规范，同时 也包括数据的完整性、人工识别等其他一些要求。通过标准提供了一个基本框架， 应用标准时对它的补充和具体规定。这一标准制定思想，既保证了r f i d 技术具有 互通与互操作性，又兼顾了应用领域的特点，能够很好地满足应用领域的要求。 2 3 3u b i q u i t o u si dc e n t e r ( u i d ) 标准 主导日本r f i d 标准研究与应用的组织是t 引擎论坛( t e n g i n e f o r u m ) ，该论坛 有许多日本厂商组成。其下属的泛在识别中心负责研究和推广自动识别核心技术， 超高频射频识别系统栩位噪声的研究 即在所有的物品上植入微型芯片，组建网络进行通信。 日本和欧美r f i d 标准在使用的无线频段、信息位数和应用领域等有许多不同 点。如日本的电子标签采用的频段为2 4 5 g h z 和13 5 6 m h z ，欧美的e p c 标准采用 u h f 频段；日本的电子标签的信息位数为1 2 8 位，e p c 标准的位数为9 6 位。日本的 电子标签标准可用于库存管理、信息发送和接收以及产品和零部件的跟踪管理等； e p c 标准侧重于物流管理、库存管理等。 u i d 中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码( u c o d e ) 、信息系统服务器、 泛在通信器和u c o d e 解析服务器等4 部分构成。 2 3 4 三大标准体系的比较 目前，i s o i e c l 8 0 0 0 ，e p cg l o b a l 、日本u i d - 一个空中接口协议正在完善中， 这三个标准互相之间并不兼容，主要差别在通讯方式、防冲突协议和数据格式这 三个方面，在技术上差距其实并不大口1 。这是三个标准都按照r f i d 的工作频率分 为多个部分。在这些频段中，以1 3 5 6 m h z 频段的产品最为成熟，处于8 6 0 9 6 0 m h z 内的超高频段的产品因为工作距离远且最可能成为全球通用的频段而最受重视， 发展最快。 2 4r f i du h f 频段( 8 6 0 m h z 一9 6 0 m h z ) 的频率规范 u h fr f i d 系统采用的频率主要是位于i s m 频段，基于e p c 和i s 0 1 8 0 0 0 6 标准的r f i d 系统主要位于8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 之间和2 4 5 g h z 附近频段。除了日 本以外，世界各国开放的r f i d 频段基本上都是集中在8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 。由射频 理论可以知道，u h fr f i d 系统中，波长越长，路径损耗就越小，在相同的发射 功率下，9 1 5 m h z 附近的r f i d 系统具有比2 4 5 g h z 附近更远的工作距离。世界 上目前研究最多，开发r f i d 产品种类最多的频段是8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 之间，本 文研究的r f i d 系统也位于其中。虽然r f i d 系统在全世界应用越来越广泛，但 是全球没有统一使用的频率，在各国，频率使用规定也各不相同。频率问题包括 工作频率范围，发射功率，调频技术，信道宽度等。 全球的频谱有国际电信联盟( i t u ) 来进行统一规划和分配。i t u 把全球分为三 个大区：区域l ( r e g i o n l ) 、区域2 ( r e g i o n 2 ) 、区域3 ( r e g i o n 3 ) 。 区域1 主要是欧洲和非洲地区，在欧洲地区，工作频率为8 6 9 4 m h z 8 6 9 6 5 m h z ，发射功率为5 0 0 m we r p ，在8 6 5 6 m h z 8 6 7 6 m h z 之间，推荐的发 射功率为2 we r p ，工作信道频率间隔小于2 5 0 k h z 。在南非，工作频率为8 6 9 4 m h z 8 6 9 6 5 m h z ，发射功率为5 0 0 m we i r p ，在9 15 2 m h z 9 15 4 m h z 之间，推荐的发 射功率为8 we i r p ，工作信道频率间隔小于2 5 0 k h z 。 区域2 主要是美洲地区，在北美，工作频率为9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，发射功率 硕十学位论文 为4 we i r p ，跳频技术采用f h s s ，容许的工作信道频率间隔为5 0 0 k h z ，整个频 带中对发射的要求很宽松。在拉丁美洲，频率方面总体要求与北美类似，但是国 家之间存在差异。 区域3 主要包括大洋洲和亚洲地区，情况比较复杂。澳大利亚的工作频率位 于9 18 m h z 9 2 6 m h z ，发射功率为1 we i r p ，采用与美国f c c 相类似的发射调制， 而新西兰的工作频率却在8 6 4 8 6 8 m h z 之间，发射功率为4 we i r p 。日本的工作 频率位于9 5 0 9 5 6 m h z 之间，韩国的工作频率为9 1 0 9 1 4 m h z 。亚洲其他地方，除 了中国台湾以外大部分遵守欧洲标准，台湾与北美的f c c 标准保持一致，中国大 陆地区由于被g s m 、c d m a 等占用，目前尚无专