（微电子学与固体电子学专业论文）基于blf的uhf+rfid自主标准标签芯片的设计.pdf

摘要 摘要 无源超高频射频识别( u h fr f i d ，u l t r ah i g hf r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 电子标签由于体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，被广泛 应用于物流、身份识别、防伪、高速收费等领域。随着r f i d 技术在信息化社会的 发展中扮演越来越重要的角色，其标准化问题越来越重要，我国也提出了具有自 主知识产权的u h fr f i d 标准。 本文基于我国提出的自主标准，给出了u h fr f i d 电子标签数字基带的一种 设计方法。论文首先对自主标准进行了解析，详细分析了前、后向链路编码方式、 调制方式、数据速率、链接时限等；并对自主标准的安全机制进行了说明，与现 有协议相比，自主标准的安全性得到了提高。 由于无源标签的功耗决定了r f i d 系统的识别距离，其成本制约了r f i d 技术 的大规模应用，因此为了降低芯片的功耗和减小芯片的面积，本文提出了一种新 的时钟架构。新时钟架构主要体现在两个方面，一是采用b l f ( b a c k s c a t t e rl i n k f r e q u e n c y ) 作为系统主时钟，二是在命令解析过程中，命令解析模块及相关模块的 工作时钟都采用解码模块的数据同步时钟。论文首先介绍了数字基带的架构划分， 然后基于新的时钟架构完成了数字基带的设计，主要包括代码编写、功能仿真、 逻辑综合、静态时序分析、功耗分析、物理设计等。设计采用b l f 作为系统工作 的主时钟，与采用2 x b l f 作为系统主时钟的设计相比，面积和功耗都有2 0 左右 的降低。 本文采用了一种满足标准规定的反向链路频差要求的分频算法。分频系数的 自动调整，降低了对模拟前端提供的时钟精度的要求；半整数分频的实现在满足 b l f 频率允差要求的同时降低了系统硬件的开销。 最后设计采用t s m c0 1 8 1 a m 的低功耗工艺流片。经测试，芯片的功能和各项 指标均满足自主标准的要求。 关键词：u h fr f i d自主标准标签数字基带 b l f 基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 a b s t r a c t a b s t r a c t p a s s i v eu h fr f i d ( u h fr f i d ，u l t r ah i g hf r e q u e n c yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) t a g s 晰t l ls m a l ls i z e ，l a r g ec a p a c i t y , l o n g e v i t y , a n dc a r lr e u s e da n ds oo n , a r ew i d e l yu s e di nl o g i s t i c s ，i d e n t i f i c a t i o n , a n t i c o u n t e r f e i t i n g , a n dh i g h s p e e dc h a r g e a sr f i dp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y i t ss t a n d a r d i z a t i o ni s s u e si sb e c o m i n gi m p o r t a n t , a n dc h i n ah a sb r o u g h tf o r w a r du h f r f i dc h i n e s es t a n d a r d 、析t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ad i g i t a lb a s e b a n dd e s i g no fu h fr f i dt a g sb a s e do nc h i n e s es t a n d a r di sg i v e n i nt h i sp a p e r f i r s t l ya n a l y s i so fc h i n e s es t a n d a r dw a sm a d e ，t h ed a t ae n c o d i n gm o d e ， m o d u l a t i o nm o d e ，d a t ar a t ea n dl i n kt i m i n gi nf o r w a r da n db a c k w a r dl i n kw a sp r e s e n t e d i ng r e a td e t a i l ，a n dt h es e c u r i t ym e c h a n i s m si nc h i n e s es t a n d a r dw e r ea l s oi n t r o d u c e d t h es e c u r i t yo fc h i n e s es t a n d a r di m p r o v e d c o m p a r i n gw i 廿1t h ee x i s t i n gp r o t o c o l s s i n c et h ep o w e rc o n s u m p t i o nd e t e r m i n e dt h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dt h ec o s t p r e v e n t st h el a r g e s c a l ea p p l i c a t i o no fr f i dt e c h n o l o g y , s oa nn e wc l o c ka r c h i t e c t u r e w a sb r o u g h tf o r w a r dt or g ：c l u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ea r e a t 1 1 en e wc l o c k a r c h i t e c t u r ew a sm a i n l ya b o u tt w oa s p e c t s ，f i r s t l y , b l f ( b a c k s c a t t e rl i n kf r e q u e n c y ) w a su s e da st h em a i ns y s t e mc l o c k ；s e c o n d l y , t h ec o m m a n dp a r s em o d u l ea n dt h e m o d u l e sr e l a t e dt ot h ec o m m a n dp a r s i n gu s e dt h ed a t as y n c h r o n o u sc l o c kf r o mt h e d e c o d e rm o d u l ea st h eo p e r m i n gc l o c ki nt h ec o m m a n dp a r s i n gp r o c e s s t h ed i g i t a l b a s e b a n dw a sd i v i d e di n t om o d u l e sa tf i r s ta n dt h e nt h ed e s i g nw a sc o m p l e t e db a s e do n t h en e wc l o c ka r c h i t e c t u r e ，t h ew o r km a i n l yc o n s i s t i n go fr t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) c o d i n g ，f u n c t i o n a ls i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ，p o w e ra n a l y s i s ，p h y s i c a l d e s i g n t h ea r e aa n dp o w e ro ft h ed e s i g nu s i n gb l fa st h em a i ns y s t e mc l o c kw a s r e d u c e db y2 0 c o m p a r i n g 、析t l lt h ed e s i g nu s i n g2 x b l fa st h em a i ns y s t e mc l o c k t h ef r e q u e n c yd i v i d i n ga l g o r i t h mm e e t i n gt h eb l ff r e q u e n c yt o l e r a n c ew a s a d o p t e d 1 1 坨a u t o m a t i ca d j u s t m e n to ff r e q u e n c yd i v i d i n gc o e f f i c i e n t sl o w e rt h e a c c u r a c yr e q u i r e m e n t so ft h ec l o c kf r o mt h ea n a l o gf r o n t - e n d t h ei m p l e m e n t a t i o no f h a l fi n t e g e rd i v i d i n gm e tt h eb l ff r e q u e n c yt o l e r a n c ew h i l er e d u c i n gt h eh a r d w a r ec o s t f i n a l l yt h ec h i pw a st a p e o u ti nt s m cu s i n go 18 i t ml o w - p o w e rp r o c e s s a f t e r t e s t i n g ，t h ef u n c t i o na n de a c hi n d i c a t o rm e tt h er e q u i r e m e n t so fc h i n e s es t a n d a r d k e y w o r d s ：u h fr f i d c h i n e s es t a n d a r d t a gd i g i t a lb a s e b a n d b l f 基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 第章引言 第一章引言 1 1 研究背景 r f i d ( 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 ，射频识别) 技术是一种非接触式自动识 别技术，它使用射频电子设备发射射频信号，射频信号通过空间耦合来自动识别 目标设备并获取相关数据，并且可以对目标设备写入新的信息。r f i d 的工作无需 人工干预，可自动工作于各种恶劣环境。 r f i d 技术是一项复杂的应用技术，它涵盖了微波技术与电磁学理论，还涉及 通信原理和集成电路设计等技术，是一项多学科融合的新兴应用技术【l 】。近年来， 随着在物流、制造、公共信息服务等行业的广泛应用，r f i d 技术的产业化在稳步 发展，在行业中的应用也在日益广泛和深入。同时，r f i d 开始与通信技术以及互 联网技术融合，朝着构建一个实现全球物品、人员信息实时共享的“物联网 目 标迈进。，。 r f i d 技术有多种不同的分类方法，主要分为以下两类： 按电子标签的供电方式可以分为无源和有源两类【2 】：( 1 ) 无源标签中不含有电 池，工作时从读写器发送的电磁波中获得能量，因此无源标签一般距读写器天线 的识读距离比同频段的有源标签要近一些，无源标签的使用寿命长；( 2 ) 有源标 签中含有电池，有源标签距读写器的天线距离较无源标签要远，但有源标签需要 定期更换电池。 按标签的工作频率可分为低频、高频、超高频和微波标签四种类型，如表1 1 所示： 表1 1 标签按工作频率的分类 频段名称频率范围说明 低频 3 0 “3 0 0 k h z 常用频率为1 2 5 k h z 和1 3 5 k h z ，主要用于门禁管理和动物追踪等。 常用频率为1 3 5 6 m h z a ：7 k h z ，主要用于智能卡、单品级物品追踪 高频 3 3 0 z 和图书管理等。 常用频率为4 3 3 m h z 和8 6 6 - , 9 6 0 m h z ，主要用于托盘级追踪、单 超高频 3 0 0 m 时z 之g i - l z 品级物品追踪和集装箱运输等。 常用频率为2 4 5 g h z 和5 8 g l - l z ，主要用于不停车收费、人员定 微波大于2 g h z 位管理和行李处理等。 由于r f i d 电子标签具有体积小、寿命长、使用方便等特点，在交通运输控制 2基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 管理、工业自动化和商业自动化等领域得到了广泛应用【3 l 。由于近期物联网的发展， r f i d 更突显了它的作用和优势。因此r f i d 技术标准得到了国际社会的高度重视， 我国也提出了具有自主知识产权的u h fr f i d 标准。 本论文的研究内容是基于u i - 1 fr f i d 自主标准的标签数字基带的设计与实现。 1 2 国内外发展现状 1 2 1r f i d 技术在国外的发展 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 域走在了世界的前列。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【4 】。 r f i d 产品全球销售额在迅猛增长，r f i d 供应商开始开发及推出可满足未来 更复杂应用需求的产品，从2 0 0 9 年6 月到2 0 1 1 年1 1 月1 8 个月的时间里，几乎所 有的主要r f i d 芯片供应商如a l i e n 、恩智浦、i m p i n j 等，都推出了新一代产品。 虽然他们推出的每一款芯片都有着不同的工作频率或针对不同的市场，但整体而 言，新推出的芯片都添加了新功能，并解决了许多该产业过去所面临的问题，如： 加强安全性；信息共享和控制、扩大内存、可编程触发器或警告器；整合及其他 技术的支持和解决方案。 领先的u h f 超高频识别技术供应商i m p i n j 公司，在2 0 1 1 年1 1 月2 2 日宣布 推出2 项关键产品m o m 5 标签芯片和s t p 源标签平台，以实现在零售和供应 链市场上的单品级r f i d 应用。 近期的种种市场迹象显示，r f i d 正在迈进下一个技术演进阶段。多种以r f i d 技术为核心的应用，如供应链管理、库存控制、票务、身份证和电子商务等，都 在经历前所未有的高速增长。 1 2 2r f i d 技术在国内的发展 近几年来，随着我国政府和相关企业对r f i d 技术发展和应用重视程度的提 升，我国在r f i d 芯片的研发制造及测试技术等方面都取得了一定的成果，拥有了 一批芯片设计与封装技术。目前，我国r f i d 技术的自主创新也在如火如荼地进行 着。国内主要的芯片设计公司有中电华大、大唐、清华同方、复旦微电子、华宏 和贝岭等，这些公司的产品在身份证、铁路、城市交通、危险物品管理、网吧等 方面得到了大量的应用。例如2 0 1 0 年上海世博会门票采用r f i d 技术，成都利用 r f i d 技术2 4 小时监控1 3 4 0 余枚放射源等。 但是，目前在无源r f i d 标签技术上还存在着系统集成稳定性差、超高频标签 第一章引言 3 性能本身有一些物理缺陷等许多技术方面不完善的问题。 随着r f i d 技术的迅猛发展，“技术专利化、专利标准化、标准国际化”已经 是市场竞争的重要特征，发达国家往往通过控制国际标准的制定来抢占发展的制 高点；跨国公司则通过技术专利演变成事实标准，来保持竞争优势地位，并获取 高额、稳定的收益。因此我国也加快步伐，从前向数据编码、防碰撞算法、安全 机制等方面提出新的标准，来制定自己的u h fr f i d 标准。 1 3 论文研究工作及成果 本论文对自主标准进行了解析，详细阐述了前、后向链路编码方式，调制方 式，数据速率，读写器与标签之间的安全鉴别等，并重点分析了链接时限和b l f 频率范围的要求；然后完成了从系统结构划分、r t lc o d i n g 、d c 综合到芯片版图 的实现；最后采用t s m co 1 8 1 t m 的低功耗工艺流片。测试结果显示芯片功能和各 项指标达到预期要求。本文的主要研究成果有： ： 1 对新提出的自主标准进行了解析，一是新标准前向链路采用t p p 编码，二 是新标准提出了读写器和标签的安全认证机制，防止非法的标签和非法的读写器 侵入通信系统，提高了r f i d 通信的安全性； “ 2 提出了一种新的时钟架构，即( 1 ) 系统主时钟采用b l f ；( 2 ) 命令解析过 程中相关模块的工作时钟只采用t p pc l k ； 3 论文中采用的分频方法降低了对模拟前端时钟精度的要求，并能满足标准规 定的频率偏差范围的要求； 4 基于新的时钟架构完成了数字基带的设计，并与采用d o u b blf(2b l f ) 作为系统主时钟的设计相比，数字基带功耗和面积都有2 0 左右的减少。 1 4 论文内容及组织结构 本文以自主标准的设计与实现为目标，共分五个部分进行了阐述，论文具体 组织结构如下： 第一章，引言，包括r f i d 技术的研究背景、在国内外的发展现状、论文的研 究工作、研究成果及内容安排等。 第二章，中国自主标准解析，详细阐述了自主标准前、后向链路采用的信号 调制方式、数据编码方式、数据速率、协议支持的命令集及读写器和标签之间的 安全鉴别机制。 第三章，标签的数字基带设计，介绍了数字基带的系统架构划分、新的时钟 架构、并对每个模块的功能及基于新时钟架构的设计方法进行了详细说明，同时 4基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 介绍了满足b l f 频差要求的分频方法，对前端设计中用到的低功耗技术进行了总 结，最后介绍了设计的仿真和验证。 第四章，数字基带的逻辑综合与物理实现，介绍了数字基带的逻辑综合、静 态时序分析，然后通过与d o u bb l f 作为系统主时钟的版本对比，对功耗进行了 分析；最后完介绍了芯片的物理设计和测试。 第五章，总结与展望，对本文工作做了总结，并指出了设计中存在的不足及 对后续工作的展望。 第二章中国自主标准解析 2 1r f i d 通信系统的组成 典型r f i d 系统包括射频标签、读写器终端、计算机通信网络【5 1 ，如图2 1 所 示。下面简单介绍一下这几个组成部分： 数攥蹲电脑 r f i d 阅读瓣 数攒 能饿 图2 1 典型的r f i d 系统 1 射频标签：标签的组成主要包括天线、模拟前端和数字基带三部分。其中天 线的作用一是收集读写器发出的无线电磁波，二是反向散射标签的返回数据：模 拟前端的作用包括电源控制、调制解调，产生数字基带使用的时钟，给整个芯片 的工作提供能量：数字基带完成的功能则包括对协议层的实现，主要包括解码、 命令解析、状态机跳转及反向返回数据。 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，同时通过天线接收从标签返回的载有信息的射频调制信号，经处理后传送 给计算机系统。一个典型的读写器终端主要由射频模块和数字信号处理单元两部 分组成1 6 j 。 3 计算机通信网络：计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输 功能，读写器可以通过标准接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传 输功能。 无源u h fr f i d 系统的通信是半双工的n 同时只有一方发送数据，也就说在 读写器发送数据的时候，标签只能接收，不能反向返回数据，在标签反向返回数 据的时候，读写器只能接收接收，不能发送命令。在整个通信过程中，读写器是 会话的发起者。读写器到标签之间的通信，称为下行链路，记为r = t ( r e a d e rt o t a g ) ；标签到读写器之间的通信，称为上行链路，记为t = r ( t a gt or e a d e r ) 。 6 基于b l f 的u i - fr f i d 自主标准标签芯片的设计 2 2 1 槲通信链路 2 2 自主标准解析 1 r _ - t 通信链路的调制方式和编码方式 读写器到标签的通信采用的数据编码方式是t p p ( t r u n c a t e dp u l s ep o s i t i o n e n c o d i n g , 截断式脉冲位置编码) 编码，编码规则如图2 2 所示。读写器支持 d s b a s k ( d o u b l es i d eb a n d a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，双边带振幅键控) 或s s b - a s k ( s i n g l es i d eb a n d a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，单边带振幅键控) 的调制方式i 引，标签 应能解调这两种调制方式。 符号0 0 符号0 l k j 显一 ip w 勰n 广口 符号1 0 图2 2t p p 编码符号 t p p 编码方式的特点是( 1 ) 每个编码符号代表两比特数据，如图2 2 所示， 数据0 0 的持续时间为2 t c ，数据0 l 的持续时间为3 t c ，数据l l 的持续时间为4 t c ， 数据l o 的持续时间为5 t c ；( 2 ) 如图2 2 所示，各个编码符号的低电平长度是一 样的，都为p w ( p u l s ew i d t h ) ，其差别只是高电平持续时间。 图2 2 中t c 的取值为6 2 5 0 s 或1 2 5 1 a s ，在一个盘存周期中，读写器应使用固 定的t c 值。 2 r - - t 通信的前导码 读写器到标签通信的前导码如图2 3 所示： p 冒陌 l i 分隔符 一 校准符一 一 校准符二 一 图2 3 槲通信的前导码 前导码由分隔符、校准符一和校准符二三部分组成，其中分隔符的长度是固 嘲刈崩刈 司 第二章中国自主标准解析 7 定的，为1 2 5 1 a s ，允许其偏差为4 - 5 ，校准符一和校准符二的长度允许偏差为士1 。 2 2 2t i r 通信链路 1 t - r 通信链路的编码方式及调制方式 标签到读写器的编码方式有两种，f m 0 编码和m i l l e r 编码。标签反向散射采 用a s k ( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ，振幅键控) 和( 或) p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ， 相位键控) 调制，读写器应能解调上述两种调制方式。 ( 1 ) f m o 编码 f m 0 编码方式如图2 4 所示，图2 4 给出了f m 0 编码的基本功能和状态图。 f m 0 在每个数据的边界进行相位翻转，数据o 有一个附加的中间符号相位翻转。 图2 4 中的状态图描绘了所发送的f m 0 基本功能的逻辑序列。s 1 s 4 状态标记代表 四种可能的f m 0 编码符号。状态图表示键入状态后所传输的f m 0 波形。状态图中 箭头上标识的数据表明正在编码的数据序列。例如，从状态s 2 到s 3 以及从状态 s 2 到s 4 是不允许的，因为在两个数据的边界上没有相位的翻转。 幅度 l o 1 l s 2 ( t ) t u 而 幅度 l 0 l s 1 ( t ) i t 一 时随 g r t 、= r r t 、 a ) b ) s l ( t ) 一符号1 的函数： s l 函数s 。( t ) 对应的编码状态； s 2 ( t 卜一符号0 的函数； s 广函数s 2 ( t ) 对应的编码状态； s 3 ( t 卜龟( t ) 取反t s j 函数s 3 ( t ) 对应的编码状态； s 4 ( t 卜_ s l ( t ) 取反；s 函数s 4 ( t ) 对应的编码状态 卜符号0 或符号l 的周期； 注：c ) 中的0 代表符号0 ，l 代表符号l 。 图2 4f m 0 基本函数及状态迁移图 图2 5 给出了f m 0 编码的基本符号及八种f m 0 序列，f m 0 序列0 或1 占空比 的标称值为5 0 ，最小值为4 5 ，最大值为5 5 。 日：臼广 - h 曩) f m o 符号 l l i 一 l i 一 图2 5f m 0 编码符号及序列 厂广 一j 一 厂 _ j - 7 8 基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 不： f m 0 编码序列应以一个“d u m m y l 为结束位，“d u m m y l ”的格式如图2 6 所 a w 图2 6f m 0 编码的结束位“d u m m y l ” ( 2 ) f m o 编码方式的前导码 t = i r 通信过程中，f m o 编码方式有两种前导码。如图2 7 所示，图a 是不带 1 2 个前导0 的码形，图b 是带1 2 个前导0 的码形，前导码的选择取决于开启盘存 周期的q u e r y 命令中的t r e x t 参数。当t r e x t = 0 时，选择不带前导0 的前导码； 当t r e x t = 1 时，选择带前导o 的前导码。但是当读写器发送的命令是与写存储器 相关的命令，并且写操作成功时，不管t r e x t 为0 还是为1 ，都会选择带前导0 的 前导码。图2 7 中的v 代表的是编码过程中的违例( v i o l a t i o n ) ，也就是连续的两个 数据之间没有相位的翻转。 b ) f m o 前导码( t r 。，f l b ) v 一不符合f m o 编码规则的符号 图2 7 f m 0 的两种前导码 ( 3 ) m i l l e r 编码 m i l l e r 编码的编码方式如图2 8 所示，图2 8 显示了m i l l e r 编码的基本功能和 状态图。m i l l e r 编码是在两个连续的0 边界翻转相位，在数据1 的中间附加一个相 位翻转。图2 8 的状态图描述了逻辑数据序列的m i l l e r 编码方式。状态标志s l ， s 2 ，s 3 ，s 4 ，表明了四个可能的m i l l e r 编码形式。发送的波形是基带波形与符号 波形的m 倍相乘。状态图中箭头上的标识表明了要编码的数据。例如，从状态s 1 到s 3 是不允许的，因为数据0 和数据1 之间的编码是不允许有相位翻转的。 第二章中国自主标准解析 9 幅度 l o i 行亏o s i ( t ) il t 时阃 l 仃了i s 2 ( t ) t u 赤 s 4 ( t ) ；- s i ( t )删= - a t ) a )b ) c ) s 1 ( t 卜符号l 的函数；s l 函数8 l ( t ) 对应的编码状态； s z ( t 卜符号0 的函数；s 厂函数s 2 ( t ) 对应的编码状态； s 3 ( 矿( t ) 取反；s 广函数s 3 ( t ) 对应的编码状态； 蹦妒1 l ( t ) 取反；s _ 函数s 4 ( t ) 对应的编码状态。 t 一符号0 或符号i 的周期： 注：c ) 中的0 代表符号0 ，l 代表符号1 图2 8m i l l e r 编码基本函数和状态图 反向链路采用m i l l e r 编码时，应使用副载波，可以选用副载波系数m 为2 、4 或者8 ，具体由启动盘存周期的q u e r y 命令中的编码选择数据域决定。图2 9 给出 了不同副载波系数时的m i l l e r 副载波序列。符号0 或者符号1 的占空比标称值为 5 0 ，最小值为4 5 ，最大值为5 5 。 m = 20 0 0 厂1ni 几广1 几l 0 0 1r 几i 几厂1 广 l 0 1 0 r 几几厂1n o l in 几n 厂1 广 1 1 0 0n几几厂n 几 1 0 1nr 1 门r 1 广 l i l on 门厂 n 几 1 1 in门广 n r 1 a ) m = 4o o o l 0 1 0 o l l i l o i l i o i l l c ) 图2 9m i l l e r 编码序列 m i l l e r 编码序列应以一个“d u m m y l 为结束位，“d u m m y l 的格式如图2 1 0 所示： 1 0基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 c j 图2 1 0m i l l e r 编码的结束位“d u m m y l ” ( 4 ) m i l l e r 编码的前导码 t _ - r 的m i l l e r 编码通信会以前导码开始，前导码有两种，一种不带1 2 个前 导0 ，一种带1 2 个前导0 ，带1 2 个前导o 的称为扩展的前导码，如图2 1 1 所示。 前导码的选择取决于开启盘存周期的q u e r y 命令中t r e x t 参数。当t r e x t 为0 时， 选择不带前导o 的前导码；当t r e x t 为l ，则选择扩展的前导码。但是当读写器发 送的命令是与写存储器相关的命令，并且写操作成功时，则不管t r e x t 的值是0 还是l ，都会选择扩展的前导码。 i ) m i l l e r 副载波前导码( t i ；t h = 6 0 ) ”m i l l e r 副载波前导码( t r 。，k ) 图2 11m i l l e r 编码的两种前导码 第二章中国自主标准解析 2 t r 通信链路速率 标签到读写器之间的通信称为反向链路通信。反向链路速率由t c 和启动盘存 周期的q u e r y 命令的反向链路基本时钟周期参数决定，具体见表2 1 。 表2 1 反向链路速率 t c 反向链路频率( b l f )频率允差( f d 反向链路基准时钟周期数据域 p s k h z 0 0 b 6 4 02 0 2 0 6 2 5 0 1 b 3 2 02 0 2 0 l o b 1 6 0 1 5 1 5 o o b 3 2 0- 2 0 2 0 1 2 5 0 1 b 1 6 01 5 1 5 1 0 b 8 01 0 1 0 2 23r f i d 系统通信链路时序限制 读写器和标签之间的通信链路时序如图2 1 2 所示： 读写器 标签 图2 1 2r f i d 系统链接时序 具体链接时序参数如表2 2 所示： 表2 2r f i d 系统链接时序参数 最小值一般值最大值 符号描述 邮p sp s 从读写器发送命令结束到标签发送响 t l1 0 ( 1 - j 剐心1 0 1 0 1 蠢( 1 叫f t l 心 应数据包的时间 从标签发送响应数据包结束到读写器 t 2 3 2 0 发送下一条命令的时间 t l 后，读写器继续检测标签响应数据 t 3 o 包的时间 t 4读写器两个命令之间的间隔时间3 t c 表中符号和参数的要求如下： ( 1 ) t p r i 是反向链路数据时钟的周期； 1 2 基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 ( 2 ) 当读写器对标签进行写操作时，读写器持续发送射频载波，如果超过2 0 m s 仍未接收到标签的响应数据包，则认为写操作失败； ( 3 ) t 2 的最大值仅用于处于应答状态的标签，如果t 2 达到其最大值时，还 未接收到读写器的命令，标签会进入仲裁状态； ( 4 ) t 4 应该不小于t l + t 3 。 2 2 4 自主标准支持的命令集 自主标准中包含分类命令、盘存命令、安全鉴别命令和访问命令等四类命令。 1 分类命令 读写器通过发送该类命令选择一部分标签进行盘存或访问。该类命令包括一 个命令s o r t 。 2 盘存命令 读写器通过发送该类命令对特定的标签进行盘存。读写器发送开启盘存周期 的q u e r y 命令，一个或多个标签将会响应。读写器检测到单一的标签响应时，通 过发送a c k 命令获得标签的信息。该类命令包括盘存周期开启命令q u e r y ，时隙 值调整命令q u e r y r e p 、d i v i d e 、d i s p e r s e 、s h r i n k 和标签信息获取命令a c k 。 3 安全鉴别命令 当标签被识别以后，读写器根据标签的返回的安全模式参数确定该标签是否 需要鉴别。如果需要鉴别，则必须先完成读写器对标签的鉴别或标签对读写器的 鉴别或双向鉴别；如果不需要鉴别，则读写器可以对标签进行访问。该类命令包 含鉴别相关命令g e t s e c p a r a 、r e q _ s a u t h 、s a u t h 、g e t s a u t h 、m u l s a u t h 。 4 访问命令 通过安全鉴别的标签或不需要进行安全鉴别的标签进入开放状态后，如果要 访问区域的口令为0 ，则读写器可以对标签进行读写、擦除等操作，如果要访问区 域的口令不为0 ，或者读写器要对标签进行锁定或灭活操作，则需要先发送a c c e e s s 命令开启访问权限，标签进入安全状态，读写器才可以对标签进行后续访问。该 类命令包含句柄更新命令r e f r e s h _ r n ，随机数获取命令g e t _ r n ，访问命令a c c e s s 、 读取命令r e a d 、写入命令w r i t e 、擦除命令e r e a s e 、锁定命令l o c k 、灭活命令k i l l 。 2 2 5 自主标准的安全性 在i s o i e c1 8 0 0 0 6 c 协议中存在着若干安全问题 9 1 ，读写器与标签之间传送 数据时，其数据通信链路是无线通信链路，无线信号本身是开放的，从标签中读 取的信息以明文方式发送，会轻易地向周围的攻击者泄露标签中保存的信息。读 第二章中国自主标准解析 1 3 写器在对标签进行写操作时会使用一个1 6 b i t 的随机数与待写入的数据进行异或后 传送，这样虽然避免了明文传输，但是攻击者可以很容易地截获用于异或操作的 1 6 b i t 的随机数，从而分析出要写入标签的信息，甚至冒充合法读写器对标签的数 据任意篡改。 针对以上问题，在新提出的自主标准中，采用了读写器与标签相互认证机制 及对称加密算法。根据通信双方的密级，分为读写器对标签的单向鉴别，标签对 读写器的单向鉴别及读写器和标签的相互鉴别1 0 1 。 1 读写器对标签的单向鉴别流程 ( 1 ) 读写器发送安全参数获取命令； ( 2 ) 标签返回安全参数； ( 3 ) 读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生成鉴别密钥a k ，生成随机 数r n r ，发送单向加密鉴别命令g e t _ s a u t h ( r n r ) ； ( 4 ) 标签生成会话密钥s k ，用a k 加密r n r i i s k 得到e a k ( r n , i i s k ) 发送给读 写器，标签跳转到开放状态； ( 5 ) 读写器用a k 解密e a k ( r n ，l l s k ) 得到r n r i i s k ，比较r n ：和r n r ，如果 相等，则读写器认为标签通过鉴别，且会话密钥为s k ，如果不相等，则读写器认 为标签未通过鉴别。 2 标签对读写器的单向鉴别流程 ( 1 ) 读写器发送安全参数获取命令； ( 2 ) 标签发送安全参数； ( 3 ) 读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生成鉴别密钥a k ，发送请求 加密鉴别命令r e qs a u l ： ( 4 ) 标签生成随机数r n t 发送给读写器； ( 5 ) 读写器生成会话密钥s k ，用a k 加密r n , i i s k ，发送加密鉴别命令 s a u t h ( e ( r n t l l s k ) ) ； ( 6 ) 标签用a k 解密e a k ( r n t i i s k ) 得到r n , i i s k ，比较r n t 和r n t ，如果相 等，则标签认为读写器通过鉴别，且会话密钥为s k ，发送相应数据包，标签跳转 到开放状态，如果不相等，则标签认为读写器为通过鉴别，发送相应数据包，跳 转到仲裁状态。 3 读写器和标签之间的双向鉴别流程 ( 1 ) 读写器发送安全参数获取命令； ( 2 ) 标签返回安全参数； ( 3 ) 读写器用根密钥r k 和实体对象唯一标识生成鉴别密钥a k ，发送请求 加密鉴别命令r e qs a u t l l ； ( 4 ) 标签生成随机数r n t 发送给读写器； 1 4基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 ( 5 ) 读写器生成随机数r n r 和会话密钥s k ，用a k 加密r n ，i i r n t i i s k 得到 e a k ( r n ，i i r n , i i s k ) ，发送双向加密鉴别命令m u i _ s a u t h ( r n ，i l r n t i i s k ) ； ( 6 ) 标签用a k 解密e a k ( r n d l r n t l i s k ) 得到r n r i i r n , i i s k ，比较r n t 和r n t ， 如果相等，则标签认为读写器通过鉴别，将r n 发送给读写器，跳转到开放状态， 且会话密钥为s k ，如果不相等，则标签认为读写器未通过鉴别，发送相应数据报， 跳转到仲裁状态。 ( 7 ) 读写器比较r n r 和r n r ，如果相等，则读写器认为标签通过鉴别，且会 话密钥为s k ，如果不相等，则读写器认为标签未通过鉴别。 2 3 小结 本章对新的自主标准进行了解析。首先介绍了r f i d 通信系统的基本组成，接 着详细分析了标准中规定的上行、下行链路通信规范，主要包括信号调制方式、 数据编码方式和数据速率，然后介绍了整个通信过程的链接时限，并对自主标准 所支持的命令集进行了介绍，最后介绍了自主标准的安全鉴别机制。本章对自主 标准的深入解析为后续芯片的设计奠定了基础。 第三章标签的数字基带设计 1 5 第三章标签的数字基带设计 3 1 数字基带的架构 数字基带的前端设计工作主要包括系统架构划分、r t l 代码编写、功能仿真 等。 数字基带按功能划分为i n i t ( i n i t i a t i o n ，初始化) 模块，d i v ( d i v i d e ，分频) 模块，d e c o d e r ( 解码) 模块，c m dp a r s e ( c o m m a n dp a r s e ，命令解析) 模 块，s c u ( s t a t ec o n t r o lu n i t ，状态控制) 模块，o c u ( o u t p u tc o n t r o lu n i t ，输出 控制) 模块，r n g ( r a n d o m n u m b e rg e n e r a t i o n ，随机数产生) 模块，p m u ( p o w e r m a n a g e m e n tu n i t ，功耗管理) 模块，i e ( i n t e r f a c em o d u l eo f e e p r o m ，存储器接 口) 模块。数字基带的架构如图3 1 所示： 图3 1 数字基带架构 数字基带的工作流程： ( 1 ) 标签芯片上电后首先通过p m u 模块开启i n i t 模块，标签完成初始化操 作，之后i n i t 模块被关断，d e c o d e r 模块开启，准备接收命令。 ( 2 ) 读写器发送命令，标签接收到命令后首先经过解调得到数字信号d i n 。 d i n 进入数字基带，经过解码和命令解析得到该命令的命令头及其参数，并对带有 c r c 的命令进行c r c 校验。然后s c u 模块被激活，根据该命令及其参数，标签 进行状态跳转，并确定是否要返回给读写器数据以及要返回的数据类型。 1 6 基于b l f 的u h fr f i d 自主标准标签芯片的设计 如果读写器发送的是s o r t 命令，并且该命令的长度参数不为0 ，则在命令解析 过程中，需要对存储器进行读操作，正模块开启，读取操作完成后会被关断。 如果读写器发送的是盘存命令，如q u e r y ，标签在完成状态的跳转后，会返回 句柄，o c u 模块的时钟使能信号会被开启，完成数据的反向散射。盘存命令返回 的句柄会作为读写器和标签后续通信的握手信号，读写器发送对标签的访问命令 时会携带该句柄参数，标签收到后进行句柄的匹配。如果匹配成功，则允许读写 器对标签进行访问；如果匹配不成功，则读写器不能访问标签。 ( 3 ) 标签的返回在o c u 模块经过编码后反向散射给读写器，进而开启 d e c o d e r 模块的时钟使