（电工理论与新技术专业论文）uhf频段射频识别系统读写器仿真与信号测量.pdf

硕。卜学位论文 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i n c a t i o n ( r f i d ) t 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 c i d e n t i 6 c a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi t ，t h e r e a r em o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n so fi ti na l ls p h e r e so fs o c i e t y ，w h i c hh a sb r o u g h th u g ee c o n o m i cb e n e f i t s f o rs o c i e t y a tt h es a m et i m e ，i tf a c e sw i t hv a r i o u sd i m c u l t i e sa n dc h a l l e n g e s ，s u c ha s t h ed i s u n i t yo ft h es t a n d a r d ，t h ed i f f e r e n c e so ft h eu s e so ft h ef r e q u e n c i e so fg l o b a l u l t r a h i g hf r e q u e n c y ( u h f ) a n ds oo n i nc h i n a ，t h ec o r r e l a t e df 0 r m a ls t a n d a r de v e n h a sn o tb e e nw o r ko u t ，u h f - b a n ds p e c t r u ma l l o c a t i o ns c h e m eh a sn o ty e tf o r m a l l y a n n o u n c e d ，o n l yt h er e l a t e dt e s t i n gi sp o s i t i v e l yc o n d u c t i n g ；i na d d i t i o nt ot h a t ， c h i n a sr f i d p r o d u c t s h a v en o tb e e n o f n c i a h y s e t u pt h i r d - p a r t yt e s t i n g o r g a n i z a t i o n ss oa st ot e s tt h ep r o d u c t s i no r d e rt of a c i l i t a t et h ee a r l yi n t r o d u c t i o no f c h i n a ss t a n d a r d sa n de a r l yp u b l i c a t i o no ft h ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n ，w eh a v ean e e d f b rr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o np r o d u c t sa n dr e a s o n a b l es c i e n t i f i ct e s ta n d m e a s u r e m e n t ，i no r d e rt ou 唱et h ef a s t e ra n db e t t e rd e v e l o p m e n to fr a d i of r e q u e n c y i d e n t i n c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea b o v ec i r c u m s t a n c e s ，t h i st h e s i ss t u d i e st h er e a d e r sf o ru l t r a - h i g h f t e q u e n c yr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，t h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o nf o rr e a d e rt o915 m h z t h e r ea r et w ot y p e sf o rr e a d e rt o915 m h z ：t y p ea a n dt y p eb i nt h i st h e s i s ，t w ot y p e so fr e a d e rt o9l5 m h zw e r ec a r r i e do u tb o t hi n t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i ns i m u l a t i o n t i m e d o m a i ns i m u l a t i o nh a sd r a w n t h ed a t as t r e a m so ft h er e a d e rw h i c hi sa c c o r d e dw i t ht h et h e o r e t i c a ld e s i g na n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ea g r e e m e n t ；f r e q u e n c yd o m a i ns i m u l a t i o nc a ne l i c i tt h e o u t p u tp o w e r ，m o d u l a t i o ne f n c i e n c ya n dr e a d e ro u t p u ts i g n a ls p e c t r u m ， a n dl a t e r c o n d u c tt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o r t h ef r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m s e c o n d l y ，t h et h e s i sd o e ss o m ea n a l y s i sf o rt h ee x i s t e n c eo ft i m e v a r i n gs i g n a lo f t h er e a d e r i nw h i c ht h ef r e q u e n c yh o p p i n gs i g n a lh a sb e e ns e l e c t e dt ob em e a s u r e d a n ds i m w e d f i r s t ， t h ew r i t e ro ft h et h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t i m e v a r i n gs i g n a l ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ef i r e q u e n c y h o p p i n gs i g n a l ， s ot h ew r i t e rh a ss e t u p am a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h e f r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t h a l l ，i nv i e wo ft h i st i m e v a r i n gs i g n a l ， t i m e f r e q u e n c yj o i n ta n a l y s i sh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n daf u n c t i o no ft i m e f r e q u e n c y j o i n ta n a l y s i sh a sb e e ne s t a b l i s h e d ， i na d d i t i o n ，t h r e ec o m m o nm e t h o d o l o g i e so f t i m e - f r e q u e n c yj o i n ta n a l y s i sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，w h a ta r e ：t i m e f r e q u e n c yj o i n t a n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r ma n dw i g n e r - v i l l et r a n s f o r m ，t h ew r i t e r a l s op r o v i d e s i i i u l i f 频段射频识别系统读写器仿真与信号测量 s o m ec o m p a r a t i v ee x p l a n a t i o na b o u tt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h ea b o v et h r e e l a s t l y ，a ns t r a n s f o r mo ft h ef r e q u e n c y h o p p i n gs i g n a ls i m u l a t i o n a n dp a r a m e t e re s t i m a t i o na n a l y s i sm e t h o d sh a sb e e np u tf o r w a r d ，w h i c hc a ni d e n t i f y t h ef r e q u e n c y - h o p p i n gs i g n a lv e r yw e l la n dp r o v i d eav e r yg o o dc o n d i t i o nt oe x t r a c t t h ep a r a m e t e r so ff r e q u e n cy h o p p i n gs i g n a l s k e y 、o r d s ：r f i d ；r e a d e r ；f r e q u e n c yh o p p i n gs i g n a l ；t i m e f r e q u e n c yj o i n ta n a l y s i s ； s t r a n s f o r m i v 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：耋碜 嗍渺7 年r 月矽日 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密画。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 髟 月月 f 卜 年年 7 7 9 口沙伽期期 硕j 二学位论文 第1 章绪论 1 1 射频识别的发展与特点 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 6 c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是一种非接触 式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标并获取相关数据。 r f i d 在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间( 约1 9 4 0 年代) ， 其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与我方飞机。我方的飞机上装载有高耗电量 的主动式标答( a c t i v et a g ) ，当雷达发出询问的讯号，这些标答就会发出适当的响 应，藉以识别出自己是友军或是敌军。此系统称为i f f ( i d e n t i f y ：f r i e n do rf o e ) 。 目前世界上的飞安管制系统仍是以此为概念。到了l 9 7 0 年代末期，美国政府透过 l o sa l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民间。r f i d 技术最先在商业上的应用 是在牲畜身上。到了l9 8 0 年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产r f i d 标签。 今日来讲，r f i d 技术已经被广泛应用于各个领域，从门禁管制、牲畜管理，到 物流管理，皆可以见到其踪迹。 r f i d 易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性的应用技术， 识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无 需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘 污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射 频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其 所具备的独特优越性是其它识别技术无法比拟的。射频识别系统的优越性主要表 现于以下几个方面： 读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识 别距离更长，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到3 0 米以上： 识别速度快：标签一进入磁场，阅读器就可以即时读取其中的信息，而且能 够同时处理多个标签，实现批量识别； 数据容量大：数据容量最大的二维条形码( p d f 4 17 ) ，最多也只能存储2 7 2 5 个数字，r f i d 标签则可以根据用户的需要扩充到数十k ； 使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污 等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形 码： 标签数据可动态更改：利用编程器可以向电子标签里写入数据，从而赋予 r f i d 标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间比打印条形码时间更短： ：罂暨2 翌墨型至彗堡l 翌竺苎：篁：苎墨 更好的安全性：r f i d 电子标签爿i 仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品 上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性： 动态实时通信：标签以每秒5 0 1 0 0 次的频率与阅读器进行通信所以只要 r f i d 标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行 动态的追踪和监控。 据s a n f o r dcb e r n s t e i n 公司的零售业分析师估计，通过采用r f i d ，沃尔玛 每年可以节省8 35 亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省 的劳动力成年。尽管另外一些分析师认为8 0 亿美元这个数字过于乐观，但毫无疑 问，r f i d 有助于解决零售业两个擐大的难题：商品断货和损耗( 因盗窃和供应链 被搅乱而损失的产品) ，而现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有2 0 亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在英国1 0 0 0 家虽大 企业的排行榜中名列第6 9 4 位。研究机构估计，这种r f i d 技术能够帮助把失窃 和存货水平降低2 5 ”。 1 2 射频识别系统简介 射频识别系统通常山读写嚣、天线和标签三个部分组成。 ( 1 ) 读写器( r e a d c r ) ：读取或写入标箍信息的设备，可设计为手持式或固定式 圜i 盈 手持式读写嚣 固定式读写墨 围读写器 ( 2 ) 大线( a r l t e n n a ) ：在标箍和读q 器l l j 传递射频信号。 图i2 天线 九甚雨慢 鞘m 嚣一 碰l 学位论文 ( 3 ) 标签( t 8 9 ) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附 着在物体上标识目标对象：电子编码是在制作芯片时放在r o m 中的，无法修改。 用户数据区( d a t a ) 是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作”。 国匿 | f i d 自 # 图l3 电子标签 r f i d 系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子枷；签中 保存有约定格式的电子数据。读写器可无接触地读取并识别电子标箍中所保存的 电子数据，从而达到自动识别物体的目的。读写器通过天线发送出一定频率的射 频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息， 被读写器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。相对应的工作流程如图1 4 所示： _ 1 读写置采集信息井解码 计算机系统靛霎薯踏信息壤据选至计茸机主 图】4 射频识别系统基本工作示意图 r f i d 应用系统的发展趋势：向高频化发展，高频具有识别距离远、无法伪 造、可重复读写、体积小巧等优点；双频系统兼有低频和高频的共同优点，也将 得到更广泛的应刷：系统向网络化发展，系统对不同厂家的设备提出了兼容性的 要求，r f i d 大量数据处理要求。 13 本论文来源及研究意义 目前，rf 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 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 u h f 频段射频识别系统读写器仿真 了信n 测量 泛认同。r f i d 系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。 目前已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关的，其中包括电子 标签与读写器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、r f i d 标 签与读写器的性能和一致性测试规范、以及r f i d 标签的数据内容编码标准等。 后台数据库网络应用系统目前并没有形成正式的国际标准，只有少数产业联盟制 定了一些规范，现阶段还在不断演变中。 r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标准这一领域。目前， 形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。e p cg l o b a l 是由北美u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合成立，在全球拥 有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司的支 持。而a i m 、i s o 、u i d 则代表了欧美国家和日本；i p x 的成员则以非洲、大洋 洲、亚洲等国家为主。比较而言，e p cg l o b a l 由于综合了美国和欧洲厂商，实力 相对占上风们。 e p c g l o b a l 开展的认证测试包括一致性测试、通用性测试以及性能测试三个阶 段。一致性测试是为了测试设备如标签、读写器和打印机是否符合e p c g l o b a l 的标 准，这样终端用户可以购买到经过认证的产品；对于通用性测试是为了测试某种 设备与其它设备的兼容性操作；对于性能测试是为了测试在某个具体环境中真实 条件下带标签的贸易单元的识读水平，以保证供应链所有环节识读的准确率。 r f i d 电子标签的单项技术已经趋于成熟，但不管在物流业还是制造业的实际 应用中还存在大量的技术难题。如：多个物品堆积时由于相互干扰而造成识别率 降低所带来的防碰撞问题；多个阅读器多通道同时读取时物品群的去重问题；由 于电子标签所附物品的介质不同对无线信息的干扰造成的性能下降；r f i d 在安全 架构方面的问题( 如防止标签的复制问题、标签自销毁问题) 等。 解决这些问题的关键，已经不在于单项技术的突破，而更需要r f i d 系统技术 间的协调和组织。因此我们迫切需要研究开发一套先进的、能体现典型场景的技 术测试平台和完整的示范应用框架，为科技人员的技术开发和产品验证服务，进 一步还可以对国家标准提供可靠的验证平台哺1 。 一套完整的r f i d 测试平台应该主要针对物流和制造业过程中的典型实际业 务场景，建设包括r f i d 前端数据采集、后台数据传输和处理的测试系统，并对 r f i d 技术和产品与应用的结合进行综合测评，分析测试r f i d 在实际应用中出现 的主要问题和影响因素，进而提出合理的解决方案，为实验室技术开发指出方向， 为大规模推广应用提供技术参考。 测试平台的主要研究内容包括标签读写器性能研究和复杂场景下性能研究两 部分，分别对单件产品和整套系统进行评测。其中r f i d 标签和读写器的性能研究 也可以称为单通道r f i d 性能研究，主要在于测试不同介质、不同材料、不同磁场、 4 硕十学位论文 不同速度、不同距离条件下的读写器与电子标签之间的性能；复杂场景下的性能 研究也可以称做多通道r f i d 性能研究，设计一些典型应用场景，如超市、高速公 路收费场景，又如汽车制造业流程场景，通过r f i d 系统在场景下的测试结果研究 多个r f i d 通道之间的空间分布及互相影响，并通过多点r f i d 系统验证研究点到 点之间r f i d 信息传输的准确性、效率和可靠性。通过测试平台的这些研究，可以 找到并解决r f i d 应用中的几个主要影响因素和难点，如r f i d 识别范围及其影响 因素、多目标识别能力及其影响因素、防碰撞性能及其影响因素、抗干扰性及其 影响因素、以及应用中r f i d 与条形码的系统兼容性等。 建立一个测试平台有很多工作要做，首先需要获得政府部门的支持，其次需 要具备相当的技术基础，最后还需要较大规模资金的投入。政府部门的支持不用 多说，测试平台的未来测评中心实际上也将为政府提供咨询与参考意见。技 术基础方面，在r f i d 的芯片设计、读写器研制与应用框架开发方面一定要有深入 的研究，并对研发过程中影响r f i d 环节的因素有比较多的了解，掌握建立测试环 境的手段。硬件的资金投入分为两部分，一是场地费用，二是设备仪器的费用。 必须提供足够的场地以及包括频谱分析仪、矢量信号分析仪、射频信号源和射频 功率计等仪器，才能建立测试与示范环境，这三点缺一不可，所以也给测试平台 建设树立起一个较高的门槛。 目前国内外已成立了测试机构，正在积极开展r f i d 测试，国内的测试机构有 中科院自动化所r f i d 研究中心、复旦大学a u t o i d 实验室、信产部标准化研究所、 华北计算所、亚太r f i d 应用测试中心( 中国台湾) 、香港r f i d 技术测试中心等。国 家科技部“8 6 3 计划”已经连续两年支持r f i d 测试技术的研究。并且2 0 0 6 年，国 家金卡办正式授权信息产业部i c 卡质量监督检验中心成立国家金卡工程射频识别 与电子标签产品检验中心，该中心的成立，填补了我国r f i d 第三方检测机构的空 白。从这几件事上可以看出我们国家对r f i d 产品测试的重视程度，当然也可以得 知我们对r f i d 的测试才开始起步。测试技术在项目的完成中占据着非常重要的地 位，国外一般性项目中测试的工作量为3 5 4 0 左右，高附加值项目中测试的工作 高达5 0 以上。对r f i d 产品进行技术评价和标准符合测试，对保证r f i d 的质量是 十分必要的，况且相关软件开发的系统集成都需要测试数据的支持，测试数据同 时也有助于推动技术的进步，指导r f i d 的研发与应用，测试结果还可用于分析知 识产权的突破口。 当今实际在这些面进行测试的很少，这主要是由于更高的测试频率提出了新 的挑战，微波中出现的非线性和参数分散性从而使得测量理论和技术要比线性性 复杂得多，曾经的无线电测试的串行进行也使得测试的操作非常昂贵，而且测试 并没有能够增加任何的价值，这些都是使得测试迟滞发展的因素。我们国家r f i d 的测试强制性还主要是在频率和功率两个方面，对于测试也还没有统一的标准来 5 u h f 频段射频识别系统读写器仿真i 信号测量 遵循，但是实际要求的r f i d 技术的快速发展和产品的广泛应用的话，标准和测试 是必须要先行的。我们也只有对产品进行了有效的测试才能保证产品在实际应用 中发挥出来它应有的功能，能够充分的发挥它的优势。 从国际国内r f i d 测试技术发展的动向来看，r f i d 测试技术将由功能测试向 性能测试发展。性能测试如：测试标签的一致性、物理特性、读取距离、读取角 度、动态读取率、调制深度、可靠性、贴附强度、材料特性( 阻燃性、扭曲特性、 变形特性、温度稳定性、湿度等) 、环境适应性( 抗磁场、抗静电、抗紫外线、抗x 射线、抗静电、交变磁场、交变电场、振动、波形失真) 、使用寿命等；测试读写 器的覆盖范围、发射功率、发射频谱、协议符合性、抗干扰特性、外观结构、电 源适应能力、噪声、安全、e m c 无线电干扰、可靠性、工作温度、e m s 辐射敏感 度、环境适应性( 振动、冲击、碰撞、耐电强度等) 、对标签的适应性、使用寿命 等；测试读写器空间布局的合理性、系统动态性能( 如传送带，分拣系统) ，特殊环 境( 金属，液体) 下系统性能，系统安全性，可靠性等哺1 。 r f i d 技术有几个不同寻常的工程测试挑战，例如瞬时信号、非平稳信号、 带宽效率低的调制技术和反向散射数据。传统的扫频调谐频谱分析仪、矢量信号 分析仪和示波器已被用于无线数据链路的开发。然而，这些工具用于r f i d 测试 时都存在一些缺点。扫频调谐频谱分析仪难以准确捕获和刻画瞬时r f 信号。矢量 信号分析仪实际上不支持频谱效率低的r f i d 调制技术及特殊解码要求。快速示 波器的测量动态范围小，不具备调制和解码功能。而这些问题都有待解决。 本论文正是针对以上讨论射频识别系统相关标准和测试的情况下，将以工作 频率为8 6 0 9 6 0 m h z 的读写器进行研究，来为射频识别标准的统一和射频识别系统 的测试提供意见和建议。同时本文的研究也得到了国家“8 6 3 工程、国家自然科 学基金、教育部高校博士点基金等的资助。 1 4 本文主要研究内容 鉴于目前射频识别系统的标准无法统一且射频识别的测试也还处于刚刚起步 的状态下，本文对9 15 m h z 超高频射频识别系统进行了仿真，并且对超高频射频 识别系统中读写器的非平稳信号分析和测试方法做出了一些研究，为射频识别系 统标准的统一和我国标准的建立提供科学的合理的仿真和测试方法。本文结构和 各章节内容安排如下： 第l 章：以射频识别系统的发展、特点及应用为背景，说明了射频识别系统标 准及测试面临的诸多问题以及研究射频识别系统测试重大意义，并对本文的研究 内容进行说明。 第2 章：首先以射频识别系统的中的读写器为基础，介绍了超高频射频识别 系统中读写器的体系结构、基本工作流程以及今后读写器的发展趋势，对超高频 6 硕l 学位论文 读写器进行了仿真。针对9 15 m h z 读写器中的两种类型分别在时域和频域两种情 况下进行了仿真。在时域情况下能验证信号和理论分析能一致，在频域的情况下 能得出系统的输出功率以及调制效率等一些参数。同时还对跳频子系统进行了仿 真设计。 第3 章：针对读写器的非平稳信号，选择其中的频率信号来进行分析。首先 介绍了工作频率的分类以及不同频率段的特性及相应的应用范围。然后对超高频 射频识别系统中的跳频信号的工作原理及跳频工作的优越性进行介绍。主要是对 跳频信号建立了相应的数学模型。 第4 章：提出了时频联合分析的方法。对时频联合分析的几种常用的方法进 行了详细的介绍。包括短时傅立叶变换，小波分析，w 追n e r v i l l e 分布，对它们 的原理、特性及其优缺点做了介绍。 第5 章：利用前面介绍的时频联合方法对系统的跳频信号进行了仿真，并发 现了这几种方法所存在的优缺点，提出了一种新的s 变换的方法来进行跳频 信号的识别以及参数的提取，这种方法具有更好的识别的效果，也为参数的提取 提供了较方便的基础。 总结和展望：总结了本文的主要工作和研究重点，并且指出了在射频识别系 统以及系统的测试中有待解决的一些问题，为今后进一步在本领域的研究指明了 方向。 7 u h f 频段射频识别系统读写器仿真与信号测量 第2 章超高频读写器的建模与仿真 2 1 读写器的体系结构及工作流程 在对读写器进行建模仿真之前先介绍读写器的基本结构以及读写器的工作流 程。以便我们对读写器有个比较全面的了解。 2 1 1 读写器的体系结构 读写器是r f i d 系统的主要组成部分，我们通过计算机应用软件来对射频电 子标签写入或读取其所携带的数据信息，它在射频识别系统中起着重要的作用， 首先，读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段；其次读写器的功率直接影 响了射频识别的距离。下面介绍读写器所完成的主要功能。 读写器与电子标签之间的通信功能：在特定的技术条件下，读写器与电子标 签之间进行通信。读写器可以通过标准接口与计算机网络连接，并可以提供读写 器的识别码，读写器读出的电子标签的实时时间，读出的电子标签的信息等；能 够在读写区实现多电子标签同时读取，具备防碰撞功能；适用于固定和移动电子 标签的识读；能够校验读写过程中的错误信息；对于有源电子标签，能够标识电 池的有关信息，如电量等。 读写器和电子标签的所有行为均由应用软件来控制完成。在系统结构中，应 用软件作为主动方对读写器发出读写指令，而读写器则作为从动方对应用软件的 读写指令做出回应。读写器接收到应用软件的动作指令后，回应的结果就是对电 子标签做出相应的动作，建立某种通信关系。电子标签响应读写器的指令，因此， 相对于电子标签，读写器变成指令的主动方。然后应用软件发出读取指令，作为 响应读写器触发电子标签，并对所触发的电子标签进行身份验证，电子标签开始 传递所要求的数据。因此读写器的基本任务就是触发作为数据载体的电子标签， 与电子标签建立通信联系，并在应用软件和非接触的数据载体之间传输数据。 读写器可将主机的读写命令传到电子标签，再把从机发往电子标签的数据加 密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。读写器将要发送的信号经编码后加 载到特定频率的载波信号上经天线向外发送，进入读写器读写范围的电子标签接 收此脉冲信号，然后电子标签内芯片中的有关电路对此信号进行调制，解码解密， 再对命令请求、密码、权限进行判别。 各种读写器虽然在耦合方式，通信流程，数据传输方式，特别是频率范围等 方面有着根本的差别，但是在功能原理以及由此决定的结构设计上，各种读写器 是十分类似的，一般读写器有三大模块构成：天线、射频模块和读写模块，模块 框图如图2 1 所示。 8 硕上学位论文 射频模块 读写模块 图2 1 读写器模块图 对于本文所研究的超高频射频识别系统采用的频率主要位于i s m 频段，基于 i s o l 8 0 0 0 6 标准的射频识别系统的频率主要位于9 1 5 m h z 附近。超高频射频识别 系统中，波长越长路径损耗越小，在相同的发射功率下，9 1 5 m h z 附近的射频识 别系统具有比2 4 5 m h z 附近更远的工作距离。实际上目前研究最多的、开发射频 识别产品种类最多的频段是9 1 5 m h z 附近3 。 根据国际标准i s o l8 0 0 0 6 ，设计的9 l5 m h z 的超高频识别读写器，其结构框 图如图2 2 所示。 图2 2 高频射频识别读写器框图 2 1 2 读写器的工作流程 读写器的工作流程分为发送和接收两部分。 首先介绍发送部分的工作流程，发送部分的工作流程如下： m c u 微控制器接收计算机发来的操作命令，启动应用程序，将相应的操作命 令发送到编解码电路； 编码电路根据m c u 微控制器传来的操作命令进行编码，形成基带信号送到 整形电路和限幅电路进行处理，处理后的信号送往混频器( 上变频) ； 混频器将编码电路送来的基带信号与本振信号混频，进行a s k 调制； 调制信号经带通滤波器滤波，经功率放大器放大，再送往天线放大器放大， 形成最终发射信号： 9 u h f 频段射频识别系统读写器仿真j 信弓测量 环形器将天线放大器电路传来的功率信号送至天线，发送给电子标签。 其中频率合成器产生的本振信号的频率控制、调制深度设定、功率放大器增 益控制均由m c u 微控制器根据通信协议以及系统工作条件等因素完成。 接收部分的工作流程如下： 电子标签接收到读写器发来的信号，获得能量后被激活，开始执行读写器的 命令，并将返回的响应信号以反向散射调制方式发送至读写器的天线； 天线接收信号后，由环形器将电子标签返回的信号传给9 0 。相移功率分配器， 将信号分成正交两路，这两路信号同时送到两个完全相同的解调电路进行处理， 然后两路信号分别与两路正交的本振信号混频，混频后的信号经过放大器放大、 滤波器滤波后再次放大，分别送往乘法器进行处理。乘法器对送来的解调信号进 行自乘，使相对于虚地位负极性的脉冲信号反转为正极性； 两路解调电路分别处理后的信号经相加再次放大，经电容耦合( 去除直流分量) 至电压比较器： 电压比较器将放大后完整的解调信号电压与设定的基准电压比较后，还原成 标签返回信号的基带信号，经过整形后，送到编解码电路进行处理； 编解码电路将接收到的基带信号进行解码并进行c r c ( 循环冗余校验) ，形成 电子标签的卡号等信息，传给m c u 微控制器； m c u 微控制器对接收到的电子标签卡号等信息进行处理。 2 2 读写器的发展趋势 随着射频识别技术的发展和应用的不断增多，读写器的结构和性能也会随用 户的要求不断的更新。今后读写器将可能在以下一些方面去完善其功能， 。 ( 1 ) 多功能 为了适应市场对于射频识别系统的多样性和多功能性的要求，读写器将集成 更多、更加方便实用的功能。例如，为了与现有普遍使用的条形码技术相兼容， 读写器可以与条形码识别读取模块集成，组成兼容两种技术的产品。为了采集数 据快速、方便传送，读写器有可能集成无线数据传输模块。还有可能读写器将具 有更多的智能性，具有一定的数据处理和管理功能，这样读写器就可以脱离中央 处理计算机，做到脱机工作。 ( 2 ) 智能多天线端口 为了拓宽市场需求和降低系统成本，读写器将会具有智能的多天线接口。这 样同一个读写器将按照一定的处理顺序，智能地打开和关闭不同的天线，使系统 能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统的覆盖范围，也可以采取特殊的设 计手段使得读写器能够判定目标的方位、速度和方向信息。另外，在某些特殊的 应用领域，未来的系统可能也会采用智能天线相位控制技术，使射频识别系统具 l o 硕上学位论文 有空间感应能力。 ( 3 ) 多种数据接口 由于对射频识别系统需求的增多以及应用领域的扩大，需要系统能够提供各 种不同形式的接口，例如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 r s 4 8 5 、u s b 、韦根接口和无线网络接 口等。 ( 4 ) 多制式兼容 由于目前没有全球统一的射频识别系统标准，各个厂家的系统互不兼容，但 随着射频识别标准的统一及市场竞争的需求，只要这些标签协议是公开的，或者 是经过许可的，某些厂家的读写器将会兼容多种不同制式的射频标签，从而提高 产品的适应能力和市场竞争能力。 ( 5 ) 小型化、便携式、嵌入式和模块化 小型化、模块化和接口标准化这个是射频识别系统发展的一个必然趋势。目 有些读写器模块可以提供c f ( 袖珍闪存) 标准接口。有些读写器的体积非常小，内 嵌读写器天线，可以读取多种协议的射频标签，适用于移动环境和严格限制体积 的场合。 ( 6 ) 多频段兼容 由于目前缺乏一个全球统一的射频识别频率，不同国家和地区的射频识别产 品具有不同的频率，例如欧洲8 6 9 m h z ，美国9 0 2 9 2 8 m h z 。为了适应不同国家和 地区的需要，读写器将朝着兼容多个频段、输出功率数字可控等方向发展。 ( 7 ) 更多新技术的应用 射频识别系统的广泛应用和发展，必然会带来新技术的不断应用，使系统性 能更高，功能更加完善。例如为了适应目前频谱资源紧张的情况，将会采用智能 信道分配技术、扩频技术和码分多址等新技术手段。 2 3 读写器的主要参数及其相关标准 对于射频识别系统的读写器来说，影响读写器性能的主要参数如表2 1 所示。 表2 1 读写器主要性能参数 性能参数 读频率 与 功率或者场强 器 天线方向性和极性 接收机的方向灵敏性 调制特性 u i i f 频段射频识别系统读1 ；器仿真弓信号测量 与超高频读写器相关的国际标准是i s o1 8 0 0 0 6 ，现将与读写器相关的一些标准 要求进行说明哺 1 引。 国际标准i s o18 0 0 0 6 是规定u h f 频段射频识别的国际标准，以下介绍 i s 0 1 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 ) 一第六部分：频率8 6 0 9 3 0 m h z 无接触通信的空中接口参数中读写器的各种规定。国际标准i s 0 1 8 0 0 0 标准规定有a 类和b 类二类短程通讯方式。对于前向链路，t y p ea 采用脉冲间隔 编码，t y p eb 采用曼彻斯特编码；对于冲突仲裁t y p ea 采用a l o h a 机制，t y p eb 采 用一种自适应的二进制树机制。两种类型都采用了双相零跳频返回链路编码。它 们的体系结构如图2 3 所示。 图2 3 读写器协议体系图 为了适应国际标准i s o1 8 0 0 0 6 ，读写器应该支持t y p ea 和t y p eb 两种类型， 并且能从其中一种类型切换到另外一种类型；读写器应该允许用户本地编程，以 便从一种类型切换到另一种类型，并且控制两种类型的序列和时间分配比率；读 写器访问每种类型电子标签所花费的时间比例应该在0 到l0 0 的范围可编程。 当读写器工作于跳频扩频系统模式( f h s s ) 时，载波上升和下降时问应当符合 本标准于图2 4 和表2 2 的特征。读写器完成一个频率跳变时间应当不超过3 0 “s ( 以 保证识别卡不因频率跳变而被复位) 。频率跳变时间测量从t f l l f 的开始起到t n l r 的结束止。 厂l 一 。，r17 - u - 一一i一 图2 4f h s s 载波上升和下降的特性 注：脉动范围要求在士5 的等幅状态电平以内。 1 2 硕十学位论文 表2 2 f h s s 载波上升和下降的参数 从表中可以看出每个跳频信号驻留时间不能小于4 0 0 肛s 。 表2 3 读写器到标签链路的频率相关参数 参数名描述 工作频率范围 默认的工作频率 工作频道 工作频率精度 跳频速率( 对跳频系 统) 跳频顺序( 对跳频系 统) 8 6 0 9 6 0m h z读写器工作频率范围应当取决于当地强 制性无线电法规管理规定的要求。读写器使用前，应当 满足所用地国家的无线电规定的要求。为了遵守当地规 定，读写器应有具有不同的频率和功率特性，有一个以 上不同的版本。注：由于各地规定所允许的带宽和功率 输出不同，性能可能会不同。 依据当地无线电规定， 依据当地无线电规定 依据当地无线电规定 在许可使用f h s s 的地方，跳频速率应依据当地无线电规 定确定。 依据当地无线电规定。未被规定这样的规则的地方，应 当使用一个伪随机跳频顺序，保证传输平均分布在所有 使用的频道上。 2 4 读写器的建模与仿真 系统仿真的目的是解释通信系统中的关键技术和关键参数，因此系统仿真时 应尽可能的加入相关的参数，参数越多仿真得到的结果就越精确，但是仿真越精 确的话所需的时间也就越长，所以仿真中存在有精度和时间的一个权衡问题。仿 真的参数也就必须选择那些能够表征系统特征的关键参数。在对读写器进行仿真 的时候由于m a t l a b 擅长于信号处理，而s i m u l i n k 比较容易搭建系统模型，因此选 择s i m u l i n k 进行系统的时域仿真，再把仿真结果用m a t l a b 进行处理。 2 4 1 读写器的时域仿真 时域仿真是仿真读写器发射信号时域特性以及读写器接收电路信号特征。读 u h f 频段射频识别系统读写器仿真o j 信呼测量 写器电路主要包括以下的模块阳儿3 ： ( 1 ) 信号源，用于产生读写器发射所需要的编码，其关键参数是编码方式和 数据速率； ( 2 ) 升余弦滤波器，用于对反射基带信号进行波形整形，其关键参数是采样 率、延迟时间和滚降因子： ( 3 ) 调制深度控制，用于控制调制电路的调制深度； ( 4 ) 失配，在发射电路中加入相位失配的系数，其关键参数是i q 两路信号的 增益差和相位差： ( 5 ) 上变频器，用于控制发射电路的调制方式，包括单边带调制、双边带调 制和无调制载波，其关键参数是混频器的线性度和噪声系数； ( 6 ) 功率放大器，其关键参数是增益、线性度和噪声系数； ( 7 ) 带通滤波器，关键参数是带通滤波器的q 值和带宽； ( 8 ) 接收电路低噪声放大器，其关键参数为增益、噪声系数和线性度； ( 9 ) 下变频器，其关键参数为增益、噪声系数和线性度； ( 1 0 ) 低通滤波器，用于抑制带外噪声、杂散频率，其关键参数为带宽和阶数： ( 1 1