（电磁场与微波技术专业论文）超高频射频识别（rfid）阅读器的设计与实现.pdf

摘要 射频识别技术是利用无线信道实现双向通信的一种识别技术。近些年来，射 频识别系统的应用领域圜益扩大，现已涉及到人们日常生活的很多方面。相对于 低频射频识别系统，超高频射频识别系统有着读取距离较远，阅读速度较快等优 点，是目前r f i d 产品发展的热点。 论文介绍了r f i d 技术的研究背景以及r f i d 硬件设计技术研究现状，接着对 r f i d 系统的组成及相关工作原理做了介绍，给出了一种基于正交调制解调的超高 频射频识别阅读器的实现方案。接着就该阅读器的硬件设计进行了详细的介绍， 具体包括射频收发前端，模拟基带和数字基带部分电路设计。射频部分电路包括 频率综合器、正交调制器、正交解调器、功率放大器、定向耦合检波器以及模拟 基带处理电路。另外，论文设计并实现了2 4 5 g h z 频段的阅读器射频前端。 数字基带电路部分采用嵌入式系统结构，以嵌入式a r m 9 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 律为主控模块，包括模数转换器、数据存储系统和自动功率控制电路等，并预留 了串行接口和以太网接口，用以与上位机进行通信。同时，论文给出了另外一种 解决方案，即采用e m 4 2 9 8 编解码芯片实现的基带方案。 本论文所设计实现的超高频射频识别阅读器，工作频率为9 2 0 m h 抄9 2 5 m h z ， 采用跳频方式工作，软件部分采用l i n u x 操作系统，实现对射频标签的读写命令的 编码和标签返回信号的解码等，同时控制发射机的发射功率和频率综合器的配置 和跳频控制。经测试，本系统可以在6 m 范围内对标签实现良好阅读。 关键词：超高频，射频识别，阅读器，正交调制解调，嵌入式系统 a b s t r a c t 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 ) i so n eo ft h ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s w h i c hc a nr e a l i z ei n t e r c o m m u n i c a t i o nb yu s i n gw i r e l e s s 馥a n n e l i nr e c e n ty e a r s ，t h e a p p l i c a t i o no fr 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 si sm o r ea n d m o r e a n di th a sb e e n i n v o l v e di nm a n ya s p e c t so fp e o p l e sd a i l yl i f e c o m p a r i n gw i t hl o wf r e q u e n c yr f i d s y s t e m s t h eu h f ( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ) r f i ds y s t e mh a sl o n g e rr e a d i n gd i s t a n c ea n d f a s t e rs p e e d ，e t c n o w a d a y s ，i th a sb e c o m eah o ts p o ti nr f i dp r o d u c t s f i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t e dt h eb a c k g r o u n do fr f i dt e c h n o l o g ya n dt h e r e s e a r c hs t a t u so fr f i dh a r d w a r ed e s i g nt e c h n o l o g y , t h e nt h ec o m p o s i t i o no fr f i d s y s t e m sa n dr e l a t e dp r i n c i p l ew e r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r , a n dw ep r e s e n t e d as c h e m eo f u h fr f i dr e a d e r sw h i c hb a s e do nt h ev qm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y t h e n t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h eu h fr f i dr e a d e rw a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e c i r c u i td e s i g no fr ft r a n s c e i v e rf r o n t - e n d ，a n a l o gb a s e b a n da n dd i 。g i t a lb a s e b a n d t h e r fp a r to ft h er e a d e rc o n s i s t so ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , i qm o d u l a t o r , v q d e m o d u l a t i o n ，p o w e ra m p l i f i e r , d i r e c t i o n a lc o u p l e rd e t e c t o r , a n a l o gb a s e b a n da n dt h e d i g i t a lb a s e b a n dc i r c u i t s i na d d i t i o n a l ，a2 4 5 g h zr ff r o n t e n dw a sd i s c u s s e da n d i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r t h ed i g i t a lb a s e - b a n dp a r ti si m p l e m e n t e db yt h ee m b e d d e ds y s t e m st h a t e m b e d d e da r m 9p r o c e s s o ra t 91r m 9 2 0 0i se m p l o y e da sc o n t r o lm o d u l e s ，i n c l u d i n g t h ea d c s ，d a t as t o r a g es y s t e m sa n da u t o m a t i cp o w e rc o n t r o lc i r c u i t ，a n dt h es e r i a l i n t e r f a c ea n de t h e m e tn e t w o r ki n t e r f a c ew a sd e s i g nf o rc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh o s t c o m p u t e r i na d d i t i o n a l ，w ed e s i g n e das i n g l ec h i pi m p l e m e n t i o ns c h e m eb yt h es i n g l e e n c o d i n g d e c o d i n gc h i pe m 4 2 9 8 t h eu h fr f i dr e a d e ri nt h ed i s s e r t a t i o nw o r k e do nt h ef r e q u e n c yo f9 2 0m h z 。 9 2 5 m h z ，w i t h 蠹e q u e n c y - h o p p i n gi n2 5 0 k h z t h es o f t w a r ep a r to ft h er e a d e re m p l o y e d t h el i n u xa st h eo p e r a t i n gs y s t e m ，a n di t sf u n c t i o ni n c l u d i n ge n c o d i n ga n dd e c o d i n go f r f i ds i g n a l s ，i m p l e m e n t a t i o no ft h ea u t o m a t i cp o w e rc o n t r o la n dc o n f i g u r a t i o no ft h e p l l a f t e rt e s t i n g ，w ef i n dt h es y s t e mw o r k e dv e r yw e l la n di tc a l lb eg o o dr e a d i n g w i 也i n6 m k e y w o r d s ：u h er f i d ，r e a d e r , i qm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第l 章绪论 1 1 射频识别技术概述 第1 章绪论 广义上，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 c a t i o n ) 是指通过检测 目标物体对射频电磁场的扰动从而获得其相关特征信息的种非接触式探测技 术。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，射频识别技 术是一种剩用射频信号通过空闻耦合( 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技术。 典型r f i d 系统包括阅读器( 也称作查询器，r e a d e r i n t e r r o g a t o r ) 、电子标签 ( 也称作应答器，t a g r e s p o n d e r ) 和数据管理、处理系统组成。电子标签放置在 被识别的物体上，有芯片和天线组成，每个标签具有唯一的电子编码；阅读器的 主要任务是当标签进入阅读器的作用范围时，阅读器以无接触的方式将标签信息 读取出来，并将标签的相关信息传输到数据管理和处理系统进行处理，从而达到 识别的目的l l j 。 与传统识别技术( 如条形码) 相比，r f i d 技术具有更多的优势：可以定向或 者不定向的远距离读取或者写入数据，无需保持识别的目标可见；可以透过外部 材料读取数据；可以在恶劣的环境下工作；可以同时处理多个电子标签；可以存 储的信息量更大；可以通过r f i d 标签对物体进行物理定位等等。 1 2 射频识别技术的研究背景 r f i d 技术最早可以追溯到2 0 世纪3 0 年代诞生的雷达设备和第二次世界大战 期间( 1 9 3 9 年) 由英国空军发明并且在盟军中得到广泛使用的飞机敌我识别( f ： i d e n t i f i c a t i o n f r i e n do r f o e ) 系统。现代商用意义上，r f i d 特指一种基于后向散射 通信( b a c k s c a t t e rc o m m u n i c a t i o n ) 【2 列和无线功率传输( w p t ：w i r e l e s sp o w e r t r a n s m i s s i o n ) 4 , 5 1 1 作原理的非接触式无源自动识别技术。 1 9 4 8 年，h a r r ys t o c k m a n 发表了最早的一篇关于后向散射通信的研究成果的 “c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so f r e f l e c t e dp o w e r 论文 2 1 ，可以说，正是这篇里程碑式 的论文拉开了基于后向散射通信原理的r f i d 技术相关研究和应用的序幕，这被认 为是r f i d 发展过程中的个划时代的标志。 从6 0 年代开始，r f i d 技术也奏晌了快速发震的序醢。首先，在1 9 6 0 年，d b h a r r i s 获得了一项关于可调制无源应答器射频传输系统的专利【6 】。随后，在1 9 6 4 年，r f h a r r i n g t o n 发表了系统地阐述加载散射器理论的一篇论文【3 j ；在1 9 6 8 年， 浙江大学硕上学位论义 j h v o g e l m a n 获得了雷达回波式无源数据传输技术的专利【7 】。这一系列的研究工 作和成果为后向散射通信方式r f i d 技术的发展奠定了早期的理论和技术基础。 7 0 年代，r f i d 技术成为欧美高校和实验室的热门研究课题。其中需要特别提 到的是洛斯阿拉莫斯科学实验室的a k o e l l e 、s d e p p 和r f r e y m a n 在1 9 7 5 年所 发表的关于应用后向散射调制进行短距离射频遥测和电子识别的论文【8 】。这一工作 首次给出了完整的可实用的无源电子标签设计，引领了i 江i d 规模化应用的潮流。 随后，相继有很多公司，如美国的r a y t h e o n 、r c a 、f a i r c h i l d 等公司等都开发了 各自的r f i d 应用系统。 8 0 年代，微电子技术取得重大突破，从而可以将r f i d 标签电路集成在单个 集成电路芯片中，使得单芯片无源r f i d 标签真正成为可能。同时，在r f i d 技术 取得重大进展的刺激下，各种各样的r f i d 应用不断涌现，其中，以交通运输领域 的应用发展最为迅速。第一个实用的电子收费系统于1 9 8 7 年在挪威正式使用。 电子标签设计技术的进步程度对r f i d 技术是否i i i ! i 大规模的商业推广和应 用起着非常关键的作用。以现在物流领域非常热门的电子产品代码( e p c ： e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 应用来说，其长远目标是希望能够取代现在广泛使用的条 形码识别技术。 1 9 9 9 年，美国麻省理工学院和英国剑桥大学发起成立了国际性的r f i d 研究 机构a u t o d 中心【9 1 。2 0 0 3 年，a u t o i d 中心推出了一些的r f i d 研究成果，其 中较著名的有产品电子码( e p c ) 和“物联网”概念【1 0 】，即以r f i d 标签为载体，为世 界上每一件产品赋予唯一的产品电子编码( e p c ) 标识，从而将所有产品链接到网络 上，实现对物品的自动识别和透明化管理。 3 5 嚣万元 3 0 2 5 2 0 1 6 1 0 答“ 攒箱蕊 u2 0 0 5 图1 一lr f i d 市场规模预测图【1 1 1 i d g 报告中国r f i d 跨行业解决方案市场2 0 0 6 - - 2 0 1 0 预测与研究显示【1 1 】， 由于超高频r f i d 应用市场的打开，r f i d 跨行业应用未来五年的年均符合增长率 可能高达8 0 ，总体市场规模将由2 0 0 5 年的约1 5 亿元增长到2 0 1 0 年的约3 0 0 亿 元，如图1 - 1 所示。 2 第l 章绪论 1 3 射频识别技术的硬件设计研究现状 当前超高频r f i d 技术的物理层硬件设计研究主要集中在如下几个方面：1 、 标签芯片集成电路设计；2 、标签天线设计；3 、阅读器天线设计；4 、阅读器电路 设计；5 、技术标准研究。 标签集成电路设计方面的研究主要包括如下两个方面：1 、低压、低功率集成 电路技术在开发标签芯片中的应用【1 2 , 1 3 , 1 4 1 ；2 、提高射频到直流能量转换整流器电 路的效率【1 3 , 1 5 】。标签天线的优化设计主要涉及到标签天线的小型化、标签天线和 芯片电路的阻抗匹配以及标签的使用环境对其天线性能的影响等三个方面的研 究。阅读器的天线设计研究主要包括小型化天线设计和阅读器天线阵列设计。在 库存查询管理或者野外作业等应用场合，往往要求使用便携式的阅读器设备，而 在u h f 频段，天线的尺寸往往决定了整个阅读器的大小，因此，设计小型化平面 型的天线就显得非常必要了。在多阅读器协同工作场合，一般希望阅读器的天线 具有一定的方向性增益，这样不但可以增加阅读距离，还可以减少阅读器之间的 相互干扰。 阅读器电路设计方面，特别是在非常重要的射频前端设计方面，相关研究文 献并不多。射频前端的性能基本上决定了r f i d 系统非常重要的一个功能指标：阅 读距离，其相关的研究工作可以在器件设计和系统设计两个层次上进行讨论。在 器件设计层次上，无源后向散射式r f i d 阅读器所面临的一个主要问题就是接收机 和发射机之间的隔离【1 6 1 。 尽管r f i d 技术已经出现多年，在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经 逐渐在一些领域开始广泛的应用，但仍有许多因素在制约着r f i d 技术的快速发 展。标准不统一是影响r f i d 大规模上线生产制造的原因之一。迄今为止，全球也 还没有正式形成统一的r f i d 国际标准。标准( 特别是关于数据格式定义的标准) 的不统一是制约r f i d 发展的重要因素，而数据格式的标准问题又涉及到各个国家 自身的利益和安全。标准的不统一也使当前各个厂家推出的r f i d 产品互不兼容， 这势必阻碍了未来r f i d 产品的互通和发展。 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。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， 但主要得到的是本国厂商的支持，若要成为国际标准还有很长的路要走。r f i d 在 韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。 此外，关于r f i d 技术其他方面的研究还有很多，例如，关于r f i d 应用过程 中中间件技术研究，使用安全和个人隐私方面的问题等等f 1 7 】。 浙江大学硕卜学位论文 可以想象这样几个未来场景：你再也不必为在大型超市购物结算时漫长的排 队等待而抱怨发牢骚了，采购完毕后只需要推着购物车径直走过结算通道，出口 处的阅读设备在几秒钟之内就收集了每件商品的电子标签信息，同时也读取了你 体内植入的微型芯片里的个人身份识别信息，然后自动联网至你的银行账户迅速 完成了整个支付过程；当你驾车行驶在高速公路上时，再也不用排长队等待缴费， 你只要正常开车通过收费站通道即可，当你开车通过时，r f i d 阅读器自动读取了 贴在你挡风玻璃前的电子标签芯片的信息，并通过互联网关联你的银行账户自动 扣费，实现不停车自动收费。当你走进一家医院看病( 当然，这是一个令人有些 感到不愉快的假设) ，仍然像小时候一样因为害怕抽血化验的疼痛而踌躇不前的时 候，现在好了，只需要在检验室柔软的沙发上坐上几分钟，愿意的话再喝上杯 好茶，这时你体内植入的传感器就已经将所有的生化检测信息送到了或许就隐藏 在沙发或者茶几下面的阅读设备中去了，然后你就可以回家等待快递公司送来的 药品包裹，并且你再也不用担心因投递错误而造成的包裹遗失问题，因为每个包 裹里面都包含了具有唯一识别信息的电子标签。顺便需要提到的是，上述设想的 应用场景也涉及到了r f i d 隐私保护和安全方面的问题，既然这已经超过了本篇电 子技术类论文的范畴，所以这里不再作进一步的阐述【l8 1 。 1 4 本文内容安排 第一章主要介绍射频识别技术的相关知识、研究背景以及r f i d 硬件方面的研 究现状分析，分析了r f i d 技术的优点和应用前途。 第二章主要介绍了r f i d 系统组成、分类和一些技术标准及其相关的一些理 论，进而给出本论文所设计的超高频射频识别阅读器的系统架构。 第三章详细分析并实现了u h fr f i d 阅读器射频电路，包括锁相环频率综合 器、正交调制解调电路、模拟基带电路、功率放大器和定向耦合检波器等。 第四章分析并设计实现了2 4 5 g h z 频段r f i d 阅读器射频前端。 第五章详细介绍u h fr f i d 阅读器系统中数字基带板的电路设计，包括基于 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的a r m 9 嵌入式主控平台设计、基于该嵌入式平台的阅读器基带处 理电路的硬件设计以及基于e m 4 2 9 8 单片编解码芯片的基带方案设计。 第六章对基于嵌入式l i n u x 的超高频射频识别系统阅读器软件部分进行了设 计与实现。 第七章为全文总结 4 第2 章r f i d 系统及相关理论 第2 章r f i d 系统及相关理论 2 1 射频识别( r f i d ) 系统 2 1 1r f i d 系统组成 通常r f i d 系统包括阅读器( 也称作查询器，r e a d e r ) 、电子标签( 也称作应 答器，t a g r e s p o n d e r ) 和应用系统组成，如图2 1 所示拜】。 应答器：应答器放置在被识别的物体之处。 阅读器：阅读器是一种读写只读装置，这取决于所使用的结构和技术。r f i d 系统分为有源和无源两大类，有源系统的应答器由电涟来提供能量，无源系统的 应答器则没有电池，蠢阅读器提供能量来工作。 臼数据。 一时序两 一能量匕参 应答器( 非接触 式数据载体) 耦合元件 ( 线圈、微波天线等) 图2 1 射频识别系统的基本组成部分 由图2 1 可以看出电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间 ( 无接触) 耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据交换等。 对于无源r f i d 系统来说，阅读器主动唤醒标签，即阅读器通过天线发射一定频率 的射频信号，当标签进入阅读器的作用区域内时，阅读器发出来的电磁波激活标 签电路，标签的能量检测电路将一部分射频信号转换成直流信号能量供其工作， 标签获得能量被激活詹，将自身的穿别号等信患调制到射频信号上后通过标签天 线发送出去，阅读器接收到标签返回的射频信号后，对该信号进行解调和解码， 然后送到后台主系统进行相关处理。主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性， 针对不同的设定做出相应的处理和控制。对于有源系统来讲，标签进入阅读器的 作用区域后，由自身内嵌的电池为芯片供电，一般是标签自己发问，标签主动给 阅读器发送自身的序列号等信息，阅读器的处理方式同对无源标签一样。 浙江人学硕上学位论文 2 1 2r f i d 系统分类 按照不同得方式，射频识别系统有以下几种分类【l 】： 1 按供电方式分为有源系统和无源系统。 有源系统是指射频标签内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、 体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源系统的标签内无电池，它 利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为标签芯片电路供电，其 作用距离相对有源系统短，但寿命长且对工作环境要求不高。 2 按载波频率分为低频、高频和超高频射频识别系统。 低频系统主要有1 2 5 k h z 和1 3 4 2 k h z 两种，高频系统频率主要为1 3 5 6 m h z ， 超高频系统工作频段主要为4 3 3 m h z 、8 6 0 - - - 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频 系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、 货物跟踪等。高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；超高频系统 应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较 高，在火车监控、高速公路收费、物流等系统中应用。 3 按调制方式的不同可分为主动式系统和被动式系统。 主动式射频标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频标 签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该 类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的 标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍 物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作 的射频卡主要用于有障碍物的应用中，距离更远( 可达3 0 米) 。 4 按作用距离可分为密耦合系统( 作用距离小于l 厘米) 、近耦合系统( 作用距 离小于1 5 厘米) 、疏耦合系统( 作用距离约1 米) 和远距离系统( 作用距离从1 米到 1 0 米，甚至更远) 。 2 1 3r f i d 技术标准 r f i d 技术标准主要定义了不同频段的空中接口及相关参数，包括基本术语、 物理参数、通信协议和相关设备等。目前，在u h f 频段( 3 0 0 m h z 一3 0 0 0 m h z ) 上的射频识别协议主要可以分为两大阵营：一方面是i s o i e c ( 国际标准化组织) 标准体系，另一方面是e p cg l o b a l ( 全球产品电子编码联盟) 标准体系【l9 1 。 “i s o i e c18 0 0 0 一i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya i d ct e c h n i q u e s r f i df o ri t e m m a n a g e m e n ta i ri n t e r f a c e ”是国际标准化组织的一个覆盖目前可用频段的r f i d 空 中接口标准族。目前支持i s o i e c1 8 0 0 0 标准族的r f i d 产品最多，技术最为成熟。 其中，i s o i e c18 0 0 0 6 标准定义了8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 频段下r f i d 空中接口标 6 第2 章r f i d 系统及相关理论 准。 e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c t i o nc o d e ，电子产品代码) 规范由a u t o i d 中心及后来 成立的e p cg l o b a l 负责制定。a u t o i d 中心于1 9 9 9 年由美国麻省理工大学( m i t ) 发起成立，其目标是创建全球“实物互联”网( i n t e m e to ft h i n g s ) ，该中心得到了美 国政府和企业界的广泛支持。2 0 0 3 年1 0 月2 6 日，成立了新的e p cg l o b a l 组织接 替以前a u t o i d 中心的工作，管理和发展e p c 规范。 e p cc l a s s lg e n e r a t i o n 2 标准是e p cg l o b a l 基于e p c 和物联网概念推出的旨 在为每件物品赋予唯一标识代码的电子标签和读写器之间的空中接口通信技术标 准。2 0 0 6 年6 月1 5 日e p cc 1 g 2 正式进入i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准，乘务i s o i e c 1 8 0 0 0 6 c ，i s o i e c1 8 0 0 0 6 标准也得到一次全面的更新。 2 1 4 中国u h fr f i d 技术应用规定 2 0 0 7 年4 月，信息产业部发布了( 8 0 0m h z 9 0 0m h z 频段射频识别( r f i d ) 技术应用规定( 试行) ( 信部无 2 0 0 7 1 2 0 5 号) 2 0 1 ，对我国u h f 频段r f i d 无线发 射设备的工作频率、发射功率、占用带宽、频率容限、邻道功率泄漏比、工作模 式、杂散发射限值以及传导骚扰发射等射频指标作了详细的规定： 一、u h f 频段r f i d 技术的具体使用频率为8 4 0 8 4 5 m h z 和9 2 0 - 9 2 5 m h z 。 二、该频段r f i d 技术无线电发射设备射频指标： 1 、载波频率容限：2 0 1 0 6 ； 2 、信道带宽及信道占用带宽( 9 9 能量) ：2 5 0 k h z ； 3 、信道中心频率： f c ( m h z ) = 8 4 0 1 2 5 + n 0 2 5 和 f c ( m h z ) = 9 2 0 1 2 5 + m 0 2 5 ( n 、m 为整数，取值为0 1 9 ) ； 4 、邻道功率泄漏比：4 0 d b ( 第一邻道) ，6 0 d b ( 第二邻道) ： 5 、发射功率( e i 冲) 最大为2 w ； 6 、工作模式为跳频扩频方式，每跳频信道最大驻留时间2 秒。 2 2r f i d 相关工作原理 图2 - 2 给出了一个基本的u h fr f i d 系统2 1 1 ，它包括了阅读器( r e a d e r ) 、标 签( t a g ) 和工作环境中的障碍物( o b s t a c l e s ) 。标签由微芯片( m i c r o c h i p ) 和天 线( a n t e n n a ) 组成。芯片内存储了标签所附着对象的数据信息，其内部并没有电 池等能量供应源，需要从阅读器发射的电磁波中提取其电路工作所需的能量。 7 浙江大学硕 ：学位论文 f o r w a r d o b s t a c l e s 图2 2 一个基本的无源后向散射u h fr f i d 系统 2 2 1 基带编码与调制 数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的数据进行加密。如 图2 3 所示，射频识别系统通常使用的编码方式有：反相不归零制( n r z ) 编码、 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、单极性归零制编码( u n i p o l a rr z ) 、差动双相编码 ( d b p ) 、米勒( m i l l e r ) 编码、差动编码等。 n r zc o d i n g ： m a n c h e s t e rc o d i n g ： “- p h a s e ) un i o o l 甜。r zc o d i n g ： m a l e fc o d i n g ： m o d i f i e dm h l e r c o d i r i g ： o i l f e r e n t i a lc o , r i g - - 1厂 - _ _ _ _ _ _ 一 _ _ - 一 1o11 00l1o 、j 孓。 z z j 凡 i 一 0l1o1011o 1 z n 1o11oo1o l 车f - 一 一l 1o 11o 0 ；1 o 7 。罗l + 10，1o0l1o uu1jlu 1。11o0 l 10 l 1o ：1 1o01o 图2 3 射频识别系统中常用的编码方式 第2 章r f i d 系统及相关理论 射频识别系统采用的调制方法有幅度键控( a s k a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 、 频移键控( f s k f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 和相移键控( p s k p h a s es h i f tk e y i n g ) 的数字调制方法【1 1 。 1 幅度键控( a s k ) 在幅度键控中载波幅度是随着调制信号而变化的。最简单的形式是载波在二 进制调制信号1 或0 的按制下通或断，这种二进制幅度键控方式称为通一断键控 ( o o k ) 。它的时域表达式为 s o 傩( f ) = a 。4 c o s o c t ( 2 1 ) 这里，彳为载波幅度，缈。为载波频率，a 。为二进制数字， 口。：1 ，崇銎竺! 挈p ( 2 - 2 ) io ，出现概率为1 一p 典型波形如图2 4 所示。 a m p l i t u d e li 厂_ 10111101 啊m e h fa m p l i t u d e 。d i g i t a l s i g n a l a s km o d u l a t o r 一嚣a ， 图2 - 4 二进制振幅键控( a s k ) 调制示意图 在一般情况下，调制信号可以是具有一定波形形状的二进制序列( 二元基带 信号) ，即 b ( f ) = 口。g ( t - n t , ) ( 2 3 ) 这里，互为信号间隔，g ( f ) 为调制信号的时间波形，a 。与式( 2 - 2 ) 相同。二进 制幅度键控信号的一般时域表达式为 s a s k ( f ) = k 。g ( t - n t ：) c o s r 9 。t 由上式可知，这是双边带调幅信号的时域表达式。 ( 2 - 4 ) 9 浙江大学硕 ：学位论文 2 频移键控( 2 f s k ) 在二进制频移键控中载波频率随着调制信号“1 或“0 而变，“1 ”对应于 载波频率f l ，“0 对应于载波频率f 2 。二进制f s k 已调信号的时域表达式为 啪) ：- a g 卜椰 c o s c o t + - 诎川) 卜：f ( 2 5 ) ln jl n j 2 f s k 的典型波形如图2 5 所示。 10 ll1101 t i m e h fa m p l i t u d e 图2 5 二进制频移键控( f s k ) 调制示意图 2 相移键控( 2 p s k ) 二进制相移键控中，载波的相位随调制信号“1 ”或“0 ”而变，通常用相位 o 。和1 8 0 。来分别表示“1 或“0 ”。二进制相移键控已调信号的时域表达式为 r1 s 2 p s k ( t ) = l 以。g ( t - n t , ) l c o s ( o e f ( 2 - 6 ) lnj 2 p s k 的典型波形如图2 - 6 所示。 l o a m p l i t u d e 10l lllol t i m e 图2 - 6 二进制相移键控( p s k ) 调制示意图 月l 毪- l l引孵m，联甜，射咐，舡圭兰0。肌*，嬲mhm 拜列姒hl，n-耻h0i_引mli列m一躬阱h瓣雨-l，骶附hlle粼潸佴拽。辩滢扒解醑汛驯搿h峭川驸 m列一 甜逝f“瓣秆婿“”附hh“搿洼” 纠l拼阿m1 射咐l，驯臂，“咐h 第2 章r f i d 系统及相关理论 2 2 2 循环冗余码校验法( c r c ) 循环冗余码校验( c r c c y c i l cr e d u n d a n c yc h e c k s u m ) 法原来用于磁盘驱动 器中，即使数据量很大，也能得出有足够可靠性的校验和数。这种方法也特别适 用于无线或者有线传输数据时识别错误，c r c 法能够以很大的可靠性识别传输错 误，但不能校正错误。 c r c 校验法是由差错控制编码中的一类非常重要的编码一循环码发展而来 的，具有以下特点： 循环码具有循环性，即循环码中任一码组循环一位( 将最右端的码移至左端) 以后，仍为该码中的一个码组。 循环码组中任两个码组之和( 模2 ) 必定为该码组集合中的一个码组。 循环码每个码组中，各码元之间还存在一个循环依赖关系，b 代表码元，则 有 b i = b i + 4o b i + 20 b f + l ( 2 7 ) c r c 校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作万是一个n 阶的二 进进制多项式，由a n _ l x ”1 + a n _ 2 x ”2 + a l x + a 。多项式的加减法运算以2 为模， 加不进为、借位，和逻辑与异或运算一致。 采用c r c 校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式甙x ) ，并且g ( x ) 的首 位和最后一位的系数必须为l 。c r c 的处理方法是：发送方以g ( x ) 去除t ( x ) ，得 到余数作为c r c 校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0 为据，判断数据帧 是否出错。 c r c 生成多项式g ( x ) 由协议规定，其结构及校错效果要经过严格的数据分析 与实验后确定，目前已有多种生成多项式列入国际标准中。例如： c r c 校验码能检测出数据传输过程中所发生的双错、奇数位错、突发错。常 用的c r c 校验码有4 位、8 位、1 6 位以及3 2 位。r 位码可以校验的数据个数为 n = 2 7 1 ，如1 6 位c r c 校验码( 厂= 1 6 ) ，可以校验3 2 k b i t 的数据，可以检测突发 长度不大于1 6 的突发错以及9 9 9 9 8 的突发长度大于或等于1 7 的突发错。可见 c r c 的校验能力非常突出，目前c r c 校验算法在r f i d 应用系统中已经得到了广 泛的应用【2 2 j 。 、，8 - 2、 l +x+ 2 x l l + + + 妒私矿 + + + l 5 2 x x x + + + 坦 m m x 石 石 = = = 力力力 g g g 浙江大学硕 ：学位论文 2 2 3 阅读器作用范围 要是阅读器能够与应答器进行通信，必须满足以下两个条件： 首先，应答器要能够获得足够的工作能量，即能被完全激活。 其次，从应答器发射回到阅读器接收机的信号应足够强，以保证无差错的接 收、解调及检测。接收的灵敏度描述了要保证信号无差错地接收需要在接收机的 输入端有多大的场强或者感应电压u 。对接收机的灵敏度而言，最重要的参数是 噪声电平。它来源于天线，以及接收机的前端电路，对微波信号造成干扰，甚至 淹没信号。 对后向反射式( b a c k s c a t t e r ) 阅读器而言，阅读器以环行器作为收发双工器使 得发射机和接收机能够同频同时工作。故而耦合进相当大的噪声，从而使阅读器 中的接收机灵敏度大为降低。而且，实践中，由于环行器和天线之间不可避免的 阻抗失配，其所引起的反射信号也引起了进入接收机的泄漏信号，这就进一步恶 化了环行器的隔离性能。 假定阅读器天线和标签天线的极化特性相匹配。以，表示标签和阅读器在自由 空间的工作距离，然后应用f r i i s 电磁波传播公式，则标签天线接收到的信号功率 最由下式给出【1 8 ，2 1 】： ， 、2 最2 【击jb q 瓯 q 9 这里c 是电磁波在自由空间的传播速度，缈是电磁波信号的角频率，g 。是阅 读器天线增益，q 是标签天线增益。足的一部分被标签的整流电路吸收并转换为 直流以给其微芯片电路提供工作能量，其它部分则被微芯片反射回到标签天线， 然后重新辐射出去。标签同时使用存储的数据信息调制微芯片的输入阻抗以改变 反射功率量，从而实现后向散射通信。标签通常有两种类型的阻抗调制方式，即 a s k 和p s k 。对于a s k 型标签，功率反射系数对于数据位“0 ”“1 ”典型地分别取 值0 或“r ”；对于p s k 型标签，功率反射系数对于数据位“0 ”“1 ”均取值“i ”。这 里，我们假定数据位“0 ”和“1 ”有相同的传输概率。以只表示时间平均标签吸收功 率，则对于a s k 型标签有： 只= ( 1 一r 2 ) 只 ( 2 一l o a ) 对于p s k 型标签有： 只= ( 1 一r ) 最 ( 2 1 0 b ) 为确定阅读距离，首先，我们需要计算标签的时间平均吸收功率只。显然， 1 2 第2 章r f i d 系统及相关理论 增加阅读器的发射功率弓将直接改善只。然而，在实践中，弓总是要受到无线电 频谱管理规则的限制而不能超过规定的等效各向同性辐射功率值p ( e i r p ： e f f i c i e n ti s o t r o p i cr a d i a t e dp o w e r ) 。例如，我过规定的u h fr f i d 频段内( 8 4 0 8 4 5 m h z ，9 2 0 9 2 5 m h z ) ，为2w ，换算后p 为3 2 8 w 。这里，让弓取最大允 许功率值，即弓= 尼脚瓯，则对于a s k 标签，应用公式( 2 - 9 ) 和( 2 - l o a ) ，得到： 只= ( 1 _ r 2 ) g 文去) q - 1 1 a ) 对于p s k 标签，应用( 2 9 ) 和( 2 一l o b ) ，得到： e = ( 1 r ) q ( 赤) ( 2 1 1 b ) 为了激活标签( 即供应给标签充足的工作所需能量) ，只必须不小于标签微芯 片的输入门限功率电平p 掰，即只岛，这给出了阅读距离的上限，称作决定阅 读距离的标签侧条件。定义一个量锄g 标示标签决定的最大5 1 2 作距离，则对于a s k 标签，应用公式(