（精密仪器及机械专业论文）基于频域采样的声表面波射频识别系统研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

卜河交通，：7 博 ：学侍论文 基于频域采样的声表面波射频识别系统研究 摘要 基于声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 技术的标签具有无源、被动的特 点，适合在恶劣环境下工作，用于实现射频识另t j ( 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 ， r f i d ) 时具有一定的优势。论文对由标签和读写器组成的s a wr f i d 系统进行了 研究，重点在于降低系统成本、提高标签编码容量和读写器在低信噪比下的识别 能力，在最后还对多标签的防碰撞问题进行了初步探讨。 s a wr f i d 系统常用的解码方法是基于时域采样的，读写器采用和单脉冲雷 达相同的工作机制：即发射模拟冲激信号的单个窄脉冲，并直接测量标签的单位 冲激响应。此方法的主要缺点是：( 1 ) 为避免单位冲激信号中两个返回脉冲发生 码间串扰，应尽量选择高带宽的查询信号，但这通常受限于i s m ( i n d u s t r i a l s c i e n t i f i cm e d i c a l ) 的带宽规定；( 2 ) 需要对读写器获取的信号进行时域高速采样， 因此需要高性能的a d 转换以及收发隔离开关，从而增加了系统成本。为了解 决这些问题，论文采用基于频域采样的工作方式，直接获取标签系统的频域系统 函数。频域采样传统的测量方法是利用逆傅立叶变换把测得的频域信号转换成时 域信号并作后继处理，但随着带宽的减少，时域分辨率会降低。为此，论文采用 频率步进连续波作为发射信号，并利用高分辨率算法来提取回波与发射信号混频 后信号的频率信息来解码。 论文介绍了与s a w 标签有关的理论和技术基础，主要有：各组成部分的结 构和特点、标签的整体结构，基片切向性能指标以及常用的编码方案。针对本文 的实际应用情况，确定了s a w 标签采用单相单向换能器共线式结构，选择了铌 l i n b 0 3 晶体作为基片材料，提出了基片优化切向选择的基本准则，编制了基片 切向性能指标的计算程序，通过计算最终确定了采用( 0 。，3 7 8 6 。，o 。) 的最优化切 向。针对标签大容量编码的需要，论文设计了带有自校验功能的编码方案。 论文采用基于广义格林函数理论的有限元边界元方法和源再生方法，通过 计算得出了电极结构、电极数目、电极厚度以及金属化率改变对s a w 标签反射 捅霞 栅的反射、透射以及散射性能的影响，据此提出了反射栅设计的指导原则：通过 采用合适的电极结构、改变电极厚度或金属化率来补偿传播及体波散射损耗。 论文详细分析并设计了读写器。建立了发射、接收信号模型，提出了采用信 息论方法计算标签反射栅的数目，介绍了几种高分辨率的频率提取算法并作了定 量分析。设计了读写器的各个模块单元，针对连续波体制的收发难隔离的问题， 论文设计了一种基于定向耦合器和s c h i f f m a n 型18 0 0 混合器的收发隔离方案，隔 离度可以达至l j _ 6 0 d b 。为了进一步降低系统成本，在接收部分还采用了零中频接 收机。 论文制作了一套完整的基于频域采样的s a wr f i d 系统并进行了实验验证。 实验将信噪比作为衡量系统性能的重要依据，比较了信息论方法各准则在计算反 射栅数目时的性能以及各种高分辨率算法在频率提取时的准确性和分辨率，最终 决定了采用在小信噪比下性能优异的信息论m m d l 准则和p r o e s p r i t 算法。 论文初步研究了s a wr f i d 系统的多标签防碰撞问题，提出了基于智能天 线的解决方案，利用波达角表示各个标签在空间的位置，采用遗传算法并行提取 波达角，并由此生成对应各个标签的阵列加权矢量组，然后再根据各个阵列加权 矢量组形成主波束分别指向各个待识别标签的方向，恢复各个标签的信号并解 码，最后通过仿真运算初步验证了其可行性。 关键词：声表面波，射频识别，标签，频域采样，防碰撞，智能天线 f 海交通大学协十学位论义 a b s t r a c t t a g sb a s e do ns u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) t e c h n i q u e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s s e n s i n g ，c o m p l e t e l yp a s s i v eo p e r a t i o na n dh i g hr o b u s t n e s sa g a i n s te n v i r o n m e n t a li m p a c t s w h i c hm a k et h e ms u p e r i o rt oo t h e rt e c h n i q u e sw h e nu s e di nar 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 ( r f i d ) s y s t e m t h i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c ho nt h es a w r f i ds y s t e mc o m p o s e db y t a ga n dt r a n s c e i v e r , e s p e c i a l l ya r g u e do nl o w e r i n gt h es y s t e mc o s t ，i n c r e a s i n gt h ec o d i n g c a p a c i t ya n dt h ei d e n t i f i c a t i o nr a t ei nt h el o ws i g n a ln o i s er a t i o ( s n r ) ，a n dp r e l i m i n a r i l y s t u d i e dt h ep r o b l e mo f m u l t i t a g sa n t i - c o l l i s i o na tt h ee n do f t h ep a p e r - s a wr f ids y s t e mu s u a l l ya d o p t st i m ed o m a i ns a m p l i n ga st h ed e c o d i n gm e t h o d i t s t r a n s c e i v e rw o r k su n d e rt h ep u l s e r a d a rm e c h a n i s mw h i c hc a nb ed e s c r i b e da si m p u l s i n g a n a l o gs i g n a lo ft h es i n g l en a l t o wp u l s ea n dm e a s u r i n gt h ei m p u l s er e s p o n s eo f t h et a g t h e m a i nd i s a d v a n t a g e so ft h i sm e t h o da r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ：( 1 ) t oa v o i dt h es y m b o l i n t e r f e r e n c eo ft h et w or e t u r n i n gi m p u l s ea m o n gt h eu n i ti m p u l s es i g n a l ，i ti sa d v i s e dt os e l e c t ah i g h b a n d w i d t hs i g n a lo ft h ei n q u i r y ，b u ti ti so f t e nl i m i t e db yt h ei n d u s t r i a ls c i e n t i f i c m e d i c a l ( i s m ) b a n d w i d t hr e g u l a t i o n ( 2 ) s a m p l i n gt h et r a n s c e i v e r sa c c e s st ot i m e - d o m a i n s i g n a lo nt h eh i g hs p e e d ，i tc a l l f o rt h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h ea dc o n v e r s i o na n d t r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ( t i r ) s w i t c h t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a sa d o p t e df r e q u e n c yd o m a i n s a m p l i n ga st h ed e c o d i n gm e t h o d ，d i r e c t l yr e c e i v i n gt h ef r e q u e n c yd o m a i nf u n c t i o no ft h et a g s y s t e m t h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o do ff r e q u e n c yd o m a i ns a m p l i n gi st o u s et h e i n v e r s ef o u r i e rt r a n s f o r mt oc h a n g et h em e a s u r e df r e q u e n c y - d o m a i ns i g n a li n t ot i m e - d o m a i n s i g n a l w h i c hi sf o rt h ef o l l o w - u pd e a l 。b u tw i t ht h ed e c r e a s eo ft h eb a n d w i d t h ，t h e t i m e d o m a i nr e s o l u t i o nw i l lr e d u c e s o ，f r e q u e n c y s t e p p e dc o n t i n u o u sw a v e ( f s c w ) c a nb e u s e da st h et r a n s m i t t i n gs i g n a l ，a n dt h eh i g h - r e s o l u t i o na r i t h m e t i ct op i c ko u tt h ef r e q u e n c y i n f o r m a t i o no ft h em i x e rs i g n a lf r o mt h ee c h oa n dt h el a u n c hs i g n a lt od e c o d e t h i sp a p e rh a sp r e s e n t e dt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nt h es a wi d t a g ，i n c l u d i n g ：t h e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e ro fe a c hc o m p o n e n t , t h eg e n e r a lf r a m e w o r ko ft h es a wt a g ，t h e i n d i c a t o r so ft h ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to nt h es u b s t r a t ec u ta n dt h ec o m m o nu s e dc o d i n g s c h e m e a sf o rt h ef a c t u a la p p l i c a t i o no ft h i sp a p e r ，t h es i n g l e p h a s e du n i d i r e c t i o n a l i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ( s p u d t ) i n l i n e s t r u c t u r ei sa d o p t e da st h ef r a m e w o r ko ft h es a w i d - t a g ，t h el i n b 0 3c r y s t a li sc h o s e na st h es u b s t r a t em a t e r i a l ，t h eb a s i cr u l eo f t h es e l e c t i o no f t h eo p t i m u mc u ti sp r o m o t e d ，a n dt h ec o m p u t a t i o n a lp r o g r a mo fc a l c u l a t i n gt h ei n d i c a t o r so f t h ep e r f o r m a n c em e a s u r e m e n to nt h es u b s t r a t ec u ti se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e c o m p u t a t i o n a lr e s u l t s ，t h eo p t i m u mc u t i sf i n a l l yd e t e r m i n e da tt h e ( 0 。，3 7 8 6 。，o 。) t h i sp a p e r i i i 摘耍 h a sa l s om a d eo u tt h ec o d i n gs c h e m ew i t hs e l f - c h e c kf u n c t i o nt om e e tt h en e e d so fh i g h c a p a ci t ye n c o d i n g t h i sp a p e rh a sa d o p t e dt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d b o u r n d a r ye l e m e n tm o t h o d ( f e m b e m ) b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dg r e e nf u n c t i o na n ds o u r c er e g e n e r a t i o nm o t h o dt o c o m p u t eo u tt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o d ef r a m e w o r k ，e l e c t r o d en u m b e r , e l e c t r o d et h i c k n e s sa n d m e t a l l i z a t i o nr a t i oc h a n g eo nt h er e f l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n ds c a t t e r i n go ft h er e f l e c t o r ，o n w h i c ht h eg u i d el i n eo ft h er e f l e c t o rd e s i g ni s p r o m o t e d ，t h a ti s ，t oc o m p e n s a t et h el o s s b r o u g h tb yt r a n s m i s s i o na n db u l kw a v es c a t t e r i n g ，i ti sr e a s o n a b l et oa d o p t es u i t a b l ee l e c t r o d e f r a m e w o r ka n dc h a n g et h ee l e c t r o d et h i c k n e s so rt h em e t a l l i z a t i o nr a t i o t h i sp a p e rh a sa n a l y z e da n dd e s i g n e dt h et r a n s c e i v e ri nd e t a i l b a s e do nt h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，t h i sp a p e rh a ss e tu pt h em o d e lo ft r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o n ，p r o m o t e dt h e i n f o r m a t i o nt h e o r yt op i c ko u tt h en u m b e ro ft h er e f l e c t o r s ，i n t r o d u c e ds e v e r a lf r e q u e n c y e s t i m a t i o nm e t h o d sa n dc o m p a r i n gt h e i rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h i sp a p e rh a sd e s i g n e d e a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo ft h et r a n s c e i v e r c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t yo ft rs e p a r a t i o nu n d e r c ws t r u c t u r e ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dat rs e p a r a t i o ns c h e m eb a s e do nt h ed i r e c t i o n a l c o u p l e ra n dt h es c h i f f m a ns t y l e 18 0 0h y b r i d s ，t h ei s o l a t i o nc a nb en o tl e s st h a n6 0 d b t h e r e c e i v i n gp a r to ft h et r a n s c e i v e rh a sa l s oa d o p t e dz e r o i n t e r m i d i a t ef r e q u e n c y ( z e r o i f ) r e c e i v e rj no r d e rt or e d u c et h ec o s tf u r t h e rm o r e as a wr f i ds y s t e mb a s e do nt h ef r e q u e n c yd o m a i ns a m p l i n gi sm a d eo u ta n dp r o g r e s s e d i nt h ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n th a sm a d et h es n ra st h ei m p o r t a n tf a c t o rj u d g i n gt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dc o m p a r e dt h ep e r f o r m a n c eo fi n f o r m a t i o nt h e o r e t i cc r i t e r i ai n c a l c u l a t i n gt h en u m b e ro fr e f l e c t o r sa n dt h ea c c u r a c ya n dr e s o l u t i o ni nf r e q u e n c yc a l c u l a t i o n o fe v e r ya l g o r i t h m a tl a s t ，t h em m d lc r i t e r i o na n dt h ep r o e s p r i ta r i t h m e t i co ft h el e a s t c o m p u t a t i o na n db e s tp e r f o r m a n c eu n d e rl o ws n ra r ea d o p t e d t h r o u g ht h ep r i m a r yr e s e a r c ho nt h em u l t i - t a g sa n t i - c o l l i s i o np r o b l e mo fs a w r f i d s y s t e m ，t h er e s o l u t i o nb a s e do nt h es m a r ta n t e n n ai sp r o m o t e d i t sp r o c e s sc a nb ed e s c r i b e da s ： t h eu s eo ft h ed i r e c t i o no fa r r i v a l ( d o a ) t of i g u r et h es p a c ep o s i t i o no fe v e r yt a ga n dg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) t op i c ku pd o a h a sc r e a t e dt h ec o r r e s p o n d i n ga r r a yw e i g h t v e c t o r s ；t h e n ，t h e m a i nb e a mi sf o r m e da c c o r d i n gt ot h ea r r a yw e i g h tv e c t o r s ，s e p a r a t e l yp o i n t i n gt oe v e r y d i r e c t i o no ft a g su n d e ri d e n t i f i c a t i o n ；a t l a s t ，e v e r yt a g i sr e n e w e da n dr e c o d e d t h e s i m u l a t i o no p e r a t i o nh a sv e r i f i e di t si n i t i a lf e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，r 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 ，i d t a g ，f r e q u e n c y d o m a i ns a m p l i n g ，a n t i - c o l l i s i o n ，s m a r ta n t e n n a 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：2 0 0 9 年1 月 上海交通大学 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。本人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保砚4 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：指导教师签名： f i 海交通大学博 学位论义 曼! 曼! 曼曼曼曼曼! i i m 一：i i = ；m m 二i i _ i | 曼苎曼曼鼍笪曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼! 曼! 鼍 1 1 引言 第一章绪论 在经济全球化的今天，信息技术已成为社会进步与发展的重要推动力，作为 信息技术的重要组成部分，自动识别技术的发展显得尤为关键。自动识别技术通 过采用一系列先进的技术手段，实现对各类物体或设备在不同状态下的自动识别 和管理。它的种类繁多，主要包括条形码技术、光学符号识别技术、生物特征识 别技术、i c 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 技术和射频识别( r 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 ，r f i d ) 技术等。采用自动识别技术可以实现数据的自动识别和采集， 大大提高信息获取的实效性、准确性和规范性。 多年以来，条形码技术已经得到了非常广泛的应用，许多销售市场、运输和 生产制造企业以及公司和政府单位都在使用条形码来读取、添加和更新系统数据 库中的记录，条形码是一组宽窄不等、条空相间的条纹图案，此图案代表着物体 的各种信息，包括名称、编号等一系列数字、字母以及标点符号，通过激光扫描 读出数据，使用条形码最大的优点是价格便宜，缺点是存储能力小，不能改写， 而且抗污染能力很弱。i c 卡作为一种数据存储系统，应用也比较广泛，如日常 使用的带机械触点的电话卡、银行卡等，其按内部结构可分为存储器卡和c p u 卡，存储器卡主要针对一些特殊应用来制造，价格便宜，c p u 卡则包含有微处 理器，使用非常灵活，i c 卡的优点在于安全性好，其内部存储的数据很难被恶 意地读取和修改，缺点是抗腐蚀、抗污染和抗恶劣工作环境的能力较差。另外， 光学符号识别技术利用光学元件对资料进行扫描得到图像文件，然后对图像文件 进行分析和处理，从而获取资料的原始信息，其优点在于信息扶取较为方便，缺 点是设备复杂，价格昂贵。生物特征识别技术则包括语音识别技术、视觉识别技 术等等，其应用范围局限性较大。 r f i d 技术是从上世纪八十年代开始逐步走向应用的种非接触式的自动识 别技术，系统一般包括识别标签( i d e n t i f i c a t i o nt a g ，i d t a g ) 和读写器，标签中通常 保存有约定格式的电子数据，它们往往附着在待识别物体的表面，读写器无接触 地读取电子标签中所保存的电子数据，并进行解码，从而达到自动识别物体的目 第一覃绪论 的。与其它识别于段相比，r f i d 技术有以下几个特点： ( 1 ) 数据存储容量大； ( 2 ) 读写速度快，作用距离远； ( 3 ) 体积小，易封装，使用方便： ( 4 ) 使用寿命长，对环境下适应能力强： ( 5 ) 数据电子化储存存标签的存储单元内，可进行密钥认证，安全可靠。 与其它自动识别技术相比，无论是从数据密度、识别速度、作用距离还是从环境 适应性来说，r f i d 技术都具有无可比拟的优势。 基于声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 技术的r f i d 系统，由于其具有 无源、被动、成本低廉等特点，能适应在恶劣环境下工作并且作用距离较远，综 合性能较为优异，已成为r f i d 技术发展的一个重要方向，引起了业界的广泛重 视，目前国内外一些公司和单位已投入大量的人力和物力进行研究和开发，使得 s a wr f i d 技术取得了长足的进步，几种实用的s a wr f i d 系统已相继投入使 用。 作为一种快速、实时、准确的采集和处理信息的高新技术，r f i d 技术己逐 渐成为企业提高物流供应链管理水平、降低成本、企业管理信息化、参与国际经 济大循环、增强竞争能力不可缺少的技术工具和手段，甚至直接影响到人们的一 些生活方式，因此已经成为自动识别技术研究的热点。就市场应用情况而言， r f i d 技术也已得到全球业界的普遍重视和认可，据i d t e c h e x 公司测算和估计， 2 0 0 7 年全球r f i d 市场达到4 9 6 亿美元，2 0 0 8 年将达到7 0 多亿美元，2 0 1 7 年 的r f i d 市场价值则将上升至近3 0 0 亿美元。与国外相比，国内的r f i d 市场虽 然总额较小，但也在持续发展中，市场规模在2 0 0 7 年第1 季度达到了9 7 7 亿元 人民币，较2 0 0 6 年同期增长了6 1 5 ，由于奥运会的带动以及政府主导的一些 重大项目相继投入实施，今后几年国内的r f i d 整体市场规模将得到高速、稳步 的增长。 1 2r f i d 概述 1 2 1r f i d 系统组成及工作原理 r f i d 是一种利用无线射频通信实现非接触自动识别的技术，根据其使用特 2 f 洱趸通大掌博 。1 7 ：何论文 点，又被称为电子标签或者无线标签。r f i d 系统基本结构如图1 1 所示，系统 由标签和读写器组成。读写器包括天线、数据收发单元和数据处理单元，它可 以是固定式的或于持式的，提供与标签进行数据传输的途径。标签包括天线和数 据单元，有的标签还包括电源，标签是系统真正的数据载体，支持的工作距离从 几厘米到几十米不等，标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点， 可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。 天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置，用来实现 导行波与自由空间波能量的转化，标签天线和读写器天线一起承担接收能量和发 射能量的作用，由于工作频段不同，天线的原理和设计有着根本性的彳 同，天线 的尺寸、增益、阻抗特性和辐射损耗等参数都会影响到整个r f i d 系统的性能。 绩； 识别标签 厂 脚咽腿 i 数据l l 处胛卜 i 帕l 1 一j 图l - lr f i d 系统基本组成 f i g 1 1b a s i cc o n f i g u r a t i o no fr f i ds y s t e m 系统工作时，读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当附着有标签 的目标对象进入发射天线的工作区域后，标签会主动或被动地将编码信息通过内 置天线发射出去，读写器接收信号，经过预处理后送数据处理单元进行解码。基 本工作原理有两种：近距离的电感耦合和远距离的电磁反向散射耦合。在电感耦 合方式中，读写器的天线相当于变压器的初级线圈，标签的天线相当于次级线圈。 耦合磁场存读写器和标签问构成闭合回路，完成数据传输；在电磁反向散射耦合 方式中，读写器的天线将射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形 成有效工作区域。进入这个区域的标签通过内部电路及天线将存储的数据信息反 射回读写器。 1 2 2r f i d 标签分类 按供电方式划分，r f i d 标签可以分为有源标签、半无源标签和无源标签。 有源标签带有电路和电池，工作时由电池给标签上的电路供电；半无源标签只带 有半导体j 芯片而没有电池，工作时芯片所需能量从外部的射频载波获得；无源标 3 镐覃绪论 签既不带半导体芯片也没有电池，标签本身不需要供电，只是被动地完成射频信 号的接收和反射。有源标签又被称为主动式标签，其优点是工作距离较远，缺点 是体积大、工作时间受电池寿命影响；半无源标签和无源标签又被称为被动式标 签，它们的体积小、重量轻、价格便宜、使用方便，但工作距离相对较短；另外， 相对于无源标签，有源标签和半无源标签对使用环境要求较高，它们不适合工作 于恶劣环境下以及金属或液体的表面。 1 2 3r f i d 工作频段划分 r f i d 系统的工作频率不仅决定了系统的工作原理( 电感耦合还是电磁耦 合) 、识别距离，还决定了系统实现的难易程度和成本。它使用工业、科学和医 疗设备( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ，i s m ) 频段，主要有以下三个频率范围： ( 1 ) 低频( l o wf r e q u e n c y , l f ) 频段 工作频率范围为3 0 k h z - 3 0 0 k h z ，典型的工作频率有1 2 5 k h z 和1 3 3 k h z 。标签 一般为半无源标签，工作所需能量通过电感耦合从读写器中获得，工作区域位于 读写器天线辐射的近场区内，读写距离一般小于l m ，适合应用于近距、低速、 数据量要求较少的场合。 ( 2 ) 中高( h i g hf r e q u e n c y , h f ) 频段 工作频率范围为3 m h z 3 0 m h z ，典型的工作频率有1 3 5 6 m h z 和2 7 1 2 m h z 。 读写距离同低频段系统完全相同，标签一般为无源标签，工作原理同低频标签相 同，读写距离一般也小于l m 。相对于低频标签，中高频标签数据传输率较高。 ( 3 ) 超高频( u l t r a h i g hf r e q u e n c y , u h f ) 和微波( m i c r o w a v e ) 频段 超高频段典型工作频率包括4 3 3 9 2 m h z 和8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ，微波频段典型 的工作频率有2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。标签既可以采用无源标签也可以采用有源标 签，天线一般采用定向天线，工作区域位于读写器天线辐射的远场区和定向波束 内，识别距离较远，一般大于l m ，典型为4 7 m 。工作于这两个频段的r f i d 系统 的特点是数据存储量大、识别距离远i 可用于识别高速运动的物体，其缺点是成 本较高，识别性能受天线方向性的影响大。 一般来说，中、低频段近距离无接触r f i d 系统常采用电感耦合方式工作， 而高频、超高频以及微波频段的r f i d 系统则是采用电磁反向散射耦合方式工作。 4 卜海交通大。亨：埔l ，学付沦文 1 2 4r f i d 技术发展的历史沿革 r f i d 技术的发展可按十年期划分如下： 1 9 4 0 1 9 5 0 年：雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，其中，1 9 4 8 年h s t o c k m a n 发表的论文“利用反射功率的通信”奠定t r f i d 技术的理论基础【i l ； 1 9 5 0 1 9 6 0 年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验研究： 1 9 6 0 1 9 7 0 年：r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试； 1 9 7 0 1 9 8 0 年：r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测 试得到加速，出现了一些最早的r f i d 应用： 1 9 8 0 1 9 9 0 年：r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现； 1 9 9 0 2 0 0 0 年：r f i d 技术标准化问题目趋得到重视，r f i d 产品得到广泛采用， 逐渐成为人们生活中的一部分； 2 0 0 0 年后：有源、无源及半无源标签均得到发展，标签成本不断降低，规模、 应用行业不断扩大，r f i d 产品种类更加丰富，标准化问题u 益为人们所重视。 为了更好地推动i 心i d 产业的发展，国际标准化组织i s o 、以美国为首的e p c g l o b a l 、日本的u i d 等纷纷制定了r f i d 产业标准，三个标准相互不兼容，主要差 别在通讯方式、防冲突协议和数据格式三个方面，在技术上并无太大差距。目前 支持i s o 标准的r f i d 产品最多，i s o 标准体系主要包括技术标准、数据结构标准、 性能标准以及应用标准，其中技术标准如表1 1 所示。e p cg l o b a l 标准是由北美 u c c 产品统一编码组织和欧洲e a n 产品标准组织联合发起、吸收了a u t oi d 中心 的研究成果后推出的系列标准草案，它仅局限于超高频( u h f ) 频段( 8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) 的r f i d 产品，这些产品因为工作距离远且工作频率最可能成为全球通用 的频段而最受重视，e p cg l o b a l 标准的推广和发展十分迅速，许多大公司如沃尔 玛等都是其支持者，目前，e p cg l o b a l ；j i 准最新的u h fg e n2 协议作为c 类u h f r f i d 标准已经并入i s 0 18 0 0 0 - - 6 修订标准中。日本的u i d 一直致力于发展本国的 r f i d 标准，与e p cg l o b a l 标准大力发展u h f 频段的产品不同的是，它更青睐于发 展2 4 5 g h z 微波频段的r f i d 产品。国内的r f i d 标准设立了7 个组，分别是总体组、 标签和读写器组、频率与通信组、数据格式组、信息安全组、应用组和知识产权 组，目前尚处于研究阶段，已立项的r f i d 标准主要是对应于i s o1 8 0 0 0 系列标准。 5 第。审绪论 表1 1 用于r f i d 的i s o 技术标准 t a b 1 1i s 0t e c h n i q u es t a n d a r df o rr f i d 标准号标准内容 i s o1 8 0 0 0 1 i s o1 8 0 0 0 2 i s o1 8 0 0 0 3 i s o1 8 0 0 0 4 i s o1 8 0 0 0 6 i s o1 8 0 0 0 7 i s o1 0 5 3 6 i s o1 5 6 9 3 l s o1 4 4 4 3 空中接口。般参数 低于1 3 5 k h z 的空中接u 参数 1 3 5 6 m h z 的空中接口参数 2 4 5 g h z 的空中接u 参数 8 6 0 9 6 0 m h z 的空中接口参数 4 3 3 9 2m h z 的空中接u 参数 非接触集成电路卡 非接触集成电路卡近程譬 非接触集成电路卡近程卡 1 2 5r f i d 技术现状与发展趋势 成本的降低和效率的提高，促使r f i d 技术成为各个行业实现信息化的重要 切入点，它的典型应用领域包括：车辆自动识别管理、高速公路收费及智能交通 系统、货物的跟踪和管理、仓储和配送等物流环节、电子钱包和电子票证、生产 线产品加工过程自动控制以及动物跟踪和管理等。h f 频段的i 心i d 系统虽然识别 距离近，但准确性较好，技术比较成熟，国产化水平高，因此应用较为广泛。 u h f 频段的r f i d 系统的优势在于能量较高、读写距离远、信号传输速度快，但 由于天线存在较强的方向性以及复杂的防碰撞算法等问题，目前还存在漏读和误 读等问题，无法保证1 0 0 的识别率，这在一定程度上限制了它们的使用。从长 远发展趋势来看，随着u h f 频段技术的进一步成熟，它将成为未来的应用主流。 一个理想的r f i d 系统应该具备以下特点： ( 1 ) 射频标签无源； ( 2 ) 系统支持多标签识别； ( 3 ) 适用于高速移动物体的识别； ( 4 ) 可远距离识别；， ( 5 ) 低成本，可满足一次性使用要求。 对于有源标签和半无源标签，芯片在r f i d 系统中占据着举足轻重的地位， 所以其设计和制造对于整个行业至关重要。在低频段和高频段的应用方面，国内 厂商的产品已经较为成熟，但在u h f 频段，由于下列设计困难的存在：( 1 ) 苛刻 的功耗限制；( 2 ) 片上天线技术；( 3 ) 后续封装问题；( 4 ) 与天线的适配技术， 目前产品大都为国外厂商所垄断，以复旦微电子和上海华虹为代表的国内厂商正 致力于早u 推出具有自主知识产权的u h f 频段的r f i d ：笛片。 6 卜海交通大￥：博十筝竹论文 相对于r f i d 芯片和标签来说，国内在r f i d 系统方案提供和读写器研发方面 并不落后，已经基本形成了完备的读写器产业链，也产生了一批专门从事r f i d 产业的成功企业，比如深圳远望谷信息技术有限公司、上海华虹等。远望谷公司 已成功开发了具有完全自主产权并达到国际先进水平的铁路车号自动识别信息 采集系统，以此为带动，该公司还成功开发出物流托盘r f i d 解决方案以及路桥 电子收费r f i d 解决方案等。 r f i d 技术的发展得益于包括天线技术、无线收发技术、芯片技术、编码技 术等多项技术的综合发展，随着技术的彳 断进步，r f i d 产品的种类将越来越丰 富，应用也越来越广泛。在未来的几年中，r f i d 技术将保持持续高速发展的势 头，并会在标签、读写器、系统种类等方面取得新进展。在标签方面，芯片所需 的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟，系统作用距离将吏远，无线 可读写性能也将更加完善，能够以