（计算机科学与技术专业论文）超高频射频识别系统中基带频率偏差检测方法研究.pdf

硕l j 学位论文 摘要 无线射频识别技术( 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 ) 是一种在多个领域 广泛使用的非接触自动识别技术。典型的r f i d 系统由读写器、电子标签组成。与 条形码和磁卡相比，r f i d 所具有的读取速度快、免接触式操作、数据的记忆容量 大、抗干扰性强，读取距离远等优势，使其成为识别技术的发展方向。 但是，r f i d 系统的性能受到依附物材质、传输带速率、交互方式、标签粘贴 位置等多种因素的影响。随着r f i d 产品标准的进一步完善和确立，就需要对r f i d 的性能进行测试，保证产品性能与标准的一致性。r f i d 的基带频率偏差检测就是 其中一项很重要的内容。 标签返回的高频信号被读写器天线接受后，经过特定的信号处理过程( 如放 大、解调) 后得到基带信号。在不同数据速率和温度下，r f i d 标准对于频率偏差 有不同的要求，这就要求对r f i d 的基带频率偏差进行测试， 本文完成了r f i d 基带频率偏差检测的理论设计。本文采用基于滤波器的方 法，即首先对采样信号进行f i r 低通滤波，然后相关运算完成数据解码。最后通 过如下方法估计频偏。 对于已知环境噪声中的频率偏差检测，通过预设门限的方法确定。考虑到频 偏估计对编码电平采样点数的敏感性，边界点需要细致的判决。首先通过滤波前 后边界点与预设门限的比较确定权值。然后通过预估结果与不同频率偏差下的采 样序列的加权比较确定频偏。对于未知噪声环境中的频率偏差检测，通过波形变 换的方法确定。首先通过采样信号的适当抽取构造余弦的4 倍采样波形，通过功率 谱密度分析确定频偏。 在m a t l a b 下的仿真结果表明：在最佳的测量长度下，如果信噪比大于3 d b ， 预设门限法的测量准确率可以达到9 3 以上。当测量长度大于1 0 0 个编码长度时， 波形构造法的准确率可以达到9 9 以上。 关键词：r f i d ；基带信号；频率偏差；f f t ；相关 i i 超高频射频识别系统种幕带频率偏差柃测方法研究 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 f i c a t i o n ( r f i d ) h a sb e c o m et h ew i d e s p r e a dc o n t a c t _ f r e e a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nm a n ys e r v i c e s at y p i c a lr f i ds y s t e mc o n s i s t s o ft w ob a s i ce l e m e n t s ： r e a d e ra n dt a g c o m p a r e dw i t h b a r - c o d ec a r da n dm a g c a r d ， t h ea d v a n t a g eo fr f i ds u c ha sr e a d i n g s p e e dq u i c k ，c o n t a c t f r e e ，m e m o r yc a p a c i t y l a r g ea n da n t i i n t e r f e r e n c e ，t h er e a d i n gd i s t a n c ef a r , c a u s ei tt ob e c o m ei d e n t i f i c a t i o n d e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h ep e r f o r m a n c eo fr f i di si m p a c t e dw i t hm a n yp a r a m e t e r ss u c h a sa d h e r e o b j e c tt y p e ，s p e e do fc o n v e y o ht h ei n t e r a c t i o no fp r o d u c ta n dt a gp l a c e m e n t a l o n g w i t ht h es t a n d a r d sd e v e l o p m e n ta n de s t a b l i s h m e n tt h er f i dp r o d u c tt e s t i n g t oi n o r d e rt og u a r a n t e et h ep r o d u c tq u a l i t yi nc o m p l i a n c ew i t ht h es t a n d a r d s t h er f i d b a s e b a n df r e q u e n c yo f f s e tt e s ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n to ft h et e s t i n g t h eh i g h f r e q u e n c ys i g n a lt h a tb a c k s c a t t e r e df r o mat a gi sr e c e i v e db yr e a d e r s a n t e n n aa n dg o e st h r o u g hc e r t a i ns i g n a lp r o c e s s i n g ( s u c ha sa m p l if i c a t i o n ，q u a d r a t u r e d o w nc o n v e r s i o n ) ，t h e n ，w eg e tm eb a s e - b a n ds i g n a l r f i ds t a n d a r d sh a v ed i f f e r e n t f r e q u e n c y o f f s e t r e q u i r e m e n t s f o rb a s e b a n ds i g n a lu n d e r d i f f e r e n tr a t ea n d t e m p e r a t u r e t h i sr e q u i r e sf r e q u e n c yo f f s e tm e a s u r e m e n tf o rr f i d b a s e - b a n ds i g n a l t h i sp a p e rh a sc o m p l i c a t e dt h et h e o r e t i c a ld e s i g no fr f i db a s e b a n df r e q u e n c y o f f s e td e t e c t t h i sp a p e rt a k e st h em e t h o db a s e do nf i r f i r s tc a r r y i n go nl o w p a s s f i l t e r i n gf o rt h es a m p l e dd a t a ，t h e nt h r o u g h tt h ec o r r e l a t i o nt od e c o d ed a t a ，f i n a l l y ，t h e f o l l o w i n gm e t h o da r eu s e dt oe s t i m a t ef r e q u e n c yo f f s e t f o rt h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nu n d e ra m b i e n tn o i s ek n o w n ，i tc a nb e o b t a i n e db yp r e s e tt h r e s h o l d i nv i e wo ff r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ss e n s i t i v i t y t o t h ep o i n tc o u n to nt h es a m el e v e l ，t h eb o r d e rp o i n tm u s tb ec a r e f u l l y d e c i d e d c o m p a r i n gt h eb o r d e rp o i n tw i t hp r e - s e tt h r e s h o l dt o s u r ew e i g h t ，t h e nc o m p a r i n g t h ee s t i m a t e dr e s u l tw i t ht h es a m p l i n gp o i n t si nd i f f e r e n tf r e q u e n c yo f f s e t t o d e t e r m i n et h ef r e q u e n c yo f f s e t ；f o rt h ef r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nu n d e ra m b i e n t n o i s eu n k n o w n ，i tc a nb eo b t a i n e db yw a v et r a n s l a t i o n e x t r a c ta n da r r a n g et h e s a m p l e dd a t at of o r mf o u r t i m e ss a m p l e ds i g n a lo fc o s ，a tl a s tg e t s o f f s e tt h r o u g h p o w e rs p e c t r u a ld e n s i t ya n a l y s i s t h es i m u l a t i o nu n d e rm a t l a bs h o w st h a t ：u n d e rt h eb e s tm e a s u r e m e n tl e n g t h ， i fs n r 3 d b t h ea c c u r a c yr a t eo fp r e s e tt h r e s h o l da l g o r i t h e ma c h i e v ea b o v ep e r c e n t i i i 硕l j 学位论文 9 3 w h e nt h es u r v e yl e n g t hi s b i g g e rt h a n 10 0c o d e s ，t h ea c c u r a c y r a t eo fw a v e t r a n s l a t i o na l g o r i t h e m sm e t h o dr a t eo fm a ya c h i e v ea b o v e9 9 k e yw o r d s ：r f i d ；b a e b a n ds i g n a l ；f r e q u c n c yo f f s e t ；f f t ；c o r r e l a i o n ； i v 超高频射频识别系统种基带频鼋爱偏差柃测方法研究 插图索引 图2 1r f i d 系统的基本模型一6 图2 2 射频识别系统原理图8 图2 3a s k 、p s k 调制示意图9 图2 4f m 0 基本功能和发生器状态图1 1 图2 5m i l l e r 基本功能和发生器状态图1 1 图2 6 频率偏差原因分析1 2 图2 7 基带频率偏差的测试场1 3 图3 1f m 0 的典型数据序列1 6 图3 2f m 0 数据前同步码1 6 图3 3f m o 功率谱密度分析2 1 图3 4f m 0 编码频域混叠分析2 3 图3 5f i r 滤波器幅频响应2 4 图3 6 e a r l y l a t eg a t e 算法示意图2 7 图3 7改进算法示意图2 7 图3 8均值为0 、方差为1 时的典型高斯分布2 9 图3 9 解码器设计模块图3 5 图3 1 0 改进型解码算法仿真结果3 5 图4 1边界点分析3 7 图4 2s n r = 6 d b 时的门限分析1 3 8 图4 3s n r = 6 d b 时的门限分析2 3 9 图4 4门限判决法的仿真结果4 2 图5 1采样信号的抽取算法1 一4 5 图5 2采样信号的抽取算法2 4 5 图5 3功率谱密度分析4 8 图5 4 准确率与信噪比的关系5 0 图5 5 运算量与信噪比的关系5 0 图5 6 序列抽取法的仿真结果5 1 v i i 硕l ：学位论文 附表索引 表2 1r f i d 系统的典型分类7 表3 1 标签对询问机链路速率1 7 表3 2 标签对询问机数据速率1 7 表4 1最大准确率与最佳测量长度4 2 硕一f - 学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于科技部8 6 3 计划先进制造技术领域重大项目资助课题( 编号： 2 0 0 6 a a 0 4 a 1 0 4 ) ：r f i d 系统测试技术研究开发及开放平台建设。 1 2 研究的背景和意义 无线射频识别技术( 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 ) 是一种非接触式的 自动识别与数据采集( a i d c ，a u t oi d e n t i f i c a t i o na n dd a t ac o l l e c t i o n ) ，其基本原 理是利用射频信号的空间耦合( 电感或电磁耦合) 或反射的传输特性，实现对被识 别物体的自动识别。r f i d 技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件 技术、数据库技术以及无线电技术。 目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的优势在于成本较低，缺点是易磨 损，数据量很小且不能改写；接触式i c 卡的价格稍高，数据存储量较大，安全性 相对较好，但是也容易磨损，寿命短。与以上几种技术相比，r f i d 技术具有读取 速度快、免接触式操作、抗污染能力强和耐持久、数据可读写重复使用、数据的 记忆容量大、抗干扰性强，读取距离远等非常明显的优势【2 j 。其应用将给零售、 物流等产业带来革命性变化i l 】。 随着r f i d 应用的发展和产品的不断成熟，国家标准的制定和完善，建立全面、 完整的开放型r f i d 检测系统刻不容缓，这不仅可以为r f i d 国家标准的制定和实 施提供相应的技术保障，而且可以使国家标准的制定具有相应的检测能力和手段， 同时还可为r f i d 产品的生产者和应用者提供相应的技术保障。r f i d 的性能受到 产品材质、传输带速率、交互方式、标签粘贴位置等多种因素的影响1 3 】。所以 就需要对r f i d 的产品性能进行测试，保证r f i d 的产品质量。 r f i d 的基带频率偏差就是其中一项很重要的内容。电子标签返回的高频信号 被天线接收后，经过放大、解调等步骤后得到的信号称为基带信号。其数据速率 可以在4 0 k - 6 4 0 k b p s 连续变化且最大允许频偏为2 2 。但是在不同数据速率和不同 温度下，r f i d 标准对于频偏有不同要求【4 j 。因此，正确的识别基带频偏，对于保 证r f i d 的产品质量，对于推动r f i d 技术的发展有着极其重要的意义。 本文是通过理论分析，完成r f i d 的基带解码和频率偏差检测的理论设计，为 r f i d 的产品测试提供技术支持。 无线射频识别系统中堆带频牢偏差的研究 1 3 射频识别技术的发展历程、应用和测试 1 3 1 射频识别技术的发展历程、应用 r f i d 技术发源于雷达，并由雷达理论演变发展成为r f i d 这种生机勃勃的自 动识别与数据采集新技术。r f i d 技术的发展历程可按1 0 年为周期划分如下【4 0 】： 1 9 4 1 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术。1 9 4 8 年哈里斯托克曼的 ( ( 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，奠定了r f i d 的理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要停留在实验室进行实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了突破和发展，出现了一大批极富参考 价值的重要文献：如v i n d i n g 的( ( i n t e r r o g a t o r - r e s p o n d e ri d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) ) ，o t t o r i t e e n b a c k 的( ( c o m m u n i c a t i o nb yr a d a rb e a m s ) ) 。出现了商用r f i d 系统一电子商 品监视( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ，e a s ) 设备。e a s 被认为是最早应用于商业领 域的r f i d 系统。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品处于一个大发展时期，各种射频识别技术得 到加速发展，出现了一些早期的r f i d 应用。r f i d 系统成功应用于自动汽车识别 ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 的电子计费系统、动物跟踪及工厂自动化等。瑞 典的微波基础研究院和美国的国家实验室中子散射研究中心、西北大学等研究机 构成为r f i d 关键技术研究的技术先导。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品开始了商业化应用，各种规模应用开始出现。 i b m 、s i n g l ec h i ps y s t e m 等公司成为了当时r f i d 技术的领跑者。第一个实用的 r f i d 电子商务系统于1 9 8 7 年在挪威出现。1 9 8 9 年美国达拉斯南部高速公路开始使 用不停车收费系统。 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f i d 产品得到了广泛采用。r f i d 技术标准化问题开始引起重 视。1 9 9 8 年美国麻省理工学院的d a v i db r o c k 博士和s a n j a ys a r m a 教授提出了“从 系统的角度来解决物品自动识别问题 的想法，提出了e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c t c o d e ) 的概念以及物联网的概念与构架，并制订了一系列的r f i d 国际标准。r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 0 年至今：标准化问题为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源 电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低， 应用规模不断扩大。至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标 签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移 动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。 从全球的发展来看，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。欧洲许多国家也纷纷进行r f i d 的应用实验。我国己经 开始尝试在一些领域进行应用示范。如1 9 9 3 年的“金卡计划 、2 0 0 1 年的上海虹 硕十学位论文 桥组合式不停车电子收费系统( e t c ) 等。 1 - 3 2 射频识别的测试 r f i d 测试分为技术测试与应用测试。技术测试主要是指r f i d 产品的性能、 可靠性等是否符合标准等，包括硬件测试和软件测试。应用测试主要是对r f i d 技术在具体环境中进行应用时所进行的测试。r f i d 测试是r f i d 实际应用中的技 术保障。尽管r f i d 技术已经趋于成熟，并具有广泛的应用前景，但是当r f i d 产品在一个具体项目中实际应用时，还是有许多问题有待克服。 就目前来说，迫切需要对r f i d 标签的性能、可靠性与一致性进行研究，并 建立一套测试技术规范，以满足企业产品生产的需求；还需要在测试规范基础上， 建立标准、完整的检测系统及计量方法，对r f i d 标签产品进行技术评价和标准 符合性测试，这对保证r f i d 标签产品质量是十分必要的。此外，针对识别、跟 踪和管理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，能够针对不同环境改变测试内容，并对系统的解决方案 进行综合测评也是测试规范及验证环境需要考虑的问题。因此，制定科学合理的 测试规范，逐步建设开放型的验证环境，提供第三方产品性能测试结果发布，是 使r f i d 技术稳定可靠地应用于各种环境和场合的必要条件【l 】。 鉴于r f i d 测试的重要性，国际上r f i d 技术的推动者如h p 、i b m 、s u n 及 微软等公司已开始在世界各地建立测试实验室，开展相关的研究和实验。如i b m 在欧洲成立了测试和互操作性实验室，提供r f i d 测试芯片、数据识别器和相关 的应用软件，用来验证它们之间的相互配合情况；s u n 公司在美国达拉斯州建立 了大型r f i d 测试中心，用于发现并解决诸如优化标签和后台数据整合之类的问 题。客户可通过该测试中心确保他们的r f i d 产品达到要求，同时也可在项目实 施之前先对其进行测试。我国r f i d 的技术研究开发虽然刚刚起步，但是对测试 工作很重视。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。 1 4 射频识别技术的研究进展 当前r f i d 的研究主要围绕r f i d 技术标准，r f i d 系统设计、安全与隐私权保 护、防碰撞算法、r f i d 的技术标准和技术测试等方面【4 1 1 。 1 r f i d 设计 目前的r f i d 的读写器设计中，基于通用芯片【1 0 1 3 ，1 8 】的读写器和根据r f i d 标准设计专用芯片 1 4 - 1 7 】的读写器设计，是设计发展的主流。整体i c 具有的低成 本、低功耗、体积小的特点，使其成为未来的发展方向。 标签的设计朝着低功耗、低成本的方向前进【1 9 - 2 0 】。目前来说成本是r f i d 标 签大范围应用最大的瓶颈。r f i d 如果要大规模推广应用，成本要控制到5 美分 无线射频识别系统中慕带频率偏差的研究 以下。而目前市场上供应的芯片价格大约为1 0 美分。r f i d 技术所带来的优势很 大程度上被其新增成本抵消。另外，射频天线的设计【2 卜2 2 1 也是一个值得关注的方 向。 2 安全与隐私权保护 r f i d 当初的设计，信息是完全开放的，这是导致信息安全隐患的最根本原因。 而且，如何在r f i d 标签的成本和可靠加密之间实现合理、经济的权衡与折衷，本 身就是一个巨大的难题。所以目前广泛使用的无源r f i d 系统还没有非常可靠的安 全机制，无法对数据进行很好的保密。 3 防碰撞算法 r f i d 的防冲突算法也是一个值得注意的方向【2 9 。3 1 1 。防碰撞算法是r f i d 的核 心部分，它将直接影响到r f i d 的整体性能。r f i d 标签防碰撞算法分为两类：基 于树分叉的算法和基于a l o h a 的算法【3 们。 4 r f i d 的技术标准和技术测试 r f i d 最初是各个厂家在各自的独立标准下开发出来的，缺乏统一的规范， 因此制约了该项技术在大规模系统中的应用1 5 j 。在超高频( 8 6 0 9 6 0 m h z ) 射频识别 系统方面：主要存在两大标准和协议制定者：e p cg l o b a l 和i s o ( 国际标准化组 织) 。e p cg l o b a l 对电子产品编码( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 带4 定了e p cg l o b a l g e n e r a t i o n 2 ( 下称g e n 2 协议) 。2 0 0 7 年7 月u h fg e n 一2 空中接口协议作为c 类 u h fr f i d 经国际标准化组织0 s o ) 核准加入i s o i e c l 8 0 0 0 6 修改协议。 e p cg l o b a l 组织定义了5 种电子标签，分别是c l a s s 0 c l a s s 一4 1 4 1 。其中c l a s s 0 为只读标签；c l a s s l 为读写标签，内含e e p r o m ，可以重复读写；c l a s s 2 标签 在c l a s s 1 的基础上扩展了新的功能，如写入用户存储空间选择等。上述标签都 是无源标签，采用反向散射机制与读写器进行通讯。c l a s s 3 标签为半有源标签， 也采用反向散射机制传输数据，但是标签的逻辑部分有电源供电。c l a s s 4 标签为 有源标签，标签内部有电源供电，标签之间可以相互通信，并可以自组网络。 5 r f i d 的技术测试 随着r f i d 设计的进一步成熟，r f i d 的测试是一个新的研究领域，国外已经 设计了相应的模拟器【2 3 2 6 】，并展开了测试研究。我国也开始了相应的r f i d 测试 场的建立和研究【2 7 。2 引。总的来说，r f i d 的测试处于起步阶段。相关文献较少， 这无形中给这方面的研究带来了很大的困难。本文的基带频率偏差检测针对的是 u h f 读写器的c l a s s 1 无源电子标签。 1 5 本文的研究工作及章节安排 本文主要研究了噪声中的r f i d 基带信号的解码和频率偏差检测问题，从射 频识别系统的结构入手，在分析了现有基带解码算法之后，提出了新的频率偏差 4 - 硕士学位论文 检测算法，并通过理论分析和计算机仿真给出了理论设计的性能。本文的章节安 排如下： 第一章“绪论 ：介绍了研究的背景和意义，射频识别技术的发展及研究现 状等，同时给出本论文的组织架构。 第二章“超高频射频识别系统简介及其频率偏差问题提出 ：介绍了射频识 别系统结构组成、工作的基本原理、调制解调及基带编码。引出并分析了射频识 别系统中基带频率偏差的产生原因以及其测试方案。 第三章“基带的解码算法分析”：介绍并分析了目前流行的基带解码算法的 关键模块，包括功率谱密度分析、f i r 滤波器设计、相关解码、门限设计，并在 此基础上，提出了新的解码算法。 第四章“已知噪声中的频率偏差检测：以高斯白噪声的分析为例，说明了 已知噪声环境中的频率偏差检测思路，即通过预设门限和加权比较的思想确定频 率偏差，并给出了实验结果和分析。 第五章“未知噪声中的频率偏差检测 ：对于未知噪声中的频率检测，通过 适当的抽取，构造波形，最后通过周期图法进行功率谱密度分析，确定频率偏差。 并给出了算法实验结果和分析。 最后，总结全文并对未来研究工作进行了展望。 超高频射频识别系统种基带频牢偏差柃测方法研究 插图索引 图2 1r f i d 系统的基本模型6 图2 2 射频识别系统原理图8 图2 3a s k 、p s k 调制示意图9 图2 4f m 0 基本功能和发生器状态图1 1 图2 5m i l l e r 基本功能和发生器状态图1 1 图2 6 频率偏差原因分析1 2 图2 7 基带频率偏差的测试场1 3 图3 1f m 0 的典型数据序列1 6 图3 2f m 0 数据前同步码1 6 图3 3f m o 功率谱密度分析2 1 图3 4f m 0 编码频域混叠分析2 3 图3 5f i r 滤波器幅频响应2 4 图3 6 e a r l y l a t eg a t e 算法示意图2 7 图3 7改进算法示意图2 7 图3 8 均值为0 、方差为l 时的典型高斯分布2 9 图3 9 解码器设计模块图3 5 图3 1 0 改进型解码算法仿真结果3 5 图4 1边界点分析3 7 图4 2s n r = 6 d b 时的门限分析1 3 8 图4 3s n r = 6 d b 时的门限分析2 3 9 图4 4门限判决法的仿真结果4 2 图5 1采样信号的抽取算法1 4 5 图5 2 采样信号的抽取算法2 4 5 图5 3功率谱密度分析4 8 图5 4 准确率与信噪比的关系5 0 图5 5 运算量与信噪比的关系5 0 图5 6 序列抽取法的仿真结果5 1 v i i 硕l ：学位论文 附表索引 表2 1r f i d 系统的典型分类7 表3 1标签对询问机链路速率1 7 表3 2 标签对询问机数据速率1 7 表4 1最大准确率与最佳测量长度4 2 无线射频识别系统中幕带频率偏差的研究 第2 章超高频射频识别系统简介及频率偏差问题提出 2 1 射频识别系统组成和分类 2 1 1 射频识别系统的组成 r f i d 系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的 组成会有所不同，但是总的来看，系统一般都由应答器、信号接收机、上位机三 部分组成。典型组成如图2 1 所示。下面分别加以说明： 高频信号 图2 1r f i d 系统的基本模型 1 标签 在r f i d 系统中，应答器也称为信号发射机、前端信息载体，即通常所说的标 签。应答器是射频识别系统真正的数据载体。应答器通常依附在待识别的物体上， 其内部存储信息表征着该物品的独一性。应答器一般由耦合元件以及微电子芯片 组成。基于不同的应用，对应答器的体积、性能的要求也不尽相同。主要电气性 能参数包括：工作频率、读写能力、数据传输速率、信息数据存储量、防碰撞能 力、信息安全性能等。 在很多应用中，需要从阅读器( 读写器) 向应答器写入数据，为了存储数据， 在应答器中主要采用三种类型的存储器：电可擦可编程只读存储器( e e p r o m ) 、 铁电随机存储器( f r a m ) 、静电随机存储器( s r a m ) ；根据信息注入方式可分为集 成电路固化，现场有线改写，现场无线改写。 在r f i d 系统中，应答器是大规模使用的。所以应答器的主要考虑因素是生产 成本，降低成本的手段有缩小芯片面积，采用更精细的芯片切割技术，更先进的 封装技术，以及新型天线技术，甚至于找到硅材料的替代品等。应用最广泛的是 无源+ 集成电路固化+ 静态随机存储的应答器。 酋 墨 硕上学位论文 2 信号接收机 在r f i d 系统中，信号接收机也称为数据交换环节，即通常所说的阅读器。是 r f i d 系统中的读出写入设备，它在整个系统处在核心位置。根据支持的标签类型 与功能的不同，其复杂程度也不尽相同。阅读器的基本功能是与标签进行数据传 输的途径。另外，阅读器还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。根据天线与读写器模块的分离与否，分为分离式读写器和集成式读写器。 但无论哪种读写器，其基本结构都是类似的，从硬件部分来说，典型的读写器是 由射频通道模块，控制处理模块，天线三部分组成。 3 上位机 在r f i d 系统中，上位机也称为后端应用环境。主要完成数据信息的接收、 存储及处理，协同调节多个读写器的协同工作。实际上是一个全局控制系统或数 据管理系统，一般由p c 机或者工作站组成，同时也包括了应用软件或中间件 ( s a v a n t ) ，它扩展了r f i d 系统的应用范围和应用能力，是未来r f i d 系统智能化， 大型化发展的有力技术支撑，是r f i d 技术发展的重要方式，微软公司近年来也 介入了r f i d 技术领域，所瞄准的就是r f i d 系统后端应用的相关软件和服务。 另外，天线是也是r f i d 系统的重要组成部分。天线负责标签与阅读器之间的 数据的发射和接收。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会 影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。 2 1 2 射频识别系统的分类 r f i d 系统依据不同的标准，可以分为很多类别，各个不同的r f i d 系统，在 工作方式和应用范围上，有着各自不同的特点，在应用时要根据实际需要来选择。 典型的分类方式【4 3 j 如下所示： 表2 1r f i d 系统的典型分类 在各个工作频率中，超高频r f i d 系统具有作用距离远、通信速度快、尺寸小、 信息容量大的优势，使其成为未来的发展方向。 无线射频识别系统中幕带频率偏差的研究 2 2 超高频射频识别系统的工作原理和通信模式分析 以超高频r f i d 系统为例，读写器与标签之间的通信是基于背向散射 ( b a c k s c a t t e r ) 的。其基本工作原理1 7 j 如下： ( 1 ) 上位机通过r s 2 3 2 、4 8 5 串口向读写器发送命令。 ( 2 ) 下行链路：读写器根据接收命令，进行编码，并将编码信号调制到特定 频率的载波( 读写器的工作频率) 上，经由射频通道，通过天线发射并形成磁场。 ( 3 ) 当无源标签( 被动标签，p a s s i v et a g ) 进入磁场范围后，在天线上形成感应 电流，从而获得能量并激活。无源标签的电压接收载波信号，将该信号进行桥式 整流和滤波，得到供给电源。另一方面对载波信号进行解调，从而实现数据、命 令的接收。 ( 4 ) 上行链路：从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据，并将命令送到控 制逻辑，控制逻辑根据命令完成数据存储、发送数据或其它操作。 ( 5 ) 如需发送数据，应答器根据传输数据的变化控制应答器天线上负载电阻 的通断，从而促使阅读器天线上电压的变化，实现数据向读写器的上传。 ( 6 ) 阅读器接收到返回的数据后，解码并通过c r c 校验来决定数据的有效性。 如有需要，可通过r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 ，r s 4 8 5 或c a n 总线将数据提交上位机【8 - 9 1 。 由上述过程可知：对射频识别系统来说，为了实现信息的交互，信息需要经 过以下处理：首先对信息进行编码和校验，然后对信息进行调制和解调。下面对 其进行详细描述。 图2 2 射频识别系统原理图 - 8 硕上学位论文 2 2 1 调制 未调制的高频电振荡称为载波( 可以是正弦波，也可以是非正弦波，如方波、 脉冲序列等) 。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波( 已调信号) 。解调是调 制的反变换，是从己调波中提取调制信号的过程。在无线电通信中常采用双重调 制。第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波，称为副载波。第二步用已调 副载波或多路复用信号再调制一个公共载波，以便进行无线电传输。称为二次调 制。用基带信号调制高频载波，在无线电传输中可以减小天线尺寸，便于远距离 传输。应用调制技术，还能提高信号的抗干扰能力。 根据8 6 0m h z - 9 6 0m h z 的r f i d 系统【4 】的标准，询问机应采用d s b a s k 、 s s b a s k 或p r a s k 调制方式进行通信。标签反向散射采用二次调制，副载波采 用f m 0 基带或m i l l e r 调制。公共载波采用a s k 和或p s k 调制。下面对其进行 简单介绍。 1o0 11oio 厂、厂、1八 udu t 介八厂、 、卜1卜八 u0uujuv u t t s 。 图2 3a s k 、p s k 调制示意图 1 幅度键控( a s k ) 幅度键控：即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值，例如对应二 进制0 ，载波振幅为0 ；对应二进制l ，载波振幅为l 。调幅技术实现起来简单， 但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达 到1 2 0 0 b p s 的速率。最简单的形式是载波在二进制调制信号1 或0 的控制下通或 断，这种二进制幅度键控方式称为通断键控( o o k ) 。它的时域表达式为： s o 础“) ：a n 。a c o s ( w e t ) ( 2 1 ) 这里，么为载波幅度，w c 为载波频率，a n 为二进制数字。a n = 1 ，出现概率为p ， a n = 0 ，出现概率为1 p ， 在一般情况下，调制信号是具有一定波形形状的二进制 系n ( - - 元基带信号) ，即： 荆：吣( f 一删 ( 2 2 ) 这里，瓦为信号间隔，g 为调制信号的时间波形，a n 与式( 2 1 ) 相同。二进制 振幅键控信号的一般时域表达式为： 无线射频识别系统中幕带频率偏差的研究 s a s h ( t ) = i a g ( t - n t s ) l c o s ( w c f )( 2 3 ) l j 若二进制系列的功率谱密度为鲫( w ) ，则二进制振幅键控信号的功率谱密度 够一脒( 们为： 驴4 脒( w ) = 音 妒疗( w + 讹) + 妒口( - w o ( 2 4 ) 因此，二进制振幅键控信号的频谱宽度是二进制基带信号频谱宽度的两倍， 从理论上来说这种信号的频谱宽度是无穷大，为了限制频带，可以采用限带信号 作为基带信号。 2 相移键控( p s k ) 相移键控：即按数字数据的值调制载波相位。例如用1 8 0 相移表示1 ，用0 相移 表示0 。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步 发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。对键控比丁功5 0 的情 况来说，可以用下面的公式来计算2 p s k ( 相移键控) 的功率频谱： 附) = l 半卜 s i n e 2 z c ( f 刊ft s + s i n c 2 l r ( f 圳f 兀 ( 2 5 ) 式中：户= 发送功率；舻比特持续时间= f ；f 。= 中心频率；s i n c ( x ) ：s i n ( x ) 。 3 副载波调制法 就射频识别系统而言，电感耦合的射频识别系统的负载调制有着与阅读器天 线上的高频电压的振幅键控( a s k ) 调制相似的效果。代替在基带编码的信号节拍 中对负载电阻的切换，用基带编码的数据信号( m i l l e r 编码、f m 0 编码) 首先调制 低频率的副载波。可以选择振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或相移键控( p s k ) 调 制作为对副载波调制的方法。副载波频率本身通常是通过对操作频率的 m ( m = i ，2 ，4 ，8 ) 进制分频产生的。 2 2 2 基带数据编码 为了将信息安全、可靠、有效地通过传输通道传输，可以采用不