（信息与通信工程专业论文）线性反馈移位寄存器在射频识别系统中的应用.pdf

摘要 捅婴 射频识别( r a d i o 舶q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是在上世纪九十年代以来一个新 兴的自动识别技术，这是通过利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或者电 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。射频 识别系统在当今社会中广泛应用于物流，自动化商品识别和人群识别中。基 于国内外的应用现状，本文系统地给出了一个将线性反馈移位寄存器应用在 射频识别系统的应答器中的解决方案。 本课题设计的是一种基于1 3 5 6 m h z 频段的射频识别系统，分别详细设计 了应答器和读写器的各个组成部分，对于关键的电路和算法有一定的创新， 例如使用m o s 管替代传统的二极管进行整流，使用d 类射频功率放大器来 提高系统的作用距离，利用线性序列作为通信的命令字等。 在模拟部分的介绍中，具体给出了一些关键电路的作用和实现，如应答 器中的负载调制，改进的桥式整流电路；读写器的数字信号的调制，射频功 率放大器的实现等等。 在数字部分中，分别介绍了控制单元和存储单元的实现，线性反馈移位 寄存器的实现，以及对于这个系统的工作原理进行了阐述。由于线性序列的 伪随机性等特点，这种将线性反馈移位寄存器应用于射频识别系统中的技术 大大提高了系统的效率和保密性；移位寄存器和电可擦除随机存储器 ( e e p r o m ) 作为控制单元，提高了系统的响应速度；以铁电存储器( f r a m ) 作 为存储单元，降低了读写的响应时间和系统功耗。 本课题已经分别独立完成了各个部分的功能模块，相信在通过联调和系 统测试后，可以广泛应用于图书馆管理系统，物流管理系统，个人身份识别 等各个应用方面。 关键字：射频识别，应答器，读写器，线性反馈移位寄存器，高频放大器， 负载调制，防碰撞 a b s t r a c t a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e l l t i f i c a t i o ni san e wm e t h o do ft l l ea u t o - i d e l l t i 6 c a t i o n f i l e d ，i ti sm et e c l l l l o l o g ) ro fw h i c hm a k e su s eo fr a d i o 行e q u e n c yc o u p l i n gi n s p a c e ( a l t e n l a t i v em a g n e t i cf i e l do ra l t e n l a t i v ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ) t 0i m p l e m e n t i n f o 瑚a t i o nc o m m u n i c a t i o n 锄dr e a l i z em ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n a sf o rt 1 1 e u s i n go ft h ew o r l da n dc n i n a ，w eg i v eas o l u t i o no ft h er f i ds y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dak i n do fr a d i of 沁q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) s o l u t i o n w i t ht h ef e a m r eo fl i n e r - f e e d b a c k - s h i r r e 酉s t e r ，w h i c hw o r k sa tm el3 5 6 m h z 丹e q u e n c y i ts h o w st h ed e s i 印e ro ft h et a g 锄dt a r g e t ，s o m ei r u l o v a t i o n so ft h ek e y c i r c u i t s 柚d 耐t 1 1 l n e t i c ，s u c ha su s i n gm o sr a t h e rm a j ld i o d ef o rc o m m u t a t e ；t l l e i m p e n d e n c em o d u l a t i o no f t h et a g ，t h et y p ed r a d i o 丘e q u e n c yp o w e ra m p l i 6 既 i i lt h ei n t m d u c t i o no ft h ea n a l o gp a n ，i t 百v e ss o m ek e yc i r c u i t s d e s i 班 s u c ha st h ei m p e n d e l l c em o d u l a t i o no fm et a g ，i m p r o v e dc o m m u t a t ec i r c u i t s ；m e m o d u l a t i o no ft h et a 培e t 孤dt 1 1 et y p ed p o w e r 锄p l i f i 既 i i lt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed i 西tp a r t ，i t 西v e st h ed e s i g n e ro ft h ec o n t r o l s e c t i o na i l dt h em e m o r ys e c t i o n ，t h el i n * f e e d b a c k - s h i r r e 酉s t e ra n ds h o wt l l e w o r k 研n c i p l eo ft h et a g t m ss 0 1 u t i o nc a ni m p r o v em ee 伍c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y b yt a l ( i n ga d v a n t a g eo ft h el i n * s 甜a l sr a i l d o m i c i t y c o m b i n i n gt h es h i r r e 酉s t e r a i l de e p r o ma sc o n t r o lc e nc a i li n c r e a s et h es p e e do fr e s p o n d i n g i ta l s oc a i l d e c r e a s et h er e s p o n d i n go fr e a d i n go rw r i t i n gs i g n a l s ，s y s t e mc o n s u m p t i o nf o rm e s y s t e n lt h r o u g l lu s i n gt h ef r a m a sm 锄o r yc e l l t h ek e y p a r to fm ed e s i g n e rh a sa l r e a d yd o n e ，a n e rt h em o d u l ei n t e rt e s ta 1 1 d t l l es y s t e mt e s t ，w ec o n f i 肌m es y s t 锄w i l lb ep o p u l a ru s e di nt l e6 e l do fb o o k m a i l a g e m e n t ，g o o d sd i s t r i b u t i o n ，p r o d u c t sc i r c l j l a t i o na i l ds oo n k e yw o r d s ：r f i d ，t a g ，t a 曙e t ，l i n e r - f e e d b a c k s h i r r e 舀s t e r ，h i g h 仔e q u e n c yp o w e r 锄p l i f i i m p e i l d e n c em o d u l a t i o n ，a n t i c o l l i s i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：二渺日期： 授权使用声明 巡彳 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查 阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标 题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：椭 日期：趟之 导师签名： 日期毋叫岁 o r i g i n a l i 坶n o t i c e i np r e s e n t i n gt h i sm e s i si np a n i a l 如l f i l l m e n to ft l l er e q u i r e m e i l t sf 0 ri h em a s t e r sd e g r e e a te a s tc h i n an o 册a lu n i v e r s i t y 1w 撇n tm a tn l i st l l e s i si so d 百n a la n da 1 1 yo ft l l e t e c l l i l i q u e sp r e s e n t e di i lt h em e s i sh a v eb e e nf i g i l r e do u tb ym e a n yo ft h er e f e r e n c e st 0m e c o p 巾g h t ，觚d e i i l a d ( ，p a t e n t ，s t a m t o qr i 曲t ，o rp r o p r i e t y g l l to fo t l l e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l y a c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di l lm er 彰电，跏彻s e c t i o na tt l l ee n do f m i st l l e s i s 。 s i g n a t i l r e ： c o p y r i g h tn o t i c e d a t e ：丛么：牟 ih e r e i i la 孕e et h a tt h el i b r a d ro fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e s 仔e e l ya v a i l a b l ef o r m s p e c t i o n i 如n h e ra g r e et l l a te x t e l l s i v ec o p ) ，i i l go ft h et l l e s i si sa l l o w a b l e0 n l yf 0 rs c h o l a r l y p u 叩o s e s ，i i lp a n i c u l 盯，s t o 血gt l l ec o n t e l l to ft l l i st h e s i si n t or e l e v 肌td a t a b a s 懿，舔w e n 嬲 c o m p i l i n ga i l dp u b l i s h i n gt l l et i l l ea i l da b s c to ft h i st h e s i s ，c o n s i s t e i l t 、】i ，i m ”f a i ru s e ”硒 p r e s 谢b e di i lt h ec o p 蜘曲tl a wo f t l l ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a s 咖埤够。a t e ：衅 华东师范人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景以及意义 射频识别( 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 ) 是一种非接触式的自动识别技 术，常称为感应式电子晶片或电子标签等等。它通过射频信号自动识别目标 对象并获取相关数据通过空间耦合( 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。识别工作无须人工干预，可工 作于各种恶劣环境。r f i d 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标 签，操作快捷方便。无线射频识别系统通常由电子标签( 射频标签) 和读写器 组成。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个r f i d 标签具有惟一的电子编 码，附着在物体上标识目标对象，俗称电子标签或智能标签；读写器与电子 标签可按约定的通信协议互传信息通常的情况是由读写器向电子标签发送 命令，电子标签根据收到的读写器的命令，将内存的标识性数据回传给读写 器；天线在r f i d 标签和读写器间传递射频信号。一套完整的系统还需具备 数据传输和处理系统。这种通信是在无接触方式下利用交变磁场或电磁场的 空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。 1 2 国内外研究现状 电子标签通常由标签天线( 或线圈) 及标签芯片组成，它分为无源标签半 无源标签和有源标签三种类型。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再 加存贮功能的单片系统。从纯技术的角度来说，无线射频识别技术的核心在 电子标签，读写器是根据电子标签的设计而设计的。阅读距离，也称为作用 距离是无线射频识别系统的另一主要性能指标。范围从o m l0 0 m 左右不等。 i 江i d 技术并不是全新的技术，其应用最早可以追溯到第二次世界大战时 期英国空军基地的军事设施上。近年来随着微电子、计算机和网络技术的发 展，r f i d 技术的应用范围和深度都得到了迅速地发展。美国在伊拉克战争中 对r f i d 技术的成功应用，以及全球有影响的大企业计划未来几年里在零售 商店和货栈开始使用i 玎i d 系统，使得该技术现在迅速成为全球瞩目的焦点， 并被列为2 1 世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。表1 1 给出了r f i d 技术发展情况一览。值得注意的是目前r f i d 已经发展到一个非常关键的阶 段，就是形成全球统一标准的阶段，大规模应用虽然还未形成，很多相关系 统也还是试验或带有验证性质的，但是i 心i d 走向大规模应用的发展趋势已 经明朗。从技术上看，i 讧i d 本质的特性就是无线通信技术和识别技术，有很 多种技术实现方法，也有很多种应用形态。但从技术发展趋势来看，目前所 采用的r f i d 技术主要从两个技术领域演变而来：自动识别技术和非接触型 华东师范大学硕- ：学位论文 智能卡技术。就现阶段而言，价格低廉、传输距离适当、可广泛应用于物流 管理的r f i d 技术是目前标准化组织和产业联盟的研究重点，也是国际标准 化组织和产业联盟互相竞争的焦点。 时间r f i d 的发展状况 二十世纪四 十年代 二十世纪五 十年代 二十世纪六 十年代 二十世纪七 十年代 二十世纪八 十年代 二十世纪九 十年代 二十一世纪 以来 雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的理论基础 早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究 r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试 r f l d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f l d 技术测试得到加速，出 现了一些最早的应用 r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现 r f i d 技术标准化问题日益得到重视，r f i d 产品得到广泛采用 标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电子标签、无源 电子标签以及半无源电子标签得到发展，电子标签成本不断降低 表1 1 射频识别技术的发展阶段 与国外的先进及时相比，国内的r f i d 电子标签系统的研制水平差距较 大，市场流通的r f i d 芯片多为进口产品。及时部分具有实力厂商已具备r f i d 电子标签的封装能力，但卡内芯片多为舶来品，真正能够研制这类芯片并具 有产品化生产能力的厂家并不多。令人欣慰的是：进入2 1 世纪后，国内集成 电路行业，在r f i d 芯片研发上进展颇大，迄今世界最大的r f i d 标签卡应用 项目中华人民共和国居民第二代身份证卡的研制与颁发工作的稳步展开 以及城市公共交通卡等应用项目的成功和拓展深化锁呈现的市场前景，无疑 将进一步推动这类发展。 中国在r f i d 技术与应用的标准化研究工作上已有一定基础，目前已经 从多个方面开展了相关标准的研究制定工作。制定了集成电路卡模块技术 规范、建设事业i c 卡应用技术等应用标准，并且得到了广泛应用；在频 率规划方面，已经做了大量的试验；在技术标准方面，依据i s o i e c l 5 6 9 3 系列标准已经基本完成国家标准的起草工作，参照i s o i e c1 8 0 0 0 系列标准 制定国家标准的工作已列入国家标准制订计划。此外，中国r f i d 标准体系框 架的研究工作也已基本完成。2 0 0 6 年6 月9 日，中国射频识别( r f i d ) 技术 政策白皮书发布会在京举行。中国射频识别( r f i d ) 技术政策白皮书的出 2 华东师范人学硕上学位论文 台，对研究r f i d 技术、发展r f i d 产业无疑将产生积极而深远的影响。 1 3 论文创新之处 1 将线性反馈移位寄存器引入到射频识别的系统中，提高了系统的保密性： 以一个状态作为命令字进行读卡器与应答器之间的通信，在应答器收到这个 命令字之后，会根据芯片内已经存贮的控制字自行生成一串命令动作。对于 外部的监听和芯片内部的监听来说，所有的指令都是白噪声，不容易被窃听。 2 对于芯片内部的数据处理，采用双时钟的处理，将1 3 5 6 m h z 的射频信号 分频成1 7 m h z 和1 0 6 k h z 的两种时钟信号。1 7 m h z 的时钟信号是用来处理 芯片内部的数据处理，而1 0 6 l z 的信号最为串行传输的速率，符合i s 0 1 4 4 4 3 的协议规范。 3 使用f r a m 作为芯片的数据存储单元，大大提高了芯片的读写效率，缩 短了数据存储时间，降低了读写电平，从而降低了系统的功耗。 4 对于模拟部分的关键模块进行了探讨，在应答器的负载调制，解调，读写 器的射频功率放大器等部分，进行了改进，介绍了硬件的实现。由于m o s 管的功耗低的特点，取代了传统二极管作为桥式整流电路；使用d 类射频功 率放大器作为读写器的发射前端；介绍了阻抗调制和a s k 调制的实现和具体 电路。 1 4 论文的内容安排 第一章作为绪论部分，主要提出了论文的依据，创新之处以及论文的研 究背景和意义，国内外射频识别系统的研究和应用现状，并且给出了论文主 要的研究内容和创新之处。 第二章介绍了射频识别系统的两个组成部分，即应答器和读写器，给出 了一些相关的射频识别系统的国际标准，以及不同通信频段的射频识别系统 的应用现状。 第三章介绍了伪随机序列以及线性序列的相关概念，如模二和，线性序 列的定义，线性序列的特点等，并且给出了线性反馈移位寄存器( l f s r ) 的定 义，以及逻辑上的实现方法。 第四章给出了若干关键的射频标签的模拟系统的技术以及实现，例如在 应答器的调制方面，给出了阻抗调制的实现，时钟信号的提取，直流供电电 平的获得；在读写器方面，给出了a s k 调制的电路，d 类射频功率放大器的 实现等。 第五章提出了一种将线性反馈移位寄存器作为核心的应答器解决方案， 首先给出了整个系统的组成框图以及各部能实现的功能，给出了线性反馈移 华东师范大学硕上学位论文 位寄存器的实现电路，然后对于控制部分和数字部分分别作了介绍和实现方 法，最后对于整个系统的工作原理进行了介绍。 第六章介绍了防碰撞算法以及系统的加密算法，对于防碰撞算法来说， 介绍了a l o h a 和二进制搜索树的算法；在保密性的方面，给出了威胁系统的 几个可能会被采用的黑客技术，以及针对这些手段进行的有效抵御措施。 第七章对于该系统进行总结，提出了值得进一步研究和优化的方面比如 系统的完整性等，并对其进行了展望。 4 华东师范人学硕士学位论文 第二章 射频识别( r f i d ) 系统的概述 2 1 射频识别系统的主要构成部分： 射频识别系统( r a d i o 丘e q u e i l c yi d e l l t i f i c a t i o n ) 一般包括两个组成部分， 即应答器( t a g ) 和读写器( t a r g e t ) 。 应答器：也称之为电子标签，依附于识别物体上； 读写器：根据功能可以分为只读阅读器和读写阅读器。 图2 1 射频识别系统的典型组成示意图 图2 1 是一个典型的射频识别系统的组成以及工作方式示意图： 阅读器和应答器之间，通过耦合元件实现射频信号的空间耦合；在耦合 空间内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 一台典型的读写器包括了高射频模块( 发送器和接收器) 、控制单元以及 与应答器连接的耦合元件以及与上位机能够通信的接口，如r s 2 3 2 等，以便 将获得的数据进一步传输给另外的系统。 应答器是射频识别系统的真正的数据载体，通常由耦合元件以及微电子 芯片组成( 见图2 2 ) ；读写器往往是作为应答器和上位机的透传通信部分， 往往由调制电路，功放电路以及发射天线组成。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：电感耦合 和电磁反向散射耦合。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是 电磁感应定律，适合于中、低频工作的近距离识别系统，典型的频率有 1 2 5 k h z ，2 2 5 1 ( h z 和1 3 5 6 m h z ，典型的作用距离为1 0 2 0 c m ；而电磁反向散 射耦合是根据雷达的原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时 携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，适用于高频，微波工作 的远距离射频识别系统，典型的j 一作频率有4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，24 5 g h z 蚍掣的作用距离为3 l o m 。 图2 2 种呵以粘贴在识别物上的射频标签 2 2 射频识别系统的国际标准 i射频u ! 别的标准化机构 与r f i d 技术和麻用相关的【司际标准化机构主要有：国际标准化组织 ( i s o ) 、国际电工委员会( i e c ) 、国际电信联册( i t u ) 、世界邮联( u p u ) 。此外还 有其他的区域性标准化机构，如c e n ：圈家标准化机构，如b s i 、a n s i d i n ： 产业联盟，如a t a 、a i a g 、e i a 等，这些机构均在制训与r f i d 相关的区域、 国家或产业联盟标准，并希望通过不同的渠道提升为国际标准。与r f i d 技 术有关的产业联盟主要是e p c g l o b a l 和泛在l dl 卜l 心( u b l q u l 吣u si dc e n t 刚。 其中e p c 出o b a i 是由美国统一代码委员会( u c c ) 和欧洲物品编码( e a n ) 组织联 台发起成立的一个独立的非盈利性机构，u c c 和e a n 分别是摊广北美和欧 洲条形编码的组织。e p c z l o b a l 日前以推广r f i di u 予标签的网络化应用为宗 旨，继承了a u t o l d c e l l t e r 组织的缆。行业内企业的挫水标准制订工作，并成 立公司( 即e p c g l o b a l 【n c ) 统研究标准并排动商业应用，此外还负责 e p c g o b a l 号码注册管理组织。rf i d 系统 t 要m 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j f 在制订中的标准主要是与数 据采集相关的，# 婪有电子标簦与堙写器之i l j 的卒中楼口，读写器t j 计算机 之间的数据交换坼议、r f i d 电子标笮与读写器的性能和一致性测试规范以及 r f i d 电子扔、签的数摒内容编码标准等。罔际标准化组 ! li s o 和e p c e 】o b a 】 在r f i d 的空r | 接u 疗而形成了多个标准。现有的r f i d 技术工作以- 多个无线 频率范闱内，常见的工作频率有：低频1 2 5k h z j 1 3 42k h z ：高捌1 35 6 m h z ：超高频4 3 3m h z 、8 6 0 m h z 一9 3 0 m h z 、24 5g h z 等。在柏刊的 华东师范人学硕士学位论文 频率下也有多种r f i d 技术标准共存，比如1 3 5 6m h z 就有i s 0 1 4 4 4 3 聊e a 、 聊e b 、i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 8 0 0 卜3 等标准存在，不同的标准采用的无线调制方 式、基带编码格式、传输协议和传输距离各有差异，不同标准的r f i d 电子 标签和识读器无法互通。 2 i s o i e cr f i d 国际标准化状况 在i s o i e cj t c 3 1 组的工作范围内，在i s o1 8 0 0 0 系列标准的范畴下， 对r f i d 技术及应用的研究相对比较完整。目前很多r f i d 技术及应用标准仍 在制订之中，尚未发布。此外，i s 0 i e cs c l 7 、t c l 2 2 等工作组也已经发 布了一些标准，这些标准相对比较成熟，在部分行业内已经开始使用。根据 i s o i e cj t c 31r f i d 技术的标准化工作计划，i s o 将r f i d 的国际标准分为 空中接口标准、数据结构标准、一致性测试标准和应用标准4 个方面。一致 性测试标准主要针对的是电子标签和卡之间的空中接口和数据传输测试标 准，如图2 3 。 图2 3 r f i d 空中接口不同标准的无线频率范围和推出时间 此外，其他3 类标准对应的逻辑架构结构如图2 4 所示。 图2 4 i s o 定义的r f i d 标准逻辑框架 7 华东师范人学硕j j 学位论文 图2 5 给出了i s o i e c 在r f i d 技术标准化领域的：【作内容。在i s o 发 布的r f i d 空中接口标准中涉及到较多的基本专利，在i s 0 i e c l 8 0 0 0 系列 标准的文本中已经有一些公司的专利声明。i s o 组织对知识产权的基本政策 是专利持有者将按照公平、合理、无歧视的原则进行许可。 瘦用 虚熙层数据 f 现有好式，非基于对象j 3 敌括好式转化 摹于对象幅式一璐霭格式 ， 能够处理基于粥晷 稻式觳努的窳鹧 曩命令与溺盛i 数据填充 数据搦氯化 逻辑存储器 标签驱动 l 空口硬 牛，软件 砭潮层 数据协没处理器 空【扣攘b i s 0 ，l e c15 1 中鼹这部分 提出建议 i s 刚e c1 5 9 6 1 中髓定 l s o ，i c1 5 9 6 2 中撬定 s 0 e c15 9 6 2 附厨l 中规定 s o l e c18 0 0 0 中规定 图2 5 i s o 定义的r f i d 标准技术内容 2 3 不同频段射频识别系统应用现状 射频识别系统的根据不同的通信频率有着各不相同的应用。 图2 6 典型的射频标签工作频段 1 低频段射频标签 低频段射频标签，一般为尢源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅 读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间 传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读 、；0l，i、l；lf；j、lllrlj，、一，r；jj、，_，、一；，j 华东师范人学硕i ：学位论文 距离一般情况下小于l m 。低频标签主要用于短距离、低成本的系统中，其典 型应用主要有：动物监管、马拉松赛跑、容器识别、工具识别、电子闭锁防 盗( 带有内置应答器的汽车钥匙) 、自动停车场收费和车辆管理等方面。上海 野生动物园于2 0 0 8 年4 月1 1 日起对于虎，狮，象等1 7 种4 9 2 头动物植入 r f i d 芯片，记录了动物的d n a 、血型、出生地等信息。 2 中高频段射频标签 中高频段射频标签，一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样， 也是通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器 进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅 读距离一般情况下也小于l m 。中频标签由于可方便地被做成卡状，故被广泛 应用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统中。 3 超高频( u h f ) 与微波频段的射频标签 超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，可分为有源标签与 无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签 与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提 供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大干1 m ， 典型情况为4 m 6 m ，最大可达l0m 以上。阅读器天线一般均为定向天线， 其天线波束方向较窄，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读 写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标 签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。超高频标签主要用于铁路车 辆自动识别、集装箱识别、反向散射射频识别、供应链上的管理、航空包裹 识别、后勤管理、生产线自动化管理，还可用于公路车辆识别与自动收费等 领域。 目前，不同的国家对于相同波段，使用的频率也不尽相同，在实际应用 中，比较常用的是1 3 5 6 m h z ，8 6 0 m h z 9 6 0 mh z 、2 4 5 g h z 等频段。近距 离r f i d 系统主要使用1 2 5 k h z ，1 3 5 6 m h z 等l f 和h f 频段，技术最为成熟， 远距离r f id 系统主要使用4 3 3 m h z ，8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 等u h f 频段，以 及2 4 5 g h z ，5 8 g h z 等微波频段，目前还多在测试当中，没有大规模应用。 我国在l f 和h f 频段i u i d 标签芯片设计方面的技术比较成熟，h f 频段方 面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合i s 0 1 4 4 4 3t y p e a 、 聊eb 和i s o l 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片，并成功地应用于交通一卡通和第二代 身份证等项目中。 2 4 本章小结 在本章中，我们主要讨论了一些射频识别相关的基本概念，系统组成部 9 华东师范人学硕上学位论文 分：读写器和阅读器，各个相关的国际标准，详细介绍了i s o 制定的国际标 准准则，之后，进一步地介绍了对于低频的、高频的、微波频段的各种不同 通信频段的应用。 l o 华东师范人学硕士学位论文 第三章伪随机序列及其特性 3 1伪随机序列的基本知识： 1 模二运算 对于一种只包含o 和1 两个元素( 符号) 的集合( 二元集) 来说，普通的四则 运算不再适用，需要规定一种新的运算规则模2 运算。 0o0 = 01o1 = 0loo = l oo1 = 1 ( 1 ) 减法可通过元素的负号表示成加法形式，即 a b = a o ( - b ) 为此必须首先要规定b = o 或l 的负元素- b = ? 由( 1 ) 式可知bo b = o ，b = o 或1 而bo ( - b ) = 0 ，因而可得- b _ b ，b = o 或1 即b 的负元素仍然是b ，于是 a - b = a o ( - b ) = a ob ，可见，对于模二运算来说，模二加法等于模二减 法 模2 除法可通过元素的倒元素表示成乘法形式，即a 除以b ( b 0 ) 等于口 乘以b 的倒元素b 一，即 因为b b 。1 = l ，而二元集中非o 元素只有一个1 ，所以b 一= 1 = b 怕= a o b o = a o b说明模2 除法等于模2 乘法。 需要注意的是模2 运算规则和布尔运算规则不同，在布尔运算中1 + 1 = l ( + 是布尔加法符号) 。 2 二元伪随机序列 如果一个二元序列，它的结构一方面是可以预先确定的，并且是可以重 复产生和复制的；另一方面它又具有随机序列的随机特性，这种序列就称为 伪随机二元序列。( p s e u d or a n d o mb i n a r ys e q u e n c ep r b s ) 3 伪随机序列的特征 ( 1 ) 在一个周期内，两种不同元素出现的次数最多相差1 次均衡特 性； ( 2 ) 在一个周期内，长度为n 的游程( 一个序列中取值相同的那些连在一起 的元素合称为一个游程) 出现的次数比长度为n + 1 的游程出现的次数多1 倍一 一游程分布特性； ( 3 ) 序列具有双值自相关函数随机特性，即 川) - 1掌j _ o i k 当j = 1 ，2 ，3 p 一1 其中p 为序列的周期( 或长度) ，k o o 和码元宽度t o m 很小时，功 率谱密度函数的特性趋于自噪声的功率谱特性。因此，m 序列广泛被应用于 数字系统加密的情况下。 2 m 序列的本原多项式 已知一个n 级线性反馈移存器的输出序列具有周期性，周期p 2 “1 ，对 于周期p = m = 2 n 1 的序列称为m 序列，可以证明m 序列的特征多项式f f 矽 应为不可约多项式( 所谓不可约多项式是指不能分解因子的多项式) ，并且目砂 能整除o1 ) ，但除不尽妒o1 ) ，q m 。因此，若一个n 次特征多项式目矽 能满足下列条件： ( 1 ) 目砂为不可约的 ( 2 ) 毋砂可整除o1 ) ，n 1 - 2 “一1 ； ( 3 矿俐除不尽o1 ) ，q 天线 电路 图4 2 读写器的基本组成 在这一个章节中，我们将进一步讨论模拟部分的相关关键技术的实现和 改进。其中包括了振幅键控电路的设计，高频功放的设计，应答器解调电路 的设计以及负载调制的电路设计。 4 1应答器部分模拟系统的实现 1 负载调制 在本系统中，应答器和读写器之间的通信是通过负载调制的方法实现的。 所谓负载调制是用某些差异所进行的用于从应答器到读写器的最经常使 用的数据传输方法。通过应答器振荡回路的电路参数在数据流的节拍中的变 化，应答器的变换阻抗的大小和相位都受到影响( 调制) 。通过读写器中的适 1 6 华东师范人学硕 ：学位论文 当的加工，可以重构从应答器发送的数据( 解调) 。 在应答器振荡回路的所有可能的电路参数中，只有两个参数被数据载体 改变：负载电阻尺l 以及并联电容c 2 。在射频识别系统文献中，相应地区分 为电阻( 或有效的) 负载调制和电容负载调制。 k ( o ) 是1 o 。 c z ；l 民j 茹( 3 ，o 瑚 2 7 0 图4 3 应答器在电阻负载调制情况下变换阻抗的幅相图 电阻负载调制，是在应答器的数据载体中使并联电阻r m o d 在数据流的时 钟中( 或者在已调的副载波的节拍中) 接通和断开。由于并联的尺m o d ( 一减 小的总电阻) ，将降低品质因数q 和应答器变换阻抗的大小。在电阻负载调 制器的幅相图( 图3 2 0 ) 中也可以清楚地看到这种情况：z 1 t 的值由应答器的 负载调制器在z “r l ) 和z 水li i 尺m o d ) 二值之间转换。同时，2 t 的相位( 设危 i 触s ) 几乎保持不变。 为了重构( 即解调) 发送的数据，在z t 上的压降翰必须输送到读写器 的接收器( i ) 。可惜，z t 在读写器中不是可访问的离散元件，因为电压翰 使在实际的天线线圈l 中感应的。然而，在天线线圈三l 上也出现有电压“l l 和“r l ，而它们智能在天线线圈的端头上作为总电压“r x 被测得。这个总电压 可供读写器的接收部分使用( 参见图4 3 ) 。 图4 4 总电压甜r x 的矢量图 1 7 华东师范大学硕士学位论文 图4 4 中的矢量图表明了电压分量翰、甜l l 、“r l 的大小和相位。总电压 “r x 是由上述分电压组成的。应答器对电压分量翰的负载调制，使总电压 “r x 大小和相位发生了变化。于是，应答器中的负载调制产生了阅读天线的 电压“r x 的调幅。因此，在天线线圈l 上，传输的数据不是在基频中供使用， 而是在( 负载) 调制的电压“l 的调制产品( 等于调制波边带) 中显示出来。 rc 1 b 斟q c v t j i 广1 订 a 2 上土l 叁耋皇堡j 厂1 订 3 早l 窆查皇堡l l 烹 图4 5 应答器的负载调制电路 本系统所采用的负载调制的电路图示意图如图4 5 。v t l 是一个耗尽型 的p 沟道场效应管，而v t 2 和v t 3 是增强型的n 沟道场效应管。对于任意 的输入数据，高电平使场效应管3 导通，v t 2 截止，a 点就得到了一个 3 v 的电平；低电平使得场效应管v t 2 导通，v t 3 截止，a 点的电平为1 v 。 在a 点电压发生变化，从而使得m o s 管v t l 的阻抗发生变化。由于v t l 并联在谐振回路上，因此，谐振回路会因为阻抗的变化而发生变化，由于阻 抗的变化，导致了u 形成了变化，将数据从应答器传输到了读写器，形成 了负载调制。 以下给出的是在实验中所测得的波形图。使用单片机作为数字信号的发 生器，将数字信号通过非门和两个m o s 管得到基带信号。图4 6 给出的是数 字信号和经过电平转换后的基带信号。图4 7 给出的是经过电容后的没有直 流成分的交变调制信号。 华东师范大学硕士学位论文 图4 6 输入信号和a 点的输出信号 图4 7 经过电容隔直后的发射信号 2 时钟信号的提取 在本系统中，在应答器中需要两个时钟对于不同的信号进行处理。对于 串行的信号来说，使用1 0 7 l z 的传输速率，符合i s 0 1 4 4 4 3 的协议规范；而 对于芯片内部的各种信号，我们采用1 7 m h z 的时钟信号对于其进行处理。 通常来说，普通的单片机处理时钟周期是1 m h z 左右，因此采用1 7 m h z 的 时钟能够提高信号处理的速度。 对于1 3 5 6 m h z 的信号来说，我们采用一个高频比较器就能将载波信号 转换为一个可以作为基频的时钟信号，即将比较器的比较电平接地，就可以 得到一个1 3 5 6 m h z 的方波。对于这个时钟信号进行分频，既可以得到两个 时钟信号，1 7 m h z 和1 0 7 k h z ，分别运用于不同的场合。图4 8 给出了时钟 信号处理的示意图。 1 9 华东师范火学硕上学位论文 卜卜 1 3 5 6 m 调1 3 5 6 m 方 射频信号 制信号 比较器 波 分频器 图4 8 时钟信号获取示意框图 3 直流电平的提取 由于应答器是无源工作的，因此，对于直流电平的供电，需要做到功耗 小，效率高。应答器的所有供电电源都必须由读写器供应，高频电磁场由读 写器的天线产生，对于放入磁场中的应答器线圈，磁力线通过线圈，通过电 磁感应，在线圈上产生一个交变电压，将其整流后，作为应答器的电源。 a ) 整流电路： 整流电路的作用是将交变电流转化为直流供电电源。完成这一任务的主 要关键是二极管的单向导电性能。常用的整流电路有半波整流，全波整流和 桥式整流。由于桥式整流的输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反 向电压低，输入信号在正负半周内都有电流供给负载，信号得到充分利用， 使得整流的效率大大提高，因此在本系统中，我们采用桥式整流进行对于应 答器的内部芯片，逻辑元件进行供电。 + 吼蜘 图4 9 桥式整流和滤波电路 桥式整流的滤波会产生一定的脉动成分，因此要加入滤波电路使之影响 最小。如上图，是加了滤波电路的桥式整流电路。在信号正半周，d l ，d 3 导通，在负载上产生电流i 0 ，并且对于电容i c 进行充电，产生一个上正，下 负的电压u c 。在负半周，当电压的绝对值小于u c 的时候，d 2 ，d 4 不导通， 因此负载的电压由于放电，在一定时问内以指数规律下降，当电压的绝对值 大于u c 后，二极管d 2 ，d 4 导