（电磁场与微波技术专业论文）uhf频段rfid关键技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 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 ，r f i d ) 技术，是一种非接触式自动识别技术，它利 用电磁波空间耦合实现对静止、移动的待识别物体的自动识别。同其他的一些识别技术相比，射频 识别技术具有高速、高效、非接触以及无污染等突出的优点。r f i d 随着集成电路技术、识别技术、 计算机及通信技术的发展与成熟，其实用性和可实施性使其在物流、生产、交通、医疗等各领域拥 有很大的应用前景。因此，对于r f i d 系统关键技术的研究具有非常重要的意义。 本文首先介绍了射频识别系统的相关理论和技术，包括r f i d 系统的各个部分之间的工作机理以 及系统的分类方法。针对u h f 频段的射频识别系统，研究和分析了相关的r f i d 标准，尤其是本文设 计的阅读器符合的i s o f l e c l 8 0 0 0 6 c 协议。 其次本文对u h f 频段r f i d 阅读器的系统收发链路的信号流程进行仿真和理论验证，对系统中存 在的问题及其解决方法进行了研究和分析。同时本文对阅读器和标签之间的通信，包括能量传输等 问题进行了理论分析。 最后，本文提出了采用通用的无线射频芯片c c l l 0 0 设计和实现超高频频段射频识别阅读器的方 案，包括硬件和底层软件的设计和实现，最终设计完成了射频识别阅读器的原型系统。系统的阅读 距离可达3 4 m ，其功能和性能还需要进一步完善，在文章的最后提出了改进的方向和方法。 关键词：射频识别，超高频，阅读器，射频芯片，i s o i e c l 8 0 0 0 6 c a b s t r a c t 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 s an o n c o n t a c ta u t o i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h i d e n t i f i e sm o t i o n l e s so rm o v i n go b j e c t sb yu s i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gr fs i g n a l s c o m p a r i n gw i t h o t h e ri d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，r f i dt e c h n o l o g yh a ss u c ha d v a n t a g e s 鹞h i g h - s p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y , n o n - c o n t a c t ，p o l l u t i o n f r e e a n ds oo n w i t ht h e d e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t yo fc i r c u i t s - i n t e g r a t i o n , i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , r f i di sap r a c t i c a lt e c h n o l o g yw h i c hh a sa b r i g h t e n i n gp r o s p e c tf o rm a n yf i e l d ss u c ha sl o g i s t i c s 、m a n u f a c t u r e 、t r a n s p o r t a t i o n 、m e d i c a la n ds oo n s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr f i ds y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h er e l a t i v et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fr f i ds y s t e m ，s u c ha st h e w o r k i n gp r i n c i p l e so ft h em o d u l e sa n dt h ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d so fr f i d a i m e da tr f i ds y s t e m sw i t h i n u h fb a n d t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e l a t i v er f i ds t a n d a r d s ，e s p e c i a l l yt h ei s o l8 0 0 0 6 cs t a n d a r d w h i c hi sa d o p t e di nt h i sd e s i g n t h e nt h i sd i s s e r t a t i o nm a k e ss i m u l a t i o n sa n dt h e o r e t i c a lv e r i f i c a t i o n so nt h es i g n a lp r o c e d u r ei nt h e t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rl i n k so fr f i dr e a d e r , w i t ht h es t u d ya n da n a l y s i so nt h ei i m i t a t i o n si nt h es y s t e m a n dt h es o l v i n gm e t h o d s m e a n w h i l e t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sm a t h e m a t i c a la n a l y s i so nt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt r a n s p o n d e ra n dt a g ，s u c ha st h ep o w e rd i s s i p a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu l t r ah i g hf r e q u e n c yr f i dr e a d e r u s i n gt h eg e n e r i cr fi n t e g r a t e dc i r c u i tc c i1 0 0 ，i n c l u d i n gt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r e a n df i r m w a r e ，w h i c hl e a d st ot h er e a l i z a t i o no fp r o t o t y p eo ft h er f i dr e a d e r t h er e a dr a n g eo ft h es y s t e m i su pt o3m e t e r s i t sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c en e e dt ob ed e v e l o p e df u n h e lw h i c hi si n v o l v e da tt h ee n d o f t h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：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 ) ，u l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) ，r e a d e r ，r f i c ， i s o l8 0 0 0 - 6 c i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名箍翌日期：监歹 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生魏徐阂钕新签酬 。 日期 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 r f 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 ) 即射频识别技术，是一种非接触式自动识别技术，它利 用电磁波空间耦合实现对静止、移动的待识别物体自动识别【。 一个r f i d 系统主要由阅读器，应答器以及后台处理系统组成。一个典型的阅读器主要由控制 单元，高频收发模块，天线以及其他与后台相连的接口组成。应答器，又叫做标签，是r f i d 读取 数据的来源，主要由天线和微电子芯片组成。阅读器通过电磁场的耦合来与应答器通信，同时系统 要有一些安全措施达到保密的功能。 相对于传统的技术，r f i d 具有如下独特的优点； ( 一) 、数据的读写( r e a dw r i t e ) 功能： 只要通过r f i d 阅读器即可无需接触，直接读取信息至数据库内，且可一次处理多个标签，并 可以将物流处理的状态写入标签，以供后续阶段物流处理的读取判断之用。 ( 二) 、容易小型化和多样化的形状： r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状之限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和 印刷品质。此外，r f i dt a g 更可往小型化与多样型态发展，以应用在不同产品。 ( 三) 、耐污染： 纸张一旦受到脏污就会看不到，但r f i d 对水、油和药品等物质却有强力的抗污性。r f i d 在黑 暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。 ( 四) 、可重复使用： 由于r f i d 为电子数据，可以反复被擦写，因此可以回收标签重复使用。如被动式r f i d ，不需 要电池就可以使用，没有维护保养的需要。 ( 五) 、穿透性： r f i d 若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包覆的话，也可以进行穿透性通讯。不 过如果是金属的话，就无法进行通讯。 ( 六) 、数据的记忆容量大： 数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的资料量愈来愈大，对卷标所能扩 充容量的需求也增加，对此r f i d 不会受到限制。 无线射频识别具有物品唯一识别性、实时信息传递性及可擦写信息等功能，使得无线射频识别 系统可应用于衣食住行等各种生活层面，创造一种整个社会都可以享受、无所不在、既快速又安全 的优质生活肛j 。 r f i d n - - j 视为无线电的条形码，由r f i d 阅读器( r e a d e r ) 、标签( 1 弛) 、系统应用软件与电子产品编 码四大部分构成。如图l l 所示。目前r f i d 主要使用频段以低频的1 3 5k h z 及1 3 5 6 m h z 为主，而这 两个频段传输距离较短约5 c m 7 0 c m 左右，数据传输因频带的关系。速度也只有1 0k b p s 左右，所以 东南太学硕学位论z 为了能有更远的传输距离及更高的传输速率，目前厂商都往更高频3 0 0 m h z i g h z 的u h f 频带及 2 4 g h z 的s h f 频带上，开发暂能型的k f i d 标签及嘲读器。相对于1 35 6 m h z 射频识别系统，9 1 5 m h z 射频识别系统有着读取距离远，阅读速度快等优点，目前研究出u h f 频段的r f i d 标签最远可选几术 的传输距离，能够大幅提升现阶段的应用层次。u h f 频段r f i d 技术是当前供应链管理和智能物流管 理所极力推举的自动识别技术，是目前国际上r f i d 产品发展的热点。它从识别速度和阅读距离l 大 大的超过了其他频段的r f i d 技术人们对这项技术抱有非常大的信心。尤其e p c 概念的提出，为 世界范围内每一件物品提供唯一的标识，这也给射频识别( r f i d ) 技术的发展提供了强大的推动力。 而物联网概念的提出。在极大地拓展联阿内涵的同时。为射额识别技术开拓了非常广阔的茇展空 间。 只i 公。心、。”“ 。秘f i 莹o 、卷擀”i 、i l _ r b 图1 1r f i d 系统槊构图 从系统设计角度来看实现智能物滴管理的关键技术就是射顿识s 技术，也就是标签和阅读器 的设讨与虫现。离开系统中任何一个组成部分，系统都无法正常t 作，辟管如此对于一个射频识别 系统而言迁是有轻重之分的。般认为，电子标签是射频识别技术的关键，所以一般提到射频识别， 人们总会想到那个小小的电下标签，然而阅读器在r f i d 系统中也担负了非常蕈要的作用通过阅读 器从空问接收标签的反射同波，识别过程才能实现。因此阅读器足标整可识读的保证，也是r f i d 系 统的基本保证。 掐个r f i d 阅读器系统的丌发是一个复杂的过程需要仝面的基带、射频设计的理论和经验。必 须进行大量的工作才能较好的完成整个系统的电路设计、协议算珐实现以及测试等任务。这就要求 必须有多十设计者相互协作才能又快又好的实现这一目标。本人的主要任务是对r f i d 系统中的阋读 器电路进行分析、设计与实现，包括基带和射频部分，开发研制r f m 阅读器射频系统硬件平台，完 善其功能并向上层提供函敫接口方便上层防碰撞算法的实现。 随着被动式u h f 频段k f i d 系统在物流供应链、仓储和零售存储管理中被人量采用r f i d 目读 器单元的研兜与设计变得更加重要。对阐读器单元的主要要求有尺寸小、重量轻、电池寿命长和对 于特定的应用有合适的阅读范围等等。另外，也要考虑到阅读器单元对标签阅读方向性方面的问题 第一。章绪论 1 2 射频识别技术国内外的研究现状 自从二战时期作为空中作战敌我识别的技术，r f i d 并非一项新兴技术。目前，射频识别技术在 国外发展很快，同时该技术也被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理与医疗等 众多领域。由于其快速，便携，耐久，记忆容量大。可重复使用和保密性等众多优点，射频识别技 术拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。 目前大多数应用中的r f i d 系统使用的是低频和高频系统，但研究发现，更适合未来、特别是商 业供应链中应用的是u h f 频段r f i d 系统，故超高频射频识别读写器具有广阔的应用前景。当前国际 国内u h f 频段r f i d 阅读器的实现都还处于萌芽和发展阶段，对r f i d 阅读器的研究是非常必要的。 几年前，条形码纸带在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛应用。今天，这种条形码 纸带在越来越多的情况下己经不能满足人们的需求了。条形码虽然很便宜，但它的不足之处是存储 能力小以及不能改写。有关r f i d 与条形码间的比较如表1 1 所示。 表1 1 条码与r f i d 的比较 功能条形码 r f i d 读取数量一次只能读取一个可读取多个标签 读取距离需要光线，几厘米读取不需光线，距离更远 读取速度慢，移动中读取困难 可以高速移动读取 资料容量小大 读写能力条码一次性，不可更新，差 可重复读写，强 读取方便性距离近，且必须光学可见可绕开障碍，读取方便 坚固性污染即无法读取，耐久性差在恶劣环境下仍然能够工作 近年来，非接触式识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域。这个专业领域与任何 传统学科都不相同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、 半导体技术、数据保护和密码学、计算机与通信技术、制造技术和许多其他专业应用领域。 无线射频识别系统( r f i d ) 是智能化、自动化地进行商品标识和人群身份识别的先进技术，它将 极大地提高商品管理、物流控制以及人流安检等的效率和可靠性，目前，射频识别技术在国外发展 很快，r f i d 产品种类很多，像德州仪器、m o t o r o l a ，p h i l i p s 等世界著名厂商都生产r f i d 产品，并 且它们的产品各有特点。自成系列。同时，该技术也被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通 运输控制管理等众多领域：澳大利亚将它的r f i d 产品用于澳洲机场旅客行李管理，并发挥了出色 的作用：欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基于r f i d 技术的防盗系统；瑞士国家铁路局 在瑞士的全部旅客列车上安装了r f i d 自动识别系统，调度员可以实时掌握火车运行情况，不仅利 于管理，还大大降低了事故发生的可能性。由于r f i d 标签可附带许多相关商品的个体信息，并可 在高速运动状态下同时识别多个标签，诸多优势决定了r f i d 标签将会很快取代条形码，成为所有 商品的通用标识。 r f i d 技术在传感器网络方面的应用被美国商业周刊评为将掀起新产业浪潮的未来四大高技 术之一。预计在2 0 1 2 年将达到1 00 0 0 亿美元。从以上数字可以看出，未来在r f i d 技术市场里蕴含 3 东南大学硕士学位论文 着巨大的商机，其应用一定能给i t 企业带来整个产业链上的商业机会，包括芯片开发、芯片封装、 系统集成、咨询服务等，也将给零售、物流等产业带来革命性变化。 r f i d 技术用于人群身份识别也有极高的应用价值和社会效应，在大型集会和运动场所可发挥准 确、快速的识别和统计作用，大幅度提高通行能力。计划中的上海2 0 1 0 年世博会将采用r f i d 作为门 票，以提高安全性、通行能力和票务管理水平。 目前，我国的射频识别技术及应用已经起步，但是许多标准规范尚不完整，在国外积极发展和 应用r f i d 技术的形势下，我们应该加快研究的步伐，争取在新技术的研究成果中占有一席之地。我 国面临的机遇正处于新技术发展的初期阶段，已有一定的技术和市场基础，完全有机会赶上甚至领 先于国际水平。政府和许多国内企业已经开始重视，并开始实施r f i d 项目，如u h f 频段r f i d 国家标 准的制定已正式批准立项。因此射频识别技术在我国拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力【o j 。 1 3 论文研究的主要内容及论文的组织结构 本论文主要讨论超高频射频识别( u h fr f i d ) 系统中的关键技术，研究了传统的r f 通信机技 术如何应用于r f i d 阅读器电路尤其是接收电路的设计，对零中频结构接收机进行仿真分析，最终 尝试进行r f i d 阅读器的硬件实现。 第一章介绍了本课题的研究意义和相关技术的发展情况，主要包括：r f i d 的定义及其特点、r f i d 的技术背景和研究现状、r f i d 的发展趋势等。 第二章介绍了r f i d 系统的组成及工作方式，给出了r f i d 系统的各种分类方法及其理论分析。之 后详细介绍了r f i d 阅读器的系统组成和基本工作原理，结合u h f 频段的特殊性提出远距离阅读器设 计的性能指标。最后对r f i d 标准进行介绍，尤其对本文设计的阅读器所遵循的u h f 频段r f i d 标准 i s o i e c l 8 0 0 0 6 c 标准进行了分析，包括其射频指标、指令帧格式、标签状态转换和防碰撞机制以及 指令集等的规定，为阅读器系统的设计与实现工作做好准备。 第三章介绍了射频收发机中常用的几种接收机拓扑结构的工作原理和优缺点。结合r f i d 阅读器 的特殊性对射频识别阅读器系统结构进行了时域和频域的仿真分析，验证了r f i d 阅读器接收端解调 标签反射信号的机理，同时分析了系统中存在的收发同频、通信零点等问题。最后再介绍射频识别 系统中的标签工作原理并用数学的方法描述了标签和阅读器之间的能量传输，从而对整个r f i d 系统 各个部分的原理都进行验证，为阅读器系统的设计提供了理论指导。 第四章，首先分析和比较了u h f 频段r f i d 阅读器实现的几种方案，并确定采用集成无线收发芯 片来实现阅读器。之后论述了整个r f i d 阅读器系统实现的方案细节，包括系统硬件的设计和软件系 统的设计，同时论述了选用的c c l l 0 0 芯片的编程控制。在设计和硬件实现之后又进行了实物测量和 结果分析，可以达到3 4 m 的阅读距离。最后，总结了在系统设计过程中遇到的问题和解决方法，并 对系统的改进做出分析。 最后在第五章，总结了全文的工作，从硬件和软件的角度分别分析对u h f 频段r f i d 阅读器改进 的方向和方法。 4 第二章u h f 频段r f i d 系统研究 2 1 引言 第二章u h f 频段r f i d 系统研究 无线射频识别技术的基本原理是利用空间电磁耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 或者后向散射偶合 ( b a c k s c a t t e rc o u p l i n g ) 来进行通信，以达到自动识别目标物体的目的。其基本工作方法是将无线射 频识别标签( t a g s ) 安装在被识别物体上( 通过粘贴、插放、挂佩、植入等方式) ，当被标识物体进 入无线射频识别系统阅读器( r e a d e r s ) 的阅读范围时，标签和阅读器之间进行非接触式信息通讯， 标签向阅读器发送自身信息，阅读器接收这些信息并进行解码，传输给后台计算机处理，完成整个 信息处理过程1 7 j 。 无线射频识别技术是- i - j 多学科多种技术综合利用的应用技术。所涉及的关键技术大致包括： 芯片技术、天线技术、无线通信技术、数据变换与编码技术、电磁场与微波技术等。 本章首先阐述了r f i d 系统的工作原理、系统分类，然后详细的研究了u h f 频段r f i d 的能量 传输情况，以及在此频段上r f i d 相关国际标准的内容，在以上分析的基础上得出了u h f 频段r f i d 阅读器的设计的要点，并提出了相应的设计指标，为以后工作的展开提供了努力的方向。 2 2 射频识别系统 2 2 ir f i d 系统的组成及工作原理 一个典型的阅读器主要由控制单元。射频收发模块，天线以及其他与后台相连的接口组成如 图1 2 所示。图中r f i d 阅读器与上位机的通信接口可以有串口，w i e g a n d 接 3 以及网络接口等形式【射。 图2 1r f i d 阅读器组成 阅读器( r e a d e r ) ：有时也被称为查询器、通讯器或称为读出装置，用以发射无线电射频信号并接 收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的 设备，可设计为手持式或固定式。 天线( a n t e n n a ) ：在标签和阅读器间传递射频信号。 5 东南大学硕士学位论文 后台数据管理系统( d a t am a n a g e m e n ts y s t e m ) ：后台管理程序( 包括r f i d 中间件) 泛指在阅读器硬 件以上的所有软件，它们扮演了标签与应用程序之间的中介角色。通过这一类管理程序，可以使得 不同厂家、不同标准的标签内容获得交互，从而使r f i d 技术可以叠加于互联网技术之上，实现“物 联网”的构建。对于阅读器上传的数据进行分类统计，查询后台数据库，识别标签数据，并建立信息 数据库进行管理，从而实现智能管理标签信息。 电子标签( t a g ) 由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上用来标 识目标对象：当收到无线电射频信号时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅 读器处理识别。电子标签又叫做应答器，是r f i d 读取数据的来源，主要由天线和微电子芯片组成。 阅读器通过电磁场的耦合来与应答器通信，同时系统要有一些安全措施达到保密的功能。 2 2 2r f i i ) 系统的分类方法 1 ) 、电磁场的耦合方式按照其波长和通信距离的关系分为近场和远场【9 1 。 发射天线附近的电磁场可以分为两个独立的区域：电抗性近场( r e a c t i v eh e a l f i e l d ) 并l l 辐射场 ( r a d i a t i n gf i e l d ) ，如图2 - 2 所示。前者能量主要以存储的形式存在，而后者能量主要以电磁波的形式 进行传播。两者的边界为 五 ，= 一 2 n 其中r 为到天线的距离，五为电磁波的波长。 当满足以下条件时， 允 ， 一五 该处的电磁场就是辐射远场区，简称为远场， 场区就是人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。 此时辐射场超过准静态场，占主要地位。辐射远 在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。严格 地讲，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远 时的角度分布误差在允许的范围以内时。即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸l 小于波长入时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场 区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为入，超过了这个距离，辐射场就占主要地位。一般 满足l 入 l 的天线称为小天线。 对射频识别系统和电子标签而言，一般情况下，由于对电子标签尺寸的限制，以及读写器天线 应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用l 入 1 或l 入 3 5 3 8 m 3 5 3 8 m 1 2 5 6 m h z2 2 13 5 m 3 5 m 4 3 3 m h z 0 6 9 31 1 c m 1 1c i t i 9 1 5 m h z0 3 2 8 5 2 c m6 1 c m 2 4 5 g h z0 1 2 2i 9 c m 1 6 4 c m 5 8 g h z0 0 5 28 2 8 m m 3 8 5 c m 表2 1 的计算数据是基本的数值参考。对于给定的工作频率，无功近场区的外界基本上由波长 决定，辐射远场区的内部边界应该满足大于无功近场区外界的约束。当天线尺寸( d ) 或l ) 与波长可 7 东南大学硕士学位论文 比或大于波长时，其辐射近场区的区域大致在r l 与r 2 之间。 不同频段的r f i d 系统采用不同的电磁场通信机制。目前r f i d 系统采用的典型频率有 1 3 5 6 m h z ( i - i f 频段) 和9 1 5 m h z ( u h f 频段) 附近，分别工作于近场和远场模式，近场模式采用磁场 耦合的方式进行通信，分析比较复杂。在讨论到近场耦合模式下的工作原理时，需要分析近场耦合 的情况，由于超高频射频识别系统工作模式为远场，因此本文主要分析远场之间的电磁场传播。 2 ) 、按照应答器的供电方式分为有源和无源【i 。r f i d 标签分为主动标签( a c t i v et a g s ) 和被动标 签( p a s s i v et a g s ) 两种。主动标签由于其自身有能量提供，因此可以无需阅读器提供能量。主动标签 自身带有电池供电，读写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。 被动标签由阅读器产生的磁场中获德工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主 动标签更小也更轻，读写距离则较近。也称为无源标签。 二者的性能比较如下表2 2 所示： 表2 2 有源无源标签性能比较 能量供应工作环境寿命尺寸成本读写距离读写速度 主动标签内装电池 高低温下电池无法大、厚、高惩快 电池无法更换，寿重 工作命受限 被动标签无源，利高低温下寿命更小、薄、低低慢 用电磁场电池无法长，免维轻 获取能量工作护 3 ) 、按照系统使用电磁波的频率分为l f ，h f ，u h f 以及m w 微波系统，主要是根据通信信道使 用的载波的频率来区分的【1 2 1 。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于i s m 波段之中。典型的工作频率有；1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ，1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 m h z ，4 3 3 m h z ，9 0 0 m h z ，2 4 5 g h z ， 5 8 g h z 等。 低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z 。典型工作频率有： 1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z 。低频标签一般为无源标签，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，低频标签应位于阅读器天线辐射的近场区内。 低频标签的阅读距离一般情况下小于1 米。 低频标签的典型应用有：动物识别、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) 等。与低频标签相关的国际标准有：i s 0 1 1 7 8 4 1 1 7 8 5 ( 用于动物识别) 、i s o l 8 0 0 0 - 2 ( 1 2 5 1 3 5 k h z ) 。低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：项圈式、耳牌式、注射式、 药丸式等。典型应用的动物有牛、信鸽等。 。、 低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的c m o si 艺，具有省电、廉价的特点： 工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等：非常适合近距离的、低速度 的、数据量要求较少的识别应用( 例如：动物识别) 等。 低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频 标签相比：标签天线匝数更多，成本更高一些。 中高频段射频标签的工作频率一般为3 m h z 3 0 m h z 。典型工作频率为1 3 5 6 m h z 。该频段的射 8 第二章u h f 频段r f i d 系统研究 频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作， 所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频， 如表2 3 所示，所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一 种射频标签，因而我们只要将高、低理解为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱。为了 便于叙述，我们将其称为中频射频标签。 中频标签一般也采用无源设主。其工作能量同低频标签一样，也是通过电感( 磁) 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，标签必须位予阅读器天线辐射 的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于l 米。 中频标签由于可方便地做成卡片状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗( 电 子遥控门锁控制器) 等。相关的国际标准有：i s 0 1 4 4 4 3 、i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 8 0 0 0 3 ( 1 3 5 6 m h z ) 等。 中频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率。 射频标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状。 超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率为：4 3 3 9 2 m h z 。 8 6 2 ( 9 0 2 ) - - 9 2 8 m h z 。2 4 5 g h z ， 5 8 g h z 。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场区内，标签与阅读器之问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于 l m ，典型情况为拍m ，最大可达1 0 m 以上。阅读器天线般均为定向天线，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，进而这种需求发展成为一种潮流。目前，先进的射频识别系统均将多标签 识读问题作为系统的一个重要特征。 以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功产品相对集中在9 0 2 9 2 8 m h z 工作频段上。 2 4 5 g h z 和5 8 g h z 射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电 池供电，具有较远的阅读距离。 微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适 合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。典型的微波射频标签 的识读距离为3 5 m ，个别有达1 0 m 或1 0 m 以上的产品【1 3 1 。对于可无线写的射频标签而言，通常情 况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。 微波射频标签的数据存贮容量般限定在2 k b i t s 以内，再大的存贮容量是没有太大的意义，从 技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并 完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：l k b i t s ，1 2 8 b i t s ，6 4 b i t s 等。由a u t o - i dc e n t e r 制定的产品电子代码e p c 的容量为9 0 b i t s 。 微波射频标签的典型应用包括：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗( 电 子遥控门锁控制器) 等。相关的国际标准有：i s 0 1 0 3 7 4 ，i s o l 8 0 0 0 4 ( 2 4 5 g h z ) 、5 ( 5 8 g h z ) 、一6 ( 8 6 0 - 9 3 0m h z ) 、7 ( 4 3 3 9 2m h z ) ，a n s in c i t s 2 5 6 1 9 9 9 等。 表2 3r f i d 系统工作频段及工作特点 9 东南大学硕士学位论文 低频( l f )高频( h f )超高频( u h f ) 微波( m w ) 典型工作频段 1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m 1 4 _ z 8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 2 4 5 g h z l3 4 2 k h z 读写距离 小于0 5 ml m 左右5 1 0 ml m 左右 应用范围门禁智能卡 货架收费站 动物标签门禁控制卡车集装箱 图书馆拖车跟踪 货架 运输 多标签识别速率慢快 金属表面识度能力 差好 标签大小 大小 4 ) 、按照阅读器与电子标签之间的通信载波频率可以分为广播发射式、倍频式和反射调制式系 统【1 4 1 。 广播发射式射频识别系统实现起来最简单。这时电子标签必须采用有源方式工作，并实时将其 贮存的标识信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是电子标签因需 要不停地向外发射信息，对其自身而言费电，对环境而言造成电磁污染，同时系统不具备安全保密 性。 倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下，阅读器发出射频查询信号，电子标签 返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利， 但是，对无源电子标签来说，电子标签将收到的阅读器发来的射频能量转换为倍频回波载频时，其 能量转换效率较低，提高转换效率需要较高的微波技巧，这就意味着更高的电子标签成本。同时这 种系统工作须占用两个工作频点，一般较难获得无线电频率管理委员会的产品应用许可。 反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时，阅读器发出微波查询( 能 量) 信号，电子标签( 无源) 收到微波查询能量信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路 工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。阅读器接收反射 回来的调制信号，从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出微 波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的。反射回的信号强度较发射信号要弱得多，因此 技术实现上的难点在于同频接收，这将在后面做详细讨论。 5 ) 、从电子标签内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路固化式、现场有线改写式和现场 无线改写式三大类。 集成固化式电子标签内的信息一般在集成电路生产时即将信息以r o m 工艺模式注入，其保存 的信息是成不变的；现场有线改写式电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部的存储区中， 改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供电：现场无线改写式电子标签一般适用 于有源类电子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息也位于其中的存储区。 2 3u h fr f i d 系统 u h f 频段r f i d 系统使用电磁波通过阅读器与标签间的耦合进行通信。如图2 5 所示为一个基 1 0 第二二章u h f 频段r f i d 系统研究 本的u h fr f i d 系统。一个基本的u h fr f i d 系统包括了阅读器( 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 ) 。标签由集成电路芯片( m i c r o c h i p ) 和天线( a n t e 肋a ) 耦合器件组成i l 。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。阅读器通过阅读器天线发射连续波( c wc o n t i n u o u sw a v e ) 信号给标签， 为标签提供能量来激活标签的芯片工作，并向标签发射命令信号。同时，标签也按照存储的数据序 列来改变自己的输入阻抗从而实现对反向散射信号的调制，标签通过反向散射( 反射) 一部分电磁波 到阅读器，将其相应的识别码调制在反射波上来进行通信。通常，标签在两个离散状态之间切换输 入阻抗，从而产生了幅度键控( a s k ：a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) 和相位键控( p s k ：p h a s es h i rk e y i n g ) 两种调 制方式。阅读器天线同时也接收标签的反向散射信号和环境障碍物的杂波信号。阅读器对它进行解 调解码锝到标签数据信息，从而实现了无源标签的反囱散射通信。如图2 - 3 ，可将系统内传播的信 号分类为：前向信号( f o r w a r ds i g n a l ) 、反向散射信号( b a c k s c a t t e rs i g n a l ) 和杂波【i 6 。 图2 3基本的无源反向散射u h fr f i d 系统 2 3 1 阅读器组成 阅读器的组成如图2 - 4 所示。阅读器主要由基带模块、射频模块和天线组成【1 7 1 。 ，-i-l 自 # 硪# 位论文 能量，撤活标签井为其提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传输给标签；接收井解调来自 标签的射频信号；r f 接口是阅读嚣设计中虽复杂的个部分。绝大多数的r f 接口都使用金属罩米 保护免受电磁干扰。 阅读器的天线对阅读器的识别范围和识别区域有非常重要的决定作井 。根据r f i d 系统的应用场 台，r f i d 蒯读器被设计为不l 司的形式、效率、增益、方向性系数 峙射方向图都会不同。被设计为 不同的形式r f i d 阅读器如图2 - 5 所示”： 夕 a ) 天线模块在外部的 b ) 天线模块在头部的c ) 天线模块在背部的 手持式阅读器 下持式阅读器 手持式阅读器 图2 5被设计为不同的形式r f i d 阅读器 对u h fr f i d 阅让器进行研究的关键足提高r f i d 阅读器的阅读性能，使读写器模块可以对标 签进行更快更有效的读写即：a ) 提高阅读器的作川距离；b ) 提高阅读器埘标签的阅读速率。提高 阅读器对标签的阅读速率，主要从改进标签和阅读器防碰擅算法、提高工作带宽等方面考虑，在下 面的论述中舍有更深入的分析对于提高阅读器的作用距离下文也有相关的分析，此处不多做赘述。 2 3 2 阅读器设计指标 r f i d 市场快速增长，对性价比更好的r f i d 标签和读写器有看迫切的要求。对读写器的要求还 包括一下几个方面： n 成本兜低成本问题是制约r f i d 产品生活化的主耍闻索。 2 1 小型化、便携式、嵌入式、模块化。 3 ) 多制式兼容( 兼容读写多种标签类型) ：因为在全球范围内没有一个统一的标准，所以要提高竞争 能力就必须做好读写器的兼容性。 舢多颏段兼容：目前不同国家和地区所采用的产品频率不一致为了适应不刮国家和地区