卫星信号-项目3任务9

1、RFID系统的基本工作原理2、RFID系统的工作模型3、RFID系统的工作流程4、RFID系统的耦合方式5、RFID相关电磁场理论6、任务：一卡通数据读取测试

1、RFID系统的基本工作原理

1、RFID系统的基本工作原理标签与阅读器利用各自携带的天线构筑了一条两者之间进行数据传递的非接触式的通道。当标签处于阅读器的工作范围内时，阅读器利用自身的天线发送射频信号，标签天线收到信号以后会产生感应电流，从而激活内部的电路向阅读器回送信号（无源标签），或者主动向阅读器发送信号（有源标签）；阅读器收到信号以后，对接收到的信号做一些必要的处理，然后将处理后的数据上传到控制系统进行下一步的处理。

1、RFID系统的基本工作原理在RFID系统工作过程中，一直以能量供给作为基础，按照特定的时序方式来完成数据信号的传输。由此可得，RFID系统工作中存在三种工作模型：（1）以能量供给为基础的工作模型（2）以时序方式完成数据传输的工作模型（3）以数据传输为目的的工作模型2、RFID系统的工作模型（1）以能量供给为基础的工作模型对于无源电子标签来说，电子标签正常工作所需要的能量是由阅读器供给的，当标签进入阅读器的工作范围内以后，标签收到阅读器发送的信号，产生感应电流从而激活内部的电路，内部整流电路将射频能量转化为电能，将该能量存储在标签内部的大电容里，进而为其正常工作提供了所需的能量。对于半有源电子标签来说，阅读器发送的射频信号只用来激活标签。对于有源电子标签来说，只要标签处于阅读器的工作范围以内，就可以主动向阅读器发送信号。（2）以时序方式完成数据传输的工作模型时序问题也就是指阅读器和电子标签之间的工作顺序问题。RFID系统中存在着两种工作模式，其中一种是阅读器先发言模式（RTF,ReaderTalkFirst），另外一种就是电子标签先发言模式（TTF,TagTalkFirst）。阅读器先发言模式是说如果阅读器不主动激活电子标签的话，电子标签不会向阅读器发送信号，而电子标签先发言模式则是就算阅读器不激活标签，标签也会主动向阅读器发送信号。系统中的标签如果是无源标签，则通常需采用阅读器先发言模式。如果需要同时对多个标签进行识别，则可以工作于阅读器先发言模式，也可以工作于标签先发言模式。(3)以数据传输为目的工作模型RFID系统中的数据传输也分为两种方式：阅读器向电子标签的数据传输，称为下行链路传输；电子标签向阅读器的数据传输，称为上行链路传输。下行链路传输又可以分为在线写入和离线写入两种情况。无论是哪一类电子标签都有离线写入这种情况。所有电子标签在出厂之前都要由生产厂家将标签的ID号固化写入，该ID号是标签的身份标识，是唯一的，一旦写入以后将永远不能修改。对于在线写入这种情况而言一般是指可写标签，具备可写标签的RFID系统，其内部结构更为复杂，标签的成本也更高，因此大部分RFID系统中的标签还是只读标签。3、RFID系统的工作流程在RFID系统中，读写器与电子标签之间能量与数据的传递都是利用耦合元件实现的，RFID系统中的耦合方式有两种：第一种是电感耦合式第二种是电磁反向散射耦合式。4、RFID系统的耦合方式4.1电感耦合式系统工作原理电感耦合式系统的工作模型类似于变压器模型。其中变压器的初级和次级线圈分别是阅读器和电子标签的天线线圈。电感耦合式系统中的电子标签多为无源式，且这种系统的效率不高，所以一般应用于功耗比较低的场合，工作距离一般也比较近，在一米以内。下面详细介绍一下电感耦合式系统的能量传输原理和数据传输原理。（1）能量传输原理电感耦合式系统的构成如下图所示：（2）数据传输原理电感耦合式系统中的数据传输方式是负载调制方式，其原理就是通过控制电子标签天线上的负载的通断来改变阅读器天线的电压，从而实现对天线电压的幅度调制。实际工作中，利用数据来控制电子标签负载的通断，那么这些数据信息就能够从电子标签一端传输到阅读器一端了。（2）数据传输原理负载调制的原理图如下所示：4.2电磁反向散射耦合式系统雷达技术为RFID的反向散射祸合方式提供了理论基础。雷达天线发射到空间中的电磁波会碰到不同的目标，到达目标以后，一部分低频电磁波能量将被目标吸收，另一部分高频能量将以不同强度散射到各个方向，其中，反射回发射天线(发射天线也是接收天线)的部分称为回波，回波中带有目标信息，可供雷达设备获知目标的距离和方位等。下面介绍一下电磁反向散射耦合式系统的工作原理与能量传递。（1）工作原理电磁反向散射耦合方式采用雷达原理模型，依据的是电磁波的空间传播规律。随着电磁波频率的上升，信号的穿透性降低，反射性增强，所以该方式一般适合于超高频和微波频段的RFID系统，标签工作时离阅读器较远，既可采用无源标签也可采用有源标签。电磁反向散射耦合式系统工作原理如下图所示。（1）工作原理（1）工作原理电磁反向散射耦合式系统数据传输方式是反向散射调制，电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za表示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反射载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。当标签需要发送的信息为

二进制数“1”时，芯片的

阻抗状态为Z11；

当标签需要发送的信息为

二进制数“0”时，芯片的

阻抗状态为Z12。（1）工作原理这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：

S0(t)=s(t)S1S1(t)=s(t)S2式中，s(t)为标签接收到的信号。当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不同的反向散射调制方式，使得标签返回的能量和进入标签的能量具有不同的特性。以下为四种情况：①OOK调制方式(On-OffKeying,OOK)。在该方式下，阻抗状态为1时，完全反射；阻抗状态为2时完全匹配，而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同。即：

|S1|=1|S2|=0arg(S1)=arg(S2)②BPSK调制方式(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)。在该方式下，这两种阻抗状态有相同程度的失配，但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相反。

0<|S1|=|S2|<1arg(S1)=—arg(S2)③任意调制因子的ASK（AmplitudeShiftKeying,ASK）调制。在该方式下，这两种阻抗状态有着不同程度的失配，但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。

0<|S1|<|S2|<1arg(S1)=arg(S2)这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制因子的ASK调制方式。④PR-ASK（PhaseReverseAmplitudeShiftKeying,PR-ASK）方式。该方式下，这两种阻抗状态有不同程度的失配，而且这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。

0<|S1|<|S2|<1arg(S1)=arg(S2)这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的幅度键控调制方式。（2）能量传递①读写器到电子标签的能量传递读写器天线发射出去的电磁波是以球面波的形式向外空间传播的，所以可以计算出距离读写器R处的电子标签的功率密度S：

（1）

其中PTx表示读写器的发射功率，GTx表示读写器发射天线的增益，R表示电子标签与读写器之间的距离。而电子标签所能接收到的最大功率Ptag与读写器的发射功率S成正比关系，即：

（2）（2）能量传递其中Gtag表示电子标签接收天线的增益，将（1）式代入（2）式可得：

②电子标签到读写器的能量传递读写器发送出去的能量经过一定的衰减后一部分被电子标签吸收，一部分要反射出去。电子标签反射出去的功率Pback与它的雷达散射截面σ成正比关系，则：（2）能量传递而距离电子标签R处的读写器的功率密度，也即电子标签返回给读写器的功率密度Sback就可以由下式表示：

读写器接收到的功率PRx与它的接收天线的有效面积成正比，所以：电磁场有两种形式，一种是静态场，一种是交变场。在静态场中，场是随着场源的改变而改变的，场源在场就在，场源消失场就随着消失。交变场则不同，在交变场中，电磁波一旦产生以后，就算波源消失了，电磁波也可以不断地向外传播。而交变场又可以划分为两个部分，一部分是非辐射场，一部分是辐射场。在非辐射场中，电磁能量只在场源附近来回流动，不会向外辐射。而在辐射场中，电磁能量会脱离场源的束缚，并作为电磁波的形式向外传播。其中非辐射场又称为感应场或电抗场。5、RFID相关电磁场理论读写器和电子标签之间的通信是依靠各自的天线实现的，天线周围的电磁场特性决定了读写器与电子标签之间的通信信道的性能。根据相关电磁场理论可知，天线周围的交变电磁场可以划分为非辐射场区和辐射场区，而辐射场区依照距离远近又可以划分为辐射近场区和辐射远场区。①非辐射场区在该场区中，场强与距离天线的远近有关，随着与天线的距离不断增大，场强不断减小。一般情况下，距离天线口径表面