RFID入门学习（三次更改）

前言

对于一门新的学科我们首先就要明确我们的学习流程。做到从一而终贯彻全文，要将知识串连起来。有一个好的学习思路有利于将碎片化的知识联系起来。本篇文章首先从RFID整理了解入手，先学习了RFID的基础知识，然后学习了在整个RFID系统中进行通讯的流程，讲述了在整个通信中用到的一些技术，之后对RFID系统重要部件进行了一一介绍包括，天线、射频前端、电子标签、阅读器（读写器）。接下来我门就按照顺序开始学习。

第 1 节 RFID技术概述

1.1 RFID技术特点

RFID技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术。它是通过磁场或者电磁场，利用无线射频方式进行非解接触双向通信以达到识别的目的并交换数据，可以识别高速运动物体并可同时识别多个目标。自动识别技术主要有：条形码识别、生物识别、射频识别（RFID）、智能卡识别（IC）、光学符号识别。
RFID自动识别的优势极特点主要有：

• 快速扫描
• 体积小型化、形状多样化
• 抗污染能力和耐久性
• 可重复使用
• 穿透性和无屏障阅读
• 数据的记忆内容量大
• 安全性

经过多年的发展，13.65MHz以下的RFID技术已经相对成熟，目前发展最快的是中高频的RFID技术，尤其是在860~960MHz的远距离RFID技术发展的最快；2.45GHz和5.8GHz频段因为产品拥挤，容易受干扰，技术相对复杂，故相关研究和应用仍处于探索阶段。

1.2 RFID系统组成

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件、应用系统软件4部分组成，一般把中间件和应用软件统称为应用系统。

1.2.1 硬件组件

阅读器

阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读写装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元、天线，3部分组成。

• 射频接口
  在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用来往电子标签与阅读器两个方向的数据传输。传送往电子标签的数据通过发射器分支通道发射，来自于电子标签的数据通过接收分支通道接收。射频模块具有以下主要任务：
  1.产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。
  2.对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。
  3.接收并调制来自电子标签的射频信号
• 逻辑控制单元
  逻辑控制单元也称为读写模块，其具有以下主要任务：
  1.与应系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的指令
  2.控制阅读器与电子标签的通信过程
  3.信号的编码与解码
  4.对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密
  5.执行防碰撞算法
  6.对阅读器和标签的身份进行验证
• 天线
  天线是一种能将接收到的电子电磁波转换为电流信号，或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别，因此阅读器上的天线所形成的电磁场范围就是阅读器的可读区域。

电子标签

电子标签（Electronic Tag）也称为智能标签（Smart Label），是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。系统工作时，阅读器发出查询（能量）信号，标签（无源）在收到查询（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。电子标签是射频识别系统真正的数据载体

电子标签内部各个模块功能描述

• 天线：用来接收阅读器送来的信号，并把要求的数据送回给阅读器
• 电压调节器：把阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并加大电容存储能量，在经稳压电路以提供稳定的电源。
• 调节器：逻辑控制电路送出的数据经过调制电路调制后加载到天线送给阅读器
• 解调器：把载波去除以取出真正的调制信号。
• 逻辑控制单元：用来译码阅读器送来的信号，并依照其要求送回数据给阅读器。
• 存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。

1.2.2 软件组件

中间件

中间件位于客户机、服务机的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。RFID中间件扮演着电子标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间提供的一组通用的应用程序接口，即能连接到RFID阅读器，读取电子标签数据。这样即使存储电子标签信息的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者RFID阅读器种类增加等情况发生时，应用端不需要修改也能处理。

RFID主要包括以下四个功能

• 阅读器协调控制
• 数据过滤预与处理
• 数据路由与集成
• 进程管理

RFID应用系统软件

RFID应用系统软件是针对不同行业的特定需求开发的应用软件，可以有效地控制阅读器对电子标签信息进行读写，并且对收集到的目标信息进行集中的统计与处理。RFID应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中，与ERP、CRM以及SCM等系统结合以提高各行业的生产效率。

1.3 RFID系统特征

1.4 RFID技术现状和面临的问题

1.5 RFID技术涉及到的物理知识

1.5.1 RFID用到的电磁场理论

1.5.2 能量耦合和数据传输

1.5.3 反向散射调制的能量传输

读写器到射频标签的能量传输

射频标签到读写器的能量传输

第 2 节 RFID涉及技术的基础讲解

章节导读：
由通信系统到数字通信系统的说明，来引入与之结构类似的RFID通信系统模型，来加深印象。对RFID通信系统中，编码和调制过程进行了讲解。并追加讲解了如何保证信息在无线信道中的传输完整性和传输安全性。

2.1 数字通信基础

2.1.1 通信系统模型

人类在生活、生产和社会活动中总是伴随着消（或信息）的传递，这种传递消息（或信息）的过程就叫做通信。通信系统是指完成通信这一过程的全部设备和传输媒介，包含三个主要的功能块：发送端、信道和接收端。如下图所示：

在通信系统模型中，如下图所示：

• 信息源：简称信源，可分为模拟信源和数字信源。把各种消息转换成原始电信号，如话筒。
• 发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。
• 信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。
• 接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
• 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的信息，如扬声器
  

2.1.2 数字通信系统模型

数字通信系统是指利用数字信号来传递信息的通信系统。
在数字通信系统模型中，如下图所示：

• 信源编码与解码目的：提高信息传输的有效性以及完成模/数转换；
• 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力；
• 加密与解密目的：保证所传信息的安全；
• 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号
  

2.1.3 RFID通信模型

RFID系统常采用数字信号，其基本结构主要包含：读写器、天线和电子标签。
与数字通信系统的模型相类似。在RFID系统内的数据传输有两个方面的内容：RFID读写器向电子标签方向的数据传输、RFID电子标签向读写器方向的数据传输

按RFID读写器到电子标签的数据传输方向，RFID系统的通信模型主要由

• 读写器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波电路）、
• 传输介质（射频前端、天线和自由空间）、
• 电子标签（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）组成

2.2 信号的编码与调制

2.2.1 信号与信道

信号是消息的载体，在通信系统中消息以信号的形式从一点传送到另一点。信道是信号的传输媒介，信道的作用是把携有信息的信号从它的输入端传递到输出端（你可以把它想象成水管）。RFID中为无线信道

信号

1.模拟信号和数字信号
信号是数据的电表现形式，分为模拟信号和数字信号两种

• 模拟信号在时间上和数值上连续的信号。
• 数字信号在时间上和数值上不连续（即离散）的信号。通常用信号的两个稳态电平来表示二进制的“0”和“1”。

RFID系统传输数字信号。

2.时域和频域

• 时域的自变量是时间，时域表达信号随时间的变化
• 频域的自变量是频率，频域表达信号随频率的变化

3.信号工作方式

• 时序系统：
  在时序系统中，从电子标签到读写器的信息传输是在电子标签能量供应间歇进行的，读写器写与带脑子标签不同时发射。
• 全双工系统
  电子标签与读写器之间可以在同一时刻互相传送信息
• 半双工系统
  电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息

4.通信握手
通信握手是指读写器与电子标签双方在通信开始、结束和通信过程中的基本沟通，其要解决通信双发的工作状态、数据同步、信息确认等问题。

信道

信道有无线信道、有线信道。RFID的信道是具有各种传播特性的自由空间，所以RFID采用无线信道。

1.信道带宽
信号所拥有的频率范围叫做信号的频带宽度，简称带宽。为信号在信道中能通过的最高频率减去最低频率。最低频和最高频都是由信道的物理特性决定的，当组成信道的电路制成了，信号的带宽就决定了。

2.信道传输速率
信道传输速率就是数据在传输介质上的传输速率，数据传呼速率在数值上等于每秒钟传输数据代码的二进制比特数，数据传输速率的单位为比特/秒（b/s）。

3.波特率和比特率

• 波特率：在信息传输通道中，携带数据信息的断源叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称比特率。
• 比特率：每秒钟通过信道传输的信息量称为位传输速率，简称比特率，比特率是数据传输速率，表示单位时间内可传输二进制位的位数。
• 波特率和波特率的关系：假如一个码元用M个离散电平表示则有
  比特率=波特率×1bM

4.信道容量

2.2.2 编码

编码的定义

把数字数据或模拟数据转换为数字信号都称为编码

信源编码

模拟数据的数字化，又称信源编码，是对信源信息进行加工处理，模拟数据经过采样、量化和编码变换为数字信号。流程如下图

信道编码

数字数据的编码，即信道编码，是将数字数据编码成适合于在数字信道上传输的数字信号。信道编码的主要目的是向前纠错，以增强数字信号的抗干扰能力。

编码划分

按数字编码方式，可以划分为以下几种：

• 单极性码：数字信号最简单的编码方法，通常只用一个电平来表示两个二进制
• 极性码：用负电平表示一个二进制值，正电平表示另一个二进制值
• 双极性码：无线路信号表示一种状态，正负电平交替表示另一种

2.2.3 RFID常用的编码方式

为什么要编码

1. 在RFID系统中使用的电子标签常常是无源的，而无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应。
2. 可以根据码型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生。曼彻斯特编码、差动双向编码、单极性归零编码具有较强的编码检错能力。
3. 在电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟

反向不归零编码
高电平表示二进制1，低电平表示二进制0

曼彻斯特编码
高到低为1，低到高为0

单极性归零编码
1发出一个正电流脉冲，0不动

差动双向编码
半个周期任意边缘跳变表示0，1不变。此外在每个比特周期开始时，电平都要反相。因此，对于接收器来说，位节拍比较容易重建。

米勒编码
半周期变化为1否则为0

变形米勒编码

差分编码

2.2.4 调制

调制的目的是把传输的模拟信号或数字信号，变成适合信道传输的信号，把信源的基带信号，转变成为一个相对基带频率而言非常高的带通信号。

什么是调制

在无线通信中，调制是指载波调制。载波调制，就是用调制信号控制载波参数的过程。未受调制的周期性振荡信号称为载波

为什么要调制

调制方法

2.2.5 RFID常用的调制方式

2.3 RFID数据传输的完整性

2.3.1 RFID数据校验方法

在RFID系统中，因外界各种干扰使得电子标签与读写器之间的数据传输产生错误，运用数据校验可以解决这个问题。

差错与差错控制

• 差错
  1.随机错误：由信道中的随机噪声干扰引起
  2.突发错误：由突发干扰引起
  3.混合错误：包括随机错误和突发错误
• 差错控制
  在传输信息数据中增加一些冗余编码，使得监督码元和信息码元之间建立一种确定的关系，来实现差错控制编码和解码功能。
  
• 差错控制方法
  1.反馈重发
  2.前向纠错
  3.混合纠错

奇偶校验法

在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位0或1。采用奇偶校验位只需分别把每个编码中1的个数凑成奇数或偶数。

其特点为实现简单，无错误定位和纠错能力，但能发现1位或奇数个位出错，实际应用中为了便于判别多采用奇校验。

冗余校验法

• 纵向冗余校验（LRC）：
  也称为代码和校验，是把传输数据块中所有字节按位加，其结果就是校验字节。在发送端传输数据时附加传输校验字节，在接受端将数据字节和校验位按位加如果结果为0传输正确否则传输错误。
  
• 循环冗余校验（CRC）：
  是一种检错纠错能力很强的数据校验方法，由循环多项式生成。CRC中的生成多项式是指接受方和发送方的一个约定，也就是一个二进制数，在整个传输过程中，这个数始终保持不变 在发送方,利用生成多项式对信息多项式做模2除生成校验码。 在接受方利用生成多项式对收到的编码多项式做模2除检测和确定错误位置。
  
  

2.3.2 RFID系统中的碰撞

碰撞的概念

在RFID系统应用中因为多个标签或多个读写器的存在造成标签之间或多个读写器的存在造成标签之间或读写器之间相互干扰，这种情况我们统称为碰撞也称为冲突

碰撞的类型

多标签碰撞：在读写器作用范围内多个标签同时与读写器通信时产生的碰撞
多读写器碰撞：即相邻的读写器在其信号交叠区域内产生干扰，导致阅读范围减小无法读取标签
读写器碰撞类型：

1. 读写器间频率干扰
   
   从 标签Tag反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰
2. 多读写器标签干扰
   
   标签Tag1接收到的信号为两个读写器发射信号的矢量和，是一个未知信号
3. 隐藏终端干扰
   
   两个阅读器的阅读区域没有重叠，但是Reader2发出的信号在标签上会干扰从Reader1发出的信号

防碰撞机制

RFID系统工作时通常出现两种不同的基本通信形式：无线电广播式、多路存储式

• 无线电广播式在读写器的作用范围内，读写器发出来的数据被多个应答器接收
• 多路存储式在读写器作用范围内，多个应答器同时传输数据给读写器

其中防碰撞机制多用于多路存储法，对于碰撞的解决办法有以下几种

• 空分多路法：利用空间分割成不同的信道，可在读写器上使用电子控制定向天线，天线的方向直接对准某个标签，减少单个读写器作用范围
• 频分多路法：把信道分割为若干更窄的互不相交的子频带，缺点是阅读器费用高
• 码分多路法：利用不同的码序列分割成不同信道，在RFID系统中难以应用
• 时分多路法：按整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户，建立唯一的阅读器和标签的通信关系，可以很好解决标签碰撞问题

2.3.3 RFID标签防碰撞技术——标签控制法

解决标签碰撞问题的方法被称为标签防碰撞算法，考虑到标签的功耗、存储性能、价格、计算能力等因素。RFID标签大多采用多路存取法中的时分多路法，该方法可分为标签控制算法和读写器控制算法。

标签控制算法以标签为主控器，**ALOHA算法为典型的标签控制算法，它包括很多变体：纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法、帧时隙ALOHA算法、动态帧时隙ALOHA算法。ALOHA算法广泛应用于解决高频RFID系统中标签碰撞问题 **

纯ALOHA算法

各个标签随机在某时间点上发送信息，读写器检测收到的信息，判断是成功接收或碰撞，其信号碰撞分为两种：部分冲突，完全冲突。

发生碰撞的数据都无法被读写器识别，该算法非常简单易于实现，广范运用在RFID系统中==但信道利用率仅为18.4%==性能十分不理想。

时隙ALOHA算法

将时间分为多个离散的时隙，其长度等于或稍大于标签发送数据的时间长度，并且每个标签只在时隙开始的时候发送数据，因此标签要么成功发送要么完全碰撞

避免了纯ALOHA算法中部分碰撞的情况，碰撞周期减半，提高了信道利用率。

帧时隙ALOHA算法

在时隙ALOHA算法基础上将若干个时隙组织为一帧，读写器以帧为周期进行识别，每个标签随机挑选一个时隙如果一个时隙只被一个标签选中则标签被正确识别，如果多个标签选择同一时隙则会产生冲突标签不能被成功识别。

优点逻辑简单所需内存少，进一步降低了冲突的概率。缺点当标签数量远大于时隙个数时读取标签的时间会大大增加，远小于时隙个数时又会造成时隙浪费

动态帧时隙ALOHA算法

在帧时隙ALOHA算法基础上帧长随待识别标签数的改变而动态改变，当待识别标签数较多时动态增加帧长，较少时动态减少帧长，可以降低时隙碰撞率和空闲时隙比率，提高时隙利用率和系统性能

2.3.4 RFID标签防碰撞技术——读写器控制法

读写器控制法由读写器为主控器来控制所有的标签，按照规定算法在同一时间内读写器只与一个标签建立通信关系。二进制搜索算法是典型的读写器控制算法

二进制搜索算法要素

• 三要素：基带编码、序号唯一、指令规则
• 碰撞解决：选用适当的基带编码易于识别碰撞位，利用标签卡序列号唯一特性，设计一组有效的指令规则高效迅速地实现选项卡
• 碰撞解决：标签位检测曼彻斯编特码中，如果两个或多个电子标签同时发送的数位值不同则接收的上升沿和下降沿相互抵消，从而溢出错误码字识别出具体的碰撞位。
• 防碰撞指令规则典型的有以下四个：请求序列号、选择序列号、读出数据、退出选择

树分叉算法基本思想

将处于碰撞的标签分成左右子集0和1 ，先查询子集0若没有碰撞则装则正确识别标签，若有碰撞则分裂，把零子集分成00和01两个子集。依次类推直到识别出子集0中的所有标签为止，然后再按照此步骤查询子集1。

工作流程：读写器广播发送最大序列号，读写器检测标签序列号碰撞位，若有碰撞则将其最高位置0再输出查询条件Q，依次排除序列号大于Q的标签识别出最小的标签后对其进行数据操作 ，然后使其进入“无声”状态。重复步骤1选择出序列号倒数第二的标签，多次循环后完成所有标签的识别

搜索过程展示

2.3.5 RFID读写器防碰撞算法

如何解决读写器之间的碰撞问题，是读写网络中一个至关重要的问题。有两种方式：主动式、被动式
主动式：正在工作的读写器主动告知临近读写器它正处于的工作装态
被动式：通过想要占用信道的临近读写器的询问该读写器才告诉其工作状态

产生碰撞原因——密集读写器环境

密集读写器环境是指在RFID系统应用中，在预定区域部署多个读写器，以满足对区域内所有标签进行完全的、高可靠的读取要求。系统网络中包含多个读写器和一个中央计算机。读写器与中央计算机之间一般采用局域网或无线局域网方式进行通信连接，网络中每个读写器通常具有不同范围的识读区域，各个识读区域可能有交集，如果不采取防冲突措施就会产生读写器冲突

读写器防碰撞机制的选择

常用的多址机制不能直接应用在射频识别系统中，因为FDMA方式中，读写器使用不同的频段和射频标签通信。射频标签需要增设频率调谐电路功能，将大大增加射频标签的成本。CDMA需要在射频标签中增色额外的电路，大大增加了标签的成本，并且分配码给所有网络中标签是一件非常复杂的工作，因此不通过这两种方法进行防碰撞。只能通过TDMA方式解决。
TDMA方式中读写器被分配不同的时隙以避免读写器同时询问/发送射频信号

读写器防碰撞算法

• Colorware算法
  Colorware算法是一种分布式的TDMA算法，通过给阅读器分配不同的时隙来避免阅读器之间的碰撞，该算法规定每一个读写器随机选择一个时隙传输数据。如果发生了冲突，读写器选择一个新的时隙并且发送一个较小的控制包kick给他所有临近的读写器告诉它门它选择了一个新的时隙。如果临近的读写器有同样的时隙。他在重新选择一个新的时隙并发送一个较小的控制包kick，这样会一直持续下去。该算法需要所有阅读器之间的时间同步，同时还要求所有的阅读器都可以检测RFID系统中的碰撞
• Q-Learning算法
  它是是一个分等级的、在线学习算法。Q-learning服务器给读写器等级服务器R-Server分配频率和时隙。总Q-Server监视和分配所有频率源和时隙源。这样一个独立的R-Server给读写器分配资源使得读写器的通信之间不发生碰撞
• Pulse算法
  将通信信道分为控制信道和数据信道两部分，控制信道用于发送忙音信号和阅读器之间的通信。数据信道用于阅读器和标签之间的通信，适合于动态拓扑变化比较频繁的网络

2.4 RFID数据安全

2.4.1 RFID系统安全漏洞

• RFID标签和后端系统之间的通信时非接触和无线的，很容易受到窃听
• 标签本身的运算能力和可编程性，直接受到成本要求的限制。无法执行复杂的密码学运算
• 标签和阅读器中数据的脆弱性、RFID中间件及后端系统的安全脆弱性

2.4.2 RFID系统面临的攻击手段

对RFID系统的攻击主要是对标签信息的解惑和破解
针对RFID系统的安全攻击分可以简单的分为主动式和被动式攻击

• 主动攻击：
  1.获得RFID标签的的实体，通过物理手段再实验实环境中去除芯片封装，使用微型探针获取敏感信号，进行目标标签的重构
  2.通过利用软件，利用微处理器的通用接口，扫描射频标签和响应读写器的探询，寻求安全协议和加密算法存在的漏洞，进而删除或篡改射频标签内容
  3.通过干扰广播、阻塞信道或其他手段，构建异常的应用环境，使合法处理器发生故障，进行拒绝服务攻击等。

应对主动攻击的重要技术是认证技术

• 被动攻击
  1.通过采用窃听技术，分析微处理器正常工作过程中产生的各种电磁特性，来获得射频标签和读写器之间或其他RFID通信设备之间的通信数据
  2.通过读写器等窃听设备，跟踪商品流通动态。

应对被动攻击的主要技术手段是加密技术

2.4.3 安全与隐私问题的解决方法

物理方法

• 主动屏蔽和锁定标签，采用一个特殊阻止标签来干扰防碰撞算法的实现，阅读器读取命令时每次总获得相同的应答数据从而保护标签
• 采用编程和物理手段使RFID标签适时失效，如：KiLL标签
• 法拉第网罩：是由金属网络金属薄片构成的无线信号不能穿透的容器，例如法拉第钱包
• 利用专有通信协议实现敏感使用环境的安全
• 引入加密机制
• 利用传统的安全技术解决中间件及后端的安全

逻辑方法

是基于RFID安全协议的方法

• Hash Lock协议
• 随机化Hash Lock协议
• Hash协议链
• 基于杂凑的ID变化协议
• 分布式RFID询问应答认证协议
• LCAP协议

第 3 节 RFID系统之——线技术

3.1 天线概述

3.1.1 天性定义

3.1.2 天线基本形式

线圈型天线

电子标签线圈型天线与读写器天线相当于变压器的初级线圈和次级线圈。

微带贴片天线

微带贴片天线由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的，如图所示。根据天线辐射特性的需要，贴片导体可以设计为各种形状。

通常，微带贴片天线的辐射导体与金属地板距离为波长的几十分之一。微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的，辐射方向基本确定。因此，一般适用于通讯方向变化不大的RFID应用系统中。

偶极子天线

偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布可以在天线周围空间激发起电磁场

3.1.3 3种形式线圈的特点

• 线圈型天线：工艺简单，实现技术很成熟，广泛地应用在小于1 m 的近距离RFID应用系统中，如身份识别、货物标签等。
• 微带贴片天线：通讯方向定向，实现工艺较复杂，成本较高，一时还无法被低成本的RFID应用系统所选择。
• 偶极子天线：辐射能力较强、制造工艺简单和成本低，具有全向方向性，常用于远距离RFID系统

3.1.4 天线类别

• 在RFID系统中：
  天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。
  目前，RFID天线的研究重点是电子标签天线

• 按RFID标签芯片的供电方式来分：
  RFID标签天线可以分为有源天线和无源天线两类。
  1.有源天线的性能要求较无源天线要低一些，但是其性能受电池寿命的影响很大；
  2.无源天线能够克服有源天线受电池限制的不足，但是对天线的性能要求很高。
  目前，RFID天线的研究重点是无源天线

• 按RFID系统工作频段来分：
  RFID标签天线可以分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。
  1.近场感应线圈天线：工作在低频、高频段的电感耦合系统；
  2.远场辐射天线：工作在超高段的电磁反向散射耦合系统。
  目前，RFID天线的研究重点是远场辐射天线。接下来我们就对上述进行学习。

3.2 低频和高频RFID天线技术

在低频和高频频段，读写器与电子标签基本都采用线圈天线，线圈之间存在互感，使一个线圈的能量可以耦合到另一个线圈，因此读写器天线与电子标签天线之间采用电感耦合的方式工作。读写器天线与电子标签天线是近场耦合。
特点:

• 天线都采用线圈的形式。
• 线圈的形式多样，可以是圆形环，也可以是矩形环。
• 天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。
• 有些天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。
• 由天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小。
• 由天线和芯片构成的电子标签，可以在条带上批量生产。

3.3 微波RFID天线技术

微波RFID天线采用电磁辐射的方式工作，读写器天线与电子标签天线之间的距离较远，一般超过1m，典型值为1～10m；
微波RFID的电子标签较小，使天线的小型化成为设计的重点；
微波RFID天线形式多样，可以采用对称振子天线、微带天线、阵列天线和宽带天线等；

3.3.1 天线技术（用到了哪种天线）

弯曲偶极子天线

微带天线

阵列天线

非频变天线

3.3.2 天线特点

• 天线都采用线圈的形式。
• 线圈的形式多样，可以是圆形环，也可以是矩形环。
• 天线的尺寸比芯片的尺寸大很多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的。
• 有些天线的基板是柔软的，适合粘帖在各种物体的表面。
• 由天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小。
• 由天线和芯片构成的电子标签，可以在条带上批量生产。

3.3.3 应用方式

微波RFID天线的应用方式很多，下面以仓库流水线上纸箱跟踪为例，给出微波RFID天线在跟踪纸箱过程中的使用方法。

（1）纸箱放在流水线上，通过传动皮带送入仓库。
（2）纸箱上贴有标签，标签有两种形式，一种是电子标签，一种是条码标签。为防止电子标签损毁，纸箱上还贴有条码标签，以作备用。
（3）在仓库门口，放置3个读写器天线，读写器天线用来识别纸箱上的电子标签，从而完成物品识别与跟踪的任务。

3.4 RFID天线的制造工艺

RFID标签天线应该具有低成本、高效率和低污染的特性

3.4.1 线圈绕制法

此时天线线圈的匝数一般较多。要在一个绕制工具上绕制标签线圈，并使用烤漆对其进行固定，然后将芯片焊接到天线上之后，最后对天线和芯片进行粘合，并加以固定。

• 缺点是成本高，生产速度慢。这种方法天线通常采用焊接的方式与芯片连接，由于受控的因素较多，容易出现虚焊、假焊和偏焊等缺陷
• 低频RFID电子标签天线，线圈的圈数一般为几百到上千，只能采用这种工艺。
• 高频RFID天线也可以采用这种工艺，线圈的圈数一般为几到几十。
• 超高频天线很少采用这种工艺。

3.4.2 蚀刻法

蚀刻法是在一个塑料薄膜上层压一个平面铜箔片，然后在铜箔片上涂覆光敏胶，干燥后通过一个正片（具有所需形状的图案）对其进行光照，然后放入化学显影液中，此时感光胶的光照部分被洗掉，露出铜，最后放入蚀刻池，所有未被感光胶覆盖部分的铜被蚀刻掉，从而得到所需形状的天线

• 优点精度高，能够与读写机的询问信号相匹配，天线的阻抗、方向性等性能等都很好，天线性能优异且稳定。耐用年限为十年以上。
• 缺点就是成本太高，制做程序繁琐，产能低下。
• 高频RFID标签常采用这种工艺。

3.4.3 印刷法

印刷法制作过程：直接用导电油墨在绝缘基板（薄膜）上印刷导电线路，形成天线和电路。

• 印刷天线技术可以用于大量制造13.56MHz和超高频频段的RFID电子标签。
• 优点：产出最大，成本最低，污染最低；
• 缺点：电阻大，附着力低，耐用年限较短。

3.4.4 工艺使用对象

• 低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；
• 高频RFID电子标签天线利用以上3种方式均可实现，但以蚀刻天线为主，其材料一般为铝或铜；
• UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主

第 4 章 RFID系统之——射频前端

章节导读：
一个阅读器，一个应答器。他们两个在通信的时候需要正确的接收互相的信号，但是在空气种有无数我们看不见的信号在一起我们应该如何将其中所需要的找出来呢？如果应答器为无源的那么它的能量从何而来呢？
对于信号的问题我们只需要将不需要的信号进行抑制或过滤，因此我们需要一个选择电路，就是谐振电路，对于阅读器和应答器应选用合适的谐振电路。用电磁感应原理解决应答的电源问题。本章将讲解提到上述提到的谐振电路、阅读器和应答器之间的电感耦合等问题

4.1 射频前端概述

实现射频能量和信息传输的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。射频前端模块由功率放大器（PA）、滤波器、双工器、射频开关、低噪声放大器、接收机/发射机等组成。其中功率放大器负责发射通道的射频信号放大；滤波器负责发射及接收信号的滤波；双工器负责 FDD 系统的双工切换及接收/发送通道的射频信号滤波；射频开关负责接收、发射通道之间的切换；低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大；接收机/发射机用于射频信号的变频、信道选择。

4.2 信号收发技术——谐振概述

4.2.1 谐振简介

谐振，即物理的简谐振动，物体的加速度与偏离平衡位置方向上的位移成正比，且总是在指向平衡位置的回复力的作用下的振动。谐振的动力学方程式是F=-kx。 谐振的现象是电流增大和电压减小，越接近谐振中心，电流表电压表功率表转动变化快，但是和短路的区别是不会出现零序量。在物理学里，有一个概念叫共振，当驱动力的频率和系统的固有频率相等时，系统受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。电路里的谐振其实也是这个意思：当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值。实际上，共振和谐振表达的是同样一种现象。这种具有相同实质的现象在不同的领域里有不同的叫法而已。

4.2.2 谐振应用

收音机利用的就是谐振现象。转动收音机的旋钮时，就是在变动里边的电路的固有频率。忽然，在某一点，电路的频率和空气中原来不可见的电磁波的频率相等起来，于是，它们发生了谐振。远方的声音从收音机中传出来，这声音是谐振的产物。

4.2.3 谐振电路

由电感L和电容C组成的，可以在一个或若干个频率上发生谐振现象的电路，统称为谐振电路。在电子和无线电工程中，经常要从许多电信号中选取出我们所需要的电信号，而同时把我们不需要的电信号加以抑制或滤除，为此就需要有一个选择电路，即谐振电路。另一方面，在电力工程中，有可能由于电路中出现谐振而产生某些危害，例如过电压或过电流。所以，对谐振电路的研究，无论是从利用方面，或是从限制其危害方面来看，都有重要意义。

4.3 谐振电路应用——阅读器天线电路

4.3.1 阅读器天线电路的选择

在阅读器中，由于串联电路谐振回路电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，因此被广范采用。

4.3.2 串联谐振回路

电路组成

由电感线圈L和电容C组成的单个谐振回路，称为单谐振回路。信号源与电容和电感串接，就构成串联谐振回路。

R1是电感线圈L损耗的等效电阻，Rs是信号源的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+Rs+RL

谐振条件

在4.2.1谐振的简介当中我们可以了解到，想要产生谐振就需要我们得到一个电磁振荡的峰值就，在这个串联谐振回路中就是求得电流最大值。

电压电阻求电流会吧！

在我们的串联谐振回路中使用阻抗Z代替R，阻抗会求吧！

R是回路中电阻总值。

• 解释说明：在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一个复数，实部称为电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。 阻抗的单位是欧。

外加电压U是已知的，现在我们阻抗也有了，电流就能求了

想要产生谐振那就要电流最大，U和R已经确定不能改变。因此只能让电抗减小

由此可以导出回路产生串联谐振的角频率和频率分别为

谐振特性

• 谐振时电感L两端的电压为
  

• 谐振时电容C两端的电压为
  

• 串联谐振回路谐振时
  1.谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值，且为纯阻。
  2.谐振时，回路电流最大，且与电压同相。
  3.电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍。

• 两个重要的物理量
  
  回路电阻R越小，品质因数越高，电路对频率的选择性就越好。
  补充说明：谐振电路的选择性就是选择有用的电信号的能力。当R，L，C串联电路中接入许多不同频率的电压信号时，今如调节电路的固有谐振频率 ω0（在此是调节电容C），就能使我们所需要的频率信号（例如ω2）与电路达到谐振，即使ω0=ω2，从而电路中的 电流达到最大值（谐振电流），当电路的Q值很高时，从C两端（或L两端）输出的电压UC（或UL）也就最大；而我们不需要的电信号（例如ω1和ω3的电压）在电路中产生的电流很小，其输出电压当然也小。这就达到了选择有用电信号ω2的目的。显然，电路的Q值越高，频率特性就越尖锐，因而选择性也就越好。

谐振曲线和通频带

• 谐振曲线
  回路中电流幅值与外加电压频率之间的关系曲线，称为谐振曲线。任意频率下的回路电流与谐振时的回路电流之比为
  
  取模值为
  
  画出谐振曲线
  

• 通频带
  1.定义：
  当电源的ω（或f）变化时，使电流 （或使 ）的频率范围称为电路的通频带
  2.概念：
  通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件的存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。通常情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。
  然而实际信号一般都包含多种频率成分而占有一定的频率范围，或者说占有一定的频带。当实际信号电压作用于串联谐振电路时，由于电路的选频作用，电路中的电流和各元件的电压不可能保持实际信号中各频率成分振幅之间原有的比例，其中偏离谐振频率的成分会受到不同程度的抑制而被相对削弱，这种情况称为幅频失真。假设串联谐振电路的输入信号电压中含有振幅相等的几种不同频率成分，电路的电流中这些频率成分的振幅是不可能相等的，即电流将产生幅频失真。通用谐振曲线的形状愈尖锐，即电路的Q值愈高、选择性愈好，电路的幅频失真也愈甚。
  3.工作原理：
  为了限制信号的幅频失真，就要求电路对信号所包含的各种频率成分都不要过分抑制，或者说要求电路容许一定频率范围的信号都通过，这个一定的频率范围称为电路的通频带。一般规定：在电路的通用谐振曲线上，比值不小于0.707的频率范围是放大电路的通频带，并以BW表示。
  只要选择电路的通频带大于或等于信号的频带，使信号的频带落在电路的上、下边界频率之间，那么，由电路的选频作用引起的幅频失真就被认为是允许的。
  串联谐振电路的通频带BW与电路的品质因素Q成反比。Q值愈高，电路的选择性愈好，通频带愈窄；反之，Q值低，通频带宽了，电路的选择性则较差。所以在实际应用中，应根据需要，或有所侧重，或二者兼顾。一般只要信号的幅频失真不超出允许范围，还是要求品质因数尽可能高一些。
  
  4.通频带BW为
  
  由此可见，Q值越高，通频带越窄（选择性越强）。在RFID技术中，为保证通信带宽在电路设计时应综合考虑Q值的大小。

4.4 谐振电路应用——应答器天线电路

4.4.1 应答器天线电路的选择

无源应答器的天线电路多用并联谐振回路。并联谐振回路称为电流谐振，在谐振时，电感和电容支路中电流最大，即谐振回路两端可获得最大电压，这是对无源应答器的能量获取是必要的。
串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况，如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。

4.4.2 并联谐振回路

电路组成

并联谐振回路，电感线圈、电容器和外加信号源并联构成振荡回路。在研究并联谐振回路的时候，采用恒流源分析比较方便。

谐振条件

求出上图的阻抗值，就是将基本的电路求电阻公式进行代数转换。

由上得出的式子可以得到另一种形式的并联回路如下

用导纳来表示上图，如下式子

当b=0时，并且电流电压同向，此时称并联谐振回路对外加信号频率源发生并联谐振。谐振条件为

谐振特性

谐振曲线和通频带

4.4.3 串、并联等效替换

4.5 阅读器和应答器之间的电感耦合

4.5.1 阅读器线圈的交变磁场

4.5.2 应答器线圈的感应电压

4.5.3 应答器谐振回路端电压

第 5 章 RFID系统之——电子标签

章节导读：
电子标签时携带物品信息的数据载体。根据工作原理不同，电子标签这个数据载体可分为两大类：物理效应进行工作的数据载体、电子电路为理论基础的数据载体。分类如下图所示，本章将对这些标签进行讲解

5.1 一位电子标签

5.1.1 基本介绍

1位系统的数据量为1位，电子标签只有1和0两种状态。该系统读写器只能发出两种状态：“在读写器工作区有电子标签”、“在读写器工作区没有电子标签”。
主要应用在商店的防盗系统ESA中，该系统读写器通常放在商店的门口，电子标签附在商品上，当商品通过商店门口时，系统就报警

知识扩展：
电子商品防盗系统EAS是单比特射频识别系统，因为只有两个状态，所以只能显示商品的存在与否，不能显示商品是什么商品。工作步骤如下：

• 将防盗标签附着在商品上。
• 在商场出口通道或收银通道处安装检测器。
• 付款后的商品经过专用解码器使标签解码失效或开锁取下标签。
• 未付款商品（附着标签）经过出口时，门道检测器测出标签并发出警报，拦截商品出门。

电子标签分为软标签和硬标签。软标签成本较低，及直接粘附在较“硬”的商品上，软标签不可重复使用。硬标签一次性成本较高但是能重复使用。 ( ￣ ▽￣)o下面分别展示一下两种标签样子

解码器一般为非接触式，有一定的解码高度，当收银员收银或装袋的时候，电子标签无需解接触消磁区域即可解码。

5.1.2 工作原理

1位的电子标签不需要芯片，可以采用射频法、微波法、分频法、智能型、电磁法和声磁法等多种方法进行工作。下面以射频法为例，介绍1位电子标签的工作原理。

射频法工作系统由读写器（检测器）、电子标签和去激活器三部分组成。电子标签采用L-C振荡电路进行工作，振荡电路将频率调谐到某一振荡频率上。射频法工作系统由读写器（检测器）发出某一频率的交变磁场，当交变磁场的频率与电子标签的谐振频率相同时，电子标签的振荡电路产生谐振，同时振荡电路中的电流对外部的交变磁场产生反作用，并导致交变磁场振幅减小。读写器（检测器）如果检测到交变磁场减小，就将报警。当电子标签使用完毕后，用“去激活器”将电子标签销毁。

( ￣ ▽￣)o如果你在上面第四章看的仔细的话这个工作原理你一下就能明白，非常简单。

1. 读写器（检测器）
   由发射器和接收器组成。基本原理：利用发射天线将一交变磁场发射出去，在发射天线和接收天线之间形成一个扫描区，在其接收范围内利用接收天线将这一交变磁场接收。大概长这样
   
2. 电子标签
   内部是一个L-C结构的振荡回路。去激活器能够产生足够强的磁场，该磁场可以将电子标签中的薄膜电容破坏，使带电子标签内的L-C结构失效。

5.2 采用声表面波技术的标签

5.2.1 什么是声表面波

缩写SAW，就是在压电固体材料表面产生和传播弹性波，该波振幅随深入固体材料深度的增加而迅速减小。

5.2.2 声表面波器件

声表面波器件是在压电基片上制作两个声/电换能器又叫叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声/电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声/电换能器的特性来完成的。

5.2.3 声表面波标签

SAW标签是由叉指换能器和若干反射器组成。换能器的两条总线与标签的天线相接。接手到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播。反射器对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射声波脉冲串转变成高频脉冲串。将反射器组按某种特定的规律设计，使其表示规定的编码信息，那么读写器接收到的反射高频脉冲串就带有该物品的特定编码。

由于声表面波传播速度低，有效的反射脉冲串在经过几微秒的延迟时间后才回到读写器，在此延迟期间，来自读写器周围的干扰反射已衰减，不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰

5.3 含有芯片的电子标签

5.4 具有存储功能的电子标签

5.5 含有微处理器的电子标签

5.6 电子标签的发展趋势

第 6 章 RFID系统之——读写器

章节导读：
读写器是读取或写入电子标签信息的设备，具有读取、显示和数据处理等功能。读写器的频率决定了RFID系统的工作频率（PS：如果你第四章好好看了，这句话你就能很简单的理解了）。
本章先讲述了读写器的基本组成，讲述了各个部件作用。之后讲解了各种类型的读写器。最后谈一谈读写器的发展趋势。

6.1 读写器的组成

6.1.1 读写器的软件

6.1.2 读写器的硬件

读写器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成。如图所示

• 控制模块：
  控制模块是读写器的核心，一般由ASIC组件和微处理器组成。控制模块处理的信号通过射频模块传送给读写器天线，由读写器天线发射出去。控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过读写器的接口来完成。
  ASIC组件主要用来完成逻辑加密的过程，如对读写器与电子标签之问的数据流进行加密，以减轻微处理器计算过于密集的负担。对ASIC的存取，是通过面向寄存器的微处理器总线实现的。
  

• 射频模块：
  射频前端主要由发送电路和接收电路构成，用以产生高频发射功率，并接收和解调来自电子标签的射频信号。
  发送电路的主要功能是对控制模块处理好的数字基带信号进行处理，然后通过读写器的天线将信息发送给电子标签
  接收电路的主要功能是对天线接收到的已调信号进行解调，恢复出数字基带信号，然后送到读写器的控制部分

• 读写器的接口：
  读写器控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过读写器的接口来实现，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ-45、USB2.0或WLAN接口。

• 天线
  读写器与电子标签是利用无线电波来传递信息的，天线是用来发射或接收无线电波的装置

读写器主要完成以下功能：
1.与应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令
2.控制与电子标签的通信过程
3.信号的编码与解码(ง •_•)ง我们在第二章中学过
4.执行防冲突算法(￣▽￣)"我们在第二章学过
5.对电子标签与读写器之间传送的数据进行加密和解密
6.进行电子标签与读写器之间的身份验证

6.1 读写器的设计

读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电器性能和电路设计等。读写器在设计时需要考虑的主要因素如下：

• 读写器的基本功能和应用环境
• 读写器的电气性能
• 读写器的电路设计

6.2 低频读写器

6.2.1 U2270B芯片

6.2.2 考勤系统的读写器

6.2.3 汽车防盗系统的读写器

6.3 高频读写器

6.3.1 MF RC500 芯片

6.3.2 基于MF RC500芯片的读写器

6.4 微波读写器

6.5 读写器的发展趋势