RFID原理及技术知识点总结改.pdf

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第一章导论
?P1
RadioFrequencyIdentification
?P2-5
条形码系统、光学符号识别、生物识别、IC卡、RFID
,射频识别系统有哪些优点?见课件
数据量大、受环境影响小、成本低、安全性好、阅读速度快、非接触
?P6
应答器、阅读器
?
数据、时序、能量
?P7
应答器
第二章射频识别系统的区别特征
?
工作方式全双工时序系统
数据量>1位=1位
是否可编程是否
数据载体IC表面波物理效应
运行状态机微处理器
能量供应电池无源
频率范围低频射频微波
数据传输方式次谐波反向散射其他
应答频率1/n倍1:1多样
(包括英文缩写)?P9
全双工(FDX)和半双工(HDX),时序(SEQ)系统
?P9:.
在全双工和半双工系统中,应答器的应答响应是在阅读器接通高频电/磁场的情况下送出去的;
时序方法与之相反,阅读器的电/磁场短时间周期地断开。这些间隔被应答器识别出来,并用于从应答器到阅读器的数据传输。
?P10
通常把阅读器的发送频率称为射频识别系统的工作频率,不考虑应答器的发送频率。
?P10
低频(30kHz~300kHz)、高频或射频(3MHz~30MHz)和超高频(300MHz~3GHz)或微
波(>3GHz)。
?P17
阅读器的工作频率、物理耦合方法和系统的作用距离
?P18
紧耦合(0~1cm)、遥控耦合(0~1m)、远距离(>1m)系统
?P20-22
工作频率:100kHz~30MHz基本是电感耦合系统,
微波系统;频率低的高频系统具有良好的物体穿透能力;系统的敏感性
作用距离
可靠性要求
存储器容量:决定着数据载体芯片的尺寸和价格,根据系统对信息量和价格的要求选择
第三章基本作用原理
?
射频、微波、分频器、电磁法、声磁法
?P24
采用L-C振荡电路工作,是将其调谐到某个固定的振荡频率fR上
(包括原理图)?P24:.
交变磁场
能量
激传U
HF
励感
fG线
器
圈线
EAS标签圈
反馈反馈接收器
发射器(可选)
*阅读器由发射器和接收器构成,二者之间存在一个射频范围内的交变磁场;
*电子标签相当于一个LC振荡电路,当在交变磁场范围内且fRfG时发生谐振;
*谐振的标签会反作用于阅读器,最终导致场强减弱;
*后续电路检测到该变化后报警。
(包括原理图)?P27
利用非线性元件产生的谐波实现
偶极子
fA接收器发送器
电容二极管

报警器ASK
fA
1kHz检波器二次谐波1kHz发生器

1位应答器
*阅读器由发射器和接收器组成,发射器发射微波范围内的频率();
*电子标签是非线性元件,可产生入射信号的各次谐波;
*谐波被接收器检测到后触发报警;
*为防止外来信号造成误报警,实际系统对基波进行调制(如ASK或FSK,最终报警的是
解调后的1kHz信号)。
?P31
利用坡莫金属条的“磁致伸缩效应”。
*标签有一条能够自由振动的坡莫金属条,当其被磁化后能够在发射器的交变磁场中发生
“磁致伸缩效应”;
*该效应表现为金属条的一种振动且这种效应是可逆;:.
*当发射器关闭交变磁场后,金属条音叉还会继续振动一段时间,接收器在此时检测标签
的有无。
(包括原理图)?P32-33
磁场
CC芯
12片
~Cr
Ri
应答器
阅读器
•供电原理
*阅读器产生一个高频的强电磁场(而不是电磁波),该场穿过阅读器天线线圈及其周围空
间;
*发射磁场的一小部分穿过应答器的天线线圈,并在其上感应出电压;
*整流电路将其整流后作为数据载体的电源。
?P34-36
负载调制、使用副载波的负载调制、分谐波法
(包括原理图)?P34-35
磁场
CC芯
12片
~
Ri
带通二进制编码信号
滤波器应答器
解调
阅读器
*应答器在阅读器交变磁场中获得能量的同时也反作用于阅读器(等效为阅读器天线中加入
一个变换阻抗ZT);
*应答器利用其“负载电阻”(如用场效应管来实现)的通/断来改变阅读器天线的电压;
*若用微芯片中存储的数据来控制负载电阻的通/断,则数据便能传输到阅读器(即调幅);:.
*阅读器后续电路对天线上的电压进行整流(即解调),最终回收数据。
(包括原理图)?P35-36
信号
fT=
阅读器载波信号
0dB
用副载波
的负载调制积

-80dB
频率
fH=212kHz
*负载电阻以较高的频率fH(副载波频率)通/断时,阅读器发射频率两侧距离为的地方会产
生两条谱线且容易检测到;
*控制负载电阻通/断的频率称为副载波,将微芯片内的数据对副载波进行调制(ASK/FSK),
实现数据的加载工作;
*阅读器中用带通滤波器提取一个边带并放大、解调便可恢复数据。
?P42
用电感耦合的时序系统只适合在135kHz以下的频率范围内工作
?P42
*供电原理和全双工的电感耦合系统类似;
*应答器中有一个充电电容,阅读器发射能量时该电容充电,阅读器断
开后存储的能量用于应答器生成对阅读器的响应信号;
*充电电容容量的估算公式为:
QIt
C
UVmaxVmin
?P43
*工作电压可增大一倍
*理论上芯片所能使用的能量可以任意大
?P44
充电阶段和读出阶段
?P44
微波频率();
?P45:.
偶极子天线
数字转换器
反射器
压电晶体基片
在一长条状的压电基片端部有指形的电极结构:内部数字转换器。在压电基片的导电板上附有符合工作频率的偶极子天线。用内部数字转换器作电信号与声表面波之间的转换。
?P45
*阅读器的高频扫描脉冲从天线传入数字转换器,并发生压电效应生成表面波(电→压);
*表面波纵向通过基片(3000-4000m/s),一部分被反射带反射,剩余部分达到基片终端后被
吸收;
*反射的表面波在数字转换器中生成高频脉冲序列(压→电)并被发射,最终被阅读器天线
接收完成数据传输;
*高频脉冲数量由反射带的数量决定,脉冲间隔与反射带空间间隔对应。
第四章射频识别系统的物理基础
?P48
磁场强度
?P49-50
*从中心点到一定距离的磁场强度几乎不变,之后则急剧下降;
*直径较小的线圈其中心处场强较大,而直径较大的线圈在距离较远处场强较大。
?P51
最大期望阅读器的2倍值
、P52
B=μ0μrH=μH
μ0是真空磁导率(μ0=4π·10-7H/m),μr被称作相对磁导率:.
?P53
互感
?P54
M
引入耦合因数k来对导体回路的耦合情况作定性描述。关系式k(0k1)
L1·L2
?P57
i1Mi2
R2
L1L2Cpu2RL
C'
2
~uQ2
CCC'
2p2
(为了改进电压传输的效率,应答器线圈L2和并联电容器C2构成并联振荡回路。方框内
表示应答器的数据载体)
(包括原理图)?P61
为了不依赖于耦合因数k或其他参数来调节电压u2,并将其保持稳定,实际上一般要在负
载电阻RL上并联一个同电压有关的分流电阻RS,等效电路:
i1Mi2
R2
C2
L1L2u2R
S
RL
?P62
动作磁场强度指阅读器使得应答器刚好能够工作所需的磁场强度
?P63
在阅读器发送频率与应答器的谐振频率一致的情况下
?P64
*阅读器是否能在该距离上检测到由应答器发送回来的数据信息;
*数据载体的电流消耗(电流消耗越大则能量作用范围越小,)。
?P66
阅读器天线周围的磁场分布情况,阅读器对应答器的作用效果还和阅读器作用范围内应答器的放置方法密切相关
?P69:.
•当应答器进入到阅读器作用范围时便会在自身的天线中感
应生成一个电流,该电流又通过互感机制对阅读器天线电流产生
反作用,即“应答器的复数变换阻抗”;
•复数变换阻抗的表达式:2k2LL
Z'12
TR
RjLL
221jRC
L2
i1Ui1
C11jC
1
R1UR1i1R1
U0
实际线圈Z`TU1UZT'i2jM
L1UijL
L111
1
u0jL1i1i1R1i1jMi2
jCZ'
1T
C1R1i1Mi2R2
ZUUL1L2
001
U2Z2,ZTAG
~UQ2jMi1
?各自的规律是什么?P71-76
1阅读器发送频率f:复变阻抗矢量Z'在发送频率f增加时,在复平面上顺时针描绘
TXTTX
出一个圆。
2耦合因数k:Z'随k变化的规律是一条直线
T
3应答器电容C2:C2的变化使得应答器谐振频率和阅读器发送频率不一致,和单独改变发
射频率对Z'的影响是一样的
T
4负载电阻:当时,Z'与R几乎成正比,否则Z'随R的变换关系变为
RLfTXf0TLTL
曲线
5应答器电感:当L取某个特定值时Z'和L会同时达到最大值
L22T2:.
(包括原理图)?P76-79
电阻负载调制
i1Mi2R
R2mod
L1L2u2C2RL
*在应答器的数据载体中,使电阻Rmod按照数据流的时钟或已调副载波的节拍接通或断开;
R'Z'''
modZTTZT(RL)ZT(RL//Rmod)
*的加入使得Q和均减小,的值在uRX和间转换,
最终导致阅读器天线线圈上的接收器总电压发生变化(即被调幅)
电容负载调制
i1Mi2C
R2mod
L1L2u2C2RL
CZ'u
modTRX
的存在使得应答器谐振频率在两个值间转换,而失调时会影响的大小和相位,
被调幅-调相
?P84
具有相对磁导率>1的材料被称为铁磁性材料,这类材料有铁、钴、镍、各种合金和铁氧体。
?P84
铁氧体是高频技术中使用的主要磁性材料,具有较高的电阻且涡流损失小
…………………………………………………………………………………………..
1
?磁场强度的变化规律分别是什么?P893
d
1
*从天线到形成电磁场的范围称为天线的“近场”,而完全形成电磁波的范围称为“远场”60dB/1020dB/10
d
*形成电磁波后,便不能再通过电感或电容的耦合反作用于天线,近场磁场强度按规律
衰减(即倍频程),而在远场时按EH00的规律衰减HZF(即倍频程)
?P90
在真空和空气中电场与磁场间有固定的关系::.
其中的称为场波阻抗();
由此可得电场E可表示为:
?P91
电磁波的极化是由其电场来决定的,通常分为线极化(以大地表面为参考面)和圆极化
?P92
雷达反射横截面σ
?什么是天线增益?P93
天线是一种其结构最适合于“某个频率范围”的电磁波辐射或接收的部件。
天线增益描述了与一种均质辐射器相比在相同的发射功率条件下其辐射功率密度的强弱。
?P95
天线的一个重要特征是其复输入阻抗:ZXA0A=Rr+Rv+jXA
Rv——损耗电阻用于描述整个天线的功率总损耗(转换成了热量)
Rr——辐射电阻表示其转换的功耗被天线以电磁波的形式向空间辐射
XA——在天线的谐振频率时
RTRrRv
U0
ZTXTUTXA
应答器天线
?P95
最佳对准和正确极化时天线吸取的最大接收功率与入射波的辐射功率密度成正比,二者的比值具有面积的量纲,称之为有效面积:
U0l0El0SZF
*天线的有效面积和天线增益是成正比的,而大多数形式的天线构造的增益是已知的,故
利用下式计算更为简单:
?P97
电磁场在天线上感应的电压正比于入射波的电场强度,二者的比例具有“长度”的量纲,称之为天线的有效长度(有效高度)
ZFZF120377
PEIPRZF
ESZF2
?P98-1024r
偶极天线、Yagi-Uda天线、片状或微带天线、缝隙天线:.
?P112
应答器的动作灵敏度和应答器供电方式无关,它是指激活应答器或有足够能量使应答器电路正常工作所需的最小电场强度,称之为动作电场强度
第六章编码与调制
?
NRZ编码、曼彻斯特编码、单极归零制编码、差动双相(DBP)编码、米勒编码、改进型
米勒编码、差动编码、脉冲—间歇编码
?(波形图)P147
振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)
?P150
对于RFID系统而言,/
签到读写器的方向上,其中的副载波通常是对工作频率分频产生的(如847kHz的副载波是
)
?
第七章数据的完整性
?P152
奇偶校验、纵向冗余校验(LRC)法、循环冗余码校验(CRC)法
?P152
奇偶校验是一种很简单的且使用广泛的校验和法。这种方法是把一个奇偶校验位组合到每E
min:.
一字节中,并被传输,即每字节发送九位。在数据传输前必须确定:是用偶数校验,还是用奇数校验,以保证发送器和接收器两者都用同样的方法进行校验。
?P156
1从阅读器到应答器的数据传输,也称作“无线电广播”
2在阅读器的作用范围有多个应答器的数据同时传输给阅读器,称为多路存取
?P156
空分多路法(SDMA)、频分多路法(FDMA)、时分多路法(TDMA)、码分多路法
(CDMA)。由于标签功耗低、存储能力和计算能力有限,故只有TDMA较为适合RFID
系统
?P157
在射频识别系统中,能使多路存取无故障地进行的技术方法被称为防冲突法。
、时隙ALOHA、动态ALOHA算法的原理?见讲义
纯ALOHA算法:
•在读写器范围内存在多个标签,标签向读写器发信号
•如果读写器同时检测出多个信号则会向标签发送命令使其停止向读写器传输信号,此时标签在一个随机时间段内进入待命状态
•随机时间到达后标签重新向读写器发信号,由于等待时间的随机性从而降低了碰撞的可
能性
•当读写器成功识别一个标签后会对其下达命令使该标签进入休眠状态,进而继续检测其
余标签直到识别所有工作区标签后算法结束
纯ALOHA算法最大的缺点是冲突概率大(如果数据帧长为F则冲突周期为2F)。
时隙ALOHA算法
•将时间轴分成时隙,每个时隙的长度等于/稍大于帧长;
•每个标签只能在时隙的开始处发送数据,从而避免了部分碰撞,减少碰撞的效果体现在提高了信道利用率S(此时的碰撞周期为F)::.
标签1
标签2
公共信道
帧时隙ALOHA算法
•将时间轴分为时隙且标签只能在时隙的开始处发送数据;
•读写器以一个周期(称为帧)向标签发送命令,
标签收到该命令后随机地选一个时隙发送自己的数据;
•如果某个时隙只被唯一的标签选中则发送成功,否则失败,循环该过程直到所有标签被识别:
阅读器请求碰撞1011请求1001碰撞
标签110011001
标签210101010
标签310111011
帧长
缺点是当标签数量远大于时隙时(取决于帧长和时隙长度之比,该值越大则说明时隙多,否则时隙少),标签读取时间长而标签个数远小于时隙时会造成时间浪费。
动态帧时隙ALOHA算法
•原理和帧时隙ALOHA算法相似,但帧的长度是可随环境变化的;
•结束一帧后读写器会统计上一帧的结果:
*标签发生碰撞的次数
*标签被成功识别的次数
*空闲时隙数从而估计电子标签数目并为下一帧长度的选择提供参考;
•理论上,当标签数目和帧长接近时(即一帧内时隙数和标签数相等时)系统识别效率最高。
?见讲义:.
第8章数据的安全性
常见的安全攻击类型(从低层到上层)
*电子标签数据的获取攻击(受自身成本制约)
*电子标签和读写器间的通信侵入
(中途截获,和第一类有区别,前者是直接从电
子标签中获取数据)


*侵犯读写器内部数据
*主机系统侵入
RFID系统的安全技术可分为2类:
*物理方法(利用物理方法阻止标签与阅读器间的通信)
•杀死标签:使标签丧失功能从而避免被跟踪,但会影响其售后服务
•法拉第网罩:用传导材料做成的网罩来屏蔽无线电波
•主动干扰:标签主动广播信号阻止/破坏非法阅读器操作,但可能导致非法干扰
•阻止标签:利用特殊算法使读写器读指令每次获取的数据都相同
*逻辑方法



第10章电子数据载体的结构
磁卡:•将具有信息存储功能的特殊材料印在塑料基片上,以磁条为信息的载体;
•磁条上有3条磁道:
*第1条为只读磁道,可存储76个字母数字型字符
*第2条为只读磁道,可存储37个数字型字符
*第3条为读写磁道,可存储104个数字型字符(如余额信息)
IC卡:是超大规模集成电路技术、计算机技术及信息安全技术结合的产物,分为接触式和
非接触式2种;
电子标签:•非接触式IC卡就是一种典型的电子标签:.
•电子标签内部芯片主要分为2类:
*存储器标签中没有微处理器单元
*微处理器标签由中央处理器、EEPROM、RAM及固化在只读存储器中的片
内操作系统组成
电子标签的类别:
按工作方式分类
•分为主动式、被动式和半被动式,其中的被动式一般是无源系统
按可读写性分类
分为只读标签、一次写入的只读标签、读写标签
按工作频率分类
分为低频标签、高频标签、超高频标签和微波标签
电子标签主要由天线和芯片2部分组成

•低频和高频电子标签一般使用线圈型天线而微波电子标签使用微带天线或偶极
子天线;
•微波电子标签天线的主要设计难点是天线与标签阻抗匹配的问题

•一般由射频/模拟前端、CPU/逻辑控制单元、存储器等模块组成;
问题及发展趋势:

•标签的性能问题(易受水或金属的影响)
•特殊尺寸的电子标签(尺寸更小、性能更佳、封装材料更适合应用场景)
•成本(与应用层次、规模相关)
•安全性和隐私问题
•标准化问题(封包格式、存储协议等标准不统一)
:成本更低、体积更小、距离更远、适合高速移动物体的识别、安全性更好。
第11章阅读器
阅读器基本原理:
基本原理:将待发送的信号经编码后加载到特定频率的载波上经天线向外发送,进入:.
读写器工作区域的电子标签收到此信号并返回响应,读写器对收到的响应进行解调、解码、解密后送至计算机进行进一步处理;
主要功能:*给标签提供能量
*实现与电子标签通信
*实现与计算机通信
*实现多标签识别
*实现移动目标识别
*数据记录
读写器的工作方式
*读写器先发言(RTF:ReaderTalksFirst),即标签只有接收到读写器特殊命令才发送数据
主从
指令指令
应用软件读写器电子标签
响应响应
主从
*标签先发言(TTF:TagTalksFirst),标签进入读写器能量场后主动发送自身序列号(防碰
撞算法应用于此种模式)
读写器的基本构成
•天线模块
*主要分为线圈型、微带天线和偶极子3种类型,前者常用在耦
合系统,后者一般用于反向散射系统;
*设计要求包括电流最大、功率匹配、带宽、小型化等。
•射频模块
主要包括发射器、接收器、振荡器等。
•逻辑控制模块
是读写器的控制中心,由微处理器、时钟电路、应用接口、电源等组成。
读写器的结构形式
固定式、便携式、特殊结构
读写器管理技术
读写器管理指读写器的配置、监视、控制、协调等,最初只涉及到单读写
器的系统配置功能:.
EPCglobal将对读写器的管理融入到EPC网络体系架构中并提出了基于读
写器协议的标准化方法,实现对读写器的访问和控制:
*监控读写器的工作状态
*管理读写器的配置情况
*管理读写器的功耗
对于较大型RFID系统还涉及多个读写器组网协同工作的情况,其拓扑结构主要有3种:
*读写器与多串口卡相连,该卡和计算机相连
*读写器与计算机直接相连
*读写器与专用数据处理中间件相连,中间件直接将数据传送到网络
读写器的发展趋势
多功能、多制式兼容、多频段兼容、多种数据接口、小型化