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第一章导论
?P1
RadioFrequencyIdentification
常见的自动识别系统有哪些?P2-5
条形码系统、光学符号识别、生物识别、IC卡、RFID
及其它自动识别系统相比,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
射频识别系统由哪些部分组成?P6
应答器、阅读器
阅读器及应答器之间有哪三个通道?
数据、时序、能量
射频识别系统的数据载体是什么?P7
应答器
第二章射频识别系统的区别特征
?
按工作方式区分射频识别系统可分为哪两类(包括英文缩写)?P9
全双工(FDX)及半双工(HDX),时序(SEQ)系统
全双工系统及时序系统的含义?P9
在全双工及半双工系统中,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;
时序方法及之相反,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。
射频识别系统的工作频率指的是?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。
按发送频率可将射频识别系统分为哪几类?P10
低频(30kHz~300kHz)、高频或射频(3MHz~30MHz)及超高频(300MHz~3GHz)或微波(>3GHz)。
射频识别系统最主要的区别特征包括哪些?P17
阅读器的工作频率、物理耦合方法及系统的作用距离
按耦合方式可将射频识别系统分为哪几类?P18
紧耦合(0~1cm)、遥控耦合(0~1m)、远距离(>1m)系统
第2页
射频识别系统的选择准则主要有哪些?P20-22
工作频率:100kHz~30MHz基本是电感耦合系统,;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及价格,根据系统对信息量及价格的要求选择
第三章基本作用原理
?
射频、微波、分频器、电磁法、声磁法
射频法是采用什么电路工作的?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
射频法的工作原理(包括原理图)?P24
*阅读器由发射器及接收器构成,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。
微波法的工作原理(包括原理图)?P27
利用非线性元件产生的谐波实现
*阅读器由发射器及接收器组成,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)。
声磁法是利用金属条的什么效应工作的?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。
全双工系统中的电感耦合系统的供电原理(包括原理图)?P32-33
•供电原理
第3页
*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。
全双工系统中的电感耦合系统的数据传输方法有哪些?P34-36
负载调制、使用副载波的负载调制、分谐波法
什么是负载调制(包括原理图)?P34-35
*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。
什么是使用副载波的负载调制(包括原理图)?P35-36
*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。
时序法中的电感耦合系统一般工作在哪个频段?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
时序法中的电感耦合系统的供电原理?P42
*供电原理及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:
时序系统的优点有哪些?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
时序系统的一个读周期由哪两个阶段构成?P44
充电阶段及读出阶段
表面波应答器一般工作在哪个频段?P44
第4页
微波频率();
表面波应答器的基本结构?P45
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及声表面波之间的转换。
表面波应答器的工作原理?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,脉冲间隔及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
短圆柱形线圈附近沿线圈轴方向磁场的变化规律是什么?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。
发射天线的最佳半径是多少?P51
最大期望阅读器的倍值
磁通量密度B及磁场强度H的关系、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
描述两个电路通过磁场耦合的物理量是什么?P53
互感
耦合因数是如何定义的?P54
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
磁耦合电路的等效电路?P57
(为了改进电压传输的效率,应答器线圈L2及并联电容器C2构成并联振荡回路。方框内表示应答器的数据载体)
分流电阻的作用(包括原理图)?P61
第5页
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:
什么是动作磁场强度?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
动作磁场强度在什么时候取得最小值?P63
在阅读器发送频率及应答器的谐振频率一致的情况下
应答器的能量作用距离受哪些因素影响?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,)。
阅读器的作用范围受哪些因素影响?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及阅读器作用范围内应答器的放置方法密切相关
复变阻抗的等效电路?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:
复变阻抗受哪些因素影响?各自的规律是什么?P71-76
1阅读器发送频率:复变阻抗矢量在发送频率增加时,在复平面上顺时针描绘出一个圆。
2耦合因数k:随k变化的规律是一条直线
3应答器电容C2:C2的变化使得应答器谐振频率及阅读器发送频率不一致,及单独改变发射频率对的影响是一样的
4负载电阻:当时,及几乎成正比,否则随的变换关系变为曲线
5应答器电感:当取某个特定值时及会同时达到最大值
从复变阻抗的角度解释电容/电阻负载调制的原理(包括原理图)?P76-79
电阻负载调制
*在应答器的数据载体中,使电阻按照数据流的时钟或已调副载波的节拍接通或断开;
*的加入使得Q及均减小,的值在及间转换,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
第7页
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及相位,被调幅-调相
什么是铁磁性材料?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、各种合金及铁氧体。
高频技术中主要使用的铁磁性材料是什么?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
什么是近场及远场?磁场强度的变化规律分别是什么?P89
*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”
*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),而在远场时按的规律衰减(即倍频程)
什么是场波阻抗?P90
在真空及空气中电场及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:
电磁波极化的类型?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)及圆极化
表示目标反射电磁波能力的物理量是什么?P92
雷达反射横截面σ
什么是天线?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。
天线增益描述了及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。
天线的等效模型?P95
天线的一个重要特征是其复输入阻抗:ZA=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
什么是天线的有效面积?P95
最佳对准及正确极化时天线吸取的最大接收功率及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:
*天线的有效面积及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:
第7页
什么是天线的有效长度?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)
常见的天线有哪些种类?P98-102
偶极天线、Yagi-Uda天线、片状或微带天线、缝隙天线
什么是应答器的动作灵敏度?P112
应答器的动作灵敏度及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
第六章编码及调制
?
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
射频识别系统采用的调制方法有哪些?(波形图)P147
振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)
射频识别系统中使用副载波调制的频率有哪些?P150
对于RFID系统而言,/,其中的副载波通常是对工作频率分频产生的()
?
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
什么是奇偶校验?P152
奇偶校验是一种很简单的且使用广泛的校验及法。这种方法是把一个奇偶校验位组合到每一字节中,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,以保证发送器及接收器两者都用同样的方法进行校验。
阅读器及应答器间的通信方式有哪几种?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
多路存取可分为哪些类型?P156
第8页
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、存储能力及计算能力有限,故只有TDMA较为适合RFID系统
什么是防冲突算法?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。
纯ALOHA、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):
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:
缺点是当标签数量远大于时隙时(取决于帧长及时隙长度之比,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
•原理及帧时隙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;
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•理论上,当标签数目及帧长接近时(即一帧内时隙数及标签数相等时)系统识别效率最高。
二进制树型搜索算法及动态二进制树型搜索算法的原理?见讲义
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)
*电子标签及读写器间的通信侵入
(中途截获,及第一类有区别,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及阅读器间的通信)
•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
哈希锁
匿名ID方案
重加密方案
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,分为接触式及非接触式2种;
电子标签:•非接触式IC卡就是一种典型的电子标签
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•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、被动式及半被动式,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、超高频标签及微波标签
电子标签主要由天线及芯片2部分组成

•低频及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及标签阻抗匹配的问题
芯片
•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(及应用层次、规模相关)
•安全性及隐私问题
•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。
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