第2章(4学时)-RFID系统组成与工作原理

1、 RFID系统组成与工作原理AntennaReaders & Printers etcMiddleware“Edge Server”Business ApplicationsTags, Bar Codes etc标签标签(Tag)(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；体上标识目标对象；天线天线(Antenna)(Antenna)：在：在标签和读取器间传递标签和读取器间传递射频信号。射频信号。阅读器阅读器(Reader)(Reader)：读取：读取( (有时还可以写入有时还可以写

2、入) )标标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。签信息的设备，可设计为手持式或固定式。典型的阅读器包含有高频模块典型的阅读器包含有高频模块( (发送器和接收发送器和接收器器) )、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几部分。部分。 一、RFID的应用系统架构3RFID系统工作系统工作过程过程 RFID产业链产业链标签芯片设计标签芯片设计与制造与制造读写模块设计读写模块设计与制造与制造天线设计天线设计与制造与制造标签封装技术标签封装技术与设备与设备读写器天线读写器天线设计与制造设计与制造读写器设计读写器设计与制造与制造终端用户终端用户软件中间件软件中间件系统集成

3、系统集成标签打印标签打印和贴标和贴标RFID测试测试培训与服务培训与服务应用示范应用示范远望谷远望谷(002161)(002161)公司是我国最早从事超高频射频识别技术(RFID)研究和开发的高科技公司之一。公司已在铁路RFID市场取得垄断地位、在烟草行业RFID市场和军事应用RFID市场取得了市场先入优势，同时具备了RFID技术在行业间成功复制实施的能力。2013年7月19日公告，公司拟与深圳市粮食集团有限公司(深粮集团)共同出资1000万元，投资设立深圳市远粮信息技术有限公司，从事RFID技术在粮食行业、农产品安全溯源及大数据交易平台的建设等行业开发及应用。其中，公司以自有资金出资490万

4、元，持有49%股权。上海贝岭上海贝岭(600171)(600171)公司从2003年开始涉足RFID芯片研发和制造，控股的上海阿法迪智能标签系统技术有限公司是国内顶尖的专业RFID应用集成开发公司。阿法迪曾向位于上海临港地区的金山石化物流有限公司提供了RFID技术解决方案，在与金山石化物流仓库管理系统(WMS)无缝连接的环境下，实现货物在物流中心的入出盘移信息采集的自动化。阿法迪同时还是目前国内唯一一家具有RFID图书馆全部自主知识产权的公司，公司的RFID智能图书馆系统目前已占据了全国40%以上的市场。厦门信达厦门信达(000701)(000701)自动识别芯片生产商。厦门信达专注于射频识别

5、(RFID)电子标签产品研发、设计、生产和推广，拥有多项完全自主的射频识别知识产权专利，涵盖电子标签、RFID读写设备、RFID天线以及RFID应用系统等。公司聚集了具有丰富经验的各类人才，拥有多项完全自主的射频识别知识产权专利。公司可年产各式高频、超高频电子标签上亿片，产品广泛应用于图书馆管理、危险品管理、防伪识别、工业制造、交通运输管理、供应链物流仓储管理等领域，其中包括图书标签、金属标签、电子票证及航空行李标签等。同时，公司还可针对不同客户的需求设计电子标签产品，并根据不同行业应用特点制订相应生产工艺及检测标准。目前公司生产的电子标签产品，已经成功应用在多个领域。特别是高频ISO1569

6、3标签，支持目前所有芯片厂家的芯片产品，还能根据客户需求进行订制产品，市场占有率高达70%。RFIDRFID主要频段和特性主要频段和特性二、RFID系统的分类l按标签获取电能的方式不同，可分为： 有源射频标签(主动式标签)、无源射频标签(被动式标签)和半主动式射频标签。l有源射频标签内部自带电池进行供电，电能充足、工作可靠性高、信号传送的距离远。l无源射频标签内部不带电池，要靠外界提供能量。无源射频标签具有永久的使用期，支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。缺点：数据传输的距离要比有源射频标签小l半主动式射频标签本身有电池,电池只对自身的数字电路供电,数据发送通过阅读器的能量场激活后,通过反

7、射方式发送。感应的距离较远RFID系统的分类l按内部使用存储器类型的不同，可分为： 只读标签 和 可读可写标签。l只读标签内部只有只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。l可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器（EEPROM）。RFID系统的分类l按标签中存储器数据存储能力的不同，可分为： 标识标签与便携式数据文件。l标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定信息，只能在与系统相连接的数据库中进行查找。l便携式数据文件是指标签中存储的数据非常大，可以看作是一个数据文件。这种标签一般都

8、是用户可编程的，如包装说明、工艺过程说明等。电子标签的分类AntennaReaders & Printers etcMiddleware“Edge Server”Business ApplicationsTags, Bar Codes etcRFID的应用系统架构l三、三、RFID系统组成系统组成 典型的典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、中间件和应用系统软件组成。系统主要由阅读器、电子标签、中间件和应用系统软件组成。l1 阅读器阅读器 阅读器（阅读器（Reader）又称读写器。阅读器主要负责与）又称读写器。阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。电子

9、标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定系统工作的频段，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的了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读不同可以是读或读/写装置，它是写装置，它是RFID系统信息控制和处系统信息控制和处理中心。理中心。 阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。分组成。 与应答器的通信功能：读写器的基本功能与应用系统之间的通信功能：让应用系统能够对读写器进行控制并处理应答器的数据信息在读写区内实现多应答

10、器识别，完成防冲突功能校验读写过程中的错误阅读器的功能 RFID阅读器l（1）射频接口）射频接口 射频接口模块主要任务和功能：射频接口模块主要任务和功能： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 接收并调制来自电子标签的射频信号。接收并调制来自电子标签的射频信号。 注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。l（2）逻辑控制单

11、元）逻辑控制单元 逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能：逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能： 与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。来的指令。 控制阅读器与电子标签的通信过程。控制阅读器与电子标签的通信过程。 信号的编码与解码。信号的编码与解码。 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 执行防碰撞算法。执行防碰撞算法。 对阅读器和标签的身份进行验证。对阅读器和标签的身份进行验证。l（3）天线）天线 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或天线是一种能将接收到的电

12、磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系系统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场，统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。阅读器的技术参数：工作频率：与电子标签的工作频率保持一致，可支持多协议输出功率：满足应用的需要，符合国家和地区对无线发射功率的许可输出接口：接口形式多样，根据需要具有RS232、RS485、USB、Wifi、G

13、SM等多种接口读写器形式：固定式、手持式、工业读写器等工作方式：全双工、半双工和时序读写器优先与电子标签优先手持式读卡器手持式读卡器2 电子标签l电子标签 (Electronic Tag) 也称为智能标签 (Smart Tag) ，是由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。lRFID电子标签是RFID系统中必备的一部分，相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息。lRFID电子标签是一种微型的无线收发装置，标签中存储着被识别物体的相关信息，通常被安置在被识别的物体表面上。 l当RFID电子标签被RFID读写器识别到或者电子标签主动向读写器

14、发送消息时，标签内的物体信息将被读取或改写。l由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信电子标签内部各模块的功能：电子标签内部各模块的功能：（1）天线：用来接收由阅读器送来的信号，并把要求的数据传送回给阅读器。）天线：用来接收由阅读器送来的信号，并把要求的数据传送回给阅读器。（2）电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容）电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。（3）调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线返给阅）调制器：逻辑控制

15、电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线返给阅读器。读器。（4）解调器：去除载波，取出调制信号。）解调器：去除载波，取出调制信号。（5）逻辑控制单元：译码阅读器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。）逻辑控制单元：译码阅读器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。（6）存储单元：包括）存储单元：包括ERPROM和和ROM，作为系统运行及存放识别数据。，作为系统运行及存放识别数据。电子标签的技术参数标签激活的能量要求标签信息的读写速度：可达毫秒级标签信息的传输速率标签信息的容量标签的封装尺寸标签的读写距离标签的可靠性标签的工作频率标签的价格我的速度很快哦！但是我不便宜，有点贵RFID标签类型与

16、成本的关系 各种电子标签各种电子标签电子标签构造示例电子标签构造示例 图中黑色区域就是该应答器的CPU、存储器、编解码功能单元，外围印制铜模线即为应答器的天线单元。3 天线天线l天线用于在RFID标签与识读器之间建立数据通信的通道，天线的设计和位置对系统的覆盖范围、识读距离和操作通信的准确信性起重要的作用。标签天线 识读器天线电子标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道。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。 无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线或耦合线圈：一方面，无源射频标签芯片要启动电路工作，需要通过天线

17、在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了射频标签与读写器之间的通信信道和通信方式，它在射频标签与读写器实现数据通信过程中起到了关键的作用。RFID天线分类：（1）按工作频段分类。RFID天线可分为短波天线、超短波天线、微波天线等。（2）按方向性分类。RFID天线可分为全向天线、定向天线等。（3）按外形分类。RFID天线可分为线状天线、面状天线等。（4）根据天线的设计工艺分类。根据RFID天线的设计工艺分类，主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基本形式的天线。其中，小于1m的近距离线圈型天线，它们主要工作在中低频段；而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的

18、RFID天线，它们工作在高频及微波频段。这几种类型天线的工作原理是不相同的。电子标签天线 在电子标签中，天线面积占主导地位，即标签面积主要取决于其天线面积。然而天线的物理尺寸受到其工作频率电磁波波长的限制。设计要求：足够小，能够贴到需要的物品上有全向或半球覆盖的方向性有提供最大可能的信号给标签的芯片无论物品在什么方向上，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配非常便宜RFID标签天线读距问题超高频电子标签读取距离计算公式Pth为芯片最小发射功率Pt为阅读器发射功率Gt为阅读器天线增益Gr为标签天线增益天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度

19、之比。 阅读器天线设计要求：天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是用数据信号调制而成的。电感耦合型系统一般用线圈天线电磁散射型系统一般采用平板天线RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。天线特性也受所帖附物体形状及物理特性的影响。例如，磁场不能穿透金属等导磁材料，金属物附近磁力线形状会发生改变，读写器天线发出的能量被金属吸收，读写距离就会大大减小。另外，液体对电磁信号有吸收作用，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源

20、（如发动机、水泵、发电机）会产生电磁干扰等。 没反射板的E面方向图 有反射板的E面方向图注：金属板可以充当反射板，提高天线的增益，但同时牺牲掉了全向性，成了定向天线。对于近距离RFID应用，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离RFID系统，读写器天线天线和读写器一般采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆连接。一般来说，方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合标签应用；由于标签放置方向不可控，读写器天线一般采用圆极化方式。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。国外已经开始研究在读写器应用智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，“智能”的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同

21、天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围。 4 RFID中间件RFID中间件是一种独立的系统软件或服务程序。RFID 中间件技术将企业级中间件技术延伸到RFID 领域，是RFID 产业链的关键共性技术。它是RFID 读写器和应用系统之间的中介。RFID 中间件屏蔽了RFID 设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID 应用。中间件的主要任务和功能：（1）阅读器协调控制 终端用户可以通过RFID中间件接口直接配置、监控以及发送指令给阅读器。一些RFID中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能，使终端用户新添加不同类型的阅读器时不需要增加额外的程序代码

22、。（2）数据过滤与处理 当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，RFID中间件可以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。RFID中间件可以避免不同的阅读器读取同一电子标签的碰撞，确保了阅读准确性。（3）数据路由与集成 RFID中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。RFID中间件可以与企业现有的企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、仓储管理系统（WMS）等软件集成在一起，为它们提供数据的路由和集成，同时中间件可以保存数据，分批的给各个应用提交数据。（4）进程管理 RFID中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发。如在仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当库存

23、低于设置的标准时，RFID中间件会触发事件，通知相应的应用软件。l四、各种四、各种RFID系统原理系统原理 基本工作原理：由阅读器通过发射天线发送特定基本工作原理：由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量、电子标签被激时产生感应电流，从而获得能量、电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器发送来的调制信号，经天线调节器

24、传送到阅读器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理；主机系统根据逻后台主机系统进行相关的处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。器完成相应的读写操作。l从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分为两类：电感耦合来看，系统一般可以分为两类：电感耦合（Inductive Coupling）系统和电磁

25、反向散射耦）系统和电磁反向散射耦合（合（Backscatter Coupling）系统。）系统。l电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频工作的近距离工作的近距离RFID系统，典型工作频率：系统，典型工作频率：125kHz，225kHz，和，和13.56MHz。识别作用距离。识别作用距离一般小于一般小于1m，典型作用距离为，典型作用距离为020cm。l电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信

26、息，依据磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于高频、微波工作的远距离高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作系统，典型的工作频率：频率：433MHz，915MHz，2.45GHz和和5.8GHz。识别作用距离大于识别作用距离大于1m，典型作用距离为，典型作用距离为46m。l1、电感耦合、电感耦合RFID系统系统 电感耦合工作方式对应于电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标协议。电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面积签由一个电子数据作为载体，通

27、常由单个微芯片及天线（大面积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。磁感应。l（1） 能量供应能量供应 阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压线线圈，通过感应，在电子标签的天

28、线线圈上产生电压U，将其，将其整流后作为微芯片的工作电源。整流后作为微芯片的工作电源。 电容器电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。 电子标签的天线线圈和电容器电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线

29、圈上的电压U达到最达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。l（2） 数据传输数据传输 对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过 ，并，并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载调制（电感耦合、变压器耦合）。调制（电感耦合、变压器耦合）。 如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电

30、流在阅读签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。 此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因此阅此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦

31、合很弱，因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到约的系统，天线电压（谐振时）只能得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容

32、易检测了，这种调制也称频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也称为副载波调制。为副载波调制。16. 0l2、电磁反向散射、电磁反向散射RFID系统系统l（1） 反向散射调制反向散射调制 电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。波。在雷达技

33、术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。 在在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系统中。甚至更高频率的系统中。该该RFID系统工作分为以下两个过程：系统工作分为以下两个过程： （a）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数

34、为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。 （b）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来

35、向读写器传递信息。读写器传递信息。 电子标签的等效电路图如下所示，电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，为天线接收信号，Za表示天表示天线的阻抗，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表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反射载波的目的，的目的，Z1有两种状态，分别为有两种状态，分别为Z11和和Z12。 当标签需要发送的信息为二进制数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；当标签需要发送的信息为二进制数“0”时，芯片的阻抗状时，芯片的阻抗状态为态为Z12。这样在两种状态下标签反射回读写器的

36、信号为：。这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为： S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 式中，式中，s(t)为标签接收到的信号。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，可以形成不同的后向当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不同的后向散射调制方式，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：的特性。以下为四种情况： （a）OOK调制方式调制方式(On-Off Keying, OOK)。在该方式下，阻抗。在该方式下，阻抗状态为状态为1时，完全反射；阻抗状态为时，完全反射；阻

37、抗状态为2时完全匹配，而且这两种阻时完全匹配，而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同。抗状态下标签的反射系数的相位相同。 |S1|=1 |S2|=0 arg(S1)=arg(S2) (b) BPSK调制方式调制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。在。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。状态的下标签的反射系数的相位相反。 0 |S1|= |S2|1 arg(S1)=-arg(S2) (c) 任意调制因子的任意调制因子的ASK（Amplitude

38、 Shift Keying, ASK）调制。）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。阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。 0 |S1|S2|1 arg(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。调制方式。 (d) PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方式。该方式下，这两种阻抗状态有不同程度的失配，）

39、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。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|1 arg(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。键控调制方式。l（2） 反向散射调制的能量传输反向散射调制的能量传输 电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到的电磁波能量一部分被目标吸收，另一部分

40、以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。下面我们各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。下面我们看该方式调制的能量传输。看该方式调制的能量传输。 （a）阅读器到标签的能量传输）阅读器到标签的能量传输 在距离阅读器距离为在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为的电子标签处的功率密度为 式中，式中，PTX为读写器的发射功率，为读写器的发射功率，GTX为发射天线的增益，为发射天线的增益，R是标签到读写器天线之间的距离，是标签到读写器天线之间的距离，EIRP为天线的有效辐射功率，为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。是指读写器发射功率和天线增益

41、的乘积。 在电子标签和发射天线都处于最佳姿态，并且极化方向相匹配时，在电子标签和发射天线都处于最佳姿态，并且极化方向相匹配时，电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成成正比：正比： 2244REIRPRGPSTXTXSAPeTag 式中，式中，Ae为电子标签的有效面积：为电子标签的有效面积： GTag为电子标签的天线增益，因此，有：为电子标签的天线增益，因此，有： 无源无源RFID系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗很大，读系统的电子标签通过电磁场供电，标签功耗很大，读写距离越短，性能就越差。写距离越短，性能就越差。RFID

42、电子标签能否工作也主要由电电子标签能否工作也主要由电子标签的工作电压所决定，这也决定了无源子标签的工作电压所决定，这也决定了无源RFID系统的识别距系统的识别距离。但随着离。但随着 集成电路工艺的发展，射频电子标签芯片本身的功集成电路工艺的发展，射频电子标签芯片本身的功耗逐渐在降低。目前，典型的低功耗电子标签的工作电压为耗逐渐在降低。目前，典型的低功耗电子标签的工作电压为1.2V左右，标签本身的功耗可以低至数十微瓦到数微瓦。这使得无源左右，标签本身的功耗可以低至数十微瓦到数微瓦。这使得无源电子标签的识别距离在无线电发射功率受到限制的情况下可以达电子标签的识别距离在无线电发射功率受到限制的情况下

43、可以达到到10m以上。以上。TageGA42RGTEIRPSAPageTag4 （b）电子标签到阅读器的能量传输）电子标签到阅读器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比，它是目标电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比，它是目标反射电磁波能力的测度。散射面积取决于一系列的参数，这既包反射电磁波能力的测度。散射面积取决于一系列的参数，这既包含物体本身的特性，如目标的大小、形状、材料和表面结构，也含物体本身的特性，如目标的大小、形状、材料和表面结构，也包括反射电磁波的特性，如电磁波的波长和极化方向等。包括反射电磁波的特性，如电磁波的波长和极化方向等。 电子标签在空间某个位

44、置接收到阅读器发射的电磁波，一部分自电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波，一部分自身吸收用于提供自身工作的能量，另一部分被反射回去，电子标身吸收用于提供自身工作的能量，另一部分被反射回去，电子标签反射电磁波的能量为：签反射电磁波的能量为： 返回阅读器的功率密度为返回阅读器的功率密度为 接收天线的有效面积为接收天线的有效面积为 式中，式中，GRX为天线的增益。为天线的增益。2244REIRPRGPSPTXTXBack42)4(RGPSTXTXBackRXwGA42 可以得出，阅读器接收的标签反射信号的总功率为可以得出，阅读器接收的标签反射信号的总功率为l五、五、 声表面波标签的识别原理

45、声表面波标签的识别原理l1 声表面波声表面波RFID原理原理 声表面波是在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中声表面波是在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。于表面附近的弹性波。 声表面波器件是在压电基片上制作两个声：电换能器和叉指换能声表面波器件是在压电基片上制作两个声：电换能器和叉指换能器。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器。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，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。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

46、逆压电效的工作原理是，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，并利用声一电换能器的特性来完成的。号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。 432)4(RGGPASPRXTXTXwBackRX 换能器的两条总线与电子标签的天线相连接，阅读

47、器的天线周期换能器的两条总线与电子标签的天线相连接，阅读器的天线周期的发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围之内，被接收的发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围之内，被接收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。反射器组对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉播。反射器组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表面波脉冲串转变为高频电脉冲串。如果将指换能器又将反射声表面波脉冲串转变为高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表示规定的编码反射器组按某种特定的规律设计

48、，使其反射信号表示规定的编码信息，那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特信息，那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码，通过解调与处理，即可达到自动识别的目的。定编码，通过解调与处理，即可达到自动识别的目的。l2 声表面波声表面波RFID系统的应用领域及优点系统的应用领域及优点 由于声表面波由于声表面波SAW器件工作在射频波段，无源而且抗电磁干扰器件工作在射频波段，无源而且抗电磁干扰能力较强，因此能力较强，因此SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势，技术实现的电子标签具有一定的独特优势，是对集成电路（是对集成电路（IC）技术的补充。）技术的补充。 SAW标签应用

49、领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公共标签应用领域非常广泛，包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、超市防盗、航空行李分拣、邮包跟踪、交通、门禁控制、防伪、超市防盗、航空行李分拣、邮包跟踪、流水线控制与跟踪、体育竞赛等。同时也适用于压力、应力、扭流水线控制与跟踪、体育竞赛等。同时也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等变化参数的测量，如铁路红外轴温探测系统曲、加速度和温度等变化参数的测量，如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。 其主要优点如下：其主要优点如下： （a）读取范围大且可靠，识别距离

50、远。）读取范围大且可靠，识别距离远。 （b）可使用在金属和液体产品上。）可使用在金属和液体产品上。 （c）标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成本低。）标签芯片与天线匹配简单，制作工艺成本低。 （d）不仅能识别静止物体，而且能识别速度达）不仅能识别静止物体，而且能识别速度达300km/h的的高速运动物体。高速运动物体。 （e）可在高温差（）可在高温差（-100300）、强电磁干扰等恶劣环）、强电磁干扰等恶劣环境下使用。境下使用。l3 声表面波声表面波RFID系统的关键技术系统的关键技术 （1）标签编码容量与作用距离）标签编码容量与作用距离 增加反射体数目和改进编码方法，是提高增加反射体数目和改进编码方法，是提高SAW标签编码容量的标签编码容量的主要措施。增加反射体数目会增加芯片长度，并受声表面波传输主要措施。增加反射体数目会增加芯片长度，并受声表面波传输损耗和成本限制。即使采用声道折叠、并列声道和转向结构等来损耗和成本限制。即使采用声道折叠、并列声道和转向结构等来减小芯片长度，但为保持反射回波脉冲均匀，每个反射体的反射减小芯片长度，但为保持反射回波脉冲均匀，每个反射体的反射能力应降低，则必然导