射频识别技术与设计第二章RFID系统原理3-6

1、1 数字通信基础数字通信基础 信号调制与解调信号调制与解调 数据传输可靠性数据传输可靠性 数据传输安全性数据传输安全性 天线技术基础天线技术基础23关键指标：关键指标：传输速率、误码率、频带利用率传输速率、误码率、频带利用率有效性：有效性：信源编码信源编码可靠性：可靠性：信道编码信道编码安全性：安全性：加密加密收发：收发：调制解调调制解调是否必需？是否必需？4正弦形载波信号正弦形载波信号)cos()(0tAts式中，式中，A 振幅振幅 (V)； f0 频率频率 (Hz)； 0 = 2 f0 角频率角频率 (rad/s)； 为初始相位为初始相位 (rad)。3种基本的调制方法：种基本的调制方法：

2、振幅键控振幅键控ASK 频移键控频移键控FSK 相移键控相移键控PSK 5基本原理基本原理TtttAts0)cos()()(0当发送1时,( )0当发送0时。AA t调制电路调制电路相乘电路相乘电路开关电路开关电路6解调电路解调电路包络检波法（非相干解调）包络检波法（非相干解调）相干解调法相干解调法7基本原理基本原理调制电路调制电路调频法（相位连续）调频法（相位连续）开关法相位不连续开关法相位不连续”时当发送“”时当发送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts8解调电路解调电路相干接收相干接收包络检波包络检波9基本原理基本原理或或)cos()(0tAts”时当发送“”时当发送“100

3、”时当发送“”时当发送“1)cos(0)cos()(00tAtAts”时当发送“”时当发送“1cos0cos)(00tAtAts10调制电路调制电路解调电路解调电路二进制基带不归零二进制基带不归零矩形脉冲信号矩形脉冲信号11数据信号编码数据信号编码n单极性码（单电平） 非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种状态非零电平代表一种信号逻辑状态，零电平代表另一种状态n极性码 (双电平) 正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种状态正电平代表一种信号逻辑状态，负电平代表另一种状态n双极性码（多电平） 使用两个以上的电平值进行编码使用两个以上的电平值进行编码12优点n只用一个电平即可表示两个

4、二进制数字，简单只用一个电平即可表示两个二进制数字，简单缺点n需处理直流分量需处理直流分量n同步电路复杂同步电路复杂13采用两个电压值编码：一个正电压，一个负电压采用两个电压值编码：一个正电压，一个负电压14不归零编码不归零编码不归零反相编码不归零反相编码15曼彻斯特编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码1617差错控制编码差错控制编码目的：目的： 保证所有的幀按顺序、正确送到目的接收机保证所有的幀按顺序、正确送到目的接收机解决问题：解决问题： 1. 1. 如何检测出错如何检测出错 2. 2. 发现错误后，如何纠正错发现错误后，如何纠正错分类：分类：单个错和突发错单个错和突发错术语：

5、术语：检错码和纠错码检错码和纠错码18海明距离：海明距离：两个码字的对应比特取值不同的比特数两个码字的对应比特取值不同的比特数 例例 10 10001001001001 10 10110110001001编码集的海明距离：编码集的海明距离：一个有效编码集中，一个有效编码集中，任意任意两个码字的海明距离的两个码字的海明距离的最小最小值值海明距离海明距离3 (3 (一个码字必须错一个码字必须错3 3位位 才能变成另一码字）才能变成另一码字）结论结论: :如果要能如果要能检测检测出出 d 个位差错，则编码集的海明距离至少个位差错，则编码集的海明距离至少应为应为 d 1如果要能如果要能纠正纠正 d 个

6、位差错，则编码集的海明距离至少应个位差错，则编码集的海明距离至少应为为 2d 119设编码集设编码集 000000, 000111, 111000, 111111 海明距离海明距离 3 3如接收端收到码字如接收端收到码字 010111010111，为无效码字，为无效码字 有错有错 问题：由哪一个有效码字错来？问题：由哪一个有效码字错来？ 000000 010111 000111 010111 111000 010111 111111 010111由其错的由其错的概率最大概率最大! 接收端将其恢复为接收端将其恢复为000111 (纠错纠错将将 无效码字恢复成距离它最近的有效无效码字恢复成距离它最

7、近的有效 码字码字，但这种方法并不是，但这种方法并不是100正确正确)20 先将要发送的数据块分组，且在每一组的数据码元先将要发送的数据块分组，且在每一组的数据码元后面后面附加一个冗余位附加一个冗余位，使得该组连冗余位在内的码字中，使得该组连冗余位在内的码字中“1”1”的个数为偶数（偶校验）的个数为偶数（偶校验）或或奇数（奇校验）奇数（奇校验）。接。接收端按同样的规则检查，如发现不符，就说明传输有误。收端按同样的规则检查，如发现不符，就说明传输有误。 奇偶校验码在实际使用时可分为奇偶校验码在实际使用时可分为垂直垂直奇偶校验码、奇偶校验码、水平水平奇偶校验码和奇偶校验码和水平垂直水平垂直奇偶校验

8、码等几种。奇偶校验码等几种。21发送时按列的次序进行，因此能发现长度发送时按列的次序进行，因此能发现长度n n（每列长（每列长度）的单个突发错。度）的单个突发错。22检错能力检错能力：可检出某列可检出某列( (一字符一字符) )的所有奇数个错的所有奇数个错, ,即检出仅即检出仅50%50%23最后发送的数据最后发送的数据水水 平平 校校 验位验位垂直校验位垂直校验位24检错能力检错能力：可检出某行、某列的所有奇数个错；可检出某行、某列的所有奇数个错；能发现大部分偶数个错；能发现大部分偶数个错；可以纠正不能同时满足行、列校验关系的一位错可以纠正不能同时满足行、列校验关系的一位错不能检出某些互相补

9、偿的偶数个错不能检出某些互相补偿的偶数个错25 原理原理: : 将位串看成系数为将位串看成系数为 0 0 或或 1 1 的多项式的多项式 如如位串位串1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 即对应于多项式即对应于多项式： x7 + x5 + x2 + x + 1 = 1*x7 + 0*x6 + 1*x5 + 0*x4 + 0*x3 + 1*x2 + 1*x + 1* x0 收发双方约定一个生成多项式收发双方约定一个生成多项式 G(x)（其最高阶和最低（其最高阶和最低阶系数必须为阶系数必须为1），发送方用位串及），发送方用位串及 G(x)进行某种运算得进行某种运算得到校验

10、和，并在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧到校验和，并在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被的多项式能被 G(x) 整除整除; 接收方收到后，用接收方收到后，用 G(x) 除多项除多项式，若有余数，则传输有错。式，若有余数，则传输有错。26 问题：问题： 发送方用位串及发送方用位串及 G(x)进行何种运算得到的进行何种运算得到的 校验和，可使带校验和的帧的多项式能被校验和，可使带校验和的帧的多项式能被 G(x) 整除？整除？模模2 2运算特点：运算特点： 模模2除除: 被除数高位为被除数高位为1即可相除即可相除, 商为商为1 模模2加、模加、模2减：等于按位加减：等于按位加(异或异或

11、)运算运算 (模模2加、模加、模2减、模减、模2除可用异或等硬件电路实现除可用异或等硬件电路实现）27CRC CRC 校验和计算法校验和计算法 若生成多项式若生成多项式 G(x) 为为 r 阶阶(即即r1位位串位位串)，原帧为，原帧为 m 位，位， 其多项式为其多项式为 M(x)，则在原帧后面添加，则在原帧后面添加 r 个个 0， 帧成为帧成为 m+r 位，相应多项式成为位，相应多项式成为 xr M(x) 按模按模2除法用除法用 G(x)对应的位串去除对应于对应的位串去除对应于 xr M(x) 的的 位串位串, 得余数得余数 R(x) 按模按模2减法减法(即模即模2加加)从对应于从对应于 xr

12、 M(x) 的位串中减去的位串中减去(加加 上上)余数余数 R(x),结果即传送的带校验和的帧多项式结果即传送的带校验和的帧多项式T(x) T(x) = xr M(x) + R(x)282930CRC-8 : x8+x2+x+1 CRC-10 : x10+x9+x5+x4+x2+1CRC-12 ： x12+x11+x3+x2 +x+1CRC-16 ： x16+x15+x2+1CRC-CCITT ： x16+x12+x5+1 CRC-32 ： x32+x26+x23+x22+x16+x12+ x11+ +x10+x8+x7+ x5+ x4+ x2+x+1 31检错率：检错率： 可检测出几乎所有错

13、误，若出现差错的码多项可检测出几乎所有错误，若出现差错的码多项式仍能被式仍能被 G(X) 整除时，错误就检测不出来，但发生这整除时，错误就检测不出来，但发生这种情况的概率是非常小的。一般除数采用种情况的概率是非常小的。一般除数采用13、17和和33位。位。 用用16比特生成多项式比特生成多项式CRC-16或或CRC-CCITT时，可检测时，可检测出：出： 所有的单个错所有的单个错 所有的两个错所有的两个错 所有的奇数个错所有的奇数个错 所有突发长度所有突发长度 16 的突发错的突发错 17 比特突发错的比特突发错的 99.997% 18 比特或更长突发错的比特或更长突发错的 99.998% 3

14、2 数据加密概述数据加密概述 对称密码体制对称密码体制 非对称密码体制非对称密码体制33密码体制密码体制: : 一个加密系统采用的基本工作方式一个加密系统采用的基本工作方式密码体制的基本要素是密码体制的基本要素是密码算法密码算法和和密钥密钥 密码算法是一些公式、法则或程序密码算法是一些公式、法则或程序; ; 密钥是密码算法中的可变参数。密钥是密码算法中的可变参数。 密码算法分为密码算法分为加密加密和和解密解密算法，前者是将明文变换成算法，前者是将明文变换成密文，后者是将密文变换成明文；密文，后者是将密文变换成明文； 密钥相应地也分为密钥相应地也分为加密密钥加密密钥和和解密密钥解密密钥。34一个

15、加密系统数学符号描述一个加密系统数学符号描述: :S S= =P P、C C，K K，E E，D D 其中其中P P是明文空间、是明文空间、C C是密文空间、是密文空间、K K是密钥空是密钥空间、间、E E是加密算法、是加密算法、D D是解密算法，当给定密钥是解密算法，当给定密钥k kK K时，加、解密算法分别记作时，加、解密算法分别记作E Ek k和和D D k k，并有：，并有： C C= =E Ek k( (P P ) ) P P= =D Dk k( (C C )=)=D Dk k( (E Ek k( (P P ),), 或记为或记为 D Dk k= =E Ek k11且且E Ek k=

16、 =D Dk k1135 现代密码学的一个基本原则是现代密码学的一个基本原则是一切秘密应寓一切秘密应寓于密钥之中于密钥之中，即在设计加密系统时，总是假定，即在设计加密系统时，总是假定密密码算法是公开码算法是公开的，真正需要保密的是密钥。的，真正需要保密的是密钥。 3637在不知道密钥的情况下，恢复出明文。在不知道密钥的情况下，恢复出明文。常见的密码分析攻击：常见的密码分析攻击：唯密文攻击唯密文攻击密码分析者有一些密文，这些消息都是用一加密算法加密密码分析者有一些密文，这些消息都是用一加密算法加密。已知明文攻击已知明文攻击密码分析者可以得到一些消息的密文，而且也知道这些消密码分析者可以得到一些消

17、息的密文，而且也知道这些消息的明文。息的明文。选择明文攻击选择明文攻击密码分析者可以得到一些消息的明文，而且可以选择被加密码分析者可以得到一些消息的明文，而且可以选择被加密的明文。密的明文。自适应选择明文攻击自适应选择明文攻击密码分析者能够选择被加密的明文，而且也能基于以前加密码分析者能够选择被加密的明文，而且也能基于以前加密的结果修正这个选择。密的结果修正这个选择。38 对称密码体制又称为秘密密钥密码体制（或对称密码体制又称为秘密密钥密码体制（或单密钥密码体制隐蔽密钥密码体制），即加密单密钥密码体制隐蔽密钥密码体制），即加密密钥和解密密钥相同或一个可由另一个导出，真密钥和解密密钥相同或一个可

18、由另一个导出，真正需要保密的是密钥。正需要保密的是密钥。39美国数据加密标准（美国数据加密标准（DESDES）DESDES属于分组加密算法。在这个加密系统中，每次加密或属于分组加密算法。在这个加密系统中，每次加密或解密的分组大小是解密的分组大小是6464位。只要将明文密文中每位。只要将明文密文中每6464位当位当成一个分组加以切割，再对每一个分组做加密或解密即成一个分组加以切割，再对每一个分组做加密或解密即可。当切割到最后一个分组小于可。当切割到最后一个分组小于6464位时，要在此分组后位时，要在此分组后附加附加“0”0”位，直到该分组大小成为位，直到该分组大小成为6464位为止。位为止。40

19、 非对称密码体制又称为公开密钥密码体制，非对称密码体制又称为公开密钥密码体制，即加密密钥公开，解密密钥不公开，从一个推导即加密密钥公开，解密密钥不公开，从一个推导出另一个是不可行的。出另一个是不可行的。重要特点重要特点: :仅根据密码算法和加密密钥来推导解密密钥在计算上仅根据密码算法和加密密钥来推导解密密钥在计算上不可行；不可行；两个密钥中任何一个都可用来加密，另一个用来解密两个密钥中任何一个都可用来加密，另一个用来解密。六个组成部分：六个组成部分：明文、密文；公钥、私钥；加密、解密算法明文、密文；公钥、私钥；加密、解密算法4142 一般要求：一般要求：1 1、加密解密用相同的密钥加密解密用相

20、同的密钥2 2、收发双方必须共享密钥、收发双方必须共享密钥安全性要求：安全性要求：1 1、密钥必须保密、密钥必须保密2 2、没有密钥，解密不可行、没有密钥，解密不可行3 3、知道算法和若干密文不足、知道算法和若干密文不足以确定密钥以确定密钥一般要求：一般要求：1 1、加密解密算法相同，但使用不同、加密解密算法相同，但使用不同的密钥的密钥2 2、发送方拥有加密或解密密钥，而、发送方拥有加密或解密密钥，而接收方拥有另一个密钥接收方拥有另一个密钥安全性要求：安全性要求：1 1、两个密钥之一必须保密、两个密钥之一必须保密2 2、无解密密钥，解密不可行、无解密密钥，解密不可行3 3、知道算法和其中一个密

21、钥以及若、知道算法和其中一个密钥以及若干密文不能确定另一个密钥干密文不能确定另一个密钥43 最著名的且被广泛应用的公钥加密体制。明最著名的且被广泛应用的公钥加密体制。明文、密文是文、密文是0 0到到n-1n-1之间的整数，通常之间的整数，通常n n的大小的大小为为10241024位或位或309309位十进制数。位十进制数。算法描述算法描述: : 加密：加密： C=Me mod N, where 0MNC=Me mod N, where 0MN 解密：解密： M=Cd mod N M=Cd mod N 公钥为（公钥为（e e，N N），）， 私钥为（私钥为（d d，N N） 必须满足以下条件：必

22、须满足以下条件：l 计算计算MeMe和和CdCd是比较容易的是比较容易的l 由由e e和和n n确定确定d d是不可行的是不可行的 44 天线概述天线概述 天线基本参数天线基本参数 偶极子天线偶极子天线45 天线是辐射或接收无线电波的部件，是天线是辐射或接收无线电波的部件，是无线信息传输系统的空中接口，实现电磁波无线信息传输系统的空中接口，实现电磁波信号与电路信号的相互转换。信号与电路信号的相互转换。u无线通信无线通信u广播电视广播电视u遥感遥测遥感遥测u导航导航u电子对抗电子对抗u射电天文射电天文振荡能量振荡能量辐射能量辐射能量高频电流高频电流（导波）（导波）辐射的电辐射的电磁波磁波4647

23、方向图：方向图： 在离天线一定距离处，辐射场的相对场强随方向变在离天线一定距离处，辐射场的相对场强随方向变化的曲线。化的曲线。用最大辐射方向上的两个相互垂直的平面表示。用最大辐射方向上的两个相互垂直的平面表示。 E E面；面；H H面面48方向系数：方向系数：在离天线某距离的空间位置处，天线在最大辐射方向上的在离天线某距离的空间位置处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度辐射功率流密度Psmax与相同辐射功率的理想无方向性天线与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度在同一距离处的辐射功率流密度Pso之比（之比（dB）202max0maxEEPPDss),(),(),(max

24、maxEEf49天线效率：天线效率： 辐射器0P02P02)1 (PPinP当天线与传输线完全匹配时，当天线与传输线完全匹配时，=0，Pin=P0铜耗铜耗介质损耗介质损耗加在元件的损耗加在元件的损耗接地损耗接地损耗50增益增益: :综合衡量天线能量转换和方向特性的参数综合衡量天线能量转换和方向特性的参数物理意义：物理意义：描述了天线与理想的无方向性天线相比在描述了天线与理想的无方向性天线相比在最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。最大辐射方向上将输入功率放大的倍数。假设天线为理想的无方向性天线假设天线为理想的无方向性天线51极化特性极化特性天线在最大辐射方向上电场矢量方向随时间变化的规律天线在最

25、大辐射方向上电场矢量方向随时间变化的规律即在空间某一固定位置上即在空间某一固定位置上, , 电场矢量的末端随时间变化所电场矢量的末端随时间变化所描绘的图形。描绘的图形。该图形如果是直线该图形如果是直线, , 就称为就称为线极化线极化; ; 如果是圆，如果是圆， 就称为就称为圆极化圆极化; ; 如果是椭圆，如果是椭圆， 就称为就称为椭圆极化椭圆极化。 在在RFIDRFID系统中系统中, , 标签采用线极化天线、读写器采用圆标签采用线极化天线、读写器采用圆极化天线。极化天线。 如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的如果通信的一方是剧烈摆动或高速运动着的, , 为了提为了提高通信的可靠性高通信的可靠

26、性, , 发射和接收都应采用圆极化天线发射和接收都应采用圆极化天线。52馈电端口输入阻抗馈电端口输入阻抗天线馈电点呈现的阻抗值天线馈电点呈现的阻抗值天线本身的结构和尺寸天线本身的结构和尺寸工作频率工作频率临近天线周围物体的影响临近天线周围物体的影响一般由近似数值计算和工程实验确定一般由近似数值计算和工程实验确定阻抗网络分析仪测试阻抗网络分析仪测试53偶极子天线辐射坐标系 当r1（远场区）krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j55方向函数：方向函数：空间不同方向上的辐射能力不同空间不同方向上的辐射能力不同=90、270辐射最强，轴线方向无辐射辐射最强，轴线方向无辐射 si

27、n),(F56串并联谐振电路串并联谐振电路电感耦合原理电感耦合原理反向散射调制反向散射调制SAW RFIDSAW RFID原理原理有源有源RFIDRFID原理原理谐振电路谐振电路57 含有含有R R、L L、C C的一端口电路，在特定条件下的一端口电路，在特定条件下出现端口电压、电流同相位的现象时，称电路发出现端口电压、电流同相位的现象时，称电路发生了生了谐振谐振。RZIU发生谐振IU58 IRj L+_Cj1 UXRXXRCLRZCLj )( j)1( j时，电路发生谐振。 1 0 当00CLXLC10 LCf210 谐振角频率谐振角频率 (resonant angular frequenc

28、y)谐振频率谐振频率 (resonant frequency) 谐振条件谐振条件RLC串联电路谐振时的特点串联电路谐振时的特点 同相与 )1( IU入端阻抗入端阻抗Z为为纯电阻，即纯电阻，即Z=R。电路中阻抗值电路中阻抗值|Z|最小。最小。电流电流I达到最大值达到最大值 I0=U/R (U一定一定)。(2) L、C上上的电压大小相等，相位相反，的电压大小相等，相位相反，串联总电压为零，串联总电压为零，也称电压谐振，即也称电压谐振，即LC相当于短路，电源电压全部加在电相当于短路，电源电压全部加在电阻上。阻上。(3) L、C的电场能量和磁场能量作周期振荡性的能量交换，的电场能量和磁场能量作周期振荡

29、性的能量交换，而不与电源进行能量交换。而不与电源进行能量交换。59耗的能量谐振时一周期内电路消总储能谐振时电路中电磁场的2202020202000TRILIRILIRLQ(4)Q是反映谐振回路中电磁振荡程度的量，品质因数越大，是反映谐振回路中电磁振荡程度的量，品质因数越大，总的能量就越大，维持一定量的振荡所消耗的能量愈小，总的能量就越大，维持一定量的振荡所消耗的能量愈小， 振荡程度就越剧烈。则振荡电路的振荡程度就越剧烈。则振荡电路的“品质品质”愈好。一般讲愈好。一般讲在要求发生谐振的回路中总希望尽可能提高在要求发生谐振的回路中总希望尽可能提高Q值。值。60电流谐振曲线电流谐振曲线 0 O|Y(

30、 )|I( )I( )U/R从电流谐振曲线看到，谐振时电流达到最大，当从电流谐振曲线看到，谐振时电流达到最大，当 偏偏离离 0时，电流从最大值时，电流从最大值U/R降下来。即串联谐振电路对不降下来。即串联谐振电路对不同频率的信号有不同的响应，对谐振信号最突出同频率的信号有不同的响应，对谐振信号最突出(表现为电表现为电流最大流最大)，而对远离谐振频率的信号加以抑制，而对远离谐振频率的信号加以抑制(电流小电流小)。这。这种对不同输入信号的选择能力称为种对不同输入信号的选择能力称为“选择性选择性”。61)1( jLCGYLC10LCGGLGCQ1100电压谐振电压谐振62低频、高频低频、高频RFID

31、读写器读写器/标签天线电路标签天线电路低频、高频低频、高频RFIDRFID读写器读写器/ /标签的天线实质上是一个串联或并联谐标签的天线实质上是一个串联或并联谐振电路。串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低内振电路。串联谐振回路具有电路简单、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，被读写器广阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被读写器广泛采用。泛采用。 63低频、高频低频、高频RFIDRFID系统通信机制系统通信机制64低频、高频低频、高频RFIDRFID系统通信过程系统通信过程电感线圈的交变磁场电感线圈的交变磁场安培定理：电流流过一个导体时，其周

32、围会产生一个磁场安培定理：电流流过一个导体时，其周围会产生一个磁场 。65ai2H读写器天线读写器天线( (线圈）周围的交变磁场线圈）周围的交变磁场20 11Z0Z3 2222i N aarBH11Z02i NaBra时 211Z00Z32i N arBH电感线圈的交变电流电感线圈的交变电流法拉第定理：一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在法拉第定理：一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。66标签天线（线圈）中感应电压标签天线（线圈）中感应电压SraaitNStNtNvd2ddddddd23222102222B22

33、ddddvNtt2NSB d67 v2 标签芯片 R2 C2 2v RL L2 标签天线的等效电路模型标签天线的等效电路模型201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/ 222cos2mN aItarB标签芯片中直流电源电压的产生机制标签芯片中直流电源电压的产生机制68读写器向标签传输信息的产生机制读写器向标签传输信息的产生机制互感耦合回路的等效阻抗互感耦合回路的等效阻抗6912111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZl开关开关S

34、控制标签芯片端口的调制电阻控制标签芯片端口的调制电阻Rmod的接入与否，的接入与否，开关开关S的通断由二进制数据编码信号控制。的通断由二进制数据编码信号控制。l当二进制数据编码信号为当二进制数据编码信号为“1”时，设开关时，设开关S闭合，则此闭合，则此时应答器负载电阻为时应答器负载电阻为RL和和Rmod并联；而二进制数据编码信并联；而二进制数据编码信号为号为“0”时，开关时，开关S断开，应答器负载电阻为断开，应答器负载电阻为RL。l标签负载电阻值有两个对应值，即标签负载电阻值有两个对应值，即RL（S断开时）和断开时）和RL与与Rmod的并联值的并联值RL/Rmod（S闭合时）。闭合时）。70负

35、载调制负载调制电阻负载调制电阻负载调制71次级回路等效电路中的端电压次级回路等效电路中的端电压 2CD2f222Lm11jjVVRRLCR电阻负载调制传输信息的原理电阻负载调制传输信息的原理72 （ a ） 二二 进进 制制 数数 据据 编编 码码 信信 号号 （ b ） 应应 答答 器器 线线 圈圈 两两 端端 电电 压压 （ c） 阅阅 读读 器器 线线 圈圈 两两 端端 电电 压压 （ d ） 阅阅 读读 器器 线线 圈圈 两两 端端 电电 压压 解解 调调 （a）是标签芯片中内存数）是标签芯片中内存数据控制开关据控制开关S（二进制数据二进制数据编码信号），编码信号），（b）是标签电感线

36、圈上的）是标签电感线圈上的电压波形，电压波形，（c）是读写器电感线圈上）是读写器电感线圈上的电压波形，的电压波形，（d）是对读写器电感线圈）是对读写器电感线圈上的电压解调后的波形。上的电压解调后的波形。 电容负载调制电容负载调制开关开关S用于控制负载调制电容用于控制负载调制电容Cmod的接入与否，开关的接入与否，开关S的的通断由二进制数据编码信号控制通断由二进制数据编码信号控制73电容负载调制时初、次级回路的等效电路电容负载调制时初、次级回路的等效电路 74 电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能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

37、分以不量的一部分（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个方向上去。反射能量的一部分最终会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，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射返回发射天线，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。波测量目标的距离和方位。75 RFIDRFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于器的数据传输，主要应用于915MHz915MHz、2.45GHz2.45GHz甚至更高频甚至更高频率的率的RFIDRFID系统中。工作过程可分为以下两步：系统中。工作

38、过程可分为以下两步：（1 1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波）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为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片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；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波能量；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，并对接收信号进行处理，从而接收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读写器的指令或数据反向散射通信过程反向散射通信过程76（2 2

39、）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调）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；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻签工作；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读写器传递信息。抗调制并反射载波来向读写器传递信息。 RFIDRFID标签的等效电路如图所示，标签的等效电路如图所示，VoVo为天线接收的信号，为天线接收的信号，ZaZa表示天线表示天线的阻抗，的阻抗，Z ZT T表示标签芯片的输入阻表示标签芯片的输入阻抗。实现调制反射连续波（载波）

40、抗。实现调制反射连续波（载波）目的，目的， Z ZT T有两种状态：（有两种状态：（1 1） Z ZT1T1；（2 2） Z ZT2 T2 。反向散射调制反向散射调制77当标签需要发送的信息为二进制当标签需要发送的信息为二进制 “ “1”1”时，芯片的阻抗状时，芯片的阻抗状态为态为ZT1 ；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”0”时，芯时，芯片的阻抗状态为片的阻抗状态为ZT2 。两种状态下标签返回读写器的信号为。两种状态下标签返回读写器的信号为 S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 s(t)为标签接收到的信号（连续波、载波）为标签接收到的信号（连续

41、波、载波）当电子标签芯片当电子标签芯片输入阻抗输入阻抗采取采取不同不同的变化方式时，可以形成的变化方式时，可以形成不同不同的后向散射的后向散射调制方式调制方式，使，使得标签返回的能量和进入标签得标签返回的能量和进入标签的能量具有的能量具有不同的特性不同的特性。78（1）OOK调制方式调制方式(On-Off Keying, OOK)。在该方式。在该方式下，阻抗状态为下，阻抗状态为1时，完全反射；阻抗状态为时，完全反射；阻抗状态为2时完全匹时完全匹配，两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同或相反。配，两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同或相反。(2) BPSK调制方式调制方式(Binary Ph

42、ase Shift Keying, BPSK)。在该方式下，这两种阻抗状态有相同程度的失配，但在该方式下，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。是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相反。反向散射调制类型反向散射调制类型79（4）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）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反。相位相反。(3) 任意调制因子的任意

43、调制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）调制。在该方式下，这两种阻抗状态有着不同程度的失调制。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下标签的反射系数的相位相同。配，但是这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同。80P1：读写器发射的射频功率：读写器发射的射频功率G1：读写器天线的增益：读写器天线的增益R：RFID 标签到读写器天线之间的距离标签到读写器天线之间的距离EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)： 天线的有效全向辐射功率，天线的有效全向辐射功率， EIRP= P1G1。 在在RFID

44、标签天线、读写器天线的最大辐射方向一标签天线、读写器天线的最大辐射方向一致，并且极化方向相同时，致，并且极化方向相同时，RFID标签吸收的射频功率标签吸收的射频功率最大，并且与读写器发射信号的功率密度最大，并且与读写器发射信号的功率密度S成正比。成正比。读写器传输到标签天线的电磁波功率读写器传输到标签天线的电磁波功率 距离读写器距离为距离读写器距离为R的的RFID标签处，读写器发射的电标签处，读写器发射的电磁波功率密度：磁波功率密度：221144REIRPRGPS81G2：标签的天线增益：标签的天线增益RFIDRFID标签天线接收到的读写器天线发射的射频信号功率标签天线接收到的读写器天线发射的

45、射频信号功率Ae：RFID标签天线的有效面积标签天线的有效面积SAPeTag224GAe22TagR4EIRPSPGAe）（标签反射回到读写器的射频信号功率标签反射回到读写器的射频信号功率 RFID标签返回到读写器天线的射频信号功率与其标签返回到读写器天线的射频信号功率与其雷雷达散射截面达散射截面面积成正比。面积成正比。雷达散射截面雷达散射截面(Radar Cross section-RCS) 目标在单位立体角内向接收机处散射功率与入射波目标在单位立体角内向接收机处散射功率与入射波在目标上的功率密度之比的在目标上的功率密度之比的4倍倍. 表征了目标在电磁波照射下产生的回波信号强度。表征了目标在

46、电磁波照射下产生的回波信号强度。82 目标雷达散射面积大小取决于一系列的参数，既包含目标雷达散射面积大小取决于一系列的参数，既包含目目标本身的特性（标本身的特性（如大小、形状、材料和表面结构），也包如大小、形状、材料和表面结构），也包括其反射括其反射电磁波的特性电磁波的特性，如电磁波的波长和极化方向等。，如电磁波的波长和极化方向等。 RFID标签在空间某个位置接收到读写器发射的电磁波标签在空间某个位置接收到读写器发射的电磁波后，一部分被标签吸收用于提供标签芯片工作的能量，另后，一部分被标签吸收用于提供标签芯片工作的能量，另一部分被反射回到读写器天线。一部分被反射回到读写器天线。 RFID标签反

47、射的电磁波功率：标签反射的电磁波功率：221144REIRPRGPSPBack RFID标签反射返回到读写器天线处的电磁波功率流密度：标签反射返回到读写器天线处的电磁波功率流密度：42112Back)4(4RGPRPSBack83AW ：读写器接收天线的有效面积：读写器接收天线的有效面积224GAw G G2 2：读写器接收天线的增益：读写器接收天线的增益 上述分析中没有考虑到读写器收发天线、标签天线之上述分析中没有考虑到读写器收发天线、标签天线之间极化不匹配产生的功率损耗，空气中雨露、尘埃对电磁间极化不匹配产生的功率损耗，空气中雨露、尘埃对电磁波衰减产生的电磁波功率损耗等因素效应。波衰减产生

48、的电磁波功率损耗等因素效应。432211)4(RGGPASPwBackRX读写器天线接收到标签反射的射频信号功率读写器天线接收到标签反射的射频信号功率84反向散射通信（识别）距离反向散射通信（识别）距离 例：例：915MHz UHF915MHz UHF频段无源超高频频段无源超高频RFIDRFID系统的识别距离计算。系统的识别距离计算。85 有源有源RFID系统的电子系统的电子标签自带电池，当电子标签标签自带电池，当电子标签进入读写器的工作范围后，进入读写器的工作范围后，电子标签主动地将存储的识电子标签主动地将存储的识别信息别信息(ID)以电磁波的形式以电磁波的形式传给读写器。传给读写器。电 源

49、控制模块CPU收发模块RF天 线86SAWA RFIDSAWA RFID工作原理工作原理 声表面波声表面波（Surface Acoustic Wave-SAW）是沿物体表）是沿物体表面传播的一种弹性波。面传播的一种弹性波。声表面波器件声表面波器件 在压电基片上制作的两个在压电基片上制作的两个声一电换能器（叉指换能器）。声一电换能器（叉指换能器）。指换能器指换能器 在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的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。金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件工作原理声表面波器件工作原理 输入换能器通过逆压电效应将输

50、入的电信号转变成声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。通过对在器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理。压电基片上传播的声信号进行各种处理。87声表面波器件的应用声表面波器件的应用声表面波带通滤波器、延迟线、匹配滤波器、温度传感器、声表面波带通滤波器、延迟线、匹配滤波器、温度传感器、振荡器和表面波卷积器等，其具有小型、可靠性高、一致振荡器和表面波卷积器等，其具有小型、可靠性高、一致性好、多功能等优点，

51、在雷达、通信、空中交通管制、电性好、多功能等优点，在雷达、通信、空中交通管制、电子战等领域得到广泛的应用。子战等领域得到广泛的应用。声表面波声表面波RFID标签及工作原理标签及工作原理 声表面标签中输入换能器与电子标签的天线相连接，读声表面标签中输入换能器与电子标签的天线相连接，读写器发送高频询问脉冲，电子标签天线接收到的高频脉冲写器发送高频询问脉冲，电子标签天线接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播到反通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播到反射器组，入射表面波部分反射返回到换能器，换能器又将射器组，入射表面波部分反射返回到换能器，换能器又将反射声表面波脉冲串

52、转变为高频电脉冲串被读写器天线接反射声表面波脉冲串转变为高频电脉冲串被读写器天线接收。若反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表收。若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信息，读写器接收到的反射信号，通过解调示规定的编码信息，读写器接收到的反射信号，通过解调与处理，实现自动识别的目的。与处理，实现自动识别的目的。系统组成系统组成电子标签电子标签读写器读写器中间件中间件8889天线天线：用来接收由用来接收由读写器读写器送来的信号，并把要求的数据送来的信号，并把要求的数据 回传给回传给读写器读写器电压调节器电压调节器：把由把由读写读写器送来的射频信号转换为直流电源器送来的射

53、频信号转换为直流电源 并经大电容存储，再通过稳压电路提供稳定电源并经大电容存储，再通过稳压电路提供稳定电源。调制器：调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载 到天线返回给阅读器。到天线返回给阅读器。解调器：解调器：去除载波，取出调制信号。去除载波，取出调制信号。存储单元存储单元：包括包括EEPROMEEPROM和和ROMROM，作为系统运行及存放识别，作为系统运行及存放识别 数据的载体数据的载体。9091 读写器负责与标签的双向通信，同时接收来自主机系读写器负责与标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。发射信号频率决定了系统的工作频段

54、，发统的控制指令。发射信号频率决定了系统的工作频段，发射信号功率决定了读写的有效距离射信号功率决定了读写的有效距离载体载体。92基本功能基本功能读写器应用程序接口读写器应用程序接口（APIAPI）允许程序登记和获取允许程序登记和获取RFIDRFID标签读取事件的应用程序接口，标签读取事件的应用程序接口，同时提供配置、监视以及管理读写器的能力同时提供配置、监视以及管理读写器的能力。通信通信读写器是中间设备，并且像其他读写器是中间设备，并且像其他RFIDRFID设备一样，被连接到设备一样，被连接到整个中间件网络。通信部分用于处理网络功能。整个中间件网络。通信部分用于处理网络功能。事件管理事件管理当

55、读写器发现标签，称此为观测。当读写器发现标签，称此为观测。事件事件管理定义了什么样管理定义了什么样的观测被认为是事件，并且的观测被认为是事件，并且决定对不同的事件进行不决定对不同的事件进行不同的处理。同的处理。天线天线天线系统包括一个或多个天线系统包括一个或多个天线天线，提供空中接口，提供空中接口93天线天线天线是发射设备，发射由射频模块产生的射频信号；同时天线是发射设备，发射由射频模块产生的射频信号；同时也是接收设备，接收从标签发射回来的信号。天线是也是接收设备，接收从标签发射回来的信号。天线是标签和读写器的空中接口。标签和读写器的空中接口。9495915MHz射频模块网络处理器数字信号处理

56、模块13.56MHz射频模块电源模块射频模块射频模块射频模块通常完成控制与处理模块传送来的发送控制命令射频模块通常完成控制与处理模块传送来的发送控制命令的执行，其主要功能有两项：的执行，其主要功能有两项：p一个是将读写器将发往射频标签的命令调制到射频信一个是将读写器将发往射频标签的命令调制到射频信号上，经发射天线发送出去。号上，经发射天线发送出去。p二是对射频标签返回到读写器的回波信号进行解调，二是对射频标签返回到读写器的回波信号进行解调，并将处理后的回波基带信号送往控制处理模块。并将处理后的回波基带信号送往控制处理模块。96射频模块的组成包括：射频模块的组成包括：p频率源电路：频率源电路：用

57、于产生读写器载波调制的频率信号用于产生读写器载波调制的频率信号p调制调制/ /解调电路：解调电路：用于实现将想要发送的基带信号调用于实现将想要发送的基带信号调制到载波信号，并对接收已调射频信号进行解调。制到载波信号，并对接收已调射频信号进行解调。p功率放大电路：功率放大电路：用于实现将输出到天线的射频信号用于实现将输出到天线的射频信号放大到足够的功率水平。放大到足够的功率水平。p单天线收发分离电路：单天线收发分离电路：用于实现读写器发送与接收用于实现读写器发送与接收射频信道的分离。射频信道的分离。p信号放大、滤波、整形处理电路：信号放大、滤波、整形处理电路：用于处理解调后用于处理解调后的回波信

58、号。的回波信号。p收发控制电路：收发控制电路：用于控制射频功率的输出以及多天用于控制射频功率的输出以及多天线系统的功率分配。线系统的功率分配。97控制与处理模块控制与处理模块控制与处理模块是读写器的智能单元，能实现发送信号的控制与处理模块是读写器的智能单元，能实现发送信号的编码，回波信号的解码，差错控制，读写命令流程策编码，回波信号的解码，差错控制，读写命令流程策略控制，发送命令缓存，接收数据缓存，与后端应用略控制，发送命令缓存，接收数据缓存，与后端应用程序的接口协议实现，程序的接口协议实现，I/OI/O控制等。控制等。98控制与处理的组成包括：控制与处理的组成包括：pCPUCPU或或MCUM

59、CU（单片机）：（单片机）：智能处理单元，内装控制程序智能处理单元，内装控制程序pCPUCPU或或MCUMCU外围接口电路：外围接口电路：为为CPUCPU或或MCUMCU提供必要的存储提供必要的存储区和中断控制器、区和中断控制器、I/OI/O信号与信号与I/OI/O接口控制信号等。接口控制信号等。p信号加工、缓存等处理电路：信号加工、缓存等处理电路：对发送命令、接收回波对发送命令、接收回波信号进行编码、解码、缓冲存储等。信号进行编码、解码、缓冲存储等。p时钟电路、看门狗电路：时钟电路、看门狗电路：为为CPU/MCUCPU/MCU提供工作时钟以提供工作时钟以及系统自恢复功能。及系统自恢复功能。p

60、其他控制与接口电路：其他控制与接口电路：根据系统的功能，实现相应的根据系统的功能，实现相应的控制与接口预处理。控制与接口预处理。99控制与处理模块控制与处理模块I/OI/O接口模块用于实现读写设备与外部传感器、控制器以及接口模块用于实现读写设备与外部传感器、控制器以及应用系统主机之间的输入与输出通信。应用系统主机之间的输入与输出通信。常用的常用的I/OI/O接口类别有：接口类别有：pRS232RS232串行接口串行接口 标准串行通信接口，可实现双向数据传输。标准串行通信接口，可实现双向数据传输。pRS422/485RS422/485串行接口串行接口 标准串行接口同时支持远距离通信采用差分数据传