解开RFID神秘面纱-理解RFID工作原理

湖南现代物流职业技术学院理解RFID工作原理基本原理电磁反向散射RFID系统12目录电感耦合RFID系统3基本原理01揭开RFID神秘面纱——理解RFID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时产生感应电流，从而获得能量被激活，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发送来的调制信号，经天线调节器发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后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作。RFID系统的基本工作原理是基本原理01揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理RFID标签读写器天线中间件应用软件RFID射频识别技术基本组成基本原理01揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理高频（HF）超高频（UHF）微波（MW）低频（LF）低135KHz以下高频13.56MHz超高频860M~960MHz微波2.4GRFID按应用频率

从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两类，即电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。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；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有125KHz、225KHz和13.56KHz。利用电感耦合方式的识别系统作用距离一般小于1m，典型的作用距离为10～20cm。基本原理01揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理01基本原理揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理

电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微频工作的远距离射频识别系统，典型的工作频率有433MHz、915MHz、2.45KHz、5.8GHz。识别作用距离大于1m，其典型的作用距离为4～6m。电感耦合系统与电磁耦合系统如图4-32所示。

图4-32电感耦合与电磁耦合(b)远距离电磁耦合（a)近距离电感耦02电感耦合RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理RFID的电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据载体，通常由单个微芯片以及用作天线的大面积的线圈等组成。系统工作原理如图4-33所示，电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作的，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生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间，以使附近的电子标签产,生电磁感应。因为使用的频率范围（ƒ<135kHZ时，ג>2222m,ƒ=13.56MHZ时，ג=22.1m）内的波长比阅读器天线和电子标签天线之间的距离大好多倍（对于电感耦合工作方式的RFID系统的阅读器天线和电子标签天线之间的距离不超过10cm），所以可以把电子标签到天线间的电磁场当作简单的交变磁场考虑。02电感耦合RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理图4-33电感耦合型RFID系统

发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的电子标签天线线圈。通过感应，在电子标签的天线线圈产生一上电容U，将其整流后作为微芯片的工作电源。将一个电容器Cr与阅读器并联，其中，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振荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流，这种方法也用于产生供远距离电子标签工作所需要的场强。02电感耦合RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理02电感耦合RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理

电子标签的天线线圈和电容器C1构成振荡回路，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U达到最大值。这两个线圈的结构也可以解释为变压器（变压器的耦合），变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅读器的天线线圈与电子标签之间功率传输与工作频率ƒ、电子标签线圈的匝数n、被电子标签线圈包围的面积A、两线圈的相对角度以及它们之间的距离是成比例的。随着频率的增加，所需的电子标签线圈的电感，表现为线圈匝数n的减少（135Khz：100~1000匝；13.56MHZ：3~10匝）。因为电子标签中的感应电压是与频率成比例的，所以在较高频率的情况下，线圈匝数较少对功率传输效率几乎没有什么影响。因为电感耦合系统的效率不高，所以只适用于低电流电路。只有功耗极低的只读电子标签（小于135kHZ）可用于1m以上的距离。具有写入功能和复杂安全算法的电子标签的功率消耗较大，因而其一般的作用距离为15cm。电子标签与阅读器的数据传输采用负载调制，电感耦合是一种变压器耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的电子标签之间的耦合。只要线圈之间的距离不超过0.16ג，并且电子标签处于发送天线的近场范围内，变压器耦合就有效。如果把谐振的电子标签放入阅读天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降可以测得此附加功耗。电子标签天线上负载电阻的接通和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的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。同时，为了在阅读器中回收数据，需要对在阅读器天线上的测得的电压进行整流，即对经过振幅调制的信号进行解调。02电感耦合RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理数据传输电感耦合RFID系统02揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理

另外，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13.56KHZ，的系统，天线电压（谐振电压）只能得到大约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ƒH接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制方式也称为副载波调制。而数据传输是在数据流中通过幅度键控（ASK）、频移键控(FSK)或相移键控（PSK）调制来完成的。03揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理电磁反向散射RFID系统

雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。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返回发射天线，称之为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。对RFID系统来说，可以采用电磁反向散射耦合的工作方式，利用电磁波反射完成从电子卷标到阅读器的数据传输。这主要应用在915MHz、2.45GNz或更高频率的系统中。1.反向散射调制03电磁反向散射RFID系统揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1m。RFID反向散射耦合方式的原理框图如图4-34所示，读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。2．RFID反向散射耦合方式揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理03电磁反向散射RFID系统图4-34RFID反向散射耦合方式原理图揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理03电磁反向散射RFID系统

无源应答器的能量由读写器提供，读写器天线发射的功率P1经自由空间衰减后到达应答器，设到达功率为。中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。在UHF和SHF频率范围，有关电磁兼容的国际标准对读写器所能发射的最大功率有严格的限制，因此在有些应用中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式，当应答器进入读写器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。(1）应答器的能量供给揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理电磁反向散射RFID系统03

由读写器传到应答器的功率的一部分被天线反射，反射功率P2经自由空间后返回读写器，被读写器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输到读写器的接收通道，被放大后经处理电路获得有用信息。应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响，因此，可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为反射功率P2是振幅调制信号，它包含了存储在应答器中的识别数据信息。

读写器至应答器的命令及数据传输，应根据RFID的有关标准进行编码和调制，或者按所选用应答器的要求进行设计。(2）应答器至读写器的数据传输3）读写器至应答器的数据传输揭开RFID神秘面纱——理解RFID工作原理03电磁反向散射RFID系统电磁反向散射系统工作原理，系统工作分为以下两个过程。

（1）卷标接受读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当卷标接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换成直流电压，这个直流电压供给电子卷标内芯片能量;当载波携带数据或者命令时，卷标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。3.RFID反向散射藕合工作原理（2）卷标向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被卷标转化成直流电压，供给卷标工作；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送信息。电子卷标的等效电路如图4-35所示，其中，Vs代表天线接收信号，Za表示天线阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗，式（4.13）、式（4.14）给出了Za