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射频识别
射频识别（RFID）
一、RFID称射频识别或者叫电子标签技术，它是通过无线射频方式获取物体的相关数据，并对物体加以识别，是一种非接触的自动识别技术。
它是实现物联网的一项关键技术。
二、与传统识别方式相比的优点：
无须直接接触、无须光学可视、无须人工干预，操作方便快捷。
三、它的优势及特点主要表现在如下几个方面：
1、快速扫描
2、体积小型化、形状多样化
3、抗污染能力和耐久性
4、可重复性
5、可远距离识别多个标签
6、是物联网的基石
7、穿透性和无屏障阅读
8、数据的记忆容量大
9、安全性
四、应用范围：
能在生产、物流、交通运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，被认为是条形码的替代品。
五、RFID的系统组成一般包括三部分：
标签、读卡器（含天线）和应用软件系统。
其结构如下：
1、标签：
它是由耦合元件及芯片组成，具有唯一的电子编码，附着在物体上识别目标对象，也称应答器、卡片等。
标签通常由三部分组成：
读写电路、硅芯片、相关天线。
其结构如下：
标签的分类：
根据供电方式：
有源、无源、半有源半无源
根据工作方式：
主动、被动
根据工作频率:
低频、中高频、超高频
2、读卡器：
它是读取标签信息的设备，内含天线，通过天线与RFID进行无线通信，可实现对标签识别码和内存数据的读出或写入工作。
它包含有RFID模块（射频或基带）、控制单元、读卡器天线。
其结构如下：
功能作用：
RFID模块（射频接口）：
（1）、产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。
（2）、对发射信号进行调制，将数据传送给电子标签。
（3）、接收并调制来自电子标签的射频信号。
控制单元：
（1）、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。
（2）、控制阅读器与电子标签的通信过程。
（3）、信号的编码与解码。
（4）、对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。
（5）、执行防碰撞算法。
（6）、对阅读器和标签的身份进行验证。
天线：
将接收到的电磁波转换为电流信号，或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。
3、应用软件系统：
它是在上位监控计算机中运行的包括数据库在内的管理软件系统，用于各种物品属性管理、目标定位与跟踪，具有良好的人机操作界面。
其中间件结构：
六、RFID系统的基本工作原理：
标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（即ActiveTag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
RFID在操作中的一个关键技术是通过天线进行耦合，实现数据的传输转换，这种耦合方式大致可以分为电感耦合（低频）和后向散射耦合（高频）。
1、电感耦合原理：
两电感线圈在同一介质中，相互的电磁场通过该介质传导到对方，形成耦合。
识别距离下于1米。
其电路结构如下：
电感耦合方式的标签几乎是无源的，在上图中电容Cr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。
电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。
通过该回路的谐振，电子标签上的电压U达到最大值。
这两个线圈的结构可以被解释为变压器。
2、反向散射耦合方式：
根据雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反弹，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。
识别距离大于1米，也称远场工作方式。
其原理框图如下：
七、RFID的物理学原理
1、射频专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。
只有了解好电磁波的传播才能更好的理解和应用射频识别系统。
2、天线场：
天线 是读写器和标签间构建非接触信息传送的通道，天线周围的场区特性决定信息传输的性能。
通常，天线周围场，划分为三个区域：
无功所场区，辐射近场区和辐射远场区。
当射频信号加载到天线后，紧邻天线除了辐射场之外，还有一个非辐射场。
该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。
在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。
超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。
无功近场区：
又称为电抗近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。
在该区域中，电抗性储能场占支配地位，该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。
从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换，是一种感应场。
辐射近场区：
超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。
按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。
在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。
对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。
辐射远场区：
通常所说的远场区，又称为夫朗荷费区。
在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。
严格地讲，只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。
公认为，辐射近场区与远场区的分界距离R为：
2D*D/λ。
见下图。
其中，图是的D为天线直径；为天线波长，D>>λ。
要进一步说明的是：
辐射场中，能量是以电磁波形式向外传播，无功近场中射频能量以磁场、电场形式相互转换，并不向外传播。
3、天线的工作模式分为近场和远场工作模式，其中近场近场工作模式主要处在感应耦合模式里，指当读卡器在阅读标签时，发出未经过调制的信号，处于读卡器天线近场的标签天线接收到该信号并激活标签芯片之后，由标签芯片根据内部存储的全球唯一的识别号控制标签天线中电流的大小。
这一电流的大小进一步增强或者减小读卡器天线发出的磁场，这时，读卡器的近场分量展现出被调制的特性，读卡器内部电路检测到这个由
于标签而调制量并解调得到标签信息。
有RFID的线圈天线形成的谐振回路其谐振频率为
其中C为Cp和Cr的并联等效电容。
线圈电感为L，寄生电容为Cp并联电容为Cr。
远场天线工作模式：
主要处在反向散射工作模式中，但读卡器对标签进行阅读识别时，首先发出未经调制的电磁波，此时位于远场的标签天线接收到电磁波信号并在天线上产生感应电压，标签内部电路将这个感应电压整流并进行放大用于激活标签芯片。
当标签芯片被激活之后，用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变换，当标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配较好时基本不反射信号；而阻抗匹配不好时，则将几乎全部反射信号，这样就出现了振幅的变化，这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。
远场天线主要包括：
带贴片天线、偶极子天线、环形天线。
其中带偶极子天线又称为对称振子天线，它是由处在同一直线上的两段粗细和长度均相同的直导线构成，信号位于其中心的两个端点馈入，使得在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，从而子天线周围空间激发出电磁场。
辐射场电场的公式为：
I为沿振子臂分布的电流,α为相位常数，r为振子中观察点的距离，θ为振子轴到r的夹角，L为单个振子臂的长度。
4、天线的参数包含方向图、增益、天线的极化、频带宽度
Ⅰ、方向图：
它又称波瓣图，是天线辐射场大小在空间的相对分布随方向变化的图形，它具有方向性，其方向性就是在相同距离条件下天线辐射场的相对值与空间方向（子午角θ、方位角Ø）的关系，通常用归一化函数F（θ，Ø）表示：
F（θ，Ø）=f（θ，Ø）/fmax（θ，Ø）=|E（θ，Ø）|/|Emax|
fmax（θ，Ø）为方向函数的最大值，Emax为最大辐射方向上的电场强度，E（θ，Ø）为同一距离（θ，Ø）方向上的电场强度。
天线方向性系数的表达式：
D=4π/
θ,Ø）|²SINθdθdØ,其中D>=1,对于无方向性天线才有D=1，D越大，天线辐射的电磁能量就越集中，方向性就越强。
它与天线增益密切相关。
实际天线因为导体本身和绝缘介质都要产生损耗，导致天线实际辐射功率Pr小于发射机提供的输入功率Pin，其比值η=Pr/Pin.
Ⅱ、天线增益：
描述天线在某个方向的辐射强弱程度。
增益G定义为方向性系数与效率的乘积：
G=Dη。
Ⅲ、天线的极化：
极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。
可以分为很多种类，如下几个类别：
椭圆极化
线极化
Ⅳ、频带宽度：
是指当天线工作频率变化时，天线的有关电参数变化的程度在所允许的范围内，所对应的频率范围称为频带宽度，它分两种不同的定义：
①在驻比波下于等于2的条件下，天线的工作频带宽度。
②天线增益下降3DB范围内的频带宽度。
RFID天线的设计步骤：
选定应用的种类，确定电子标签天线需要的参数→确定天线采用的材质→确定电子标签天线的结构→ASIC封装后，确定天线的阻抗→综合优化天线参数，是天线参数满足技术指标→用网络分析仪检测天线的各项指标
高频与低频天线的特点：
①天线都采用线圈的形式
②线圈的形式多样，可以是圆形环也可以是矩形环
③天线的尺寸比芯片大得多，电子标签的尺寸主要是由天线决定的
④有些天线的基板是柔软的，适合粘贴在各种物体的表面
⑤有天线和芯片构成的电子标签，可以比拇指还小，可以在条带上批量生产
5、谐振回路：
RFID要解决不同物体之间的无线通信问题，就必须用到谐振电路，按电路的连接方式的不同可以有串联和并联谐振两种方式。
Ⅰ、串联谐振电路
它是由电阻R，电感L，电容C串联而成，并以角频率为w正弦电压信号源作为输出：
其电路阻抗为：
仅改变角频率w，当
回路发生串联谐振，即：
串联谐振的条件是电路中的电抗X=0，即电路中的感抗和容抗必须相等。
由谐振条件的，谐振角频率：
谐振频率为：
可得出以下结论：
①谐振频率只取决于电路参数L、C，它是电路本身固有的、表死其特征的一个重要参数，称为电路的固有谐振频率。
②若是电路参数L、C一定，则只有当信号源的频率等于电路的固有频率时，电路才会谐振③若信号源的频率一定，可通过改变电路的L或者C，或同时改变L和C使电路对信号源谐振。
④收音机选台是通过调节收音机的可变电容器的电容C，使得电路对电台频率发生谐振。
谐振特性具有两个重要的物理量：
特性阻抗p：
单位为Ω
品质因素Q：
回路电阻越小，品质因素就越高，电路对频率的选择性越好。
Ⅱ、串联谐振电路的电路特性
谐振时，因X=0，所以谐振时电路的阻抗Z0=R，是一个纯电阻，此时阻抗为最小值，阻抗Z随w的变化如下图所示：
在信号源电压有效值U保持不变的情况下，谐振时电流有效值I0=U/Z=U/R达到最大值，电流I随w的变化如下：
串联电路谐振时，电阻上的电压：
电感上的电压：
电容上的电压：
回路中的Q值可以很高，谐振时电感线圈和电容器两端的电压可以比信号源电压大到十道百倍，所以串联谐振又称为电压谐振。
谐振时，信号源供出的有功功率与电路中电阻消耗的功率相等，电感L与电容C之间进行能量交换：
同时总存储能量是电感上存储的瞬时磁场能量和电容上存储的瞬时能量之和：
，W是一个不随时间变化常量，回路中存储的能量保持不变。
在每一个周期内，电阻上消耗的能量为：
电感、电容储能的总值与品质因素的关系:
Q是反映谐振回路中电磁振荡程度的量，品质因素越大，总的能量就越大，维持一定量的振荡所消耗的能量越小，振荡程度就越剧烈，则振荡电路的品质就越好，要求上是尽可能提高Q值.
串联谐振电路在RFID中的应用：
在RFID读写器的射频前端常常要用到串联谐振电路，因为他可以使低频或者高频RFID读写器有较好的能量输出。
低频RFID和高频RFID读写器的天线用于生产磁通量，磁通量向电子标签提供能量，并在读写器和电子标签之间传递信息。
对读写器天线的构造有如下要求：
读写器天线上的电流最大，以使读写器线圈产生最大的磁通量。
功率匹配，以最大程度地输出读写器的能量。
③足够的带宽，以使读写器信号无失真的输出。
Ⅲ、并联谐振电路：
串联谐振电路适应于恒压源，即信号源内阻很小的情况，如果信号源的内阻过大，则就该要考虑并联了。
其结构示意图如下：
该电路的导纳：
并联谐振电路的谐振条件：
当电纳B=0时，电路的两端电压与输入电流同相位，电路表现为纯电阻性，此时电路发生了并联谐振：
并联谐振电路与串联谐振电路（角）频率计算公式相同。
它的谐振特性也有两个指标：
特性阻抗P:
品质因素Q：
谐振时B=0,并联电路导纳
其值最小，且为纯电阻。
Y随W的变化如图所示，若转化为阻抗为：
并联谐振时，端电压
U随w变化如图所示：
当信号源电流保持不变的情况下，由于谐振阻抗R为最大值，所以谐振电压也为最大值，且与同相。
当角频率对应的W0时对应的最大有效值为U0
并联谐振时，电阻上的电流：
电感上的电流：
电容上的电流：
并联谐振时，电阻的电流等于信号源的电流，电感上的电流与电容上的电流大小相等，相位相反，且等于信号源电流的Q倍。
谐振曲线：
通频带：
Q值越大，曲线越尖锐，选择性越好，反之，Q值越小，曲线越平坦，对频率的选择性越差。
有载品质因素：
假设外负载为RL,且与R并联，总的电阻为：
外部品质因素：
回路的有载品质因素为：
从而有：
从上面可以看出，跟串联谐振电路一样，当有负载接入电路后，并联谐振电路的品质因数会下降，从而使电路的通频带变宽，选择性变差。
并联谐振电路在RFID中的应用：
在RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路，因为它可以使低频和高频RFID电子标签从读写器耦合的能量最大。
低频和高频RFID电子标签天线用于耦合读写器的磁通，该磁通向电子标签提供电源，并在读写器与电子标签之间传递信息。
对电子标签天线的构造有如下要求：
①电子标签天线上感应的电压最大，以使电子标签线圈输出最大的电压。
②功率匹配，以最大程度的耦合来自读写器的能量。
③足够的带宽，以使电子标签接受的信号无失真
八、RFID的标准协议
目前RFID还没有形成统一的标准，现阶段还在不断的演变之中，全球共有五大RFID技术标准化势力，即ISO/IEC、EPCglobal、UbiquitousIDCenter、AIMglobal和IP-X。
前三个势力较大，后两个相对弱小。
Sc31负责的技术标准分为四个方面：
数据结构标准，技术标准，性能标准，应用标准。
`
RFID的国际标准
RFID系统与ISO/IEC数据标准和空中接口标准的关系图
①RFID在物流供应链领域由ISOTC122/104工作组负责制定
在动物追踪方面有ISOTC23SC19来制定
从ISO制定的RFID技术标准内容来说，RFID技术的应用标准是在RFID编码，空中接口协议，读卡器协议基础上建立起来的。
②EPCglobal与ISO相比，它是面向物流供应链领域的，可以看作成一个应用标准，目标是解决供应链的透明性和追踪性，物联网标准是EPCglobal所特有的。
③日本UID制定的RFID技术标准的目的在于构建一个完整的标准体系，即从编码体系、空中接口协议到泛在网络体系结构，但是每一部分的具体内容存在差异。
UID采用扁平式信息采集分析方式，强调信息的获取与分析，比较强调前端的微型化与集成。
ISO/IEC的RFID技术标准体系中主要标准介绍
Ⅰ、空中接口标准定义了RFID不同频段的空中接口协议及相关参数。
主要涉及的问题包括：
时序系统、通信握手、数据帧、数据编码、数据完整性、多标签读写防冲突、干扰与抗干扰、识读率与误码率、数据的加密与安全性等。
Ⅱ、数据格式管理标准是对编码，数据载体、数据处理与交换的管理。
它主要规范物品编码、编码解析和数据描述之间的关系。
Ⅲ、信息安全标准，它是支持标签与读卡器之间、读卡器中间件之间，中间件与中间件之间以及RFID相关信息网络方面的安全问题。
Ⅳ、测试标准，它是针对标签、读卡器、中间件接口标准制定的，它包含编码一致性测试标准、标签测试标准、读卡器测试标准、空中接口一致性标准、产品性能测试标准、中间件测试标准。
Ⅴ、网络服务规范，网络协议是完成有效、可靠通信的一套规范，是任何一个网络的基础，包括物品注册，编码解析、检索与定位服务等。
Ⅵ、应用标准，RFID技术标准包括基础性和通用性标准以及针对事务对象的应用标准，设计根据实际需要制定的相应标准。
三大标准体系的比较
目前ISO/IEC18000、EPCglobal、UID三个空中接口协议正在不断的完善中，这三个标准相互之间并不兼容，主要在通信方式，防冲突协议和数据格式。
ISO/IEC18000标准是最早开始制定的关于RFID技术的国际标准，按频段化为七个部分。
也是支持产品最多的。
EPCglobal最重视UHF频段的RFID产品。
EPCglobal与日本的UID标准体系有以下主要方面的区别：
①编码标准不同
②根据IC标签代码检索商品详细信息的功能有所不同
③采用的频段不同
超高频RFID技术协议标准
分为第一代超高频（Gen1协议标准）和第二代超高频（Gen2协议标准），ISO18000-6标准是ISO和IEC共同制定的860-960MHZ空中接口RFID技术通信协议标准，其中的A类和B类是第一代标准。
由于Gen2协议标准适合全球使用，ISO/IEC18000-6空中接口协议的修改版本C版本，它有很强的协同性，通过对ISO18000-6超高频接口协议标准和第一代EPC超高频协议标准，弥补了第一代超高频协议标准的一些缺点，增加了一些新的安全技术。
Gen2协议标准的一些技术改进主要包括操作的灵活、鲁棒防冲突算法、读取率和向后兼容性的改进、会话的使用、密集阅读条件的使用、使用查询命令改进Ghost阅读、覆盖编码。
九、射频采样、编码和调制
1、采样
射频采样结构可以分为三种：
射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。
1、射频低通采样数字化结构
这种结构属于软件无线电，结构简洁，把模拟电路的数量减少到最低程度，如下工作图，
优点;对射频信号直接采样，符合软件无线电概念的定义。
缺点：
1、需要的采样频率太高，特别还要求采用大动态、多位数的A/D/A时，显然目前的器件水平无法实现
2、前端超宽的接受模式会对整个结构的动态范围有很高的要求，工程实现极为困难。
2、射频带通采样数字化结构
射频带通采样数字化结构的软件无线电可以较好的解决射频低通采样软件无线电结构对A/D转换器、高速DSP等要求过高，以致无法实现的问题。
其工作原理图如下：
1、本结构采用了射频直接带通采样原理。
2、这种带通采样除了需要一个主采样频率Fs外，还需要M盲区，采样频率Fsm（m=0,1,2,3......M-1）
3、盲区采样频率为:
，，式子中m=0,1,2......m-1的盲区。
4、主采样频率Fs的确定主要取决于A/D器件的性能；另外，还要考虑与后续DSP的处理速度相匹配，为减少盲区采样频率的数量，在最高工作频率一定的条件下，fs要尽量选高。
5、本结构对A/D器件的要求是A/D需要有足够高的工作带宽。
优点：
与射频采样结构相比最大的不同就是采用的前置滤波器的差异；另外还有A/D的采样速度的不同；最后就是对DSP的处理速度要求不同，实现可行性较强。
缺点：
前置窄带电调滤波器和高工作带宽的A/D实现起来还是有相当的难度的。
另外，本结构需要多个采样频率，增加了系统实现复杂度。
3、宽带中频带通采样数字化结构
组成结构如下图：
1、本结构类似于超外差无线电台，但常规电台的中频带宽为窄带结构。
2、本结构使前端电路得以简化，信号经过接收通道后的失真也小，而且通过后续的数字化处理，本结构具有更好的波形适应，信号带宽适应性以及可扩展性。
3、本结构的射频前端比较复杂，它的功能是将射频信号转换为适合于A/D采样的宽带中频率或把D/A输出的宽带中频信号变换为射频信号。
4、信号采样的理论
1、奈奎斯特采样定理：
一个频带限制在（0，fH）内的连续信号m（t）,如果以Ts<=1/（2fH）的间隔对它进行等间隔采样，则m（t）可被多个得到的采样值完全确定。
2、带通采样理论：
假设一个信号的频带限制在内（fH,fL）,如果其采样速率满足：
fs=2（fL+fH）/（2n+1）,式子中满足：
n为满足fs>=2（fH-fL）的最大整数，则用fs进行等间隔采样所得的信号采样值可以准确的确定原来信号：
fL为信号的量低频率分量。
用带通信号的中心频率fo,也可以将带通采样频率表示为：
fs=4fo/（2n+1）根据带通信号采样定理，fs的取值可以在高于带通信号的带通而低于2fn的范围内。
这时，A-D转换器采样后的数字信号除了保留原中频信号的频谱外，还包含了高中频的频谱和搬移到原中频以下的频谱成分。
上述带通采样定理适用的前提条件是：
只允许在其的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号；否则，将引起信号混叠。
3、编码与调制
（1）信道
传输介质是数据传输系统里发送器和接收器之间的物理通路。
无线传输：
射频识别所用的频率为小于135kHZ及ISM频率的13.56MHZ（HF）,433MHZ（UHF）,869MHZ（UHF）,915MHZ（UHF）,2.45GHZ（UHF）,5.8GHZ（SHF）.
（2）数据编码（信源编码和信道编码）
信源编码是对信源信息进行加工处理，模拟数据要经过采样、量化和编码变换为数字数据，为降低所需要传输量，在信源编码中还采用了数据压缩技术。
信道编码是将数字数据编码成适合于在数字信道上传输的数字信号，并具有所需的抵抗差错的能力，即通过相应的编码方法使接收端能具有检错和纠错能力。
（3）数据编码
数字基带信号波形
单极性矩形脉冲（NRZ）
此波形中的零电平和正电平分别代表0码和1码；
此种脉冲极性单一，具有直流分量，仅适合近距离传输信息；
这种波形在码元脉冲之间无空隙间隙，在全部码元时间内传送码脉冲，称为不归零码（NRZ码）
双极性矩形脉冲
这种信号用脉冲电平的正和负来表示0码和1码；
从信号的一般统计特性来看，由于0码和1码出现的概率相等，所以波形无直流分量，可以传输较远的距离。
（4）单极性不归零码
码脉冲出现的持续时间小于码元的宽度，即代表数码的脉冲在小于码元的间隔内电平归零值，所以称为归零码。
特点是码元间隔明显，有利于码元定时信号的提取，但码元的能量小。
（5）曼切斯特码
每一位的中间的一个跳变。
位中间的跳变即作为时钟，有作为数据；从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0.它也是一种归零码。
（6）数字基带信号频谱（单个数字码的频谱）
（7）曼切斯特码
编码方式：
在此码中，1码是前半位为高，后半位为低；0码是前半位为低，后半位为高；
NRZ码和数据时钟进行异或便可得到曼切斯特码，同样，曼切斯特码与数据时钟异或后，便可得到数据的NRZ码。
曼切斯特编码器由于有缺陷，在上升沿和下降沿的不理想，在输出中会产生尖峰脉冲P，所以需要改
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