RFID原理及技术知识点总结(改要点.pdf

第一章导论 1. 射频识别系统的英文全称？P1 Radio Frequency Identification 2. 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 3. 和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 4. 射频识别系统由哪些部分组成？P6 应答器、阅读器 5. 阅读器和应答器之间有哪三个通道？P6 图 1.6 数据、时序、能量 6. 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 1. 射频识别系统的基本区别特征有哪些？P8 图 2.1 全双工时序系统 1 位=1 位 是否 IC表面波 状态机微处理器 电池无源 低频射频微波 次谐波反向散射其他 1/n 倍 1:1 多样 物理效应 工作方式 数据量 是否可编程 数据载体 运行 能量供应 频率范围 数据传输方式 应答频率 2. 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 ）和半双工（HDX ），时序（ SEQ）系统 3. 全双工系统和时序系统的含义？P9 在全双工和半双工系统中，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； 时序方法与之相反，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。 4. 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。 5. 按发送频率可将射频识别系统分为哪几类？P10 低频（ 30kHz300kHz ）、高频或射频（3MHz30MHz ）和超高频（ 300MHz3GHz ）或微波 （3GHz ）。 6. 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、物理耦合方法和系统的作用距离 7. 按耦合方式可将射频识别系统分为哪几类？P18 紧耦合（ 01cm）、遥控耦合（01m）、远距离（ 1m）系统 8. 射频识别系统的选择准则主要有哪些？P20-22 工作频率： 100kHz30MHz 基本是电感耦合系统，2.45 和 5.8GHz 的系统是电磁场耦合的微 波系统；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和价格，根据系统对信息量和价格的要求选择 第三章基本作用原理 1. 1 位应答器的常见实现方式有哪些？P23 图 3.1 射频、微波、分频器、电磁法、声磁法 2. 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 3. 射频法的工作原理(包括原理图 )？P24 fG UHF 发射器 接收器 (可选 ) 交变磁场 EAS标签 能量 反馈反馈 激 励 线 圈 传 感 器 线 圈 * 阅读器由发射器和接收器构成，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。 4. 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 fA fA 2fA 偶极子 电容二极管 报警器 ASK 1kHz 发生器 发送器接收器 1kHz 检波器 报警 2.45GHz 二次谐波 4.90GHz 1位应答器 * 阅读器由发射器和接收器组成，发射器发射微波范围内的频率(2.45GHz) ； * 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 ) 。 5. 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； RG ff * 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。 6. 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 芯 片 磁场 阅读器 应答器 Cr C1C2 Ri ? 供电原理 * 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。 7. 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 8. 什么是负载调制(包括原理图 )？P34-35 芯 片 磁场 阅读器 应答器 C1C2 Ri 带通 滤波器 解调 二进制编码信号 * 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。 9. 什么是使用副载波的负载调制(包括原理图 )？P35-36 0dB -80dB 信号 频率 fT=13.56MHz 阅读器载波信号 13.772MHz13.348MHz fH=212kHz 用副载波 的负载调制积 * 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。 10. 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 11. 时序法中的电感耦合系统的供电原理？P42 * 供电原理和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: 12. 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 13. 时序系统的一个读周期由哪两个阶段构成？P44 充电阶段和读出阶段 14. 表面波应答器一般工作在哪个频段？P44 微波频率 (2.45GHz)； 15. 表面波应答器的基本结构？P45 QIt C UVV maxmin 偶极子天线 数字转换器 反射器 压电晶体基片 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与声表面波之间的转换。 16. 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，脉冲间隔与反射带空间间隔对应。 第四章射频识别系统的物理基础 1. 表征磁场大小的物理量是什么？P48 磁场强度 2. 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。 3. 发射天线的最佳半径是多少？P51 最大期望阅读器的2倍值 4. 磁通量密度B 和磁场强度H 的关系、 P52 B=0rH=H 0是真空磁导率（0=4·10 -7H/m）， r被称作相对磁导率 5. 描述两个电路通过磁场耦合的物理量是什么？P53 互感 6. 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）（1k0 2· k 1L L M 7. 磁耦合电路的等效电路？P57 i1i2 R2 RL u2 L1L2 M 2 C ' p C 2Q u 22p CCC ' （为了改进电压传输的效率，应答器线圈L2和并联电容器C2构成并联振荡回路。方框内表 示应答器的数据载体） 8. 分流电阻的作用(包括原理图 )？P61 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： i1 i2 R2 RS u2L1L2 M RL C2 9. 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 10. 动作磁场强度在什么时候取得最小值？P63 在阅读器发送频率与应答器的谐振频率一致的情况下 11. 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，P65 图 4.22)。 12. 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和阅读器作用范围内应答器 的放置方法密切相关 13. 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： ZT R1 L1 i1 实际线圈U1 U0 1 1 1 1 C Ui j C 1 11R UiR 2 T Z iUjM ' 1 11L UijL i1i2R1 L1 L2 M 1 C R2 0 Z 0 U 1 U 2 U 21Q UjMi 2TAG ZZ, 14. 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和阅读器发送频率不一致，和单独改变发 射频率对的影响是一样的 4 负载电阻：当时，与几乎成正比，否则随的变换关系变为曲 线 5 应答器电感：当取某个特定值时和会同时达到最大值 22 1 22 2 2 1 ' T L L L Z R kL R C jL jR 0112111 1 1 ujLiijM j C iRi TX f ' T Z TX f ' T Z ' T Z 0TX ff L R ' T Z L R ' T Z L R 2 L 2 L ' T Z 2 L ' T Z 15. 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 i1 i2 R2 RLu2L1L2 M 2 C Rmod * 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 和均减小，的值在和间转换， 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 i1 i2 R2 RLu2L1L2 M 2 C Cmod 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和相位， 被调幅 -调相 16. 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、各种合金和铁氧体。 17. 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 18. 什么是近场和远场？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 ) 19. 什么是场波阻抗？P90 在真空和空气中电场与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： 20. 电磁波极化的类型？P91 mod R modR ' T Z ' T Z ' () TL ZR ' mod (/) TL ZRR RX u mod C ' T ZRX u 3 1 d 6010/dB 1 d 2010/dB 00F EHHZ F Z 120377 F Z 2 4 EIPRF F PZ ESZ r 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)和圆极化 21. 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 22. 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。 天线增益描述了与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。 23. 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+jX A 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 U0 ZTXTXA RrRv UT RT 应答器天线 24. 什么是天线的有效面积？P95 最佳对准和正确极化时天线吸取的最大接收功率与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： * 天线的有效面积和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： 25. 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） 26. 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 27. 什么是应答器的动作灵敏度？P112 应答器的动作灵敏度和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 0 A X 000F UlElSZ minE 第六章编码与调制 1. 射频识别系统常使用的编码方案有哪些？P145 图 6.2 表 6.1 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 2. 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） 3. 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，副载波主要用在6.78/13.56/27.125MHz 的电感耦合系统中且是从标签 到读写器的方向上，其中的副载波通常是对工作频率分频产生的(如 847kHz 的副载波是 13.56MHz/16 分频 ) 4. 使用副载波的ASK 调制波波形？ P151 图 6.12 第七章数据的完整性 1. 常用的校验和有哪几种？P152 奇偶校验、纵向冗余校验（LRC）法、循环冗余码校验（CRC）法 2. 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和法。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，以保证发送器和接收器两者都用同样的方法进行校验。 3. 阅读器和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 4. 多路存取可分为哪些类型？P156 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、存储能力和计算能力有限，故只有TDMA 较为适合 RFID 系统 5. 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。 6. 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)： 标签 1 标签 2 公共信道 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： 标签 1 标签 2 标签 3 阅读器请求请求碰撞碰撞 10111001 10011001 1010 1010 1011 1011 帧长 缺点是当标签数量远大于时隙时(取决于帧长和时隙长度之比，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 ?原理和帧时隙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； ?理论上，当标签数目和帧长接近时(即一帧内时隙数和标签数相等时)系统识别效率最高。 7. 二进制树型搜索算法和动态二进制树型搜索算法的原理？见讲义 第八章 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) * 电子标签和读写器间的通信侵入 a. 非法读写器截获数据(中途截获，和第一类有区别，前者是直接从电 子标签中获取数据) b. 第三方阻塞数据传输 c. 伪造标签发送数据 * 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与阅读器间的通信) ?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 1.哈希锁 2.匿名 ID 方案 3.重加密方案 第十章 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，分为接触式和 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 ?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、被动式和半被动式，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、超高频标签和微波标签 电子标签主要由天线和芯片2 部分组成 1.天线 ? 低频和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与标签阻抗匹配的问题 2.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： 1.问题 ? 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 (与应用层次、规模相关) ? 安全性和隐私问题 ? 标准化问题 (封包格式、存储协议等标准不统一) 2.趋势：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。 第十一章阅读器 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 * 实现与电子标签通信 * 实现与计算机通信 * 实现多标签识别 * 实现移动目标识别 * 数据记录 读写器的工作方式 * 读写器先发言(RTF：Reader Talks First)，即标签只有接收到读写器特殊命令才发送数据 应用软件读写器电子标签 指令 响应 指令 响应 主从 主从 * 标签先发言 (TTF ：Tag Talks First)，标签进入读写器能量场后主动发送自身序列号(防碰撞 算法应用于此种模式) 读写器的基本构成 ? 天线模块 * 主要分为线圈型、微带天线和偶极子3 种类型，前者常用在耦 合系统，后者一般用于反向散射系统； * 设计要求包括电流最大、功率匹配、带宽、小型化等。 ? 射频模块 主要包括发射器、接收器、振荡器等。 ? 逻辑控制模块 是读写器的控制中心，由微处理器、时钟电路、应用接口、电源等组成。 读写器的结构形式 固定式、便携式、特殊结构 读写器管理技术 读写器管理指读写器的配置、监视、控制、协调等，最初只涉及到单读写 器的系统配置功能 EPCglobal 将对读写器的管理融入到EPC 网络体系架构中并提出了基于读 写器协议的标准化方法，实现对读写器的访问和控制： * 监控读写器的工作状态 * 管理读写器的配置情况 * 管理读写器的功耗 对于较大型RFID 系统还涉及多个读写器组网协同工作的情况，其拓扑结构主要有3 种： * 读写器与多串口卡相连，该卡和计算机相连 * 读写器与计算机直接相连 * 读写器与专用数据处理中间件相连，中间件直接将数据传送到网络 读写器的发展趋势 多功能、多制式兼容、多频段兼容、多种数据接口、小型化