RFID系统构成及工作原理

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一. RFID系統構架
在實際RFID解決方案中，不論是簡單的RFID系統還是複雜的RFID系 統都包含一些基本元件。元件分為硬體元件和軟體元件。
若從功能實現的角度觀察，可將RFID系統分成邊沿系統和軟體系統 兩大部分，如圖4-3示。這種觀點同現代資訊技術觀點相吻合。邊沿系 統主要是完成資訊感知，屬於硬體元件部分；軟體系統完成資訊的處理 和應用；通信設施負責整個RFID系統的資訊傳遞。
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三.RFID系統的基本原理
2、電感耦合系統
2、資料傳輸 電子標籤與讀寫器的資料傳輸採用負載調製時，其電感
耦合是一種變壓器耦合，即作為初級線圈的讀寫器和作為 次級線圈的電子標籤之間的耦合。只要線圈之間的距離不 超過0.16，並且電子標籤處於發送天線的近場範圍內，則 變壓器耦合就有效。
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三.RFID系統的基本原理
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
2、RFID調製
脈衝調製是指將資料的NRZ碼變換為更高頻率的脈衝串，該脈衝串的 脈衝波形參數受NRZ碼的值0和1調製。主要的調製方式為頻移鍵控FSK和相 移鍵控PSK。 （1）FSK調製
FSK是指對已調脈衝波形的頻率進行控制，FSK調製方式用於頻率低於 135kHz(射頻載波頻率為125kHz)的情況，圖4-12所示為FSK方式一例，資 料傳輸速率為fc/40,fc為射頻載波頻率。FSK調製時對應資料1的脈衝頻率 f1=fc/5,對應資料0的脈衝頻率f0=fc/8。
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一. RFID系統構架
4、讀寫器天線
天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號功率接收或輻射出去的 設備，是電路與空間的介面器件，用來實現導行波與自由空間波能量 的轉化。在RFID系統中，天線分為電子標籤天線和讀寫器天線兩大類， 分別承擔接收能量和發射能量的作用。
RFID系統讀寫器天線的特點是：①足夠小以至於能夠貼到需要的 物品上；②有全向或半球覆蓋的方向性；③能夠給標籤的晶片提供最 大可能的信號；④無論物品什麼方向，天線的極化都能與讀卡機的詢 問信號相匹配；⑤具有魯棒性；⑥價格便宜。
数据时钟
数据 NRZ 码
0
FSK 脉冲 f0
0
1
f0
f1
11
1Leabharlann Baidu
0
f1
二.RFID編碼、調製與資料校驗
3、RFID資料校驗
在RFID系統中，資料傳輸的完整性存在兩個方面的 問題：一是外界的各種干擾可能使資料傳輸產生錯誤； 二是多個電子標籤同時佔用通道會使發送資料產生碰撞。 運用資料核對（差錯檢測）和防碰撞演算法可分別解決 這兩個問題。通常，在設計數位通信系統時，首先應從 合理地選擇調製制度、解調方法及發送功率等方面考慮。 若採取上述措施仍難以滿足要求，則需考慮採用下述差 錯控制技術。
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一. RFID系統構架
1、電子標籤
電子標籤（Electronic Tag）也稱也稱應答器或智能標籤（Smart Labe l），是一個微型的無線收發裝置，主要由內置天線和晶片組成。
電壓調節器：把由標籤閱讀器送來的射 頻信號轉換為直流電源，並經大電 容儲存能量，再經穩壓電路以提供 穩定的電源；
調製器：邏輯控制電路送出的資料經調 製電路調製後載入到天線送給閱讀 器；
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
3、RFID資料校驗
1、差錯 按加性干擾引起的錯碼分佈規律的不同，可將差錯分為以下三種類型。 （l）隨機差錯：由隨機雜訊（如熱雜訊）造成的誤碼、錯碼的出現是隨 機的；錯碼之間沒有相關性，是統計獨立的；錯碼的分佈是零散的。 （2）突發差錯：由脈衝雜訊（如閃電等）造成的誤碼、錯碼的出現是成 串的；差錯分佈比較密集，也就是說在一些短促的時間區間內會出現大 量錯碼；差錯之間有相關性。差錯的持續時間稱為突發長度。 （3）混合差錯：既出現隨機差錯又出現突發出錯，而且哪一種都不能忽 略不計的差錯稱為混合差錯。 出現上述三種差錯的通道分別稱為隨機通道、突發信道和混合通道。
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
1、RFID編碼
射頻識別系統的結構與通信系統的基本模型相類似，滿足了通 信功能的基本要求。讀寫器和電子標籤之間的資料傳輸構成了與基本 通信模型相類似的結構。讀寫器與電子標籤之間的資料傳輸需要三個 主要的功能塊，如圖4-8所示。按讀寫器到電子標籤的資料傳輸方向， 是讀寫器（發送器）中的信號編碼（信號處理）和調製器（載波電 路），傳輸介質（通道），以及電子標籤（接收器）中的解調器（載 波回路）和信號解碼（信號處理）。
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
3、RFID資料校驗 3、檢改錯碼
RFID資料資訊由資訊碼元k與監督碼元（也稱檢改錯碼）r
組成，如圖4-28所示。
圖4-28資訊碼元與監督碼元示意圖
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
3、RFID資料校驗
4、檢、改錯碼的分類 1）分組碼 碼組的檢改錯碼元僅與本碼組的資訊碼元有關，而與其他 碼元組的資訊碼元無關。這樣的碼組叫分組碼。 2）卷積碼 碼組的檢改錯碼元不僅與本碼組的資訊碼元相關，而且與 本碼組相鄰的前m個時刻輸入的碼組的資訊碼元之間也具有 約束關係，這樣的碼組叫卷積碼，其性能優於分組碼。 3）交織碼 交織碼是利用交織技術構造出來的編碼。
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三.RFID系統的基本原理
1、基本工作原理 電磁反向散射耦合方式一般適用於高頻、微頻工作的遠
距離射頻識別系統，其典型的工作頻率有433MHz、915MHz、2. 45kHz、5.8GHz。其識別作用距離大於1m，典型的作用距離為 4～6m。電感耦合系統與電磁耦合系統如圖4-32所示。
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三.RFID系統的基本原理
RFID系統的構成及工作原理
工業互聯網推動小組整合部
Agenda
一. RFID系統構架 二. RFID編碼、調製與資料校驗
三. RFID系統的基本原理 四. RFID標籤資料寫入 五. RFID的應用領域 06
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一. RFID系統構架
RFID是一種系統，一種射頻識別系統。典型的RFID系統主要由 閱讀器、電子標籤、RFID中介軟體和應用系統軟體4部分構成，一般 我們把中介軟體和應用軟體統稱為應用系統。
3、電磁反向散射系統
1、反向散射調製 雷達技術為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用基礎。
當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部 分則以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分 反射回發射天線，並被天線接收（因此發射天線也是接收天線）， 對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標的有關資訊。 對RFID系統來說，可以採用電磁反向散射耦合工作方式，利用 電磁波反射完成從電子標籤到讀寫器的資料傳輸。這種工作方 式主要應用在915MHz、2.45GHz或更高頻率的系統中。
解調器：把載波去除以取出真正的調製 信號；
邏輯控制單元：用來解碼閱讀器送來的 信號，並依其要求回送資料給閱讀 器；
存儲單元：包括EEPROM與ROM，作為系 統運行及存放識別資料的位置。
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一. RFID系統構架
2、讀寫器
讀寫器是一個捕捉和處理RFID標籤資料的設備，它可以是單獨 的個體，也可以嵌入到其他系統之中。讀寫器也是構成RFID系統的重 要部件之一，由於它能夠將資料寫到RFID標籤中，因此稱為讀寫器。
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三.RFID系統的基本原理
1、基本工作原理
RFID系統的基本工作原理是：由讀寫器通過發射天線發送 特定頻率的射頻信號，當電子標籤進入有效工作區域時產生感 應電流，從而獲得能量被啟動，使得電子標籤將自身編碼資訊 通過內置射頻天線發送出去；讀寫器的接收天線接收到從標籤 發送來的調製信號，經天線調節器發送到讀寫器信號處理模組， 經解調和解碼後將有效資訊送至後臺主機系統進行相關處理； 主機系統根據邏輯運算識別該標籤的身份，針對不同的設定做 出相應的處理和控制，最終發出指令信號控制讀寫器完成不同 的讀/寫操作。
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三.RFID系統的基本原理
3、電磁反向散射系統 2、RFID反向散射耦合方式 RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖4-34所示，圖 中的讀寫器、電子標籤和天線構成了一個收發通信系統。
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三.RFID系統的基本原理
3、電磁反向散射系統
2、RFID反向散射耦合方式
1）電子標籤的能量供給 無源電子標籤的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發射的功率P1經自由空間衰減後到達電子標籤。 在UHF和SHF頻率範圍，有關電磁相容的國際標準對讀寫器所能發射的最大功率有嚴格的限制，因 此在有些應用中，電子標籤採用完全無源方式會有一定困難。為解決電子標籤的供電問題，可在 電子標籤上安裝附加電池。為防止電池產生不必要的消耗，電子標籤平時處於低功耗模式，當電 子標籤進入讀寫器的作用範圍時，電子標籤由獲得的射頻功率啟動，進入工作狀態。 2）電子標籤至讀寫器的資料傳輸 由讀寫器傳到電子標籤的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經自由空間後返回讀寫器，被讀 寫器天線接收。接收信號經收發耦合器電路傳輸到讀寫器的接收通道，被放大後經處理電路獲得 有用資訊。 電子標籤天線的反射性能受連接到天線的負載變化的影響，因此，可採用相同的負載調製方法實 現反射的調製。其表現為反射功率P2是振幅調製信號，它包含了存儲在電子標籤中的識別資料資 訊。 3）讀寫器至電子標籤的資料傳輸 讀寫器至電子標籤的命令及資料傳輸，應根據RFID的有關標準進行編碼和調製，或者按所選用電 子標籤的要求進行設計。
在選擇讀寫器天線時應考慮的主要因素有：①天線的類型；② 天線的阻抗；③應用到物品上的RF的性能；④在有其他物品圍繞 貼標籤物品時RF的性能。
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一. RFID系統構架
5、通信設施
通信設施為不同的RFID系統管理提供安全通信連接，是RF ID系統的重要組成部分。通信設施包括有線或無線網路和讀寫 器或控制器與電腦連接的串列通信介面。無線網路可以是個域 網（PAN）（如藍牙技術）、局域網（如802.11x、WiFi），也 可以是廣域網路（如GPRS、3G技術）或衛星通信網路（如同步 軌道衛星L波段的RFID系統）。
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三.RFID系統的基本原理
3、電磁反向散射系統
3、RFID反向散射耦合工作原理 電磁反向散射系統的工作可分為以下兩個過程。 （1）電子標籤接受讀寫器發射的信號，其中包括已調製載波和未調製 載波。當電子標籤接收的信號沒有被調製時，載波能量全部被轉換成直 流電壓，這個直流電壓供給電子標籤內晶片能量；當載波攜帶資料或者 命令時，電子標籤通過接收電磁波作為自己的能量來源，並對接收信號 進行處理，從而接收讀寫器的指令或資料。 （2）電子標籤向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標籤發送未調製載波， 載波能量一部分被電子標籤轉化成直流電壓，供給電子標籤工作；另一 部分被標籤通過改變射頻前端電路的阻抗調製並反射載波來向讀寫器傳 送資訊。
2、電感耦合系統
1、能量供應 發射磁場的一小部分磁力線穿過距離讀寫器天線線圈一定距離的電子標 籤天線線圈。通過感應，在電子標籤的天線線圈產生一個電容，將其整 流後作為微晶片的工作電源。將一個電容器Cr與讀寫器並聯，其中電容 器與天線線圈的電感一起形成諧振頻率與讀寫器發射頻率相符的並聯振 盪回路，該回路的諧振使得讀寫器的天線線圈產生較大的電流，這種方 法也用於產生供遠距離電子標籤工作所需要的能量。
讀寫器的硬體部分通常 由收發機、微處理器、 記憶體、外部感測器/ 執行器，報警器的輸入 /輸出介面、通信介面 及電源等部件組成。
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一. RFID系統構架
3、控制器
控制器是讀寫器晶片有序工作的指揮中心，主要功能是： 與應用系統軟體進行通信；執行從應用系統軟體發來的動作指 令；控制與標籤的通信過程；基帶信號的編碼與解碼；執行防 碰撞演算法；對讀寫器和標籤之間傳送的資料進行加密和解密； 進行讀寫器與電子標籤之間的身份認證；對鍵盤、顯示裝置等 其他外部設備的控制。其中，最重要的是對讀寫器晶片的控制 操作。
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二.RFID編碼、調製與資料校驗
3、RFID資料校驗 2、差錯控制 為了降低誤碼率，提高數位通信的可靠性，往往要採用差錯 控制技術來發現可能產生的錯碼或發現並糾正錯碼。差錯控制 方式常用的有以下四種。
（1）檢錯重發方式（Automation Repeat Request，ARQ） （2）前向糾錯方式（Forward Error Correction，FEC） （3）回饋校驗方式 （4）混合糾錯方式（Hybrid Error Correction，HEC）