RFID应用及原理 第三章 RFID技术的工作原理

第二章 RFID技术的工作原理
（1）工作原理
• 电磁反向散射耦合式系统数据传输方式是反向散射调制， 电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za 表示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制 背向反射载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。 • 当标签需要发送的信息为 二进制数“1”时，芯片的 Z1 阻抗状态为Z11； Vs 当标签需要发送的信息为 二进制数“0”时，芯片的 Za 阻抗状态为Z12。
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（2）能量传递 ①读写器到电子标签的能量传递
读写器天线发射出去的电磁波是以球面波的形式向外空间 传播的，所以可以计算出距离读写器R处的电子标签的功 率密度S： P G S Tx 2Tx （1）
4R
其中PTx表示读写器的发射功率，GTx表示读写器发射天线 的增益，R表示电子标签与读写器之间的距离。而电子标 签所能接收到的最大功率Ptag与读写器的发射功率S成正比 关系，即： 2 （2） Ptag Ae S Gtag S 4
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③任意调制因子的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配，但是这两 种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。 0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=arg(S2) • 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制因子 的ASK调制方式。 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同。 0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=arg(S2) • 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的幅 度键控调制方式。
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(3) 以数据传输为目的工作模型 • RFID系统中的数据传输也分为两种方式：阅读器向电子 标签的数据传输，称为下行链路传输；电子标签向阅读 器的数据传输，称为上行链路传输。下行链路传输又可 以分为在线写入和离线写入两种情况。 • 无论是哪一类电子标签都有离线写入这种情况。所有电 子标签在出厂之前都要由生产厂家将标签的ID号固化写 入，该ID号是标签的身份标识，是唯一的，一旦写入以 后将永远不能修改。对于在线写入这种情况而言一般是 指可写标签，具备可写标签的RFID系统，其内部结构更 为复杂，标签的成本也更高，因此大部分RFID系统中的 标签还是只读标签。
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2、RFID系统的工作模型
• 在RFID系统工作过程中，一直以能量供给作为基础， 按照特定的时序方式来完成数据信号的传输。由此可 得，RFID系统工作中存在三种工作模型： （1）以能量供给为基础的工作模型 （2）以时序方式完成数据传输的工作模型 （3）以数据传输为目的的工作模型
图 4-6 电子标签的等效电路图
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（1）工作原理 • 这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：
S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2
• 式中，s(t)为标签接收到的信号。 • 当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不 同的反向散射调制方式，使得标签返回的能量和进入标 签的能量具有不同的特性。 • 以下为四种情况：
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（1）工作原理
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（1）工作原理 • 阅读器发射功率为P1，经空间衰减后，一部分功率P1’到 达标签天线，并且在到达天线的这部分功率中，只有一 部分功率为P2的信号成为标签的反射信号载波，其余(Pl’P2)功率用于标签工作，为无源标签提供射频能量或者将 有源标签唤醒。 • 功率为P2的反射调制信号经过空间衰减后，有一部分功 率为P2’的信号被阅读器天线接收，接收信号经过处理和 数据解析得到有用的标签信息。 • 电子标签天线的反射性能会受连接到天线负载变化的影 响。为了从标签到阅读器传输数据，就可以控制与天线 连接的负载的接通和断开，使其和传输的数据流一致， 从而完成对有标签反射的功率P2的振幅调制。
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（2）数据传输原理
负载调制的原理图如下所示：
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（2）数据传输原理
• 电子标签中的数据信息可以用二进制码串来表示，用 此二进制码串来控制电子标签内部开关管的通断，这 样就可以使得电子标签的负载电阻按照二进制码串的1 、0、1、0的变化而不断通断。 • 这样电感线圈L2上的电压会发生变化，该变化反映到 L1上，使得L1上的电压也发生变化，该变化经过滤波 和解调后恢复到原来的二进制码串，从而实现了电子 标签与阅读器之间的数据传输。
射频识别技术
RFID Technology
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第二章 RFID技术的工作原理
1、RFID系统的基本工作原理 2、RFID系统的工作模型 3、RFID系统的工作流程 4、RFID系统的耦合方式 5、RFID相关电磁场理论
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1、RFID系统的基本工作原理
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（1）能量传输原理 电感耦合式系统的构成如下图所示：
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（1）能量传输原理
• 上图中Us表示阅读器当中的射频源，Rs是射频源Us的内 阻，L1是阅读器电感线圈，R1是L1的损耗内阻，L2是应 答器（即电子标签）的电感线圈。 • 阅读器的射频源Us在电感线圈L1上产生交变电流，该交 变电流产生的磁场穿过阅读器线圈L1，一部分磁力线还 会穿过与阅读器有一定距离的应答器线圈L2。 • 根据电磁感应定律可知，电感线圈L2上会感应出电压U2 ，此电压经过一定的处理后可以作为电子标签内部的芯 片正常工作时所需的电源。这样能量就从阅读器一端传 送到了电子标签一端。
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① OOK调制方式(On-Off Keying, OOK)。 • 在该方式下，阻抗状态为1时，完全反射；阻抗状态为2时 完全匹配，而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位 相同。即： |S1|=1 |S2|=0 arg(S1)=arg(S2) ② BPSK调制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。 • 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。 0< |S1|= |S2|<1 arg(S1)=—arg(S2)
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3、RFID系统的工作流程
• 阅读器通过天线向周围空间发送一定频率的射频信号;
• 标签一旦进入阅读器天线的作用区域将产生感应电流， 获得能量被激活;激活标签将自身信息编码后经天线发送 出去; • 阅读器接收该信息，经过解码后必要时送至后台网络;
• 后台网络中主机鉴定标签身份的合法性，只对合法标签 进行相关处理，通过向前端发送指令信号控制阅读器对 标签的读写操作; • 整个标签信息采集和更新过程都是以无线射频方式进行 的。
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（1）以能量供给为基础的工作模型 • 对于无源电子标签来说，电子标签正常工作所需要的 能量是由阅读器供给的，当标签进入阅读器的工作范 围内以后，标签收到阅读器发送的信号，产生感应电 流从而激活内部的电路，内部整流电路将射频能量转 化为电能，将该能量存储在标签内部的大电容里，进 而为其正常工作提供了所需的能量。 • 对于半有源电子标签来说，阅读器发送的射频信号只 用来激活标签。对于有源电子标签来说，只要标签处 于阅读器的工作范围以内，就可以主动向阅读器发送 信号。
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（2）以时序方式完成数据传输的工作模型
• 时序问题也就是指阅读器和电子标签之间的工作顺序问 题。RFID系统中存在着两种工作模式，其中一种是阅读 器先发言模式（RTF, Reader Talk First），另外一种 就是电子标签先发言模式（TTF, Tag Talk First）。 • 阅读器先发言模式是说如果阅读器不主动激活电子标签 的话，电子标签不会向阅读器发送信号，而电子标签先 发言模式则是就算阅读器不激活标签，标签也会主动向 阅读器发送信号。系统中的标签如果是无源标签，则通 常需采用阅读器先发言模式。如果需要同时对多个标签 进行识别，则可以工作于阅读器先发言模式，也可以工 作于标签先发言模式。
• 电感耦合式系统的工作模型类似于变压器模型。其中 变压器的初级和次级线圈分别是阅读器和电子标签的 天线线圈。 • 电感耦合式系统中的电子标签多为无源式，且这种系 统的效率不高，所以一般应用于功耗比较低的场合， 工作距离一般也比较近，在一米以内。 • 下面详细介绍一下电感耦合式系统的能量传输原理和 数据传输原理。
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4.2 电磁反向散射耦合式系统
• 雷达技术为RFID的反向散射祸合方式提供了理论基 础。
• 雷达天线发射到空间中的电磁波会碰到不同的目标 ，到达目标以后，一部分低频电磁波能量将被目标 吸收，另一部分高频能量将以不同强度散射到各个 方向，其中，反射回发射天线(发射天线也是接收天 线)的部分称为回波，回波中带有目标信息，可供雷 达设备获知目标的距离和方位等。下面介绍一下电 磁反向散射耦合式系统的工作原理与能量传递。
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（2）能量传递
2 Ae Gtag 将（1） 其中Gtag表示电子标签接收天线的增益， 4
式代入（2）式可得：
Ptag
P G 2 Gtag Tx 2Tx Gtag P G Tx Tx 4 4R 4R
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4、RFID系统的耦合方式
在RFID系统中，读写器与电子标签之间能量与数 据的传递都是利用耦合元件实现的，RFID系统中 的耦合方式有两种： • 第一种是电感耦合式 • 第二种是电磁反向散射耦合式。
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4.1 电感耦合式系统工作原理
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（1）能量传输原理
• 因为阅读器距离标签之间总会有一定的距离，所以从阅 读器天线发出的电磁波磁力线只有一小部分会穿过标签 的线圈。 • 通过电磁感应定律，标签线圈上会产生一个电压U，通 过整流后将会作为标签内部芯片的电Baidu Nhomakorabea。 • 为了使提供给标签的U能够达到最大，阅读器需要在其 内部将一个合适大小的电容器与天线线圈相并联，使其 构成并联的振荡回路，谐振的频率应当与阅读器的发射 频率相一致。 • 此振荡回路将使阅读器天线产生很大的电流从而给标签 提供足够的电磁能。
第二章 RFID技术的工作原理
（1）工作原理 • 电磁反向散射耦合方式采用雷达原理模型，依据 的是电磁波的空间传播规律。 • 随着电磁波频率的上升，信号的穿透性降低，反 射性增强，所以该方式一般适合于超高频和微波 频段的RFID系统，标签工作时离阅读器较远，既 可采用无源标签也可采用有源标签。 • 电磁反向散射耦合式系统工作原理如下图所示。
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（2）数据传输原理 • 电感耦合式系统中的数据传输方式是负载调制方式 ，其原理就是通过控制电子标签天线上的负载的通 断来改变阅读器天线的电压，从而实现对天线电压 的幅度调制。
• 实际工作中，利用数据来控制电子标签负载的通断 ，那么这些数据信息就能够从电子标签一端传输到 阅读器一端了。
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标签与阅读器利用各自携带的天线构筑了一条两者之间 进行数据传递的非接触式的通道。 当标签处于阅读器的工作范围内时，阅读器利用自身的 天线发送射频信号，标签天线收到信号以后会产生感应 电流，从而激活内部的电路向阅读器回送信号（无源标 签），或者主动向阅读器发送信号（有源标签）； 阅读器收到信号以后，对接收到的信号做一些必要的处 理，然后将处理后的数据上传到控制系统进行下一步的 处理。