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1、射频识别（RFID）原理与应用,射频模拟电路？,3,“有了无线识别（RFID）技术，还需要管家吗？”,胡锦涛,2006-04-18美国西雅图微软“未来之家”,移动互联网、物联网、大数据、云计算。2009年，温家宝总理提出“感知中国”的理念，物联网已经上升为我国的国家战略。作为物联网最主要的支撑技术，RFID也迎来了大发展机遇。2014年我国物联网市场规模已达5679亿元，我国RFID市场达到385.23亿元。未来3年全球RFID标签市场年增长22.4%。,4,5,第1章 RFID概论,1.1 RFID及其特点射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。RFID系统中，识别信息存放在
2、电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对其进行写入，读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。,射频识别具有下述特点：它是通过电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术；它需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率使用的众多规范；它存放的识别信息是数字化的，因此通过编码技术可以方便地实现多种应用，如身份识别、商品货物识别、动物识别、工业过程监控和收费等；它可以容易地对多应答器、多阅读器进行组合建网，以完成大范围的系统应用，并构成完善的信息系统；它涉及计算机、无线数字通信、集成电路、电磁场等众多学科，是一个新兴的融合多种技术的
3、领域。,6,7,1.2 RFID的基本原理,RFID的基本原理框图,根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为：电感耦合方式（磁耦合）反向散射耦合方式（电磁场耦合）,RFID的耦合方式,1.2 RFID的基本原理,8,9,RFID的工作频率,工作频率分布图,1.2 RFID的基本原理,1.2 RFID的基本原理,10,11,电感耦合方式,电感耦合,电感耦合方式的射频载波频率为13.56MHz和小于135kHz的频段。应答器于阅读器的工作距离在1m以下。,电感耦合方式,1.2.2 电感耦合方式,电感耦合方式应答器能量的供给：电感耦合方式的应答器几乎都是无源的，能量(电源)从阅读器获得。由于阅读器产
4、生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。,1.2.2 电感耦合方式,12,13,应答器向阅读器的数据传输,负载调制,1.2.2 电感耦合方式,应答器向阅读器的数据传输应答器向阅读器的数据传输采用负载调制的方法。上图中的负载调制方式称为电阻负载调制，其实质上是一种振幅调制，也称为调幅（AM），调节接入电阻R2的大小可改变调制度的大小。,阅读器向应答器的数据传输阅读器向应答器的数据传输可以采用多种数字调制方式，通常为幅移键控（ASK），详见第3章。,1.2.2 电感耦合方式,14,15,电感耦合的时序方式,能量与数据传输,1.2.3 电感耦合方式的变形,电感耦合的时
5、序方式阅读器向应答器的能量传输和数据传输占用一个连续的间隙，在此时间内，应答器获取能量和数据而不传送数据。在两次能量供应的间隙时间，应答器完成向阅读器的数据传输。电感耦合的时序方式仅适合在135kHz以下频率范围内工作。阅读器的发送器仅在传输能量时工作，传输能量在应答器中给电容充电，以存储能量。在充电过程中，应答器处于低功耗省电模式，从而使接收到的能量几乎完全用于电容器充电。在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传输数据时间内需要消耗的能量。在充电结束后，应答器上的振荡器被激活，振荡器被调制后，将调制的数字数据传送至阅读器。,1.2.3 电感耦合方式的变形,16,扫频法所谓“扫频”，就是利用
6、某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。这种频率扫动的正弦信号，称为扫频信号。如图所示该扫频信号频率变化从fL到fH，不断重复作线性扫动。,回路谐振频率f0在fL至fH之间,1.2.3 电感耦合方式的变形,17,扫频信号的主要工作特性有效扫频宽度：在扫频线性和振幅平稳性符合要求的条件下，最大的频率覆盖范围。扫频线性：扫频信号频率的变化规律和预定的扫频规律之间的吻合程度。振幅平稳性：扫频信号的振幅应恒定不变。,1.2.3 电感耦合方式的变形,18,19,扫频法的工作原理,扫频法,1.2.3 电感耦合方式的变形,扫频法的工作原理阅读器侧采用扫频振荡器，电感L1是扫频振荡器
7、的线圈，L1中的电流产生扫频的交变磁场，频率从fL扫至fH。应答器的谐振回路由L2和C2组成，其谐振频率为f2，f2在fL至fH之间。当应答器接近阅读器，阅读器扫频信号的频率和应答器谐振回路的频率f2 相等时，线圈L1中的电流产生一个明显的增量，该增量可提供用于识别。识别的方法是将阅读器安装于通道口，线圈可绕成大面积的方框形状，当附有应答器的物品被携带时，阅读器可给出警示。该技术可用于商场的电子防盗，这种无源应答器由电感线圈和薄膜电容构成谐振回路，称为1比特应答器。应答器在收款处可取下再用，或将其置于强磁场下利用产生的感应电压击穿薄膜电容。,1.2.3 电感耦合方式的变形,20,21,分频信号
8、检测法,分频信号检测法,1.2.3 电感耦合方式的变形,分频信号检测法该方法的工作频率范围为100135kHz（如128kHz）。该方法的原理与电感耦合方式相同，应答器是无源的，载波信号经二分频后送至调制器，在调制器中被应答器数据（存储在EEPROM中）或低频方波信号调制，被调制的二分频载波信号经应答器电感线圈L3送至阅读器，阅读器对二分频载波信号进行处理，便可获得应答器的有关信息。,1.2.3 电感耦合方式的变形,22,反向散射雷达技术为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（物体）时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量
9、中，一小部分反射回了发射天线，并被该天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获取目标的有关信息RFID反向散射耦合方式一个目标反射电磁波的效率由反射横截面来衡量。反射横截面的大小与一系列参数有关，如目标大小、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（UHF）和超高频（SHF），应答器和阅读器的距离大于1m。,1.2.4 反向散射耦合方式,23,24,RIFD反向散射耦合方式,反向散射耦合,1.2.4 反向散射耦合方式,RFID反向散射耦合方式应答器的能量供给 无源应答器的能量由阅读器提供，
10、阅读器天线发射的功率P1经自由空间衰减后到达应答器，设达到功率为P1，P1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频率范围内，有关电磁兼容的国际标准对阅读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。为解决该问题，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，当应答器进入阅读器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。,1.2.4 反向散射耦合方式,25,RFID反向散射耦合方式应答器至阅读器的数据传输 到达功率P1的一部分被天线反射，反射功率P2经自由空间后到达阅读器，被阅
11、读器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输至阅读器的接收通道，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。,1.2.4 反向散射耦合方式,26,RFID反向散射耦合方式阅读器至应答器的数据传输 阅读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，详见第6章。,1.2.4 反向散射耦合方式,27,声表面波应答器声表面波器件 声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器
12、件是以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽、制造简单。在RFID应用中，声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45GHz。,1.2.4 反向散射耦合方式,28,声表面波应答器声表面波RFID系统是基于时序方式、采用反向散射耦合方式的RFID系统,1.2.4 反向散射耦合方式,29,谐波检测法非线性元件的频率变换作用。图C说明半导体二极管具有频率变换的能力。,1.2.4 反向散射耦合方式,30,谐波检测法 其工作原理基于反向散射耦合方式，它可用于电子防盗系统。,谐波法原理,1.2.4 反向散射耦合方式,31,32,RFID应用系统组成
13、,1、最简单的应用系统只有单个阅读器，它一次只对一个应答器进行操作，如公交汽车上的票务操作。2、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，即要具有防碰撞（亦称防冲突）的能力。3、更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接。,1.3 射频识别的应用系统构架,33,射频卡 射频卡的工作频率为低于135kHz或13.56MHz，采用电感耦合方式实现能量和信息的传输。射频卡通常用于身份识别和收费。,射频卡,1.3.2 应答器（射频卡或标签）,从技术角度来说，射频识别技术的核心在应答器，阅读器是根据应答器的性能而设计的。,34,标签 在动物识别、商品货物识别、集装箱识
14、别等应用领域的应答器常称为标签。,标签,1.3.2 应答器（射频卡或标签）,35,应答器的主要性能参数工作频率读/写能力编码调制方式数据传输速率信息数据存储容量工作距离多应答器识读能力（亦称防碰撞或防冲突能力）安全性能（密钥、认证）等。,1.3.2 应答器（射频卡或标签）,36,应答器的分类根据应答器是否需要加装电池，可分为：无源应答器：不附有电池，从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。半无源应答器：内装有电池，起辅助作用，对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，用于传输通信的射频能量源自阅读器。有源应答器：工作电源完全由内部电池
15、供给，同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。按照应答器的功能来分类，应答器可分为：存储器应答器（又可分为只读应答器和可读/写应答器）、具有密码功能的应答器和智能应答器。,1.3.2 应答器（射频卡或标签）,37,应答器电路的基本结构和作用,1.3.2 应答器（射频卡或标签）,38,阅读器也可称为读/写器、基站等。,1.3.3 阅读器（读/写器和基站）,39,阅读器的功能以射频方式向应答器传输能量；从应答器中读出数据或向应答器写入数据；完成对读取数据的信息处理并实现应用操作；若有需要，应能和高层处理交互信息。,1.3.3 阅读器（读/写器和基站）,40,阅读器的电路组成
16、,1.3.3 阅读器（读/写器和基站）,41,天线的目标是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。在应答器中，天线和应答器芯片封装在一起。,1.3.4 天线,42,高层的作用针对RFID的具体应用，需要在高层将多阅读器获取的数据有效地整合起来，提供查询、历史档案等相关管理和服务。更进一步，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据。这就是所谓的信息管理系统和决策系统。,1.3.5 高层,43,中间件与网络应用,1.3.5 高层,44,自动识别技术 自动识别技术：包括条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）以及射频识别
17、（RFID）等。条形码（Bar Code）技术：最早产生在20世纪20年代，由一组规则排列的条和空、相应的数字组成。,1.4 RFID与相关的自动识别技术,一维条形码,二维条形码,45,标签和条形码的主要性能,1.4 RFID与相关的自动识别技术,46,接触式IC卡接触式IC卡技术结合了CPU和存储器芯片的设计，而RFID技术则是结合了射频技术和接触式IC卡技术，因此在一些场合也将RFID应答器称为非接触式IC卡或射频卡。,1.4 RFID与相关的自动识别技术,47,接触式IC卡接触式CPU卡又称为智能卡。,1.4 RFID与相关的自动识别技术,接触式CPU卡的基本结构,48,生物特征识别.光
18、学字符识别.,1.4 RFID与相关的自动识别技术,49,RFID技术的应用RFID应用领域广泛，且每种应用的实现，都会形成一个庞大的市场，因此可以说射频识别是一个重要的新的经济增长点。目前，RFID在票务系统（城市公交车、高速公路收费、门票等）、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品安全追溯、药品、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供应链等众多领域获得广泛重视和应用。,1.5 RFID技术的应用与发展前景,50,RFID的典型应用第2代身份证商业供应链应用防盗,1.5 RFID技术的应用与发展前景,51,第二代身份证,1.5 RFID技
19、术的应用与发展前景,52,商业供应链应用商业供应链是RFID技术应用最广泛的舞台。它可以实现对商品设计、原材料采购、半成品和成品的生产、运输、仓储与配送，一直到销售，甚至退货处理和售后服务等所有供应链上的环节进行实时监控，准确地随时获得各种产品相关信息，如种类、生产商、生产时间、地点、颜色、尺寸、数量、到达地和接受者等。防盗在商场中广泛应用的1比特应答器可防止商品被盗。,1.5 RFID技术的应用与发展前景,53,RFID的发展前景 RFID技术被认为是近30年来10大最具生命力的技术之一，它正朝着无所不在的方向快速发展。,1.5 RFID技术的应用与发展前景,讨论和思考：RFID给日常生活和工作带来的便捷。作业：习题1.4,谢谢！,
