RFID第3章 RFID無線通信原理

射頻識別技術第RFID無線三通信原理章原理、協(xié)議及系統(tǒng)設計本章內容射頻頻譜與電磁信號傳輸信號的電壓與能量閱讀器信號的調制與復用反向散射機制與標簽編碼鏈路預算天線增益與極化對傳輸范圍的影響真實環(huán)境下的信號傳輸小結3.1射頻頻譜與電磁信號傳輸

RFID技術指是利用無線電波通信來識別RFID標簽的一種方式，可以實現(xiàn)非視距、無接觸的識別。

一個RFID系統(tǒng)中通常需要包含RFID標簽、RFID閱讀器以及與之配套的天線。工作流程如圖3.1所示終端控制閱讀器發(fā)出查詢命令

閱讀器對查詢命令進行編碼和調制，并通過閱讀器天線發(fā)送出去

閱讀器天線將查詢信號利用無線信道發(fā)送給標簽，并被RFID標簽內嵌的微型天線接收到

當末各RFID標簽接收到的無線信號強度高于某一閾值，標簽將被激活并對閱讀器信號進行解調和解碼

根據(jù)閱讀器的查詢信號，標簽生成帶有特殊標志的返回信號，編碼調制后返回給閱讀器天線；

閱讀器端利用閱讀器天線不斷掃描識別區(qū)域而獲得標簽返回的標識符

閱讀器對標簽信號進行解調和解碼工作并將其解碼信息傳輸給后臺程序進行進一步處理。3.1射頻頻譜與電磁信號傳輸電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量,其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面無線信道干擾？無線通信并非有線信道可靠，會產生干擾，解決辦法就是將各種無線信號調制到不同頻率的載波信號中傳輸。但無線頻譜分配遠遠不能滿足日益增長的無線通信應用3.1射頻頻譜與電磁信號傳輸將各種無線信號調制到不同頻率的載波信號中傳輸。3.1射頻頻譜與電磁信號傳輸

典型的RFID工作頻率包括低頻125KHz-134KHz；高頻13.56MHz，超高頻860MHz-960MHz

（915M）以及微波2.4GHz和5.8GHz

低頻信號由于波長較長，擁有較好的衍射能力，通?？梢岳@過大多數(shù)障礙物傳輸，但穿透力較差。

低頻和高頻的RFID標簽往往采用電感耦合的技術通信，其通信距離短也正是因為磁場能量是按照距離的立方這個速度進行衰減的

超高頻和微波采用電磁發(fā)射原理，其能量是按照距離的平方這個速度進行衰減的。3.2信號的電壓與能量變化電場可以通過電壓或電流的時間函數(shù)來描述其變化方式，我們認為電場的電壓一般可以轉化為正弦波的描述形式能量大小用功率表示，按照正弦規(guī)律變化的電場，可以用微積分計算一個周期的電流能量，再除以時間。v0為峰值，R為負載的電阻，Pav為平均功率3.2信號的電壓與能量信號處理問題中，相對變化更值得關注。現(xiàn)實應用中，信號功率根據(jù)環(huán)境不同會

發(fā)生巨大的變化，使用分貝(dB)代替瓦特(W)：分貝是相對的，描述具體功率時需要加入參考功率，常用的是1毫瓦特(mW)，此處分貝大小為dBm對數(shù)性質lg(a.b)=lg(a)+lg(b)所以相應的乘法轉換為加法3.3閱讀器信號的調制與復用當m(t)也是正余弦信號時，根據(jù)三角函數(shù)關系，有：這種正弦調制將信號分為兩個信號，稱為邊帶，一個頻率高于載波（公式第一項），一個低于載波（公式第二項）。這表示在某個信號經過調制之后，得到的信號頻譜將會變寬，包含載波頻率周圍的一段頻率。二極管實現(xiàn)，1的時候二極管導通，0的時候二極管斷路3.3閱讀器信號的調制與復用對RFID閱讀器信號的調制一般執(zhí)行的是數(shù)位調變(Digitally

Modulated)。通斷鍵控(On-Off

Keying,OOK)，對“1”保持高功率，“0”保持低功率。對于某個實際的二進制串將會轉化為一段功率或高或低的電磁波。OOK是否有問題？3.3閱讀器信號的調制與復用OOK對于RFID被動標簽，數(shù)據(jù)位是0時能量低，無法激活標簽，導致工作不正常。如何處理？在調制之前對二進制數(shù)串進行編碼。脈沖間隔編碼(PIE):“1”：輸出長時間的高功率跟隨短暫的低功率“0”：輸出短暫高功率跟隨短暫低功率缺點：二進制0其傳輸速率會比二進制1的傳輸速率快很多3.3閱讀器信號的調制與復用

頻分多址（FDMA）技術，要求不同應用使用不同的載波頻率傳輸信息，而接收端接收器僅獲取相應頻率信號來進行解調，而得到所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

例如：ALR-9900閱讀器，其工作頻率是902.75MHz—

927.75MHz，在處理FDMA時閱讀器將此段頻率平均分

成50個頻道，每個頻道500KHz頻率范圍，閱讀器通過和標簽在指定頻率范圍內通信來減少和其他信號之間的沖突。

但雖然FDMA從理論上解決了多種信號沖突的問題，但在實際應用中，仍然需要注意閱讀器的部署，周圍空間中其它信號干擾等情況，以保證RFID閱讀過程成功完成。

例如閱讀器A在頻道10監(jiān)聽標簽信號，閱讀器B在頻道11發(fā)送請求信號，閱讀器A很難聽到標簽信息3.4反向散射機制與標簽編碼變化的磁場產生變化的電場，變化的電場產生磁場信號發(fā)射器中的電流通過天線輻射出無線電磁波，形成變化的電磁場，在接收器天線線圈感應到變化的電磁場，而在線圈內部產生電壓，如果接收器的天線是通過某種負載連通的，就會產生感應電流。任何物體在接受到某個電磁波之后會同樣傳輸這樣一串電磁波。接受器調制后輻射的電磁波能返回到傳輸器的天線中，并產生能被識別的信號，叫做反向散射信號。3.4反向散射機制與標簽編碼接收器在某一時刻接收到的反射信號向量是空間中各種信號的矢量疊加如下圖所示，疊加導致了不確定性，如果想利用反向散射機制，就必須設計某種編碼機制使得接收器能夠根據(jù)這些變化識別信號，而不關心信號的相位或振幅。3.4反向散射機制與標簽編碼目前，標簽編碼方式都是基于特定的時間間隔內對標簽變化進行計數(shù)，或基于標簽狀態(tài)變化頻率。屬于頻移鍵控(FSK)的變種?！?”可能是1ms內標簽狀態(tài)的100次轉變。“0”可能是1ms內標簽狀態(tài)的50次轉變。3.5.1閱讀器傳輸能量際應用

最大傳輸能量不能超過1W頻率

大多RFID設備工作在ISM頻段率

閱讀器的功率往往被限定在某個安全范圍3.5.2路徑損耗路徑損耗：指在傳輸過程中，傳輸器實際發(fā)送的能量和接收器實際接收到的能量之間的差異。假設天線傳輸是各向同性，即天線向各個方向均勻輻射能量。如右圖所示。3.5.2路徑損耗3.5.3標簽激活能量右圖繪制了一條起點在(1m，-1.5dBm)斜率是-20dB/10m的直線來表示前向鏈路的衰減模式。3.5.3標簽激活能量在上圖中標簽接收到的能量-10dBm，但內部IC芯片工作的能量開銷以及調制的能量損耗，反射的能量要小于接收的能量，假設利用大約有-5dBm的衰減由于閱讀器識別所需能量對不同標簽表現(xiàn)不同，假設較為合理的閾值-75dBm。可以根據(jù)前向鏈路能耗圖繪制反向鏈路的能量損耗圖。如右圖所示，為前向和反向鏈路能量消耗。閱讀器天線接收端獲得的能量是-55dBm，比閱讀器所需要的能量高20dBm，理論上閱讀器在29m遠的地方獲得的能量才可能低于信號閾值。3.6天線增益與極化對傳輸范圍的影響3.6.1天線增益的影響對于輸出為1W的RFID閱讀器，在全向天線的作用下只能傳輸2-3m的距離，在標簽分布在閱讀器四周的應用中比較有利。現(xiàn)實場景中，閱讀器會被安排在某個區(qū)域的邊緣，而標簽則被大量放置在該區(qū)域中心附近，并且標簽構成的區(qū)域只在閱讀器能夠輻射到的某個角度區(qū)域內。如果能夠讓天線將能量集中于一個方向輻射，就可以更加充分利用這些傳輸能量，使能量利用率最大化3.6.1天線增益的影響將能量集中于一處進行輻射的天線，叫做定向天線。對于RFID應用場景，定向天線充分地利用這些傳輸能量，使得能量利用率最大化，而減少不必要區(qū)域的掃描能量浪費。右圖為定向天線的輻射模型。對于相對于天線中心方向的任意角度d，曲線邊緣代表著天

線在此方向上輻射的能量密度。3.6.1天線增益的影響某個方向d上的輻射強度和平均到各個方向上的輻射強度的比例稱為該方向上天線的定向增益。該方向上的輻射效率也就是該天線的功

率增益，也叫做放大系數(shù)G（powergain）天線增益：在輸入功率相等的條件下，

功率輻射密度最大的方向上獲得的能量

與全向天線該方向上獲得能量的比值。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。并不是說天線可以主動增加信號能量，而是按照一定的規(guī)律重新分配。對于定向天線而言，如需更高的功率增益，信號輻射的范圍也就相對越窄，如右圖所示。假設所有能量都均勻地分布在波束立體角為?的光束內，光束外沒有任何能量。3.6.1天線增益的影響右圖是商用RFID閱讀器的定向天線極坐標輻射圖。其中的曲線是以對數(shù)模式描述各個方向的能量增益大小。3dB對應的波束寬度，圖中所示大約為72°，即1.25弧度，所以對應的光束立體角為(1.25)2=1.6，天線的增益大約為3.6.1天線增益的影響并非所有的天線都能夠擁有很好的方向性，其中一種方向性不特別顯著的天線就是偶極天線。偶極天線并不向軸線輻射信號，而是均勻的向和軸線垂直的各個方向輻射。如右圖所示。相對偶極天線的增益比相對全向天線的增益要小2.2dBdBi和dBd是功率增益的單位，兩者都是相對值，但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線；dBd的參考基準為偶極子。一般認為dBi和dBd表示同一個增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.23.6.1天線增益的影響通過天線的增益和傳輸能量，可以計算出利用全向天線，來達到定向天線所指向方向的最大增益效果時所需要的輸入能量，這個能量稱為有效全向輻射功率（EIRP）。EIRP常被或明確或含蓄地用來規(guī)定無線操作上的能量限制。例如FCC規(guī)定在美國地區(qū)，某個無照傳

輸器可以傳輸1W能量的信號，同時可以使用6dBi的天線；天線增益增加1dB，傳輸能量就需要減小1dB。實際上，F(xiàn)CC是規(guī)定EIRP不超過36dBm（30dBm+6dBi）。3.6.1天線增益的影響定義標簽所需的最小能量則前向鏈路傳輸范圍：定義閱讀器端解調信號所需的最小信號能量則反向鏈路鏈路傳輸范圍：3.6.2線性極化與圓極化極化是RFID系統(tǒng)中另一個重要的天線參數(shù)，電磁波是在空間直線傳播的。右圖中電磁矢量表示電磁場的方向電場和磁場方向相互垂直，而場的方向永遠是和其傳播方向垂直的，像這樣波的震動方向和傳播方向垂直的波被稱為橫波，電場就是在垂直于傳播方向上上下移動電子。電場的方向決定其極化方向。極化方向始終固定的極化方式也被稱為線性極化。3.6.2線性極化與圓極化電磁場的方向可以隨時間發(fā)生變化當電磁場方向隨時間繞傳播方向的軸旋轉而不改變其場強大小，獲得的就是類似線性極化的圓極化輻射。通過簡單的矢量疊加過程，我們可以把純圓極化轉化為線性極化的疊加3.6.2線性極化與圈極化圓極化的電磁波作用于線性極化的天線時，類似之前的分解過程，只有和導線指向的電場分量能產生電勢，而垂直的分量將沒有效果。雙偶極子：主要是通過同時安置兩個正交的天線在標簽上來達到吸收不同方向能量的目的。對于線性極化，我們只需要乘以某個三角正弦變量即可表示其分量，這里用極化方向和接收天線方向夾角表示，如右公式所示。對于商業(yè)天線，內部結構無法獲得，其處理過程則更加麻煩，需要閱讀相關說明文檔，或者用相關的線性計劃標簽測試獲得。3.7真實環(huán)境下的信號傳輸以上都是在理想環(huán)境下進行的相關計算，實際環(huán)境中總是充滿各種噪聲和干擾。閱讀器自身信號的散射，折射后形成的干擾信號，不是簡單的能量疊加，而是每個點電勢的累加，結果不可預知，即：多徑效應3.7真實環(huán)境下的信號傳輸3.7真實環(huán)境下的信號傳輸考慮最壞情況，當相位差為0°時可以得出疊加電勢：當相位差為180°時可以得出疊加電勢：3.7真實環(huán)境下的信號傳輸在RFID系統(tǒng)中，地面的反射干擾是十分嚴重的，混凝土折射率高達2.5。因此，RFID天線一般放置在離地面1-2m高的位置影響識別效率的還包括入射角度和極化方式。垂直極化的波在輻射到水平地面上在某個稱