RFID閱讀器芯片設(shè)計(jì)及通訊算法研究.pdf

1、射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過電磁波或電感耦合方式在閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行通訊，以完成對目標(biāo)對象的自動識別。RFID系統(tǒng)由閱讀器、標(biāo)簽和后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。閱讀器作為整個(gè)RFID系統(tǒng)的核心，隨著RFID技術(shù)的不斷推廣，其需求量增長速度較快。使用高性能的分立器件和模塊設(shè)計(jì)而成的閱讀器成本較高，而單芯片閱讀器可以有效降低閱讀器成本、功耗和體積，因此高性能、低成本的閱讀器芯片設(shè)計(jì)具有重要的意義。
　　 隨著RFID應(yīng)用規(guī)

2、模的擴(kuò)大，需要閱讀器快速識別成百上千個(gè)目標(biāo)，防碰撞算法可以有效解決多標(biāo)簽之間的碰撞問題，是實(shí)現(xiàn)RFID多目標(biāo)識別的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，閱讀器和標(biāo)簽之間的無線通信帶來的安全隱患，需要通過閱讀器和標(biāo)簽之間的交互安全認(rèn)證協(xié)議及加密算法來解決。防碰撞算法與加密算法是RFID系統(tǒng)通訊的主要算法，其研究工作具有重要的意義。
　　 閱讀器的成本、多目標(biāo)識別速率、RFID系統(tǒng)安全已經(jīng)成為限制RFID發(fā)展的技術(shù)瓶頸。本文的研究內(nèi)容圍繞著這些關(guān)鍵問題展

3、開，重點(diǎn)研究閱讀器的芯片設(shè)計(jì)、防碰撞算法、安全認(rèn)證協(xié)議及加密算法等關(guān)鍵技術(shù)。
　　 本文首先從射頻識別的理論基礎(chǔ)出發(fā)，推導(dǎo)了閱讀器的天線模型，給出了近場和遠(yuǎn)場的工作條件，并在此基礎(chǔ)上建立了RFID系統(tǒng)的能量和信號傳輸模型。著重分析了近場模式下電感耦合模型和負(fù)載信號調(diào)制模型，為之后的芯片電路設(shè)計(jì)提供了完整的理論模型。
　　 根據(jù)理論模型進(jìn)行閱讀器芯片的設(shè)計(jì)，依據(jù)RFID通訊協(xié)議和閱讀器的功能要求，確立了高頻閱讀器射頻前端的

4、體系架構(gòu)，將接收電路劃分為解調(diào)電路、帶通濾波器、可變增益放大器、脈沖整形電路等四個(gè)模塊。根據(jù)標(biāo)簽芯片負(fù)載調(diào)制信號的特點(diǎn)，通過對傳統(tǒng)解調(diào)電路的比較和分析，提出一種低功耗、低成本的基于開關(guān)電容的采樣電路，將信號分成I、Q兩路采集，通過相位錯(cuò)開的采樣方法成功的在正交采樣時(shí)高效的濾除載波信號。為了有效濾除噪聲，電路在采樣電路和可變增益放大器之后分別加入了帶通濾波器，并根據(jù)信號噪音的特點(diǎn)采用了不同的電路設(shè)計(jì)。脈沖整形電路采用了施密特觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，將

5、信號整形的同時(shí)，增大了輸出驅(qū)動能力。最后對每個(gè)具體的電路模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并采用中芯國際0.35μm嵌入式EEPROM工藝庫，在各個(gè)場強(qiáng)、溫度和工藝角對電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　 在RFID通訊算法方面，為解決閱讀器讀取標(biāo)簽時(shí)的碰撞問題，提出了一種基于貝葉斯估計(jì)和二叉樹分裂的動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA算法，在算法中采用了標(biāo)簽最優(yōu)分組、最優(yōu)幀長選擇和碰撞時(shí)隙的二叉樹分裂三種策略來提高系統(tǒng)吞吐率。動態(tài)分組策略采用“位屏蔽”的方式對標(biāo)簽進(jìn)

6、行分組，避免標(biāo)簽數(shù)量過多而產(chǎn)生的沖突。貝葉斯估計(jì)的方法將先前幀的信息保留作為當(dāng)前幀的先驗(yàn)信息，同時(shí)利用閱讀器在當(dāng)前幀收集的信息，能夠克服標(biāo)簽選取時(shí)隙帶來的隨機(jī)性，精確估計(jì)標(biāo)簽個(gè)數(shù)。針對發(fā)生碰撞的時(shí)隙采用二叉樹分裂策略，將碰撞時(shí)隙分割為部分子時(shí)隙，發(fā)生碰撞的標(biāo)簽隨機(jī)與閱讀器進(jìn)行通訊，兼容了ALOHA算法和二叉樹搜索算法的優(yōu)點(diǎn)，突破傳統(tǒng)ALOHA算法吞吐率的瓶頸。
　　 根據(jù)RFID安全認(rèn)證協(xié)議對偽隨機(jī)數(shù)的要求，采用了隨機(jī)化參數(shù)的偽