1、1 數字通信基礎數字通信基礎 信號調制與解調信號調制與解調 數據傳輸可靠性數據傳輸可靠性 數據傳輸安全性數據傳輸安全性 天線技術基礎天線技術基礎23關鍵指標：關鍵指標：傳輸速率、誤碼率、頻帶利用率傳輸速率、誤碼率、頻帶利用率有效性：有效性：信源編碼信源編碼可靠性：可靠性：信道編碼信道編碼安全性：安全性：加密加密收發：收發：調制解調調制解調是否必需？是否必需？4正弦形載波信號正弦形載波信號)cos()(0tAts式中，式中，A 振幅振幅 (V)； f0 頻率頻率 (Hz)； 0 = 2 f0 角頻率角頻率 (rad/s)； 為初始相位為初始相位 (rad)。3種基本的調制方法：種基本的調制方法：

2、振幅鍵控振幅鍵控ASK 頻移鍵控頻移鍵控FSK 相移鍵控相移鍵控PSK 5基本原理基本原理TtttAts0)cos()()(0當發送1時,( )0當發送0時。AA t調制電路調制電路相乘電路相乘電路開關電路開關電路6解調電路解調電路包絡檢波法（非相干解調）包絡檢波法（非相干解調）相干解調法相干解調法7基本原理基本原理調制電路調制電路調頻法（相位連續）調頻法（相位連續）開關法相位不連續開關法相位不連續”時當發送“”時當發送“0)cos(1)cos()(0011tAtAts8解調電路解調電路相干接收相干接收包絡檢波包絡檢波9基本原理基本原理或或)cos()(0tAts”時當發送“”時當發送“100

3、”時當發送“”時當發送“1)cos(0)cos()(00tAtAts”時當發送“”時當發送“1cos0cos)(00tAtAts10調制電路調制電路解調電路解調電路二進制基帶不歸零二進制基帶不歸零矩形脈沖信號矩形脈沖信號11數據信號編碼數據信號編碼n單極性碼（單電平） 非零電平代表一種信號邏輯狀態，零電平代表另一種狀態非零電平代表一種信號邏輯狀態，零電平代表另一種狀態n極性碼 (雙電平) 正電平代表一種信號邏輯狀態，負電平代表另一種狀態正電平代表一種信號邏輯狀態，負電平代表另一種狀態n雙極性碼（多電平） 使用兩個以上的電平值進行編碼使用兩個以上的電平值進行編碼12優點n只用一個電平即可表示兩個

4、二進制數字，簡單只用一個電平即可表示兩個二進制數字，簡單缺點n需處理直流分量需處理直流分量n同步電路復雜同步電路復雜13采用兩個電壓值編碼：一個正電壓，一個負電壓采用兩個電壓值編碼：一個正電壓，一個負電壓14不歸零編碼不歸零編碼不歸零反相編碼不歸零反相編碼15曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼1617差錯控制編碼差錯控制編碼目的：目的： 保證所有的幀按順序、正確送到目的接收機保證所有的幀按順序、正確送到目的接收機解決問題：解決問題： 1. 1. 如何檢測出錯如何檢測出錯 2. 2. 發現錯誤后，如何糾正錯發現錯誤后，如何糾正錯分類：分類：單個錯和突發錯單個錯和突發錯術語：

5、術語：檢錯碼和糾錯碼檢錯碼和糾錯碼18海明距離：海明距離：兩個碼字的對應比特取值不同的比特數兩個碼字的對應比特取值不同的比特數 例例 10 10001001001001 10 10110110001001編碼集的海明距離：編碼集的海明距離：一個有效編碼集中，一個有效編碼集中，任意任意兩個碼字的海明距離的兩個碼字的海明距離的最小最小值值海明距離海明距離3 (3 (一個碼字必須錯一個碼字必須錯3 3位位 才能變成另一碼字）才能變成另一碼字）結論結論: :如果要能如果要能檢測檢測出出 d 個位差錯，則編碼集的海明距離至少個位差錯，則編碼集的海明距離至少應為應為 d 1如果要能如果要能糾正糾正 d 個

6、位差錯，則編碼集的海明距離至少應個位差錯，則編碼集的海明距離至少應為為 2d 119設編碼集設編碼集 000000, 000111, 111000, 111111 海明距離海明距離 3 3如接收端收到碼字如接收端收到碼字 010111010111，為無效碼字，為無效碼字 有錯有錯 問題：由哪一個有效碼字錯來？問題：由哪一個有效碼字錯來？ 000000 010111 000111 010111 111000 010111 111111 010111由其錯的由其錯的概率最大概率最大! 接收端將其恢復為接收端將其恢復為000111 (糾錯糾錯將將 無效碼字恢復成距離它最近的有效無效碼字恢復成距離它最

7、近的有效 碼字碼字，但這種方法并不是，但這種方法并不是100正確正確)20 先將要發送的數據塊分組，且在每一組的數據碼元先將要發送的數據塊分組，且在每一組的數據碼元后面后面附加一個冗余位附加一個冗余位，使得該組連冗余位在內的碼字中，使得該組連冗余位在內的碼字中“1”1”的個數為偶數（偶校驗）的個數為偶數（偶校驗）或或奇數（奇校驗）奇數（奇校驗）。接。接收端按同樣的規則檢查，如發現不符，就說明傳輸有誤。收端按同樣的規則檢查，如發現不符，就說明傳輸有誤。 奇偶校驗碼在實際使用時可分為奇偶校驗碼在實際使用時可分為垂直垂直奇偶校驗碼、奇偶校驗碼、水平水平奇偶校驗碼和奇偶校驗碼和水平垂直水平垂直奇偶校驗

8、碼等幾種。奇偶校驗碼等幾種。21發送時按列的次序進行，因此能發現長度發送時按列的次序進行，因此能發現長度n n（每列長（每列長度）的單個突發錯。度）的單個突發錯。22檢錯能力檢錯能力：可檢出某列可檢出某列( (一字符一字符) )的所有奇數個錯的所有奇數個錯, ,即檢出僅即檢出僅50%50%23最后發送的數據最后發送的數據水水 平平 校校 驗位驗位垂直校驗位垂直校驗位24檢錯能力檢錯能力：可檢出某行、某列的所有奇數個錯；可檢出某行、某列的所有奇數個錯；能發現大部分偶數個錯；能發現大部分偶數個錯；可以糾正不能同時滿足行、列校驗關系的一位錯可以糾正不能同時滿足行、列校驗關系的一位錯不能檢出某些互相補

9、償的偶數個錯不能檢出某些互相補償的偶數個錯25 原理原理: : 將位串看成系數為將位串看成系數為 0 0 或或 1 1 的多項式的多項式 如如位串位串1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 即對應于多項式即對應于多項式： x7 + x5 + x2 + x + 1 = 1*x7 + 0*x6 + 1*x5 + 0*x4 + 0*x3 + 1*x2 + 1*x + 1* x0 收發雙方約定一個生成多項式收發雙方約定一個生成多項式 G(x)（其最高階和最低（其最高階和最低階系數必須為階系數必須為1），發送方用位串及），發送方用位串及 G(x)進行某種運算得進行某種運算得到校驗

10、和，并在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀到校驗和，并在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被的多項式能被 G(x) 整除整除; 接收方收到后，用接收方收到后，用 G(x) 除多項除多項式，若有余數，則傳輸有錯。式，若有余數，則傳輸有錯。26 問題：問題： 發送方用位串及發送方用位串及 G(x)進行何種運算得到的進行何種運算得到的 校驗和，可使帶校驗和的幀的多項式能被校驗和，可使帶校驗和的幀的多項式能被 G(x) 整除？整除？模模2 2運算特點：運算特點： 模模2除除: 被除數高位為被除數高位為1即可相除即可相除, 商為商為1 模模2加、模加、模2減：等于按位加減：等于按位加(異或異或

11、)運算運算 (模模2加、模加、模2減、模減、模2除可用異或等硬件電路實現除可用異或等硬件電路實現）27CRC CRC 校驗和計算法校驗和計算法 若生成多項式若生成多項式 G(x) 為為 r 階階(即即r1位位串位位串)，原幀為，原幀為 m 位，位， 其多項式為其多項式為 M(x)，則在原幀后面添加，則在原幀后面添加 r 個個 0， 幀成為幀成為 m+r 位，相應多項式成為位，相應多項式成為 xr M(x) 按模按模2除法用除法用 G(x)對應的位串去除對應于對應的位串去除對應于 xr M(x) 的的 位串位串, 得余數得余數 R(x) 按模按模2減法減法(即模即模2加加)從對應于從對應于 xr

12、 M(x) 的位串中減去的位串中減去(加加 上上)余數余數 R(x),結果即傳送的帶校驗和的幀多項式結果即傳送的帶校驗和的幀多項式T(x) T(x) = xr M(x) + R(x)282930CRC-8 : x8+x2+x+1 CRC-10 : x10+x9+x5+x4+x2+1CRC-12 ： x12+x11+x3+x2 +x+1CRC-16 ： x16+x15+x2+1CRC-CCITT ： x16+x12+x5+1 CRC-32 ： x32+x26+x23+x22+x16+x12+ x11+ +x10+x8+x7+ x5+ x4+ x2+x+1 31檢錯率：檢錯率： 可檢測出幾乎所有錯

13、誤，若出現差錯的碼多項可檢測出幾乎所有錯誤，若出現差錯的碼多項式仍能被式仍能被 G(X) 整除時，錯誤就檢測不出來，但發生這整除時，錯誤就檢測不出來，但發生這種情況的概率是非常小的。一般除數采用種情況的概率是非常小的。一般除數采用13、17和和33位。位。 用用16比特生成多項式比特生成多項式CRC-16或或CRC-CCITT時，可檢測時，可檢測出：出： 所有的單個錯所有的單個錯 所有的兩個錯所有的兩個錯 所有的奇數個錯所有的奇數個錯 所有突發長度所有突發長度 16 的突發錯的突發錯 17 比特突發錯的比特突發錯的 99.997% 18 比特或更長突發錯的比特或更長突發錯的 99.998% 3

14、2 數據加密概述數據加密概述 對稱密碼體制對稱密碼體制 非對稱密碼體制非對稱密碼體制33密碼體制密碼體制: : 一個加密系統采用的基本工作方式一個加密系統采用的基本工作方式密碼體制的基本要素是密碼體制的基本要素是密碼算法密碼算法和和密鑰密鑰 密碼算法是一些公式、法則或程序密碼算法是一些公式、法則或程序; ; 密鑰是密碼算法中的可變參數。密鑰是密碼算法中的可變參數。 密碼算法分為密碼算法分為加密加密和和解密解密算法，前者是將明文變換成算法，前者是將明文變換成密文，后者是將密文變換成明文；密文，后者是將密文變換成明文； 密鑰相應地也分為密鑰相應地也分為加密密鑰加密密鑰和和解密密鑰解密密鑰。34一個

15、加密系統數學符號描述一個加密系統數學符號描述: :S S= =P P、C C，K K，E E，D D 其中其中P P是明文空間、是明文空間、C C是密文空間、是密文空間、K K是密鑰空是密鑰空間、間、E E是加密算法、是加密算法、D D是解密算法，當給定密鑰是解密算法，當給定密鑰k kK K時，加、解密算法分別記作時，加、解密算法分別記作E Ek k和和D D k k，并有：，并有： C C= =E Ek k( (P P ) ) P P= =D Dk k( (C C )=)=D Dk k( (E Ek k( (P P ),), 或記為或記為 D Dk k= =E Ek k11且且E Ek k=

16、 =D Dk k1135 現代密碼學的一個基本原則是現代密碼學的一個基本原則是一切秘密應寓一切秘密應寓于密鑰之中于密鑰之中，即在設計加密系統時，總是假定，即在設計加密系統時，總是假定密密碼算法是公開碼算法是公開的，真正需要保密的是密鑰。的，真正需要保密的是密鑰。 3637在不知道密鑰的情況下，恢復出明文。在不知道密鑰的情況下，恢復出明文。常見的密碼分析攻擊：常見的密碼分析攻擊：唯密文攻擊唯密文攻擊密碼分析者有一些密文，這些消息都是用一加密算法加密密碼分析者有一些密文，這些消息都是用一加密算法加密。已知明文攻擊已知明文攻擊密碼分析者可以得到一些消息的密文，而且也知道這些消密碼分析者可以得到一些消

17、息的密文，而且也知道這些消息的明文。息的明文。選擇明文攻擊選擇明文攻擊密碼分析者可以得到一些消息的明文，而且可以選擇被加密碼分析者可以得到一些消息的明文，而且可以選擇被加密的明文。密的明文。自適應選擇明文攻擊自適應選擇明文攻擊密碼分析者能夠選擇被加密的明文，而且也能基于以前加密碼分析者能夠選擇被加密的明文，而且也能基于以前加密的結果修正這個選擇。密的結果修正這個選擇。38 對稱密碼體制又稱為秘密密鑰密碼體制（或對稱密碼體制又稱為秘密密鑰密碼體制（或單密鑰密碼體制隱蔽密鑰密碼體制），即加密單密鑰密碼體制隱蔽密鑰密碼體制），即加密密鑰和解密密鑰相同或一個可由另一個導出，真密鑰和解密密鑰相同或一個可

18、由另一個導出，真正需要保密的是密鑰。正需要保密的是密鑰。39美國數據加密標準（美國數據加密標準（DESDES）DESDES屬于分組加密算法。在這個加密系統中，每次加密或屬于分組加密算法。在這個加密系統中，每次加密或解密的分組大小是解密的分組大小是6464位。只要將明文密文中每位。只要將明文密文中每6464位當位當成一個分組加以切割，再對每一個分組做加密或解密即成一個分組加以切割，再對每一個分組做加密或解密即可。當切割到最后一個分組小于可。當切割到最后一個分組小于6464位時，要在此分組后位時，要在此分組后附加附加“0”0”位，直到該分組大小成為位，直到該分組大小成為6464位為止。位為止。40

19、 非對稱密碼體制又稱為公開密鑰密碼體制，非對稱密碼體制又稱為公開密鑰密碼體制，即加密密鑰公開，解密密鑰不公開，從一個推導即加密密鑰公開，解密密鑰不公開，從一個推導出另一個是不可行的。出另一個是不可行的。重要特點重要特點: :僅根據密碼算法和加密密鑰來推導解密密鑰在計算上僅根據密碼算法和加密密鑰來推導解密密鑰在計算上不可行；不可行；兩個密鑰中任何一個都可用來加密，另一個用來解密兩個密鑰中任何一個都可用來加密，另一個用來解密。六個組成部分：六個組成部分：明文、密文；公鑰、私鑰；加密、解密算法明文、密文；公鑰、私鑰；加密、解密算法4142 一般要求：一般要求：1 1、加密解密用相同的密鑰加密解密用相

20、同的密鑰2 2、收發雙方必須共享密鑰、收發雙方必須共享密鑰安全性要求：安全性要求：1 1、密鑰必須保密、密鑰必須保密2 2、沒有密鑰，解密不可行、沒有密鑰，解密不可行3 3、知道算法和若干密文不足、知道算法和若干密文不足以確定密鑰以確定密鑰一般要求：一般要求：1 1、加密解密算法相同，但使用不同、加密解密算法相同，但使用不同的密鑰的密鑰2 2、發送方擁有加密或解密密鑰，而、發送方擁有加密或解密密鑰，而接收方擁有另一個密鑰接收方擁有另一個密鑰安全性要求：安全性要求：1 1、兩個密鑰之一必須保密、兩個密鑰之一必須保密2 2、無解密密鑰，解密不可行、無解密密鑰，解密不可行3 3、知道算法和其中一個密

21、鑰以及若、知道算法和其中一個密鑰以及若干密文不能確定另一個密鑰干密文不能確定另一個密鑰43 最著名的且被廣泛應用的公鑰加密體制。明最著名的且被廣泛應用的公鑰加密體制。明文、密文是文、密文是0 0到到n-1n-1之間的整數，通常之間的整數，通常n n的大小的大小為為10241024位或位或309309位十進制數。位十進制數。算法描述算法描述: : 加密：加密： C=Me mod N, where 0MNC=Me mod N, where 0MN 解密：解密： M=Cd mod N M=Cd mod N 公鑰為（公鑰為（e e，N N），）， 私鑰為（私鑰為（d d，N N） 必須滿足以下條件：必

22、須滿足以下條件：l 計算計算MeMe和和CdCd是比較容易的是比較容易的l 由由e e和和n n確定確定d d是不可行的是不可行的 44 天線概述天線概述 天線基本參數天線基本參數 偶極子天線偶極子天線45 天線是輻射或接收無線電波的部件，是天線是輻射或接收無線電波的部件，是無線信息傳輸系統的空中接口，實現電磁波無線信息傳輸系統的空中接口，實現電磁波信號與電路信號的相互轉換。信號與電路信號的相互轉換。u無線通信無線通信u廣播電視廣播電視u遙感遙測遙感遙測u導航導航u電子對抗電子對抗u射電天文射電天文振蕩能量振蕩能量輻射能量輻射能量高頻電流高頻電流（導波）（導波）輻射的電輻射的電磁波磁波4647

23、方向圖：方向圖： 在離天線一定距離處，輻射場的相對場強隨方向變在離天線一定距離處，輻射場的相對場強隨方向變化的曲線。化的曲線。用最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面表示。用最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面表示。 E E面；面；H H面面48方向系數：方向系數：在離天線某距離的空間位置處，天線在最大輻射方向上的在離天線某距離的空間位置處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度輻射功率流密度Psmax與相同輻射功率的理想無方向性天線與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度在同一距離處的輻射功率流密度Pso之比（之比（dB）202max0maxEEPPDss),(),(),(max

24、maxEEf49天線效率：天線效率： 輻射器0P02P02)1 (PPinP當天線與傳輸線完全匹配時，當天線與傳輸線完全匹配時，=0，Pin=P0銅耗銅耗介質損耗介質損耗加在元件的損耗加在元件的損耗接地損耗接地損耗50增益增益: :綜合衡量天線能量轉換和方向特性的參數綜合衡量天線能量轉換和方向特性的參數物理意義：物理意義：描述了天線與理想的無方向性天線相比在描述了天線與理想的無方向性天線相比在最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數。最大輻射方向上將輸入功率放大的倍數。假設天線為理想的無方向性天線假設天線為理想的無方向性天線51極化特性極化特性天線在最大輻射方向上電場矢量方向隨時間變化的規律天線在最

25、大輻射方向上電場矢量方向隨時間變化的規律即在空間某一固定位置上即在空間某一固定位置上, , 電場矢量的末端隨時間變化所電場矢量的末端隨時間變化所描繪的圖形。描繪的圖形。該圖形如果是直線該圖形如果是直線, , 就稱為就稱為線極化線極化; ; 如果是圓，如果是圓， 就稱為就稱為圓極化圓極化; ; 如果是橢圓，如果是橢圓， 就稱為就稱為橢圓極化橢圓極化。 在在RFIDRFID系統中系統中, , 標簽采用線極化天線、讀寫器采用圓標簽采用線極化天線、讀寫器采用圓極化天線。極化天線。 如果通信的一方是劇烈擺動或高速運動著的如果通信的一方是劇烈擺動或高速運動著的, , 為了提為了提高通信的可靠性高通信的可靠

26、性, , 發射和接收都應采用圓極化天線發射和接收都應采用圓極化天線。52饋電端口輸入阻抗饋電端口輸入阻抗天線饋電點呈現的阻抗值天線饋電點呈現的阻抗值天線本身的結構和尺寸天線本身的結構和尺寸工作頻率工作頻率臨近天線周圍物體的影響臨近天線周圍物體的影響一般由近似數值計算和工程實驗確定一般由近似數值計算和工程實驗確定阻抗網絡分析儀測試阻抗網絡分析儀測試53偶極子天線輻射坐標系 當r1（遠場區）krrIlkEj02esin 4jkrrkIlHjesin4j55方向函數：方向函數：空間不同方向上的輻射能力不同空間不同方向上的輻射能力不同=90、270輻射最強，軸線方向無輻射輻射最強，軸線方向無輻射 si

27、n),(F56串并聯諧振電路串并聯諧振電路電感耦合原理電感耦合原理反向散射調制反向散射調制SAW RFIDSAW RFID原理原理有源有源RFIDRFID原理原理諧振電路諧振電路57 含有含有R R、L L、C C的一端口電路，在特定條件下的一端口電路，在特定條件下出現端口電壓、電流同相位的現象時，稱電路發出現端口電壓、電流同相位的現象時，稱電路發生了生了諧振諧振。RZIU發生諧振IU58 IRj L+_Cj1 UXRXXRCLRZCLj )( j)1( j時，電路發生諧振。 1 0 當00CLXLC10 LCf210 諧振角頻率諧振角頻率 (resonant angular frequenc

28、y)諧振頻率諧振頻率 (resonant frequency) 諧振條件諧振條件RLC串聯電路諧振時的特點串聯電路諧振時的特點 同相與 )1( IU入端阻抗入端阻抗Z為為純電阻，即純電阻，即Z=R。電路中阻抗值電路中阻抗值|Z|最小。最小。電流電流I達到最大值達到最大值 I0=U/R (U一定一定)。(2) L、C上上的電壓大小相等，相位相反，的電壓大小相等，相位相反，串聯總電壓為零，串聯總電壓為零，也稱電壓諧振，即也稱電壓諧振，即LC相當于短路，電源電壓全部加在電相當于短路，電源電壓全部加在電阻上。阻上。(3) L、C的電場能量和磁場能量作周期振蕩性的能量交換，的電場能量和磁場能量作周期振蕩

29、性的能量交換，而不與電源進行能量交換。而不與電源進行能量交換。59耗的能量諧振時一周期內電路消總儲能諧振時電路中電磁場的2202020202000TRILIRILIRLQ(4)Q是反映諧振回路中電磁振蕩程度的量，品質因數越大，是反映諧振回路中電磁振蕩程度的量，品質因數越大，總的能量就越大，維持一定量的振蕩所消耗的能量愈小，總的能量就越大，維持一定量的振蕩所消耗的能量愈小， 振蕩程度就越劇烈。則振蕩電路的振蕩程度就越劇烈。則振蕩電路的“品質品質”愈好。一般講愈好。一般講在要求發生諧振的回路中總希望盡可能提高在要求發生諧振的回路中總希望盡可能提高Q值。值。60電流諧振曲線電流諧振曲線 0 O|Y(

30、 )|I( )I( )U/R從電流諧振曲線看到，諧振時電流達到最大，當從電流諧振曲線看到，諧振時電流達到最大，當 偏偏離離 0時，電流從最大值時，電流從最大值U/R降下來。即串聯諧振電路對不降下來。即串聯諧振電路對不同頻率的信號有不同的響應，對諧振信號最突出同頻率的信號有不同的響應，對諧振信號最突出(表現為電表現為電流最大流最大)，而對遠離諧振頻率的信號加以抑制，而對遠離諧振頻率的信號加以抑制(電流小電流小)。這。這種對不同輸入信號的選擇能力稱為種對不同輸入信號的選擇能力稱為“選擇性選擇性”。61)1( jLCGYLC10LCGGLGCQ1100電壓諧振電壓諧振62低頻、高頻低頻、高頻RFID

31、讀寫器讀寫器/標簽天線電路標簽天線電路低頻、高頻低頻、高頻RFIDRFID讀寫器讀寫器/ /標簽的天線實質上是一個串聯或并聯諧標簽的天線實質上是一個串聯或并聯諧振電路。串聯諧振回路具有電路簡單、成本低，激勵可采用低內振電路。串聯諧振回路具有電路簡單、成本低，激勵可采用低內阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，被讀寫器廣阻的恒壓源，諧振時可獲得最大的回路電流等特點，被讀寫器廣泛采用。泛采用。 63低頻、高頻低頻、高頻RFIDRFID系統通信機制系統通信機制64低頻、高頻低頻、高頻RFIDRFID系統通信過程系統通信過程電感線圈的交變磁場電感線圈的交變磁場安培定理：電流流過一個導體時，其周

32、圍會產生一個磁場安培定理：電流流過一個導體時，其周圍會產生一個磁場 。65ai2H讀寫器天線讀寫器天線( (線圈）周圍的交變磁場線圈）周圍的交變磁場20 11Z0Z3 2222i N aarBH11Z02i NaBra時 211Z00Z32i N arBH電感線圈的交變電流電感線圈的交變電流法拉第定理：一個時變磁場通過一個閉合導體回路時，在法拉第定理：一個時變磁場通過一個閉合導體回路時，在其上會產生感應電壓，并在回路中產生電流。其上會產生感應電壓，并在回路中產生電流。66標簽天線（線圈）中感應電壓標簽天線（線圈）中感應電壓SraaitNStNtNvd2ddddddd23222102222B22

33、ddddvNtt2NSB d67 v2 標簽芯片 R2 C2 2v RL L2 標簽天線的等效電路模型標簽天線的等效電路模型201223 222dd2iN N a SivQtar 2012212z3/222cos22mN avQ N SItfN SQar B201z13/ 222cos2mN aItarB標簽芯片中直流電源電壓的產生機制標簽芯片中直流電源電壓的產生機制68讀寫器向標簽傳輸信息的產生機制讀寫器向標簽傳輸信息的產生機制互感耦合回路的等效阻抗互感耦合回路的等效阻抗6912111jZ IM IV1222j0M IZI1121122VIMZZ11222211j MVZIMZZl開關開關S

34、控制標簽芯片端口的調制電阻控制標簽芯片端口的調制電阻Rmod的接入與否，的接入與否，開關開關S的通斷由二進制數據編碼信號控制。的通斷由二進制數據編碼信號控制。l當二進制數據編碼信號為當二進制數據編碼信號為“1”時，設開關時，設開關S閉合，則此閉合，則此時應答器負載電阻為時應答器負載電阻為RL和和Rmod并聯；而二進制數據編碼信并聯；而二進制數據編碼信號為號為“0”時，開關時，開關S斷開，應答器負載電阻為斷開，應答器負載電阻為RL。l標簽負載電阻值有兩個對應值，即標簽負載電阻值有兩個對應值，即RL（S斷開時）和斷開時）和RL與與Rmod的并聯值的并聯值RL/Rmod（S閉合時）。閉合時）。70負

35、載調制負載調制電阻負載調制電阻負載調制71次級回路等效電路中的端電壓次級回路等效電路中的端電壓 2CD2f222Lm11jjVVRRLCR電阻負載調制傳輸信息的原理電阻負載調制傳輸信息的原理72 （ a ） 二二 進進 制制 數數 據據 編編 碼碼 信信 號號 （ b ） 應應 答答 器器 線線 圈圈 兩兩 端端 電電 壓壓 （ c） 閱閱 讀讀 器器 線線 圈圈 兩兩 端端 電電 壓壓 （ d ） 閱閱 讀讀 器器 線線 圈圈 兩兩 端端 電電 壓壓 解解 調調 （a）是標簽芯片中內存數）是標簽芯片中內存數據控制開關據控制開關S（二進制數據二進制數據編碼信號），編碼信號），（b）是標簽電感線

36、圈上的）是標簽電感線圈上的電壓波形，電壓波形，（c）是讀寫器電感線圈上）是讀寫器電感線圈上的電壓波形，的電壓波形，（d）是對讀寫器電感線圈）是對讀寫器電感線圈上的電壓解調后的波形。上的電壓解調后的波形。 電容負載調制電容負載調制開關開關S用于控制負載調制電容用于控制負載調制電容Cmod的接入與否，開關的接入與否，開關S的的通斷由二進制數據編碼信號控制通斷由二進制數據編碼信號控制73電容負載調制時初、次級回路的等效電路電容負載調制時初、次級回路的等效電路 74 電磁波從天線向周圍空間發射，到達目標的電磁波能電磁波從天線向周圍空間發射，到達目標的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部

37、分以不量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發射天線，稱其為回波。在雷達技術中，用這種反射返回發射天線，稱其為回波。在雷達技術中，用這種反射波測量目標的距離和方位。波測量目標的距離和方位。75 RFIDRFID系統中，利用電磁波反射完成從電子標簽到閱讀系統中，利用電磁波反射完成從電子標簽到閱讀器的數據傳輸，主要應用于器的數據傳輸，主要應用于915MHz915MHz、2.45GHz2.45GHz甚至更高頻甚至更高頻率的率的RFIDRFID系統中。工作過程可分為以下兩步：系統中。工作

38、過程可分為以下兩步：（1 1）標簽接收讀寫器發射的信號，其中包括已調制載波）標簽接收讀寫器發射的信號，其中包括已調制載波和未調制載波。當標簽接收的信號沒有被調制時，載波能和未調制載波。當標簽接收的信號沒有被調制時，載波能量全部被轉換為直流電壓，該電壓供給電子標簽內部芯片量全部被轉換為直流電壓，該電壓供給電子標簽內部芯片能量；當載波攜帶數據或者命令時，標簽通過接收電磁波能量；當載波攜帶數據或者命令時，標簽通過接收電磁波作為自己的能量來源，并對接收信號進行處理，從而接收作為自己的能量來源，并對接收信號進行處理，從而接收讀寫器的指令或數據讀寫器的指令或數據反向散射通信過程反向散射通信過程76（2 2

39、）標簽向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標簽發送未調）標簽向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標簽發送未調制載波，載波能量一部分被標簽轉化成直流電壓，供給標制載波，載波能量一部分被標簽轉化成直流電壓，供給標簽工作；另一部分能量被標簽通過改變射頻前端電路的阻簽工作；另一部分能量被標簽通過改變射頻前端電路的阻抗調制并反射載波來向讀寫器傳遞信息。抗調制并反射載波來向讀寫器傳遞信息。 RFIDRFID標簽的等效電路如圖所示，標簽的等效電路如圖所示，VoVo為天線接收的信號，為天線接收的信號，ZaZa表示天線表示天線的阻抗，的阻抗，Z ZT T表示標簽芯片的輸入阻表示標簽芯片的輸入阻抗。實現調制反射連續波（載波）

40、抗。實現調制反射連續波（載波）目的，目的， Z ZT T有兩種狀態：（有兩種狀態：（1 1） Z ZT1T1；（2 2） Z ZT2 T2 。反向散射調制反向散射調制77當標簽需要發送的信息為二進制當標簽需要發送的信息為二進制 “ “1”1”時，芯片的阻抗狀時，芯片的阻抗狀態為態為ZT1 ；當標簽需要發送的信息為二進制數；當標簽需要發送的信息為二進制數“0”0”時，芯時，芯片的阻抗狀態為片的阻抗狀態為ZT2 。兩種狀態下標簽返回讀寫器的信號為。兩種狀態下標簽返回讀寫器的信號為 S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 s(t)為標簽接收到的信號（連續波、載波）為標簽接收到的信號（連續

41、波、載波）當電子標簽芯片當電子標簽芯片輸入阻抗輸入阻抗采取采取不同不同的變化方式時，可以形成的變化方式時，可以形成不同不同的后向散射的后向散射調制方式調制方式，使，使得標簽返回的能量和進入標簽得標簽返回的能量和進入標簽的能量具有的能量具有不同的特性不同的特性。78（1）OOK調制方式調制方式(On-Off Keying, OOK)。在該方式。在該方式下，阻抗狀態為下，阻抗狀態為1時，完全反射；阻抗狀態為時，完全反射；阻抗狀態為2時完全匹時完全匹配，兩種阻抗狀態下標簽的反射系數的相位相同或相反。配，兩種阻抗狀態下標簽的反射系數的相位相同或相反。(2) BPSK調制方式調制方式(Binary Ph

42、ase Shift Keying, BPSK)。在該方式下，這兩種阻抗狀態有相同程度的失配，但在該方式下，這兩種阻抗狀態有相同程度的失配，但是這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相反。是這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相反。反向散射調制類型反向散射調制類型79（4）PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方式。該方式下，這兩種阻抗狀態有不同程）方式。該方式下，這兩種阻抗狀態有不同程度的失配，而且這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的度的失配，而且這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相反。相位相反。(3) 任意調制因子的任意

43、調制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）調制。在該方式下，這兩種阻抗狀態有著不同程度的失調制。在該方式下，這兩種阻抗狀態有著不同程度的失配，但是這兩種阻抗狀態下標簽的反射系數的相位相同。配，但是這兩種阻抗狀態下標簽的反射系數的相位相同。80P1：讀寫器發射的射頻功率：讀寫器發射的射頻功率G1：讀寫器天線的增益：讀寫器天線的增益R：RFID 標簽到讀寫器天線之間的距離標簽到讀寫器天線之間的距離EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)： 天線的有效全向輻射功率，天線的有效全向輻射功率， EIRP= P1G1。 在在RFID

44、標簽天線、讀寫器天線的最大輻射方向一標簽天線、讀寫器天線的最大輻射方向一致，并且極化方向相同時，致，并且極化方向相同時，RFID標簽吸收的射頻功率標簽吸收的射頻功率最大，并且與讀寫器發射信號的功率密度最大，并且與讀寫器發射信號的功率密度S成正比。成正比。讀寫器傳輸到標簽天線的電磁波功率讀寫器傳輸到標簽天線的電磁波功率 距離讀寫器距離為距離讀寫器距離為R的的RFID標簽處，讀寫器發射的電標簽處，讀寫器發射的電磁波功率密度：磁波功率密度：221144REIRPRGPS81G2：標簽的天線增益：標簽的天線增益RFIDRFID標簽天線接收到的讀寫器天線發射的射頻信號功率標簽天線接收到的讀寫器天線發射的

45、射頻信號功率Ae：RFID標簽天線的有效面積標簽天線的有效面積SAPeTag224GAe22TagR4EIRPSPGAe）（標簽反射回到讀寫器的射頻信號功率標簽反射回到讀寫器的射頻信號功率 RFID標簽返回到讀寫器天線的射頻信號功率與其標簽返回到讀寫器天線的射頻信號功率與其雷雷達散射截面達散射截面面積成正比。面積成正比。雷達散射截面雷達散射截面(Radar Cross section-RCS) 目標在單位立體角內向接收機處散射功率與入射波目標在單位立體角內向接收機處散射功率與入射波在目標上的功率密度之比的在目標上的功率密度之比的4倍倍. 表征了目標在電磁波照射下產生的回波信號強度。表征了目標在

46、電磁波照射下產生的回波信號強度。82 目標雷達散射面積大小取決于一系列的參數，既包含目標雷達散射面積大小取決于一系列的參數，既包含目目標本身的特性（標本身的特性（如大小、形狀、材料和表面結構），也包如大小、形狀、材料和表面結構），也包括其反射括其反射電磁波的特性電磁波的特性，如電磁波的波長和極化方向等。，如電磁波的波長和極化方向等。 RFID標簽在空間某個位置接收到讀寫器發射的電磁波標簽在空間某個位置接收到讀寫器發射的電磁波后，一部分被標簽吸收用于提供標簽芯片工作的能量，另后，一部分被標簽吸收用于提供標簽芯片工作的能量，另一部分被反射回到讀寫器天線。一部分被反射回到讀寫器天線。 RFID標簽反

47、射的電磁波功率：標簽反射的電磁波功率：221144REIRPRGPSPBack RFID標簽反射返回到讀寫器天線處的電磁波功率流密度：標簽反射返回到讀寫器天線處的電磁波功率流密度：42112Back)4(4RGPRPSBack83AW ：讀寫器接收天線的有效面積：讀寫器接收天線的有效面積224GAw G G2 2：讀寫器接收天線的增益：讀寫器接收天線的增益 上述分析中沒有考慮到讀寫器收發天線、標簽天線之上述分析中沒有考慮到讀寫器收發天線、標簽天線之間極化不匹配產生的功率損耗，空氣中雨露、塵埃對電磁間極化不匹配產生的功率損耗，空氣中雨露、塵埃對電磁波衰減產生的電磁波功率損耗等因素效應。波衰減產生

48、的電磁波功率損耗等因素效應。432211)4(RGGPASPwBackRX讀寫器天線接收到標簽反射的射頻信號功率讀寫器天線接收到標簽反射的射頻信號功率84反向散射通信（識別）距離反向散射通信（識別）距離 例：例：915MHz UHF915MHz UHF頻段無源超高頻頻段無源超高頻RFIDRFID系統的識別距離計算。系統的識別距離計算。85 有源有源RFID系統的電子系統的電子標簽自帶電池，當電子標簽標簽自帶電池，當電子標簽進入讀寫器的工作范圍后，進入讀寫器的工作范圍后，電子標簽主動地將存儲的識電子標簽主動地將存儲的識別信息別信息(ID)以電磁波的形式以電磁波的形式傳給讀寫器。傳給讀寫器。電 源

49、控制模塊CPU收發模塊RF天 線86SAWA RFIDSAWA RFID工作原理工作原理 聲表面波聲表面波（Surface Acoustic Wave-SAW）是沿物體表）是沿物體表面傳播的一種彈性波。面傳播的一種彈性波。聲表面波器件聲表面波器件 在壓電基片上制作的兩個在壓電基片上制作的兩個聲一電換能器（叉指換能器）。聲一電換能器（叉指換能器）。指換能器指換能器 在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現聲一電換能。金屬圖案，它的作用是實現聲一電換能。聲表面波器件工作原理聲表面波器件工作原理 輸入換能器通過逆壓電效應將輸

50、入的電信號轉變成聲輸入換能器通過逆壓電效應將輸入的電信號轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面傳播，最終由基片右邊的換能信號，此聲信號沿基片表面傳播，最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉變成電信號輸出。通過對在器（輸出換能器）將聲信號轉變成電信號輸出。通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理。壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理。87聲表面波器件的應用聲表面波器件的應用聲表面波帶通濾波器、延遲線、匹配濾波器、溫度傳感器、聲表面波帶通濾波器、延遲線、匹配濾波器、溫度傳感器、振蕩器和表面波卷積器等，其具有小型、可靠性高、一致振蕩器和表面波卷積器等，其具有小型、可靠性高、一致性好、多功能等優點，

51、在雷達、通信、空中交通管制、電性好、多功能等優點，在雷達、通信、空中交通管制、電子戰等領域得到廣泛的應用。子戰等領域得到廣泛的應用。聲表面波聲表面波RFID標簽及工作原理標簽及工作原理 聲表面標簽中輸入換能器與電子標簽的天線相連接，讀聲表面標簽中輸入換能器與電子標簽的天線相連接，讀寫器發送高頻詢問脈沖，電子標簽天線接收到的高頻脈沖寫器發送高頻詢問脈沖，電子標簽天線接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播到反通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播到反射器組，入射表面波部分反射返回到換能器，換能器又將射器組，入射表面波部分反射返回到換能器，換能器又將反射聲表面波脈沖串

52、轉變為高頻電脈沖串被讀寫器天線接反射聲表面波脈沖串轉變為高頻電脈沖串被讀寫器天線接收。若反射器組按某種特定的規律設計，使其反射信號表收。若反射器組按某種特定的規律設計，使其反射信號表示規定的編碼信息，讀寫器接收到的反射信號，通過解調示規定的編碼信息，讀寫器接收到的反射信號，通過解調與處理，實現自動識別的目的。與處理，實現自動識別的目的。系統組成系統組成電子標簽電子標簽讀寫器讀寫器中間件中間件8889天線天線：用來接收由用來接收由讀寫器讀寫器送來的信號，并把要求的數據送來的信號，并把要求的數據 回傳給回傳給讀寫器讀寫器電壓調節器電壓調節器：把由把由讀寫讀寫器送來的射頻信號轉換為直流電源器送來的射

53、頻信號轉換為直流電源 并經大電容存儲，再通過穩壓電路提供穩定電源并經大電容存儲，再通過穩壓電路提供穩定電源。調制器：調制器：邏輯控制電路送出的數據經調制電路調制后加載邏輯控制電路送出的數據經調制電路調制后加載 到天線返回給閱讀器。到天線返回給閱讀器。解調器：解調器：去除載波，取出調制信號。去除載波，取出調制信號。存儲單元存儲單元：包括包括EEPROMEEPROM和和ROMROM，作為系統運行及存放識別，作為系統運行及存放識別 數據的載體數據的載體。9091 讀寫器負責與標簽的雙向通信，同時接收來自主機系讀寫器負責與標簽的雙向通信，同時接收來自主機系統的控制指令。發射信號頻率決定了系統的工作頻段

54、，發統的控制指令。發射信號頻率決定了系統的工作頻段，發射信號功率決定了讀寫的有效距離射信號功率決定了讀寫的有效距離載體載體。92基本功能基本功能讀寫器應用程序接口讀寫器應用程序接口（APIAPI）允許程序登記和獲取允許程序登記和獲取RFIDRFID標簽讀取事件的應用程序接口，標簽讀取事件的應用程序接口，同時提供配置、監視以及管理讀寫器的能力同時提供配置、監視以及管理讀寫器的能力。通信通信讀寫器是中間設備，并且像其他讀寫器是中間設備，并且像其他RFIDRFID設備一樣，被連接到設備一樣，被連接到整個中間件網絡。通信部分用于處理網絡功能。整個中間件網絡。通信部分用于處理網絡功能。事件管理事件管理當

55、讀寫器發現標簽，稱此為觀測。當讀寫器發現標簽，稱此為觀測。事件事件管理定義了什么樣管理定義了什么樣的觀測被認為是事件，并且的觀測被認為是事件，并且決定對不同的事件進行不決定對不同的事件進行不同的處理。同的處理。天線天線天線系統包括一個或多個天線系統包括一個或多個天線天線，提供空中接口，提供空中接口93天線天線天線是發射設備，發射由射頻模塊產生的射頻信號；同時天線是發射設備，發射由射頻模塊產生的射頻信號；同時也是接收設備，接收從標簽發射回來的信號。天線是也是接收設備，接收從標簽發射回來的信號。天線是標簽和讀寫器的空中接口。標簽和讀寫器的空中接口。9495915MHz射頻模塊網絡處理器數字信號處理

56、模塊13.56MHz射頻模塊電源模塊射頻模塊射頻模塊射頻模塊通常完成控制與處理模塊傳送來的發送控制命令射頻模塊通常完成控制與處理模塊傳送來的發送控制命令的執行，其主要功能有兩項：的執行，其主要功能有兩項：p一個是將讀寫器將發往射頻標簽的命令調制到射頻信一個是將讀寫器將發往射頻標簽的命令調制到射頻信號上，經發射天線發送出去。號上，經發射天線發送出去。p二是對射頻標簽返回到讀寫器的回波信號進行解調，二是對射頻標簽返回到讀寫器的回波信號進行解調，并將處理后的回波基帶信號送往控制處理模塊。并將處理后的回波基帶信號送往控制處理模塊。96射頻模塊的組成包括：射頻模塊的組成包括：p頻率源電路：頻率源電路：用

57、于產生讀寫器載波調制的頻率信號用于產生讀寫器載波調制的頻率信號p調制調制/ /解調電路：解調電路：用于實現將想要發送的基帶信號調用于實現將想要發送的基帶信號調制到載波信號，并對接收已調射頻信號進行解調。制到載波信號，并對接收已調射頻信號進行解調。p功率放大電路：功率放大電路：用于實現將輸出到天線的射頻信號用于實現將輸出到天線的射頻信號放大到足夠的功率水平。放大到足夠的功率水平。p單天線收發分離電路：單天線收發分離電路：用于實現讀寫器發送與接收用于實現讀寫器發送與接收射頻信道的分離。射頻信道的分離。p信號放大、濾波、整形處理電路：信號放大、濾波、整形處理電路：用于處理解調后用于處理解調后的回波信

58、號。的回波信號。p收發控制電路：收發控制電路：用于控制射頻功率的輸出以及多天用于控制射頻功率的輸出以及多天線系統的功率分配。線系統的功率分配。97控制與處理模塊控制與處理模塊控制與處理模塊是讀寫器的智能單元，能實現發送信號的控制與處理模塊是讀寫器的智能單元，能實現發送信號的編碼，回波信號的解碼，差錯控制，讀寫命令流程策編碼，回波信號的解碼，差錯控制，讀寫命令流程策略控制，發送命令緩存，接收數據緩存，與后端應用略控制，發送命令緩存，接收數據緩存，與后端應用程序的接口協議實現，程序的接口協議實現，I/OI/O控制等。控制等。98控制與處理的組成包括：控制與處理的組成包括：pCPUCPU或或MCUM

59、CU（單片機）：（單片機）：智能處理單元，內裝控制程序智能處理單元，內裝控制程序pCPUCPU或或MCUMCU外圍接口電路：外圍接口電路：為為CPUCPU或或MCUMCU提供必要的存儲提供必要的存儲區和中斷控制器、區和中斷控制器、I/OI/O信號與信號與I/OI/O接口控制信號等。接口控制信號等。p信號加工、緩存等處理電路：信號加工、緩存等處理電路：對發送命令、接收回波對發送命令、接收回波信號進行編碼、解碼、緩沖存儲等。信號進行編碼、解碼、緩沖存儲等。p時鐘電路、看門狗電路：時鐘電路、看門狗電路：為為CPU/MCUCPU/MCU提供工作時鐘以提供工作時鐘以及系統自恢復功能。及系統自恢復功能。p

60、其他控制與接口電路：其他控制與接口電路：根據系統的功能，實現相應的根據系統的功能，實現相應的控制與接口預處理。控制與接口預處理。99控制與處理模塊控制與處理模塊I/OI/O接口模塊用于實現讀寫設備與外部傳感器、控制器以及接口模塊用于實現讀寫設備與外部傳感器、控制器以及應用系統主機之間的輸入與輸出通信。應用系統主機之間的輸入與輸出通信。常用的常用的I/OI/O接口類別有：接口類別有：pRS232RS232串行接口串行接口 標準串行通信接口，可實現雙向數據傳輸。標準串行通信接口，可實現雙向數據傳輸。pRS422/485RS422/485串行接口串行接口 標準串行接口同時支持遠距離通信采用差分數據傳