無線射頻識別技術

無線射頻識別技術（ＲＦＩＤ）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間電磁耦合傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。

射頻識別系統一般由兩個部分組成，即非接觸ＩＣ卡（應答器Ｔａｇ）和閱讀器（讀頭Ｒｅａｄｅｒ）。在無線射頻識別的實際應用中，非接觸ＩＣ卡附著在被識別的物體上，當非接觸ＩＣ卡通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將非接觸ＩＣ卡中的約定識別信息取出來，從而實現自動識別物品或自動收集物品標志信息的功能。

無線射頻識別技術的分類

根據非接觸ＩＣ卡的供電形式可分為有源系統和無源系統兩種。有源射頻非接觸ＩＣ卡使用非接觸ＩＣ卡內電池的能量，識別距離較長，可達幾十米甚至上百米，但是它的壽命有限并且價格較高。無源射頻非接觸ＩＣ卡不含電池，利用耦合的閱讀器發射的電磁場能量作為自己的能量，識別距離較短，一般是幾厘米到幾十厘米，它的重量輕，體積小，壽命長，價格便宜，可以制成各種各樣的薄卡或鈕扣卡。

根據非接觸ＩＣ卡的工作頻率可分為低頻、高頻及超高頻和微波系統。低頻系統一般工作在１００－５００ｋＨｚ，常見的工作頻率有１２５ｋＨｚ，１３４．２ｋＨｚ；高頻系統工作在１０－１５ＭＨｚ之間，常見的高頻工作頻率為１３．５６ＭＨｚ；超高頻工作頻率為８５０－９６０ＭＨｚ，常見的超高頻工作頻率為９１５ＭＨｚ；微波工作在２．４－５ＧＨｚ的微波段。低頻系統用于小數據量的應用中；高頻系統用于傳送大數據量的應用中；超高頻系統應用于需要較長的讀寫距離和較高的讀寫速度的場合。

根據非接觸ＩＣ卡的可讀寫性分為只讀和讀寫兩種。只讀非接觸ＩＣ卡內部只有只讀存儲器（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ，ＲＯＭ）。ＲＯＭ用于存儲程序和數據，其中的信息無法更改，只能輸出；可讀可寫非接觸ＩＣ卡內部的存儲器由ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ（電可擦除存儲器）組成，這種存儲器在加電的情況下，可以實現對原有數據的擦除以及數據的重新寫入。

無線射頻識別技術基本原理

無線射頻識別技術涉及很多領域，有多種技術方案，我們以工作頻率為１３．５６ＭＨｚ，符合ＩＳＯ１４４４３國際標準的ＴｙｐｅＢ類非接觸ＩＣ卡技術方案為例，描述無線射頻識別系統的基本架構和原理。

為了讀出或寫入數據，必須在非接觸ＩＣ卡和閱讀器之間能夠傳輸數據。非接觸ＩＣ卡和閱讀器通過各自的天線構建起二者之間非接觸無線射頻識別技術基本原理傳輸通道。數據傳輸使用半雙工的方法，即從非接觸ＩＣ卡到閱讀器的數據傳輸與從閱讀器到非接觸ＩＣ卡的數據傳輸是交替進行的。

１、非接觸ＩＣ卡的能量供應

非接觸ＩＣ卡是用一個電子數據作載體，通常由單個微型芯片以及用作天線用的大面積的線圈等組成。在這個數據載體上，存儲的數據量可達數千字節。

非接觸ＩＣ卡幾乎都是無源工作的。這意味著微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，這種電磁場穿過非接觸ＩＣ卡線圈橫截面和線圈周圍的空間。我們可以把非接觸ＩＣ卡到閱讀器天線的距離間的電磁場當作簡單的交變磁場來對待。

發射磁場的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的非接觸ＩＣ卡天線線圈，通過感應，在非接觸ＩＣ卡的天線線圈上產生一１非接觸ＩＣ卡的能量供應個電壓Ｕｉ。將其整流后作為數據載體（微型芯片）的電源。將一個電容Ｃｒ與閱讀器的天線線圈并聯，構成一個并聯諧振電路，將電路的諧振頻率調到１３．５６ＭＨｚ。該回路諧振時，閱讀器天線線圈產生非常大的電流，這種方法可用于產生供遠距離非接觸ＩＣ卡工作所需要的場強。

非接觸ＩＣ卡的天線線圈和電容Ｃ１構成振蕩回路，調諧到閱讀器的發射頻率。通過該回路諧振，非接觸ＩＣ卡線圈上的電壓Ｕ達到最大值。

兩個線圈的結構也可以解釋作變壓器（變壓器的耦合），變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和非接觸ＩＣ卡之間的功率傳輸效率與工作頻率與非接觸ＩＣ卡線圈的匝數、被非接觸ＩＣ卡線圈包圍的面積、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。

２、非接觸ＩＣ卡至閱讀器的數據傳輸

如果把非接觸ＩＣ卡放入閱讀器天線的交變磁場中，那么非接觸ＩＣ卡就從磁場取得能量。閱讀器中射頻電路可以通過電路內阻Ｒｉ上的壓降測得非接觸ＩＣ卡的附加功耗。非接觸ＩＣ卡天線上的負載電阻的接通和斷開促使閱讀器天線上的電壓發生變化，實現用遠距離非接觸ＩＣ卡對閱讀器天線電壓進行振幅調制。如果人們通過數據控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數據就能從非接觸ＩＣ卡傳輸到閱讀器。這種數據傳輸方式稱作負載調制。

由于閱讀器天線與非接觸ＩＣ卡天線之間的耦合很弱，閱讀器天線上表示有用信號的電壓波動在數量級上比閱讀器的輸出電壓小。實踐中，對１３．５６ＭＨｚ的系統來說，當閱讀器天線上的電壓為１００Ｖ時，只能得到大約１０ｍＶ的有用信號。檢測這些很小的電壓變化需在電路上花費巨大開銷，為解決這個問題，人們利用有非接觸ＩＣ卡天線電壓振幅調制所產生的調制波邊帶。如果非接觸ＩＣ卡的附加負載電阻以很高的時鐘頻率ｆｈ接通或斷開，那么在閱讀器發送頻率＋／－ｆｈ的距離上產生兩條頻譜線，它們是容易檢測到的。這種新的頻率稱作副載波。

通過使用副載波的負載調制，在閱讀器天線上能產生在工作頻率１３．５６ＭＨｚ兩側的兩條調制波邊帶。通過在兩個頻率１３．５６＋／－ｆｈ之一的帶通濾波器，這兩條調制波邊帶可以與閱讀器的較強的信號分開，在放大后，可以很容易地解調副載波信號。

３、數據傳輸協議和方式

閱讀器和非接觸ＩＣ卡之間相互通信是由閱讀器啟動的，閱讀器先進行信號編碼生成基帶編碼信號，再將編碼信號調制到發射頻率１３．５６ＭＨｚ上，通過天線發送出去；非接觸ＩＣ卡天線接收１３．５６ＭＨｚ載波信號，由解調器解調從載頻中恢復基帶編碼信號，３數據傳輸協議和方式譯碼電路再從基帶編碼信號中恢復原來的信息。

在ＴｙｐｅＢ非接觸卡系統中，編碼和調制是按表１所示規定進行的。

４、數據完整性

使用非接觸卡技術傳輸數據時，很容易遇上干擾，使傳輸數據發生改變從而導致傳輸錯誤。通常采用數據查錯與糾錯算法來解決。

常采用的方法有奇偶校驗，縱向沉余校驗，循環沉余校驗等。這些方法用于識別傳輸錯誤，并啟動校正措施，或者舍棄錯誤傳輸的數據，或者要求重新傳輸有錯誤的數據塊。

在射頻識別系統工作時，在閱讀器的作用范圍內，可能會有多個非接觸ＩＣ卡同時存在。為防止非接觸ＩＣ卡的數據相互沖突而不能讀出，閱讀器會啟動防碰撞機制，選取其中之一建立通信連接，保證通信順利地進行。防碰撞技術和糾錯算法使數據通信質量得到保證。

５、數據安全性

為了保證數據安全，現在很多的射頻識別系統，采用了密碼功能單元來防止惡意對存儲器的讀寫。對存儲區的訪問，須經過閱讀器和非接觸ＩＣ卡之間的認證。對４數據完整性５數據安全性稱相互認證是建立在國際標準ＩＳＯ９７９８－２“三通相互認證”的基礎上的，其間，雙方在通信中相互檢驗另一方的密碼。

相互認證的過程從閱讀器發送“查詢口令”給非接觸ＩＣ卡開始。非接觸ＩＣ卡產生一隨機數Ｒａ，并回送給閱讀器。閱讀器則產生一隨機數Ｒｂ，并使用共同的密鑰Ｋ和共同的密碼算法ｅｋ，算出一個加密的數據塊Ｔｏｋｅｎ１，將此數據塊發送給非接觸ＩＣ卡。

Ｔｏｋｅｎ１＝ｅｋ（Ｒｂ｜｜Ｒａ｜｜Ｉｄａ｜｜電文１）

非接觸ＩＣ卡譯碼接收到Ｔｏｋｅｎ１，并將從明碼報文中取得的隨機數Ｒａ＇與原先發送的隨機數Ｒａ相比較。如果兩數一致，則非接觸ＩＣ卡確認兩個共有的密碼是一致的。非接觸ＩＣ卡另行產生一個隨機數Ｒａ２，同時算出加密的數據塊Ｔｏｋｅｎ２。

Ｔｏｋｅｎ２＝ｅｋ（Ｒａ２｜｜Ｒｂ｜｜密文２）

閱讀器將Ｔｏｋｅｎ２譯碼，檢查原先發送的Ｒｂ與剛收到的Ｒｂ＇是否一致。如果兩個隨機數一致，則閱讀器也證明了兩個共有的密碼是一致的。于是，非接觸ＩＣ卡和閱讀器均已查實屬于共同的系統，雙方更進一步的通信可以進行。