13.56MHz射频识别系统性能的优化

摘要：射频识别系统(RFID)提供了一种自动，准确，快速灵活的收集信息的方法，通过和Internet的结合，RFID技术能够实现信息的快速获取和传递，从而提高生产效率。然而，要使RFID得到更广泛的应用，RFID系统本身的性能有待进一步的提高，这些性能包括:工作距离，读写速度，可靠性和兼容性。列举和分析了一些制约RFID 系统性能的因素。并提出了一些优化RFID性能的措施。

关键词：射频识别；近场耦合；13. 56Mhz ；抗冲突

引言

射频识别，简称RFID，是一种具有广泛前景的自动识别技术。它拥有其他识别技术无可比拟的优点，如非接触，快速高效，安全，存储信息量大等特点，RFID系统在物流管理，票券，门禁，生产自动化， 畜牧等场合已经得到了成熟的应用。RFID更大的应用前景来自于商品零售业，随着其成本的不断降低，RFID电子标签将取代条形码成为新一代的商品标签。

一个最基本的RFID系统由以下三部分组成:标签(Tag):由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和阅读器之间传递射频信号。

电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。如图1 所示：
图1 　一个基本的RFID 系统结构

一个RFID系统的性能可以由以下几个方面来衡量：工作距离，读写速度，可靠性，兼容性和成本，这些性能一般受到电磁特性，无线电规则，通信协议，物理实现等具体因素的限制，并且这些因素之间相互制约。所以设计一个优秀的RFID系统必须综合考虑到这些因素，根据应用场合，选择合理的措施，以使系统尽量达到最好的性能。本文以工作在13.56MHZ的RFID系统为例，详细分析了这些约束条件，并提出了一些优化措施。

天线和电磁特性

模型描述
如引言所述，RFID标签一般为无源的形式，所以读写器除了发送必要的数据信息之外，还要起到给电子标签提供能量的作用，而且能够提供的能量大小是决定这个系统工作距离的重要因素，所以我们必须尽可能的提高供给能量的效率。对于工作在13.56MMHZ的RFID系统，当标签进入读写器的电磁场范围后，标签的天线上产生感应电压，并对存储电容充电，当电荷达到一定量后标签芯片开始工作。根据近场耦合理论，我们可以用电感变压器的模型来分析这个过程，在这个模型中，读写器的天线为主线圈，标签的天线为副线圈。我们可以用下面的等效电路来分析。如图2：
图2 　读写器和标签之间的等效电路图

读写器通过环形天线产生时变磁场B：


(1)式中，μ0 为自由空间的介电常数， I 为环形天线的电流，N 为环形天线的匝数，a 为线圈的半径，r 为距离环形天线中心的距离。那么标签的天线上感应的电压为：

(2) 式中N 为标签天线线圈的圈数，Φ 为穿过标签天线的总磁通量。Φ= ∫BdS ，B 为磁场强度，S 为天线的面积，现定义α为读写器天线产生的磁场强度B 和天线的面积S 的点积。当读写器的天线与标签的天线平行时，将得到最大的磁通量。所以标签天线上感应的最大电压为：



V ：标签线圈上的电压
N1：读写器天线的匝数
N2：标签天线的匝数
a：读写器线圈的半径
b ：标签线圈的半径
r：两线圈之间的距离
i ：经过读写器的线圈的电流
M：读写器和标签线圈的互感系数由(1) 、(3) 式得标签的线圈上感应的直流电压VDC：


　　其中，N 为标签线圈匝数，S 为环形天线的面积，Q 为标签谐振电路的质量因子，在(8) 式中有定义，B0为标签处的磁场强度，α为标签天线于磁场B的角度。另外，读写器天线的匝数NI 与磁场的关系如下所示：

　　由(5) 知，要增加读写距离，可以增加B 的大小。由(6) 知，可以通过增加NI来增加B ，但是这样实际上会造成一些负面影响。第一，增加NI ，增加了读写器的体积，降低了可移动性；第二，增加了成本；第三，增加了感性负载，造成的能量反射，降低了效率。所以我们在考虑NI 大小时，可以遵循这样一个原则，即若要求一定的操作距离，则对应一个Bmin 值，那么在保证Bmin 后，尽量减小NI的值。

谐振频率和品质因数Q
在图2 中，图右端为标签的等效电路，其谐振频率为f0：

　　品质因数Q 反映了一个谐振电路维持能量的能力，高的品质因数意味这小的能量损失，相反，小的品质因数意味着损失了更多的能量。在图2 中，Q 可以定义为：



(9) 式中的B 为调谐电路的带宽，后面将描述带宽B 的限制条件。

读写器的敏感度和噪声
除了电路的品质因子Q ，读写器和标签的天线方位，等效磁场强度这些因素外，读写器的读写距离还受到读写器的敏感度的影响，读写器接受的信号必然会受到噪声的干扰，读写器必须能够解调和译码出正确的信息。RFID 系统中的噪声一般分为三类：(1) 外部噪声，这是由于外界环境产生的一些噪声，如宇宙噪声； (2) 发射机噪声，读写器本身的振荡电路，调制电路等内部电路会产生噪声； (3)互扰噪声，多个读写器或多个标签之间会产生噪声干扰。根据读写器的编码译码，调制解调方式，读写器有一个能够译码的最小信噪比SNRmin ，如果接受信号受这些噪声干扰后其信噪比大于SNRmin ，读写器便能够正确的读取数据。

通信协议

读写器和标签之间的通信协议一般采取半双工的方式，而且读写器占据主导地位，即读写器先说，标签不会自己主动向读写器发送数据。通信协议中对读取速度影响最大的一部分是抗冲突算法，下面详细分析这个因素。

当多于一个的标签处于读写器的有效范围内时，这些标签可能会同时向读写器发送信息，那么各个标签发送的信号会相互干扰，以致读写器不能收到正确的信息。我们称这种现象为冲突，每次读取的标签的数目越多，就越容易发生冲突，系统性能会严重下降。因此我们必须设计出一种有效的抗冲突方法。

因为标签是无源的，而且要保证尽量不降低RFID 系统的工作距离，所以抗冲突算法必须消耗很小的功耗，还要尽可能的减少电路复杂度，减少对存储器的需求，从而实现低功耗和低成本的优化。在RFID 中的抗冲突算法中，大致可以分为三类:空分复用，频分复用，时分复用。空分复用受到了空间方位的严格约束，所以实用性不高；频分复用虽然效率高，但是对硬件的要求也很高，增加了系统的复杂度和成本，所以也很少采用。RFID 系统中最常采用的方法是时分复用。时分复用的方法又可以分为两类:一类是确定性时分复用，另一类是随机型时分复用。

第一类方法以TI 公司的Tag-it 系列为代表，每个标签有自己独一无二的UID 号，读写器在读取所有标签的存储数据前，先通过特定的命令读取所有标签的UID 号，然后针对某一UID(即某一标签) 发送命令。那么在同一时刻内只有一个标签在和读写器交换数据，自然不会产生冲突。第二类方法以Philips公司的I-code 系列为代表，这种方法类似于计算机网络中的时隙ALOLHA ，即读写器划分了N 个时隙，所有的标签随机的在某个时隙发送自己的数据，若读写器检测到冲突，即在这个时隙内有多个标签在发送信息，那么这些标签将被延时，冲突的标签将在下一个回合中再发送数据。若没有冲突，则标签的数据被正确接受，标签进入休眠状态。这样若干回合之后，所有标签的数据将被接受。

对于这两种方法，它们各有其优缺点。第二类方法在标签较少时，性能由于第二类方法，但当标签的数目较多时，第一类方法表现的更为出色。实际上我们可以综合这两种方法，提出一个折中的方案，从而更能适应各种变化的情形。下面我将阐述这种方法的思想。首先，我们也将标签的回复时间划分为N (N=2n)个时隙，这个N 值大小可以由读写器根据情况设定，若标签数目较多，则N 值设定大一点。然后读写器发送命令， 此命令包含一个mbit 的掩码MASK和时隙数N ，所有的标签在接受到这个含有MASK和N 值的命令之后，标签内部设计一个计数器Slot Counter ，其值设为N ，并开始计数，标签将自己的UID 号和(MASK+SLOT Counter) 做比较，若一致，则就在此时隙内发送自己的UID号。当读写器收集了标签的UID 号后，便开始针对某个UID 进行操作，读取需要的存储数据。

无线电规则

一般来说，RFID 系统的工作频率越高，其作用距离越远，这是因为标签上感应的电压和通过标签的天线的电磁场的强度直接相关，如式11 所示，B₀ 在(1) 中定义了，其值随1/ r³变化，因此，感应电压V 随f/r3变化，当要增加作用距离时，必须增加频率，其他的变量保持不变，FCC 限制13.56Mhz 的频带如下：载波频率的范围:13.56Mhz±0.01 %= ±1.356 Khz ；频带宽度: ±7 Khz；基波能量限制：10mV/ m ，在离发射机30m 处测量；谐波分量：低于基波- 50.45dB。

小结

综上所述，一个RFID 系统的性能主要受下面一些因素的影响：
(1) 天线的工作频率和性能
(2) 调谐电路的品质因子
(3) 天线的方位
(4) 振荡电流
(5) 接受器的敏感度
(6) 编码和译码算法
(7) 防冲突的算法
(8) 工作环境

因素(1-3) 由天线的结构和调谐电路的参数决定，因素(4 - 5) 由读写器的设计参数决定，因素(6) 由RFID 系统的通信协议决定，因素(7) 和软件设计相关，因素(8) 的干扰无法避免。可以通过读写器的接发端加入一个中心频率为载波频率的带通滤波器来抑制噪声的影响，若是白噪声的情况下，可以通过取平均值来降低噪声的影响。随着RFID 技术的不断完善，RFID 系统将在我们的周围扮演更重要的角色。