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RFID阅读器芯片设计及通讯算法研究

童乔凌  
【摘要】: 射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过电磁波或电感耦合方式在阅读器与标签之间进行通讯,以完成对目标对象的自动识别。RFID系统由阅读器、标签和后端数据处理系统组成。阅读器作为整个RFID系统的核心,随着RFID技术的不断推广,其需求量增长速度较快。使用高性能的分立器件和模块设计而成的阅读器成本较高,而单芯片阅读器可以有效降低阅读器成本、功耗和体积,因此高性能、低成本的阅读器芯片设计具有重要的意义。 随着RFID应用规模的扩大,需要阅读器快速识别成百上千个目标,防碰撞算法可以有效解决多标签之间的碰撞问题,是实现RFID多目标识别的关键技术。同时,阅读器和标签之间的无线通信带来的安全隐患,需要通过阅读器和标签之间的交互安全认证协议及加密算法来解决。防碰撞算法与加密算法是RFID系统通讯的主要算法,其研究工作具有重要的意义。 阅读器的成本、多目标识别速率、RFID系统安全已经成为限制RFID发展的技术瓶颈。本文的研究内容围绕着这些关键问题展开,重点研究阅读器的芯片设计、防碰撞算法、安全认证协议及加密算法等关键技术。 本文首先从射频识别的理论基础出发,推导了阅读器的天线模型,给出了近场和远场的工作条件,并在此基础上建立了RFID系统的能量和信号传输模型。着重分析了近场模式下电感耦合模型和负载信号调制模型,为之后的芯片电路设计提供了完整的理论模型。 根据理论模型进行阅读器芯片的设计,依据RFID通讯协议和阅读器的功能要求,确立了高频阅读器射频前端的体系架构,将接收电路划分为解调电路、带通滤波器、可变增益放大器、脉冲整形电路等四个模块。根据标签芯片负载调制信号的特点,通过对传统解调电路的比较和分析,提出一种低功耗、低成本的基于开关电容的采样电路,将信号分成I、Q两路采集,通过相位错开的采样方法成功的在正交采样时高效的滤除载波信号。为了有效滤除噪声,电路在采样电路和可变增益放大器之后分别加入了带通滤波器,并根据信号噪音的特点采用了不同的电路设计。脉冲整形电路采用了施密特触发器结构,将信号整形的同时,增大了输出驱动能力。最后对每个具体的电路模块进行分析和设计,并采用中芯国际0.35μm嵌入式EEPROM工艺库,在各个场强、温度和工艺角对电路进行了仿真验证。 在RFID通讯算法方面,为解决阅读器读取标签时的碰撞问题,提出了一种基于贝叶斯估计和二叉树分裂的动态帧时隙ALOHA算法,在算法中采用了标签最优分组、最优帧长选择和碰撞时隙的二叉树分裂三种策略来提高系统吞吐率。动态分组策略采用“位屏蔽”的方式对标签进行分组,避免标签数量过多而产生的冲突。贝叶斯估计的方法将先前帧的信息保留作为当前帧的先验信息,同时利用阅读器在当前帧收集的信息,能够克服标签选取时隙带来的随机性,精确估计标签个数。针对发生碰撞的时隙采用二叉树分裂策略,将碰撞时隙分割为部分子时隙,发生碰撞的标签随机与阅读器进行通讯,兼容了ALOHA算法和二叉树搜索算法的优点,突破传统ALOHA算法吞吐率的瓶颈。 根据RFID安全认证协议对伪随机数的要求,采用了随机化参数的伪随机数发生器,提高了伪随机数的几乎不可预测性。提出了基于随机参数的伪随机数发生器的安全认证协议,介绍了协议架构,一次性口令的实现,以及实现低功耗要求的数学方法,为解决提高RFID安全认证等级和降低标签电路复杂度和功耗的矛盾提供了新思路。 总之,本文为RFID阅读器芯片提供了完整的电路设计,为阅读器与标签之间的通讯算法提供了创新的理论成果。


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