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RFID基础(一)射频标签的标准
时间:2011年04月20日 

射频标签的标准是标签芯片设计的依据,世界上目前跟RFID有关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准,ISO11785(低频),ISO/IEC 15693标准(13.56MHz),ISO/IEC 14443标准(13.56MHz)等,下面我们就ISO14443、15693、18000三个体系分析和比较。

1. 低频段射频标签

    低频标签的应用有:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。与低频标签相关的国际标准有:ISO11784/11785(用于动物识别)、ISO18000-2(125-135 kHz)。

    低频段射频标签,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有:125KHz, 133KHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。

2. 中高频段射频标签

   中频标签由于可方便地做成卡状,应用包括:电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。相关的国际标准有:ISO14443、ISO15693、ISO18000-3(13.56MHz)等。

    中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。典型工作频率为:13.56MHz。该频段的射频标签,从射频识别应用角度来说,因其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类中。另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签,因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念,即不会在此造成理解上的混乱。为了便于叙述,我们将其称为中频射频标签。

    中频标准的基本特点与低频标准相似,由于其工作频率的提高,可以选用较高的数据传输速率。射频标签天线设计相对简单,标签一般制成标准卡片形状。

3. 超高频与微波标签

超高频与微波频段的射频标签,简称为微波射频标签,其典型工作频率为:

433.92MHz,862(902)~928MHz,2.45GHz,5.8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时,射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。

相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m,典型情况为4~6m,最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。 

以目前技术水平来说,无源微波射频标签比较成功产品相对集中在902~928MHz工作频段上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电,具有较远的阅读距离。

微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用,读写器的发射功率容限,射频标签及读写器的价格等方面。典型的微波射频标签的识读距离为3~5m,个别有达10m或10m以上的产品。对于可无线写的射频标签而言,通常情况下,写入距离要小于识读距离,其原因在于写入要求更大的能量。

微波射频标签的典型应用包括:移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。相关的国际标准有:ISO10374,ISO18000-4(2.45GHz)、-5(5.8GHz)、-6(860-930 MHz)、-7(433.92 MHz),ANSI NCITS256-1999等。


 ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作,单个系统于1999年进入市场,两项标准的完成则是在2000年之后。二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率:ISO15693读写距离较远,当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关;而ISO 14443 读写距离稍近,但应用较广泛,目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。

    ISO14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议。通信速率为106kbits/s,它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。

    从PCD向PICC传送信号时,TYPE A采用改进的Miller编码方式,调制深度为100%的ASK信号;TYPE B则采用NRZ编码方式,调制深度为10%的ASK信号。

    从PICC向PCD传送信号时,二者均通过调制载波传送信号,副载波频率皆为847KHz。TYPE A采用开关键控(On-Off keying)的Manchester编码;TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。


TYPE B与TYPE A相比,由于调制深度和编码方式的不同,具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。 

    ISO 15693标准规定的载波频率亦为13.56MHz,VCD和VICC全部都用ASK调制原理,调制深度为10%和100%,VICC必须对两种调制深度正确解码。

    从VCD向VICC传送信号时,编码方式为两种:“256出1”和“4出1”。二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制深度无关。当“256出1”编码时,10%的ASK调制优先在长距离模式中使用,在这种组合中,与载波信号的场强相比,调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对IC卡提供能量。与此相反,阅读器的“4出1”编码可和100%的ASK调制的组合在作用距离变短或在阅读器的附近被屏蔽时使用。

    从VICC向VCD传送信号时,用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开。而副载波本身在Manchester编码数据流的时钟中进行调制,使用ASK或FSK调制。调制方法的选择是由阅读器发送的传输协议中FLAG字节的标记位来标明,因此,VICC总是支持两种方法:ASK(副载波频率为424KHz)和FSK(副载波频率为424/484KHz)。数据传输速率的选择同样由FLAG中的位来表明,而且必须两种速率都支持:高速和低速。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同,采用单副载波时低速为6.62kbits/s,高速为8kbits/s;采用双副载波时则分别为6.67kbits/s和26.69kbits/s。

     可见,ISO 15693应用更加灵活,操作距离又远,更重要的是它与ISO 18000-3兼容,了解ISO 15693标准对将来了解我国的国家标准是有助益的,因为我国的国家标准肯定会与ISO 18000大部分兼容。

     如果在同一时间段内有多于一个的VICC或PICC同时响应,则说明发生冲撞。
RFID的核心是防冲撞技术,这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同:前者是基于位冲撞检测协议,而TYPE B通过系列命令序列完成防冲撞;ISO 15693 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制,在标准的第三部分有详细规定。

     防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能,只用算法编程,读头即可自动选取其中一张卡进行读写操作。这样既方便了操作,也提高了操作的速度。

     如果与硬件配合,可用一些算法快速实现多卡识别,比如TI公司的R6C接口芯片有一个解码出错指示引脚,利用它可以快速识别多卡:当冲撞产生时引脚电平发生变化,此时记录下用来查询的低UID位,然后在此低位基础上增加查询位数,直到没有冲撞发生,这样就可以识别出所有卡片。

ISO14443 标准中的非接触型智能卡Type A 释义

Type A 是由Philips(Siemen)等半导体公司最先首次开发和使用。在亚洲等地区,Type A 技术和产品占据了很大的市场份额。其主要原因是由于亚洲等区域是一个非常年轻、尚待非接触智能卡技术市场开发、机遇繁多的、被欧洲一些著名智能卡公司忽略了的区域。代表Type A 非接触智能卡芯片主要有:

Mifare Light (MF1 IC L10 系列)、MIFARE1 (S50 系列、内置ASIC)、Mifare2 (即:Mifare Pro) (MF2 ICD8x 系列:接触/非接触双接口系列、内置兼容Intel18051的微处理控制器MCU)等。相应的Type A 卡片读写设备核心ASIC 芯片,以及由此组成的核心保密模块MCM(Mifare Core module)的主要代表有:RC150、RC170、RC500 等,以及MCM200、MCM500 等。所以,总体来说,Type A 技术的确是一个非常优秀的非接触技术,设计简单扼要,应用项目的开发周期可以很短,同时又能起到足够的保密作用,可以适用于非常多的应用场合。

ISO14443 标准中的非接触型智能卡Type B 释义

Type B 是一个开放式的非接触式智能卡标准。所有的读写操作可以由具体的应用系统开发者定义。正因为这一点,它可以被世界上众多的智能卡厂家所广泛接受。正由于Type B 具有开放式特点,所以每个厂家在具体设计、生产其本身的智能卡产品时,将会把其本身的一些保密特性融入其产品中,例如加密的算法,认证的方式等等。Type A 和 Type B 之间的比较:

Type A

Type B

副载波频率fs

847.5 kHz(13.56MHz/16)

副载波频率fs

847.5 kHz(13.56MHz/16)

Manchester

(bit encoding)

具有较低的信噪比SNR(读写器一方)

BPSK

(bit encoding)

具有较高的信噪比SNR(读写器一方)

防冲突特性(Anti Collision)可以控制在位(bit)层次上

防冲突特性(Anti Collision)只能控制在信息(message)层次上,而不是位(bit)层次上(比Type A 差)

对于用软件来实现编码技术(bit encoding)来说太快,需要使用硬件电路严实现位编码/解码

几乎都用软件来直接实现位编码/解码技术(bit encoding),不需要使用硬件电路来实现位编码/解码

数据速度

106 Kbps

数据速度

106 Kbps