超高频RFID标签芯片模拟前端电路关键技术及通讯算法的研究

摘要

射频识别（简称 RFID）系统是一种通信技术，以无线电磁波为载体，无需建立机械等接触方式，就能实现数据读取和目标识别。作为系统关键技术的阅读器，承担系统与标签间的数据传输职责。随着 RFID功能的不断完善和应用领域的逐渐扩大，其市场需求量呈现爆炸式增长。
　　随着 RFID应用范畴的扩大，人们对阅读器的功耗、集成和体积等方面提出了更高要求，期待阅读器在识别标签速度、数量、成功率等方面取得重大突破。对于任何信息系统而言，安全性是影响系统应用的一个关键因素，RFID系统采用无线通讯方式，存在安全风险。为保证 RFID系统的安全通信，需要采用一定认证加密机制，以确保读写器和标签之间的安全数据通信。
　　本文首先根据电磁波理论和麦克斯韦方程，建立了无线信号和能量的传输模型，为系统分析及构建 RFID系统奠定理论基础。同时，还简要介绍了射频识别系统标准和标签芯片结构。然后分析了RFID系统标签芯片的框架及工作原理，然后分别对标签芯片的一些主要模块进行基础理论的研究及设计，主要包括：研究整流电路的理论研究，并设计了一种基于 Dickson的整流电路；研究了基于亚阈值区工作的基准源，并设计了基准稳压电路。研究 ASK调制解调理论，设计了用于UHF RFID标签的ASK解调器，设计了基于环形振荡器且具有自适应补偿机制的时钟产生电路，另外，利用电平比较原理和电容的充放电原理来实现了上电复位电路。最后，使用Cadence Spectre仿真软件对各电路模块进行了仿真，运行结果显示文中设计的电路满足设计要求。
　　在 RFID通讯算法方面，为解决阅读器读取标签时的碰撞问题，在分析现有防碰撞算法的基础上，提出一种标签动态分组的自适应时隙防碰撞算法，引入密度函数和马氏距离，分布解决分组过程中的初始聚类中心和样本相似度问题。算法中利用模糊c均值聚类方法，有效解决了标签分组和组内标签序号唯一分配的问题，从而实现了动态的调整阅读器帧时隙，兼容传统算法的优点。该算法在识别成功率和算法用时两个方面，优于传统动态二叉树算法和动态 ALOHA算法，提升防碰撞算法的时隙利用率。
　　针对RFID安全协议问题，本文提出一个基于 Montgomery曲线的“广义签密算法”，并运用于 RFID系统之中，可灵活地切换签密、签名和加密模式，实现了标签和读写器之间的双向认证和消息加密；采用逆向思维模式，由标签担任“安检员”的角色，检验读写器身份的合法性，有效避免RFID计数攻击的安全问题；对于标签 ID，重点加强重放和追踪等多方面的安全措施，如计数器、ID的匿名等，以保证标签 ID数据和系统底层数据库中的数据同步。安全性分析和实验表明，该方案能有效地抵抗RFID面临的多种攻击，具有一定的效率优势。
　　总之，本文在 RFID标签芯片模拟前端电路的关键技术方面进行了详细的研究，并用实验从不同角度加以测试。同时，为阅读器与标签之间的通讯算法提供了创新的理论成果。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 论文的组织结构

第2章 RFID理论及标签工作原理研究

2.1 RFID系统工作原理

2.2 RFID标签芯片结构

2.3 本章小结

第3章 标签芯片模拟前端电路关键技术研究

3.1 电源管理电路

3.2 低功耗时钟电路技术研究

3.3 通信链路

3.4 模拟前端测试

3.5 本章小结

第4章 防碰撞算法的分析与研究

4.1 标签防碰撞算法简要分析

4.2 新型标签分组算法

4.3 仿真及分析

4.4 本章小结

第5章 基于广义签密的RFID安全协议

5.1 相关理论知识

5.2 基于Montgomery 曲线的ECDSA广义签密算法

5.3 基于SC-mECDSA的RFID安全协议

5.4 本章小结

结论

1 总结

2 本文主要创新点

3. 未来工作展望

参考文献

致谢

附录