CN102117398A - 一种超高频无源射频识别阅读器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高频无源射频识别阅读器，主要由频率合成器、与该频率合成器相连接的上变频混频器和下变频混频器，以及分别与上变频混频器和下变频混频器相连接的收发分离器组成，其特征在于，所述的频率合成器还与真随机数生成器相连接。本发明由真随机数生成器来控制跳频，其每一次频率跳变的工作信道均由真随机数决定。由于真随机数不是由算法计算产生，而是来源于物理随机性，因此该随机数具有不可预测性。本发明有效地克服了普通采用伪随机数跳频的超高频射频阅读器在同一区域内容易发生碰撞的缺陷。同时有效地克服了普通采用伪随机数跳频的射频识别阅读器容易被敌意跟踪干扰的缺陷。

Description

一种超高频无源射频识别阅读器

本申请为分案申请，原申请的申请号：200910060311.6；申请日：2009年8月10日；发明创造名称：一种超高频无源射频识别阅读器及其跳频方法。

技术领域

本发明涉及一种射频识别阅读器，具体是指一种超高频无源射频识别阅读器。

背景技术

超高频无源射频识别（RFID）系统主要包括阅读器和无源标签两大部分。无源标签不需要电池，而是从阅读器发射的电磁波中获得能量，以反向散射电波向阅读器发送数据，通信距离可达10米左右。阅读器与标签之间的空中接口标准包括ISO/IEC 18000-6A、6B、6C等。全球不同地区为超高频射频识别系统划分的通信频率范围略有不同，但都在840～960MHz之间，并划分为多个通信信道。例如适用于北美地区的FCC规范分配的频率范围为902～928MHz，共划分为52个信道，每个信道占据500kHz的带宽。在通信频段范围内，可能存在各种干扰，例如GSM手机的干扰以及其它阅读器的干扰。阅读器采用跳频技术，使工作频率在不同的信道之间跳变，以避开有干扰的信道，寻找干扰较小的信道进行通信。

目前所采用的跳频技术均为伪随机跳频，所谓的伪随机跳频是指根据伪随机算法计算产生的伪随机数作为信道编号，决定下一次工作频率跳变到的信道。然而，伪随机数是由算法产生的，具有确定性，其生成的随机数是可预测的。因此伪随机数不是真正的随机数，特别是在同一个区域内有多个阅读器工作时，采用相同伪随机算法的阅读器（例如同品牌的阅读器）由于跳频规律相同，一旦发生一次碰撞（跳到相同信道），随后就会连续发生碰撞，从而导致阅读器不能正常工作。同时，伪随机跳频的规律也容易被破解，在战争等特殊时期，跳频规律被破解后，再加上超高频无源射频识别系统跳频速度慢，一般只能达到每秒数十跳，因此很容易被敌意跟踪干扰，形成拒绝服务攻击，使射频识别系统无法正常工作，对于军事物流等应用具有破坏性的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服目前超高频无源射频识别阅读器采用伪随机跳频方法所存在的伪随机数可预测，在同一区域内多台阅读器之间容易发生相互碰撞，以及容易被恶意跟踪干扰的缺陷，提供一种结构简单、能有效克服在同一区域内多台阅读器之间存在碰撞，以及容易被恶意跟踪干扰的超高频无源射频识别阅读器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种超高频无源射频识别阅读器，主要由频率合成器、与该频率合成器相连接的上变频混频器和下变频混频器，以及分别与上变频混频器和下变频混频器相连接的收发分离器组成，所述的频率合成器还与真随机数生成器相连接。

进一步地，所述的真随机数生成器由产生方波的RC多谐振荡器、以及将该方波的相位噪声转换成真随机数的单片机组成，且该RC多谐振荡器的输出端与单片机的一个设置为边沿触发中断的端口相连接。

当采用RC多谐振荡器及单片机组成真随机数生成器时， RC多谐振荡器应独立于单片机的时钟振荡器。

另外，所述的单片机支持一个端口被设置为边沿触发中断，并包含定时器。单片机通过中断接收RC多谐振荡器产生方波的相位变化。单片机中运行的嵌入式软件利用定时器记录中断时间，并进一步把该时间的随机变化转换为随机数。

为了满足不同情况下的需求，所述的收发分离器可为环行器或耦合器。

一种由超高频无源射频识别阅读器所实现的跳频方法，主要包括以下步骤：

（1）由RC多谐振荡器生成方波，并触发单片机进入中断程序；

（2）判断随机数缓冲区中数据是否已经存满？否，则读取单片机内部定时器时间；是，则直接执行步骤（4）；

（3）根据步骤（2）中所读取的定时器时间值生成随机数，并将该随机数保存到随机数缓冲区；

（4）判断系统是否达到跳频时间？是，则执行步骤（5）；否，则退出中断程序；

（5）判断随机数长度是否足够作为新的信道编号？是，则执行步骤（6）；否，则退出中断程序；

（6）从随机数缓冲区中取得随机数作为新的信道编号，并判断该信道编号与当前工作的信道编号是否相等？如果相等，则重新执行步骤（5）；不相等，则控制频率合成器切换到新的信道，并退出中断。

进一步地，上述步骤（3）中根据所读取的定时器时间值生成随机数是指：根据所读取的定时器时间值的奇偶性生成随机数，或根据多次读取的时间进行运算后得到的值生成随机数，或根据同余法生成随机数。

为了更好的实现本发明，所述的根据所读取的定时器时间值的奇偶性生成随机数是指：该定时器时间值为奇数则生成1，是偶数则生成0；或者该定时器时间值为奇数则生成0，是偶数则生成1。

所述的根据多次读取的时间进行运算后得到的值生成随机数是指将前后两次的时间相减，并根据其差值的奇偶性生成随机数，如果为奇数则生成1，是偶数则生成0；或者是奇数则生成0，是偶数则生成1。

所述的根据同余法生成随机数是指将所读取的时间值除以同一个值M，并将所得的余数作为随机数，其中，M的取值大于或等于2。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

（1）本发明由真随机数生成器来控制跳频，其每一次频率跳变的工作信道均由真随机数决定。由于真随机数不是由传统的算法计算产生，而是由随机物理过程产生，因此该随机数具有不可预测性。这样本发明就有效地克服了传统的伪随机数跳频具有可预测性的缺陷，能有效的防止阅读器在同一区域内发生碰撞。

（2）由于本发明所生成的真随机数具有不可预测性，因此采用真随机数跳频也是无规律的，从而使得敌意跟踪式干扰成为不可能，这对于军事物流等应用具有重大意义。

（3）本发明充分考虑超高频射频识别阅读器具备单片机的特点，利用单片机采集外部独立RC多谐振荡器的相位噪声，从而得到真随机数，极大地简化了电路设计。

（4）由于传统通信系统中需考虑接收端和发送端的频率同步，因此接收端必须知道发送端的跳频规律，正因为存在该限制，因此普通的射频识别阅读器均采用伪随机数来控制跳频。但本发明把真随机数跳频的方式首次应用到超高频射频识别系统中后，由于发送端和接收端在一起，使用同一个频率合成器，其跳频规律是相同的，不存在同步问题，故本发明打破了传统思路的限制。

附图说明

图1为现有由伪随机数生成器来实现跳频的结构示意图；

图2为本发明由真随机数生成器来实现跳频的结构示意图；

图3为本发明实现跳频过程的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，现有的超高频无源射频识别阅读器由频率合成器1、上变频混频器2、下变频混频器3、收发分离器4及伪随机数生成器5构成。连接时，上变频混频器2和下变频混频器3分别与频率合成器1相连接，同时，该上变频混频器2和下变频混频器3还均与收发分离器4相连，而该收发分离器4还与天线相连接。根据实际的需要，该收发分离器4可以为环行器或耦合器。

现有的跳频方式是由伪随机数来控制跳频的，所谓的伪随机数是指由伪随机数生成器5对事先选定的种子利用数学公式递推产生的数据序列。该数据序列一般能通过随机性统计检验，但由于算法是确定性的，因此数据序列也是确定性的，且往往具有一定的循环周期。因此这种数据序列是可预测的，不具有真正的随机性。比较著名的伪随机数生成器有线性同余发生器、线性反馈移位寄存器和二次剩余发生器等。另外还有基于非线性的原理产生的伪随机数，如基于混沌映射、元胞自动机、分形等原理的随机数发生器。但即使是这些非线性系统本质上仍然是确定性的，如果递推公式和其中的某个状态被破解，后续的状态就会被破解。

如图2所示，本发明的真随机数跳频结构与伪随机数跳频结构相比，其不同点在于用真随机数生成器6来取代了传统的伪随机数生成器5。本发明运行时，通过真随机数生成器6所生成的真随机数来作为频率合成器1的控制信号，从而控制频率合成器1产生不同的工作频率。

随机数的生成机理可分为数学方法和物理方法两种，其中数学方法只能产生伪随机数，要生成真随机数必须采用物理方法。其中，真随机数生成器6可以直接采购现成的真随机数发生器；或者放大噪声，然后采样放大后的噪声而得到随机数；还可以采样RC多谐振荡器产生方波的相位噪声得到真随机数。

现实情况下，可由多种类型的器件构成RC多谐振荡器，例如反相器、三极管、运算放大器、施密特触发器、单稳态触发器、555定时器等。其中由反相器可构成对称式多谐振荡器，非对称式多谐振荡器和环形振荡器。采样振荡器相位噪声时，既可用D触发器，也可直接利用单片机（MCU）。

各种真随机数生成器的方案中，利用MCU采样反相器构成的RC非对称式多谐振荡器的相位噪声的方案具有结构简单，价格低廉，实现容易，调整方便等优点。这种真随机数生成器是把RC多谐振荡器的输出端与单片机的一个端口相连接，并将该端口设为边沿触发中断，然后利用MCU的定时器采集中断发生的时间。由于RC多谐振荡器具有相位噪声，导致中断发生的时间具有随机性，从而可得到真随机数。考虑到超高频射频识别阅读器一般均已经包含有单片机（MCU），因此，此种利用MCU采样反相器构成的RC非对称式多谐振荡器的相位噪声的结构是真随机数生成器6的最佳方式。

其中的RC非对称式多谐振荡器的构成为：反相器G1的输出端连接到反相器G2的输入端；反相器G2的输出端连接到MCU的一个端口；电阻R和电容C的一端同时连接到反相器G1的输入端；电阻R的另一端连接到反相器G1的输出端；电容C的另一端连接到反相器G2的输出端。本发明中所述的两个反相器均采用型号为SN74LVC1G04DBVR的CMOS反相器，电阻R采用4.7kΩ普通的金属膜电阻，电容C为普通陶瓷电容，容量0.1μF。RC非对称式多谐振荡器非常容易实现，采用其他型号的反相器，其它类型的电阻或电容对该振荡器的效果没有影响。此种RC多谐振荡器能够产生方波，其周期的计算公式为T=2.2RC，实测频率为0.96kHz，与理论计算一致。

单片机与RC多谐振荡器相连的端口被设置为边沿触发中断。该单片机的型号为TI公司的LM3S6911，外接PDI公司的HC-49-U-6.000MHz晶振，内部时钟工作在50MHz。由于单片机中运行的嵌入式软件可把由中断接收到的相位变化转换为随机数，因此本发明能用真随机数控制频率合成器1实现真随机跳频。

由于RC多谐振荡器存在相位噪声，其生成方波的每个周期并不完全相等，有一些随机变化，因此触发单片机中断的时间也有随机变化。通过内部定时器，该单片机可以测量这种变化。由于周期的变化很小，因此定时器的速度不能太低，对于上述0.96kHz的振荡器，经过实测，定时器工作在3MHz以上时，采集的数据具有较好的随机性。

另外由于定时器的真正目的是采集周期变化的随机性，而不是测量每个周期的长短，因此该定时器可设置为循环计时。中断发生时程序直接读取定时器当前值，并以该值的奇偶性作为随机数，而不用每次中断都重启定时器去测量每个周期的长短。这样做，可以简化程序。

需要注意，MCU内部定时器的速度与MCU时钟相关。因此，要测量外部振荡的周期变化，外部振荡器必须是独立于MCU的时钟。上述RC多谐振荡器是独立振荡的，与MCU时钟没有关联，所以MCU的定时器能够测量该RC多谐振荡器的周期变化。

由真随机数生成器所生成的真随机数控制超高频无源射频识别阅读器的跳频过程如图3所示：

即在步骤1中由RC多谐振荡器产生方波的边沿触发单片机进入中断程序。根据实际的需要，可以由方波的上升沿或下降沿来触发。

随后，系统进行步骤2，即判断单片机内部的随机数缓冲区是否已经存满？如果该随机数缓冲区已经存满，则系统直接执行步骤4；如果该随机缓冲区还未存满，则系统读取单片机中定时器时间，随后执行步骤3。

在步骤3中，系统根据所读取的定时器时间值生成随机数，并将该随机数保存到随机数缓冲区。在实际的情况下，可以根据以下三种方式来生成随机数：第一种为：根据所读取的定时器时间值的奇偶性生成随机数；第二种为：根据多次读取的时间进行运算后得到的值生成随机数；第三种为：根据同余法生成随机数。

其中，第一种所述的根据所读取的定时器时间值的奇偶性生成随机数是指该值为奇数，则生成1，是偶数则生成0。当然，也可以设置该值为奇数则生成0，是偶数则生成1。这两种方法是等价的，任选一种即可。

第二种所述的根据多次读取的时间进行运算后得到的值生成随机数是指将前后两次定时器的时间值相减，并根据其差值的奇偶性生成随机数。如果该差值为奇数则生成1，是偶数则生成0；同理，也可以设置为如果其差值是奇数则生成0，是偶数则生成1。

第三种所述的根据同余法生成随机数是指把读取的时间值都除以同一个值M，把得到的余数作为随机数；其中，M的取值大于或等于2。使用第三种方法的优点是读取一个时间值就可以生成多位二进制随机数，尤其适合定时器速度很快，读取的时间值的随机性很强的情况。

另外，如果定时器速度不够快，读取时间的随机性不够强，那么可以加上后处理算法，以增强随机性。常用的后处理算法有加密算法和hash算法等。以上所述的三种方法中，优先以读取时间的奇偶性直接生成一位二进制随机数，该方法最为简单实用，且效果最好。

步骤4：系统判断是否已经到达跳频时间？如果已经到达跳频时间，则系统执行步骤5，如果没有到达跳频时间，系统则直接退出中断程序。

步骤5，判断随机数的长度是否足够作为新的信道编号？如果随机数长度足够作为新信道编号，则系统从随机数缓冲区中取出随机数，作为新的信道编号，并执行步骤6；如果随机数长度不够作为新的信道编号时，则系统直接退出中断程序。

步骤6，将取得的本次随机信道编号与当前工作的信道编号进行比较，判断这两个信道编号是否相等。如果相等，则系统重新返回到步骤5；如果不相等，则控制频率合成器切换到新的信道，并退出中断程序，完成一次跳频。

在实际运行时，跳频速度过快虽然有利于抗干扰，但由于切换频率时，射频载波会短暂中断，使标签失去电源，从而大大降低读取速度，因此超高频射频识别系统的阅读器跳频速度都不会太快。一般而言，跳频速度不超过每秒100跳。由于频点最多的FCC标准是52个，6个bit可控制64个频点，因此只要随机数生成速度超过6×100=600bps即可满足要求。本例中RC多谐振荡器频率达到0.96kHz，相应的真随机数生成速度为9600bps，能够满足要求。

如上所述，便可以很好的实现本发明。

Claims (4)

1.一种超高频无源射频识别阅读器，主要由频率合成器（1）、与该频率合成器（1）相连接的上变频混频器（2）和下变频混频器（3），以及分别与上变频混频器（2）和下变频混频器（3）相连接的收发分离器（4）组成，其特征在于，所述的频率合成器（1）还与真随机数生成器（6）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种超高频无源射频识别阅读器，其特征在于，所述的真随机数生成器（6）由产生方波的RC多谐振荡器、以及将该方波的相位噪声转换成真随机数的单片机组成，且该RC多谐振荡器的输出端与单片机的一个设置为边沿触发中断的端口相连接。

3.根据权利要求2所述的一种超高频无源射频识别阅读器，其特征在于，所述的RC多谐振荡器独立于单片机的时钟振荡器。

4.根据权利要求2所述的一种超高频无源射频识别阅读器，其特征在于，所述的单片机利用真随机数控制频率合成器（1）工作在不同的信道频率上，从而实现真随机跳频。

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