RFID、NFC、ETC、UWB技术的原理与功能分析

RFID、NFC、ETC、UWB技术的原理与功能分析随着物联网时代的到来，人类将基本的日常管理统统交给人工智能去处理，从而从繁琐的低层次管理中解脱出来，将更多的人力物力投入到新技术的研发中。今天我们所谈及的几项技术就是基于这个目的应运而生。

【RFID】

射频识别，RFID（R adi o Frequency Iden TI fica TI on）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频的话，一般是微波，1-100GHz，适用于短距离识别通信。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。

RFID无线射频识别技术，相信很多人都对他相当了解，简单来说它就是电子标签，是一种利用无线电射频信号耦合传输的特性，在读写器和标签之间进行非接触双向数据传输以达到目标识别和数据交换目的的技术。它的诞生给我们的生活带来了莫得便利，正被广泛用于采购分配、商业贸易、生产制造、物流、防盗以及军事用途上。

【RFID的组成】

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便快捷，它是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成，RFID 按应用频率的不同分为低频、高频、超高频、微波;相对应的代表性频率分别为：低频135KHZ以下、高频13.56MHZ、超高频860~960MHZ、微波2.4G，5.8G;RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID以及半有源RFID。

射频识别系统至少应包括以下两个部分，一是读写器，二是电子标签（或称射频卡、应答器等，本文统称为电子标签）。另外还应包括天线，主机等。RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，

系统的组成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成。下面分别加以说明：

①信号发射机

在RFID 系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签（TAG）。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。

②信号接收机

在RFID系统中，信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。

③编程器

只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线（OFF-LINE）完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线（ON-LINE）完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。

④天线

天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。

【RFID工作原理】

RFID技术的基本工作原理并不复杂：在标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号;解读器读取信息并解码后，发送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成，感应偶合（Induc TI ve Coupling）及后向散射偶合（Backscat te r Coupling）两种，一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。

RFID的工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（即Ac TI ve Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

【NFC】

NFC技术即近距离无线通讯技术，是由飞利浦和索尼共同研制出来的，并与诺基亚等共同发起了NFC论坛，推广NFC技术的商业应用。NFC是一种非接触式识别和互联技术，简单来说，NFC就是把RFID读卡器与智能卡的功能整合在一起，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和只能控件工具间进行近距离无线通信。NFC提供的是一种简单、触控式的解决方案，操作简单、快捷。

NFC近场通信技术是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。工作频率为13.56MHz，但是使用这种手机支付方案的用户必须更换特制的手机。目前这项技术在

日韩被广泛应用，他们的手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等［1］

【NFC技术特点】

1.在13.65MHZ频率运行距离在20公分内;

2.传输速度可分为106K BITS\SEC、212K BITE/SEC、424K BITS/SEC;

3.运行可分主动与被动模式;主动模式需要使用电池，还需要独立发射模组;被动模式不需要使用电池，但是无法独立发射讯号;

4.成为ISO/IEC IS 118092国家标准、ETSI TS 102 190标准、EMCA-340标准。

NFC磁片是可以支持某种特定的设备在主动或被动的情况下相互转换数据，nfc磁片在目前来说涉及面很广

，它是怎么实现这些效果的呢，首先要先了解nfc磁片的技术特点：

与RFID一样，nfc磁片信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在

很大的区别。首先，nfc是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比RFID小。其次

，nfc磁片与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次，nfc磁片

还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式

相比，nfc磁片是一种近距离的私密通信方式。

nfc、红外线、蓝牙同为非接触传输方式，它们具有各自不同的技术特征，可以用于各种不同的目的，其

技术本身没有优劣差别。

添加隔磁片能够使识别距离，准确度，成功率得到大大提高！

【NFC应用类型】

NFC是Near Field Communication缩写，说白了就是近距离通讯技术。它和我们熟悉的蓝牙、WiFi还不完全相同，重点在一个“近”字。

NFC线圈通常被安装在手机的背壳甚至电池里，所以使用的时候通常要把手机背面对准感应区。

那么有了它之后基本出门就不用带卡了，一个手机全搞定。

首先，最实用的就是移动支付功能，如超市、商场、饭店、地铁、公交等。

第二，门禁通过功能，如小区门禁、开车锁车、车票门票等。这就需要我们的手机存有相应的验证码，想要进门的时候刷一下，即可完成验证。

第三，数据传输功能，如下载音乐、传输图片、交换通讯录等。

第四，浏览信息功能，如将NFC手机靠近街头有NFC功能的公共设施，就能浏览交通、演出、天气等各种信息。

第五，智能标签功能，有点像智能按钮的意思。

以上这五项功能都是比较贴近生活的NFC用途，当然还并未完全普及。我国已经在大力发展这项技术，相信不久的将来，NFC会真正走进我们，为生活提供方便。

【NFC手机支付】

NFC发展极为迅速，已经由最初知识RFID技术和网络技术的简单合并，到现在已经演变成一种短距离无线通信技术。

把NFC芯片装在手机上，手机就可以实现小额电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程，使电子设备间相互访问更直接、更安全和更清楚。

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。

在主动模式下，每台设备要向另一台涉笔发送数据时，都必须产生自己的射频场。如图，发起设备和目标设备都要产生自己的射频场，以便进行通信。

如图，移动设备主要以被动模式操作，可以大幅降低功耗，并延长电池使用寿命。在一个应用会话过程中，NFC设备可以在发起设备和目标设备之间切换自己的角色。利用这项功能，电池电量较低的设备可以要求以被动模式充当目标设备，而不是发起设备

【ETC】

ETC电子不停车收费系统是一种用于公路、桥梁和隧道的新型电子自动收费技术。它通过车载电子标签和微波天线之间的专用短程通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作对的情况下，自动完成收费处理全过程。

ETC（Electronic Toll Collection ）不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。

【关键技术】

1.车辆自动识别技术：主要由车载设备和路边设备组成，两者通过短程通信DSRC完成路边设备对车载设备信息的一次读写，即完成收付费交易所必须的信息交换手续。

2.自动车型分类技术：在ETC车道安装车型传感器测定和判断车辆的车型，以便按照车型实施收费。

3.违章车辆抓拍技术：主要由数码照相机、图像传输设备、车辆牌照自动识别系统等组成。对不安装车载设备OUB的车辆用数码相机实施抓拍措施，并传输到收费中心，通过车辆自动识别系统识别违章车辆的车主，并实施通信费的补收手续。

【ETC系统构成】

1.车载单元

2.路测单元

3.DSRC协议

【ETC与RFID】

ETC是RFID中的一个分支。现在一般用有源2.45G HZ，这个频段的特点是识别距离远，缺点是标签带有电池，成本较高，，需要定期更换电池。

【UWB技术】

超宽带技术UWB是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级窄脉冲传输数据，所以它也被成为无线电领域的一次革命性进展。

【技术原理】

UWB技术最基本的工作原理是发送和接受脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接受机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备的复杂性。

USB系统采用相关接受技术，关键部位称为相关器。相关器用准备好的模板波形乘以接受到的射频信号，再积分就得到一个直流输出电压。相乘器实质上是改进了延迟探测器，模板波形匹配时，相关器的输出结果量度了接收到的单周期脉冲和模板波形的相对时间位置差，

值得注意的是，虽然UWB信号几乎不对工作于同一频率的无线设备造成干扰。但是所有带内的无线电信号都是对UWB信号的干扰，UWB可以综合运用伪随机编码和随机脉冲位置调制以及相关解调技术来解决这一问题。

【UWB的技术特点】

1.系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。

2.高速的数据传输：UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。

3.功耗低：WB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。

4.安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。

5.多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。

6.定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。

7.工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单的多，可全数字化实现。