一文读懂RFID技术在身份证系统中的应用

无线射频识别技术

无线射频识别技术（ＲＦＩＤ）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间电磁耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

射频识别系统一般由两个部分组成，即非接触ＩＣ卡（应答器Ｔａｇ）和阅读器（读头Ｒｅａｄｅｒ）。在无线射频识别的实际应用中，非接触ＩＣ卡附着在被识别的物体上，当非接触ＩＣ卡通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将非接触ＩＣ卡中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能。

无线射频识别技术的分类

根据非接触ＩＣ卡的供电形式可分为有源系统和无源系统两种。有源射频非接触ＩＣ卡使用非接触ＩＣ卡内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米，但是它的寿命有限并且价格较高。无源射频非接触ＩＣ卡不含电池，利用耦合的阅读器发射的电磁场能量作为自己的能量，识别距离较短，一般是几厘米到几十厘米，它的重量轻，体积小，寿命长，价格便宜，可以制成各种各样的薄卡或钮扣卡。

根据非接触ＩＣ卡的工作频率可分为低频、高频及超高频和微波系统。低频系统一般工作在１００－５００ｋＨｚ，常见的工作频率有１２５ｋＨｚ，１３４．２ｋＨｚ；高频系统工作在１０－１５ＭＨｚ之间，常见的高频工作频率为１３．５６ＭＨｚ；超高频工作频率为８５０－９６０ＭＨｚ，常见的超高频工作频率为９１５ＭＨｚ；微波工作在２．４－５ＧＨｚ的微波段。低频系统用于小数据量的应用中；高频系统用于传送大数据量的应用中；超高频系统应用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合。

根据非接触ＩＣ卡的可读写性分为只读和读写两种。只读非接触ＩＣ卡内部只有只读存储器（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ，ＲＯＭ）。ＲＯＭ用于存储程序和数据，其中的信息无法更改，只能输出；可读可写非接触ＩＣ卡内部的存储器由ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ（电可擦除存储器）组成，这种存储器在加电的情况下，可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。

无线射频识别技术基本原理

无线射频识别技术涉及很多领域，有多种技术方案，我们以工作频率为１３．５６ＭＨｚ，符合ＩＳＯ１４４４３国际标准的ＴｙｐｅＢ类非接触ＩＣ卡技术方案为例，描述无线射频识别系统的基本架构和原理。

为了读出或写入数据，必须在非接触ＩＣ卡和阅读器之间能够传输数据。非接触ＩＣ卡和阅读器通过各自的天线构建起二者之间非接触无线射频识别技术基本原理传输通道。数据传输使用半双工的方法，即从非接触ＩＣ卡到阅读器的数据传输与从阅读器到非接触ＩＣ卡的数据传输是交替进行的。

１、非接触ＩＣ卡的能量供应

非接触ＩＣ卡是用一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线用的大面积的线圈等组成。在这个数据载体上，存储的数据量可达数千字节。

非接触ＩＣ卡几乎都是无源工作的。这意味着微型芯片工作所需要的全部能量必须由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，这种电磁场穿过非接触ＩＣ卡线圈横截面和线圈周围的空间。我们可以把非接触ＩＣ卡到阅读器天线的距离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。

发射磁场的一小部分磁力线穿过距阅读器天线线圈一定距离的非接触ＩＣ卡天线线圈，通过感应，在非接触ＩＣ卡的天线线圈上产生一１非接触ＩＣ卡的能量供应个电压Ｕｉ。将其整流后作为数据载体（微型芯片）的电源。将一个电容Ｃｒ与阅读器的天线线圈并联，构成一个并联谐振电路，将电路的谐振频率调到１３．５６ＭＨｚ。该回路谐振时，阅读器天线线圈产生非常大的电流，这种方法可用于产生供远距离非接触ＩＣ卡工作所需要的场强。

非接触ＩＣ卡的天线线圈和电容Ｃ１构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路谐振，非接触ＩＣ卡线圈上的电压Ｕ达到最大值。

两个线圈的结构也可以解释作变压器（变压器的耦合），变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅读器的天线线圈和非接触ＩＣ卡之间的功率传输效率与工作频率与非接触ＩＣ卡线圈的匝数、被非接触ＩＣ卡线圈包围的面积、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离成比例。

２、非接触ＩＣ卡至阅读器的数据传输

如果把非接触ＩＣ卡放入阅读器天线的交变磁场中，那么非接触ＩＣ卡就从磁场取得能量。阅读器中射频电路可以通过电路内阻Ｒｉ上的压降测得非接触ＩＣ卡的附加功耗。非接触ＩＣ卡天线上的负载电阻的接通和断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现用远距离非接触ＩＣ卡对阅读器天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能从非接触ＩＣ卡传输到阅读器。这种数据传输方式称作负载调制。

由于阅读器天线与非接触ＩＣ卡天线之间的耦合很弱，阅读器天线上表示有用信号的电压波动在数量级上比阅读器的输出电压小。实践中，对１３．５６ＭＨｚ的系统来说，当阅读器天线上的电压为１００Ｖ时，只能得到大约１０ｍＶ的有用信号。检测这些很小的电压变化需在电路上花费巨大开销，为解决这个问题，人们利用有非接触ＩＣ卡天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果非接触ＩＣ卡的附加负载电阻以很高的时钟频率ｆｈ接通或断开，那么在阅读器发送频率＋／－ｆｈ的距离上产生两条频谱线，它们是容易检测到的。这种新的频率称作副载波。

通过使用副载波的负载调制，在阅读器天线上能产生在工作频率１３．５６ＭＨｚ两侧的两条调制波边带。通过在两个频率１３．５６＋／－ｆｈ之一的带通滤波器，这两条调制波边带可以与阅读器的较强的信号分开，在放大后，可以很容易地解调副载波信号。

３、数据传输协议和方式

阅读器和非接触ＩＣ卡之间相互通信是由阅读器启动的，阅读器先进行信号编码生成基带编码信号，再将编码信号调制到发射频率１３．５６ＭＨｚ上，通过天线发送出去；非接触ＩＣ卡天线接收１３．５６ＭＨｚ载波信号，由解调器解调从载频中恢复基带编码信号，３数据传输协议和方式译码电路再从基带编码信号中恢复原来的信息。

在ＴｙｐｅＢ非接触卡系统中，编码和调制是按表１所示规定进行的。

４、数据完整性

使用非接触卡技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变从而导致传输错误。通常采用数据查错与纠错算法来解决。

常采用的方法有奇偶校验，纵向沉余校验，循环沉余校验等。这些方法用于识别传输错误，并启动校正措施，或者舍弃错误传输的数据，或者要求重新传输有错误的数据块。

在射频识别系统工作时，在阅读器的作用范围内，可能会有多个非接触ＩＣ卡同时存在。为防止非接触ＩＣ卡的数据相互冲突而不能读出，阅读器会启动防碰撞机制，选取其中之一建立通信连接，保证通信顺利地进行。防碰撞技术和纠错算法使数据通信质量得到保证。

５、数据安全性

为了保证数据安全，现在很多的射频识别系统，采用了密码功能单元来防止恶意对存储器的读写。对存储区的访问，须经过阅读器和非接触ＩＣ卡之间的认证。对４数据完整性５数据安全性称相互认证是建立在国际标准ＩＳＯ９７９８－２“三通相互认证”的基础上的，其间，双方在通信中相互检验另一方的密码。

相互认证的过程从阅读器发送“查询口令”给非接触ＩＣ卡开始。非接触ＩＣ卡产生一随机数Ｒａ，并回送给阅读器。阅读器则产生一随机数Ｒｂ，并使用共同的密钥Ｋ和共同的密码算法ｅｋ，算出一个加密的数据块Ｔｏｋｅｎ１，将此数据块发送给非接触ＩＣ卡。

Ｔｏｋｅｎ１＝ｅｋ（Ｒｂ｜｜Ｒａ｜｜Ｉｄａ｜｜电文１）

非接触ＩＣ卡译码接收到Ｔｏｋｅｎ１，并将从明码报文中取得的随机数Ｒａ＇与原先发送的随机数Ｒａ相比较。如果两数一致，则非接触ＩＣ卡确认两个共有的密码是一致的。非接触ＩＣ卡另行产生一个随机数Ｒａ２，同时算出加密的数据块Ｔｏｋｅｎ２。

Ｔｏｋｅｎ２＝ｅｋ（Ｒａ２｜｜Ｒｂ｜｜密文２）

阅读器将Ｔｏｋｅｎ２译码，检查原先发送的Ｒｂ与刚收到的Ｒｂ＇是否一致。如果两个随机数一致，则阅读器也证明了两个共有的密码是一致的。于是，非接触ＩＣ卡和阅读器均已查实属于共同的系统，双方更进一步的通信可以进行。