射頻識別技術漫談(3)——能量、調製



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    無源和免接觸是非接觸式IC卡相對於接觸式IC卡的兩大特點。無源是指卡片上沒有電源,免接觸是指對卡片的讀寫操作不必和讀寫器接觸。非接觸式智能卡也是IC卡,而卡上的IC即集成電路工作時肯定是需要電源的,卡片自身沒有電源而又不和讀寫器接觸,那麼電源從哪裏來的呢? 

    其實回答這個問題非常簡單,那就是電磁感應。讀寫器產生一個電磁場,卡片上的天線是一個LC振盪電路,且這個振盪電路的共振頻率和讀寫器電磁場的頻率一致。當卡片進入讀寫器的射頻場,卡上的振盪電路起振,電路振盪意味着有電子的流動,有電子的流動就可以用二極管讓電子積累,電子的積累就會形成電壓,有了電壓智能卡就能工作了。卡片獲得能量的方式大體就是這樣,具體的實現方法,如果不打算自己做卡就沒必要深究,只要懂得原理就可以了。如果還不明白,想想變壓器吧,變壓器的原邊和副邊也是絕緣的,但能量卻可以從原邊傳遞到副邊,射頻卡獲得能量的方式就相當於變壓器的副邊。

    能量有了,那麼讀寫器和卡片又是如何進行信息交流的呢?既然是免接觸,那就只有通過無線電傳輸了。無線電傳輸很少有直接發送信號的,一般都是選定某一頻率的載波,也就是正弦波,發送方把有用信號調製在載波上,接收方解調收到的信號,把載波去掉得到有用信號。無論電視、廣播、手機通訊還是射頻卡,其基於無線電通訊的原理都是一樣的。

    載波(正弦波)有三要素,幅度、頻率和相位,相應的有用信號對載波的調製也有三種:調幅、調頻和調相。調幅是改變載波的幅度記錄有用信號,調頻是改變載波的頻率記錄有用信號,調相是改變載波的相位記錄有用信號。調幅電路簡單,容易受干擾,調頻和調相結構複雜些,但抗干擾能力強,一個簡單的例子是你的收音機FM(調頻)比AM(調幅)聲音好聽的多。另外,調幅和調頻要求載波頻率遠大於有用信號的最高頻率,通常要10倍以上,而調相則無此要求,載波頻率可以高於、等於(2BPSK)甚至低於(4BPSK,16BPSK)有用信號的頻率。

    基於上述三種調製的特點,射頻卡通訊距離最大不過幾米,平常用的接近卡(PICC)最大距離才10公分,在這麼短的距離範圍內形成一個相對較強的局部射頻場,幾乎可以不用考慮干擾。射頻卡上沒有電源,尤其成本考慮,自然要求卡上電路越簡單越好。所以,調幅雖然易受干擾但電路結構簡單,成爲射頻卡調製的首選。

    調幅有一個指標叫調製係數,也就是衡量有用信號對載波幅度的調製有多大。調製係數爲0,相當於沒有調製,調製係數爲1則相當於把載波的幅度調爲0,一般調製係數都在0.1-0.9之間。顯然由於射頻卡需要從磁場中獲得能量,如果調製係數接近1,意味着磁場關閉了,時間短了還行,時間長了卡上的電源必然會消失,卡片的基本工作條件都沒有了,但調製係數大抗干擾能力強,容易解調。相反,調製係數小,卡片可以獲得穩定的能量供應,但抗干擾能力弱,解調困難一些。

    在讀寫器與卡片的信息交流過程中,讀寫器產生射頻場,向卡片發送數據時調製自己產生的射頻場,這很好理解。但卡片是被動的,不僅不能產生射頻場,還要從讀寫器的射頻場中獲取能量,那又如何通過調製射頻場向讀寫器回送數據呢?射頻識別技術中採用了一種叫做負載調製的方法。其原理也非常簡單,還是以變壓器爲例,我們都有這樣的常識,如果變壓器的副邊突然接入一個大的負載,變壓器原邊電壓就會瞬間降低,切除負載,變壓器的原邊電壓就會馬上恢復。前面說了,射頻卡相當於變壓器的副邊,卡內也有這樣一個負載,接通負載時射頻場的振盪幅度會減小,切除負載,射頻場的幅度會恢復。卡片通過負載是否接入來表示發送的數據,讀寫器探測到射頻場的幅度改變,就能知道卡片發送什麼數據了。這就是卡片回送數據的原理。

 

   

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