无线射频通信范文

无线射频通信范文（精选10篇）

无线射频通信 第1篇

现代通信技术的发展,数据传输是一个重要的研究内容。目前有线通信技术始终是市场的主流,这也是在空间区域不能自由布线的最大瓶颈,而无线通信技术是该问题一个很好的通信方案。以成品的无线通信芯片作为通信媒介更能解决基础硬件搭建调试及后期维护的难度。本文采用同类产品中性价比较高的芯片NRF24L01[1],配合简单外围电路和降低芯片,实现对其控制,很好地解决了这一问题。

本文的控制部件选用AT89C51型单片机。由于这种芯片只有SPI通信接口,而目前常用的单片机都没有这种接口,因此需要对该芯片的通信时序进行模拟,所以在控制器里编程时要严格按照芯片工作时序进行。

1 系统硬件组成

1.1 NRF24L01芯片

NRF24L01芯片是具有2.4 GHz内嵌基带通信协议引擎功能的收发芯片。通过SPI接口对芯片内部寄存器映射操作,可以使其在空中的传输速度最大达到2 Mb/s。

该芯片主要特点包括GFSK调制技术;126RF频道满足多点通信需要;1～2 Mb/s空中数据传输速率;内置硬件CRC检错和点对点通信地址控制;发送方电源可以通过编程输出0 dBm,-6 dBm,-12 dBm,-18 dBm;芯片可以通过软件设置地址,确保通过地址认证双方才能通信;接收方采用集成通道过滤器,可编程的增益设置;主机接口采用4根SPI硬件接口线,最大8 Mb/s传输速率,3个32字节的TX与RX 的FIFO寄存器,5 V容抗输入。

该芯片引脚功能如图1所示,引脚1为CE数字信号输入,引脚2为CSN数字信号输入,引脚3为SCK数字信号输入,引脚4为MOSI数字信号输入,引脚5为MISO数字信号输出,引脚6为IRQ数字信号输,引脚7,15,18为VDD电源,引脚8,14,17为VSS电源,引脚9为XC2模拟输出,引脚10为XC1模拟输入,引脚11为VDD_PA电源输出,引脚12为ANT1射频,引脚13为ANT2射频,引脚16为IREF模拟输入,引脚19为DVDD电源,引脚20为VSS电源。

在硬件搭建时特别要注意在SPI接口与51单片机的P0引脚相接时需要接10 kΩ的上拉电阻,其余的接口不需要。VCC引脚接入电压范围为1.9～3.6 V,不能在这个区间之外,超过3.6 V将会烧毁模块,推荐电压3.3 V。因为这样可以直接和NRF24L01模块的I/O口线连接。如果是其他系列的单片机,其电源是5 V,单片机I/O口输出电流如果超过10 mA时需要串联电阻分压,否则容易烧毁模块。例如AVR系列单片机电源是5 V,需串接2 kΩ的电阻。

1.2 NRF24L01芯片构成的通信模块电路设计

NRF24L01芯片通信模块电路核心器件NRF24L01配合网络晶振、解耦电容、偏极电阻一起工作构造稳定射频通信模块。该芯片是贴片结构,模块占用空间少,如图2所示。

1.3 电源电路

电源电路如图3所示,B1是9 V蓄电池或者锂电池,能够反复充电。C1,C2,C3,C4都是滤波电容,起到一次与二次滤波作用。D1,D2是稳压二极管,使输出端的电压稳定在理想的水平电压。芯片7805是三端稳压集成电路芯片,具有正电压输出。其电路内部还有过流、过热及调整管等保护电路,最终目的把9 V电源转变成稳定5 V输出,为后续设备供电。

1.4 系统通信电路设计

系统通信电路如图4所示。本电路中应用单片机AT89C51[2]作为控制芯片,对NRF24L01主通信模块的接口时序模拟和对数据的发送与接收进行处理。

1.5 与PC机通讯电路设计

如果单片机通信电路与单片机通信电路通信,则两个硬件电路和图4相同,只是在软件设计时需在每个通信端设定不同的通信地址,以辨认每个通信端口。若是单片机通信电路与PC机或者具有COM口的设备电路通信,则需要一个转接电路,其硬件电路如图5所示。

在图5所示的电路中,单片机左侧是一块MAX232[3]芯片,其作用是将PC机中的232电平与单片机的TTL电平匹配。最左侧是9芯母接头,在使用时可接在计算机COM口上与计算机通信。单片机右侧接一块射频通信模块。由于此块单片机同样没有SPI接口,所以需要用普通接口软件模拟SPI接口,其编程要严格按SPI端口的通信逻辑时序。

2 单片机控制实现算法

通信芯片可以工作在四种模式下,即:配置模式、空闲模式、关机模式和收发模式。工作模式由PWR_UP register、PRIM_RX register和CE三个寄存器共同决定。在工作模式的收发模式中推荐使用 Enhanced ShockBurst收发模式,因为在这种工作模式下,系统的程序编制会更加简单,并且稳定性也会更高。两种算法流程图如图6所示。

3 结 语

(1) 提出基于射频的无线通信技术方案,并且按照该方案搭建硬件电路。

(2) 设计单片机控制算法,在PC机中编好上位机软件[4],执行机构能迅速执行预定结果,反应时间小于1 ms。

(3) 在执行机构遇到障碍时,能返回准确命令,使上位机捕捉到相应信息,直接反映双向通信效果好。

(4) 系统稳定可靠,数据传输丢失率很小,低于0.01%。

(5) 芯片互换性好,可根据不同传输距离选择不同芯片,软件不需改动。

参考文献

[1]Nordic Semiconductor.nRF24L01 single chip 2.4 GHztransceiver product specification[G].[S.l.]:NordicSemiconductor,2007.

[2]ATMEL.Microcontroller Data Book[M].[S.l.]:[s.n.],1995.

[3]刘焕平.MCS-51单片机与RS 323串行口连接[J].电子技术应用,2001,33(2):1-4.

[4]尚晓峰,刘伟军,王天然,等.一种差分信号转换器的设计[J].机械设计与制造,2004,4(2):1-4.

[5]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[6]王树斌.无线局域网技术概述[J].中国科技信息,2006,23(4):2-4.

[7]马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[8]SARIDIS G N.Computer and control automatica[M].[S.l.]:[s.n.],1999.

设想射频通信技术应用 第2篇

人类对野生动物的研究自古已有，甚至可以说人类的进步和发展在很大的程度上得益于向大自然学习，向大自然中的各种生物学习。在很多野生动物濒临灭绝的今天，监测并保护它们是我们义不容辞的责任。在科学技术大发展的今天，野生动物跟踪技术也在飞速的发展着。无线电跟踪技术、电子标志技术、以及全球定位系统的应用，都大放异彩，极大地推动了野生动物研究工作的发展。下面主要就对射频技术来追踪检测，并对未来野生动物跟踪技术的发展方向和发展前景指明方向。

射频识别（RFID），又称电子标签（E-Tag），是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID 最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。随着技术的进步，RFID 应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。

所谓动物跟踪与识别,就是利用特定的标签,以某种技术手段与拟识别的动物相对应(注射、狗牌和耳标等),可以随时对动物的相关属性进行跟踪与管理的一种技术。进行动物跟踪与识别的主要原因包括:对野生动物疾病和健康进行控制、监督与预防;本土物种的安全保护。在动物识别中使用RFID，代表了当前动物识别技术的最高水平。在动物上上安装电子标签，并写入代表该动物的ID代码。当动物进入RFID固定式阅读器的识别范围，或者工作人员拿着手持式阅读器靠近动物时，阅读器就会自动将动物的数据信息识别出来。如果将阅读器的数据传输到动物管理信息系统，便可以实现对动物的跟踪。射频识别RFID技术也是一项比较成熟的科学技术了。RFID技术在动物跟踪领域已经应用多年，并经常和先进的全球定位系统一起应用来跟踪设备，以便研究人员可以在更遥远的距离内实现对动物的跟踪，有时，还会使用到飞机或者直升机来帮助高空视察。此项技术在很多项目中都得到了应用。世界野生动物基金会在亚马逊河流域使用无源RFID标签来监视野兽，这是生物多样化研究的一部分。

无线射频识别领域的龙头企业 第3篇

雄厚实力打造龙头企业

达华智能属广东省高新技术企业,是同内RFID产品领域覆盖面最广的龙头企业主要从事非接触IC卡、电子标签等各类RFID产品的研发、生产和销售。公司产品品种规格齐全,产品型号超过250多种,覆盖低频、高频和超高频等各个频率段,提供50多种不同芯片类型产品。产品主要应用于一卡通、数字化门禁、身份识别、物流跟踪、交通管理、电子证照等领域,未来向轨道交通、军队信息化等领域拓展。截至同前,公司与世界各大半导体公司如NXP founded by Philips、EM、TI、ST、Imp-ini、ATMEI、法国INSIDE、英国JEWEL、以及国内的复旦微电子、华虹集成电路等厂商,建立了重要的合作伙伴关系。在国家诸多重点建设项目和国际知名项目如:解放军车牌防伪标签、地铁(轻轨)、大型城市一卡通、HP(美国惠普)资产管理、图书馆等领域有着成功的应用案例,为RFID产业在金卡工程事业的发展中发挥了积极作用。

作为行业的龙头企业。达华智能的竞争优势非常显著。在研发技术方面,公司早在2004年就被认定为“高新技术企业”,目前拥有强大的研发团队,已获国家知识产权局授权的专利74项,同时还拥有智能卡标签的制作工艺技术等8项核心技术。在生产工艺方面,达华智能通过研究开发,可以从晶圆(Wafer)原材料开始,进行前端的芯片封装生产,自行设计了COB模块生产线。此外,公司还自主开发了适合大规模生产的倒封装技术,同现有的COB封装技术结合,更有利于满足客户需求。在管理方面,公司结合自身技术优势,采用柔性化生产模式,重点服务于单个项目需求量少、应用产品丰富、需要个性化设计的非政府主导创新性市场。在成本方面,公司采购定制芯片厂商的产品,并且是贴牌公司的商标。降低芯片采购成本;在封装领域,公司改造封装工艺和封装设备,降低封装加工成本;在COB绑定工艺中,用合金线替代金线。大幅降低成本。在销售方面,公司不断完善销售体系。目前,公司在国内已拥有600多家稳定的终端客户,分布在27个省市和地区,同时公司海外终端客户达到220多个,分布在全世界36个国家和地区。

凭借“诚信、创新、卓越”的企业精神及灵活敏锐的市场反应机制,公司在默默耕耘中创造着一个又一个奇迹。凭借强大的技术研发优势、生产工艺优势、柔性化生产模式优势、成本优势以及销售网络优势等核心竞争力。公司主要产品在国内的市场占有率保持领先且持续增长。

融资再造国际一流品牌

本次公司募集资金投资项目,主要包括非接触IC卡、RFID电子标签产能扩建技术改造项目和非接触RFID电子标签卡封装工程技术研发中心技术改造项目。随着募投项目的建成和研发中心技术的改造。将进一步增强公司的竞争力和盈利能力,为公司抢占更多市场份额创造条件,从而进一步巩固行业龙头的地位。相信在国内该行业前景向好的发展趋势下,公司将迎来巨大的盈利空间。

一种无线射频通信模块的设计与实现 第4篇

关键词：UCard,无线通信,ISO18000-7

1引言

随着无线射频技术的不断发展,通过将射频识别技术、磁电技术、计算机技术和IC卡技术结合起来,解决了无源、低功耗和免接触这一难题,克服了接触式IC卡由于存在机械接触,容易造成磨损以及由于接触而产生各种故障的问题。非接触式智能卡是根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换,无需任何接触,使用中非常方便、快捷,不易损坏。因此,在收费站、超市、公交、无线抄表、门禁系统、小区传呼、水文气象监控、机器人控制等管理、娱乐场所等方面应用前景越来越广阔。

本文主要内容是设计UCard无线射频通信模块,UCard无线射频通信模块为UCard提供了方便、可靠的无线接口,设计相应的简单通信协议后,这些可以互相通信的Ucard构成通信网络进行信息共享。非接触式UCard的无线接口将实现通过频率为433MHz的载波频率与读写器进行数据交互的功能,并且通过软件方式实现了ISO18000-7协议标准。

2无线射频芯片选型

nRF401芯片是NORDIC公司最新推出的无线收发一体芯片,包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等模块。nRF401采用抗干扰性能力强的FSK调制方式,采用DDS/PLL 技术使芯片工作频率稳定可靠,外围元件很少,功耗极低,适于手持及便携式产品的设计,并且由于采用了低功耗设计,高接收灵敏度的设计,满足无线管制的要求,无须使用许可证,因此在目前的低功耗无线传输设备的选用时具有很大的优势。nRF401芯片引脚如图1所示。表1为nRF401的引脚功能表。

3无线射频通信模块设计

UCard无线接口与读写器之间的通信采用主从方式进行通信,在主从通信方式下:读写器首先发出指令信息,然后监测UCard无线接口的响应信息。UCard与读写器的工作流程如下:处于接收模式下的非接触式UCard进入读写器的射频信息有效范围后,将收到读写器的广播唤醒信息。非接触式UCard收到该广播唤醒信息后,对该信息进行响应:发送带有本UCard ID号的响应信息给读写器。这样读写器和UCard之间就建立了一对一的连接关系。连接关系建立后,读写器要给UCard发送信息的时候,必须根据在指令中包含目的UCard的ID号,而UCard在收到点对点信息会对该信息的目的ID号与自身的ID号相对比,据此判断是否对该信息作出相应。UCard无线模块状态流程图如图2所示。

4 ISO18000-7协议的实现

实现ISO18000-7协议的难点在于:ISO18000-7协议的脉冲宽度不是固定的。目前国内外采用硬件方式实现ISO18000-7协议比较困难。所以决定采用软件方式来实现ISO18000-7通信协议。软件方式实现ISO18000-7协议在发送时候,采用程序控制输出端口的方式来控制输入到nRF401的波形符合ISO18000-7协议的要求。其具体工作原理为:通过设置AT89C51的内部定时器使其按照预定的时间产生中断,当产生中断时候将AT89C51的输出端口置反。这样,通过定时中断的方式可以将既定波形输入到nRF401的输入端口中,nRF401将输入的波形经过FSK调制后发送出去。在接收端采用软件方式接收的时候,当单片机控制nRF401的TXEN引脚使其进入接收状态的同时将定时器设置为每1us产生一个定时中断,在中断处理程序中对nRF401的输出端口进行采样检测,将采样到的电平序列存储起来,然后对电平序列进行软件解码的工作。

AT89C51单片机内部有两个16位定时器/计数器T0和T1,均具有4种不同的工作方式,用户可通过对特殊寄存器的编程,方便地选择适当的工作方式及设定T0或T1工作于定时器还是计数器。对定时器/计数器的工作模式,工作方式的设定及控制是通过方式选择寄存器TMOD和控制寄存器TCON这两个特殊功能寄存器来完成的。T0和T1都具有4种工作方式,本设计使用T0的工作方式1来实现定时功能。将M1M0(TMOD的D1和D0位)=01时,定时器/计数器设定为工作方式1;将GATE(TMOD的D3位)和C/ (TMOD的D2位)都分别设为0:设置T0为定时器,并使得定时器T0可以由程序控制启动。所以将TMOD设置为0x01。

本设计AT89C51单片机选择12MHz晶振,则定时器的计数频率为1MHz,机器周期为:1/1MHz=1us。要使得定时器每隔t us产生一个定时器中断则要设定加法计数器的初始值为:(216-t)=(65536-t)。所以,TH0=(65536-t)/256; TL0=(65536-t) %256。

图3为中断服务程序流程图。可以看出采用软件方式输出符合ISO18000-7协议脉冲的具体思路:当进入中断服务程序时,首先根据本次脉冲要保持时间来设置T0定时器的加法寄存器,然后将P1.0取反。这样就可以控制生成相应的脉冲信号输入到nRF401的输入端口。中断服务程序中根据t_flag的值来判断本脉冲需要维持的时间,通过计算后对定时器T0的加法计数器进行设置。

5结束语

在UCard系统中加入无线收发模块不但可以克服掉原有的接触式智能卡的缺点,通过结合实际的芯片选型,对UCard的无线通信模块进行了设计,在该模块下如何采用软件的方式来实现该模块相应的低层通信协议,对UCard系统本身有着重要的应用意义。

参考文献

[1]黄智伟,李富英.基于射频收发芯片nRF401的计算机接口电路设计[J].微电子学与计算机,2005,5.

无线射频通信 第5篇

1 停车库智能管理系统简介

系统的主要构成部分为车载模块、地感检测装置以及信息管理部分，如图1所示。车载模块的技术关键为射频通信芯片，目的是实现读头与模块之间的信息通信。信号的传递主要依赖读头和天线，一旦模块到达信号所在区域，就会产生电流，电路被激活，模块的编码就会通过天线发射出去，读头接受信息后，立即进行解码，实现车辆信息的传送，作出及时处理;地感检测装置的作用是实现对车辆进出、闸道以及相关票据的开具的处理。各项信息通过总线进行传输，达到主电路，而后经过详细的综合处理，实现对车辆状态的考量，而后做出相应的处理，主要是指令的传达以及信息的交换;信息管理部分主要是对车辆、车库以及管理信息进行交换，实现数据及时、正确的显示，对车辆正确的停放进行指导，实现信息的完整保存。

图1 系统结构图

2 硬件的工作原理

2.1 硬件的机构

系统硬件主要包含两部分，即读头部分的硬件和车载模块部分的硬件。读头硬件主要由机芯片和射频通信的芯片等部件组成，实现对信息的读取和传输。读头对模块的信息主要是采取无线通信的方式，对车辆的身份进行准确检验，在芯片和总线的协助下，实现与主控线路的信息交流，执行软件的要求和任务。同时，读头也能够与收费网络进行连接，将车辆的信息传输给管理中心。而车载模块的硬件结构主要是由单片机和射频通信芯片组成，预留接口，目的是对程序进行调试。

2.2 车载模块的主要作用

在车载模块中，其射频通信和控制电路是主要的组成部分。射频通信电路主要采用的是单片机，其具有较好的兼容性，避免了复杂了编码程序，其它外围配件不多，便于使用。主要选用2.4 GHz通信芯片，功率不高，工作模式分为四种，同时集成了链路层协议，提高了数据的传输速度。控制电路采用的是具备强大功能的单片机，对指令的运行和处理时间较短，能够实现较高能力的编程，有利于软件的开发和利用。它的工作电压为1.8V,在软件上采用指令性结构，执行时间为一小时，对任务的执行力度十分强。同时，具备较高的语言编辑能力，有利于软件的.开发和能力的提升。它集成了多种配件，实现了闪存的功能，读写功能比较明显。看门狗电路的设置使得对异常状况的处理能力提高，能够使得系统自动归位。

2.3 在硬件设计中需要注意的问题

对于射频通信电路，其主要的干扰来源于数字电路，如果过程信号没有被隔离，那么就会影响数据的传输。鉴于模块对电压波动的敏感反应，电源产生的噪音也会对传授性能造成影响。因此，在进行硬件电路设计的时候，要保证接地良好，保证干扰维持在最小。另外，电源要采用星形布线，有效防止噪声的干扰。

3 软件的设计

3.1 车载模块的软件流程设计介绍

系统的软件主要包含控制软件和管理软件两大部分。其中，车载模块的程序以及读头的单片机处理程序是主要的组成，如图2所示。初始化程序是由车库发送信息，而后唤醒模块，通信之后的延长时间即为车辆间隔的时间。

图2 车载模块软件流程图

3.2 无线传输通信协议

系统的通信协议主要分为三层，即物理层、数据链路层以及应用层。数据链路层主要是保证无线数据的稳定性。在进行数据传输的时候，实现对数据帧的拆解，而后进行再次发送。在接受数据的时候，进行解包、重组，最后移交给应用层。鉴于协议的分层性，相邻层之间的连续只需要使用接收函数，各个单独的通信层处于各自独立的状态，体现了较高的灵活性。

4 有关系统低功耗的设计

无线射频通信 第6篇

关键词：温度检测,单片机,nRF905无线通信,VB软件界面

有些环境在进行温度实时检测时, 检测人员需要远离实际作业现场并且能够实时在电脑前面进行相关作业控制, 于是在进行温度检测时就涉及到无线通信以及能够将温度信息及时地显示于电脑上的控制要求, 本系统也本着这一实际现场需求进行相应系统功能设计实现。

1 控制系统整体框架设计

该温度检测系统整体的框架设计以基于单片机与温度传感器DS18B20温度检测模块为下位机进行现场多个温度采集点的温度实时采集, 以VB编程软件编写的软件界面为上位机进行温度实时显示以及相应温度信息记录, 上下位机的数据传输通过n RF905无线射频模块以及串口通信模块进行实现。多个采集点的设计可以满足现场环境温度采集点多处的需求。具体控制系统的框架结构如图1所示。

2 下位机部分设计

2.1 下位机硬件设计

硬件电路图根据设计需要分为温度检测与发送单元, 该单位包括的元器件有单片机芯片、温度传感器DS18B20、Nrf905无线射频模块;温度接收单元包括的元器件有单片机芯片、Nrf905无线射频模块、串口通信接口。其中n RF905模块的用电制式为DC3.3V, 所以使用了芯片ams117-3.3进行对应的电源转换。

2.2 下位机软件设计

整体程序框架设计为:其中单片机一用于控制DS18B20的温度检测以及通过n RF905射频模块将检测到的各检测处温度数据发送出去, 单片机二通过n RF905进行数据温度接收并且通过串口将温度数据传入上位机。

在nrf905无线通信数据传输中, 数据必须有其规定的通信协议才可降低传输中的误码率。本系统采用的数据包格式由数据序列号、目标地址、源地址、所发数据长度、数据正文、奇偶校验码组成。在接收端收到一个数据包后, 向发送端发送确认信号, 并且通过校验码对所收到数据进行校验, 如果检验无误将相应的数据包通过串行通信口传入上位机进行温度信息显示以及存储。

3 上位机部分设计实现

采用Visual Basic (VB) 作为上位机界面开发与单片机串口通信实现较为成熟, 为系统的开发带来了一定的便利。上位机不仅可以进行实时温度的数据显示和实时温度信息曲线显示, 同时可以将一定时间间隔的温度信息自动的存入于EXECL表格中。

上位机VB软件设计界面可以通过串口从下位机进行温度数据采集, 并且可以进行一定时间段的温度数据点存入EXECL表格中的自动存储, 同时该时间段可以进行选择1小时, 2小时, 3小时。软件程序设计框架如图2所示。

4 实验结果

根据对应的实物制作, 可以达到预期的设计目标, 并且通过对某试验检测点的温度进行为期一天的检测, 最终在VB界面中所得节点温度曲线如图3所示。

4 总结

本文首先以现场的温度检测需求为入手, 设计了以n RF905无线通信和串口通信实现了上位机无线监测现场环境温度的需求, 根据所提出设计思想进行了对应的实物实验, 根据实验良好结果得出该设计的合理性。

参考文献

[1]李文仲, 段朝玉.短距离无线数据通信入门与实践[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2006:50-63.

[2]张业茂, 张建功, 张广洲, 等.基于n RF905模块的无线通信直流电场测量系统设计[J].高电压技术, 2012, 38 (11) .

[3]李朝青.PC机与单片机数据通信技术.北京:北京航天航空大学出版社, 2012, 4 (03) :100-106.

无线射频通信 第7篇

针对模拟延时器存在的问题,本文提出了一种新型的射频延时器,它采用模数结合数字处理的方式对射频接收数据进行时延调整。测试结果表明,系统数据处理速度快,精度最高可以达到纳秒级,且能够随时通过可编程模块对射频延时器进行调整,以实现射频接收端对各种网络数据的同步接收。

该系统可编程模块采用SDRAM(同步动态随机存储器)作为存储主体,所选用的SDRAM芯片数据处理速率最高可达133 Mbit/s,能够对数据进行高速读写操作。

1 射频延时器的结构和工作原理

射频延时器结构如图1所示。

射频延时器的结构如下:包括上下变频滤波模块,中频增益控制模块,可编程模块,高速模数及数模转换模块。参考时钟与锁相环模块组成标准锁相环电路产生本振信号。基准时间为t0的射频接收信号FM接入下变频滤波模块,输入信号在这里与本振信号进行1次或多次混频,通过滤波取出信号边带,下变频滤波模块连接中频增益控制模块,中频增益控制模块是用于消除传输链路的信号不稳定的影响,得到信号功率恒定的中频信号。中频增益控制模块连接着高速模数转换模块,将中频信号转换为数字信号fm,输入可编程模块。可编程模块将数据通过缓存送入SDRAM存储,并根据程序设定的延时Δt将信号转换为fm+Δt,可编程模块将延时后的数据与高速数模转换器相连接,产生基带模拟信号,经过上变频变成中频信号。中频信号在频域上与延时前中频信号保持一致,但是时域上已经产生了延时,将此中频信号通过上变频滤波模块,经过一次或多次混频,通过滤波取出边带,形成经过延时后的射频信号FM/(t0+Δt),如果设备固有延时是Δta,延时后的最终射频信号为FM/(t0+Δt+Δta),从而完成了射频信号的延时调整。

通信系统接收端数据由于传输链路的差异和多径干扰的影响,各接收节点的传输时延也不相同,此时假设各接收节点接收数据时延,分别为t1,t2,t3,,tm,各节点射频接收信号分别为FM/(t1+t0),FM/(t2+t0),FM/(t3+t0),,FM/(tm+t0)。t0为基准时间,tn大于等于接收时延的最大值。各接收端节点信号通过射频延时器以后,附加时延分别为tn-t1,tn-t2,tn-t3,,tn-tm,各节点最终得到的信号都为FM/(tn+t0),经延时调整后,接收端实现信号的同步接收。

2 射频延时器可编程模块的设计

2.1 可编程模块的结构和工作原理

可编程模块结构如下:包括SDRAM,SDRAM控制器,射频延时器主控制器模块,接收/发射端FIFO读写控制模块,接收/发射端FIFO缓存模块等。可编程模块采用分层状态机的设计模式,实现主状态机与具体操作控制状态机的分离,对数据进行高效的读写操作,结构清晰,降低了系统设计的复杂性,也使程序具有更高的通用性和可读性。射频延时器可编程模块系统状态跳转如图2所示。

系统上电后开始工作,主控制器跳转到初始化模式,SDRAM控制器接收初始化命令分别对SDRAM的各种参数进行设置。初始化完毕以后,主控制器模块跳转到写模式,进入写模式后,地址计算模块,将根据用户写入的延时,对SDRAM初始写地址进行计算,并向接收端FIFO读写控制模块发送命令,使接收端FIFO开始接收数据。当接收端FIFO读写控制模块,返回响应信号时,主控制器模块对SDRAM控制器发送写命令,SDRAM控制器将FIFO传入的数据以突发模式写入SDRAM中。完成一次突发写以后,主控制器跳转至读模式, SDRAM控制器从SDRAM首地址开始将数据以突发读模式读出,并将数据打入发送端FIFO中。完成这一系列的操作后,主控制器又跳转至写模式,并判断接收机FIFO是否发出响应信号,如果检测到该信号,主控制器对SDRAM控制器发出写命令,否则主控制器将跳转至空闲模式继续等待响应信号,如此反复对数据进行读写操做。

接收端FIFO读写控制模块接收到主控制器发送的标志位以后,FIFO开始工作,这个标志位将与AD采样数据的使能信号同时作用成为接收端FIFO的写使能信号。收到写使能信号的接收端FIFO读写控制模块将跳转至写状态,当读写地址状态满足条件,读写控制模块跳转至读状态,将数据存入SDRAM中,完成读进程后,读写控制模块判断是否收到主控制模块发送的刷新标志位,如果有则进入等待状态,直至刷新标志位复位,否则再次进入写状态,完成前端数据的接收。

发送端的读写控制模块的实现相对简单,FIFO的写使能由前端接收数据使能提供,控制模块将保持缓存处于半满状态,否则当接收数据使能较为密集时,SDRAM正处于刷新进程中,此时有可能导致发送端FIFO输出端口读空。

SDRAM控制器的实现是该设计的另一个主要部分,SDRAM控制器主要包括命令监控,命令译码以及数据传递等几部分,SDRAM控制器根据接收到的命令,将数据、地址分别送入相应模块进行处理。

2.2 SDRAM控制器的实现

2.2.1 SDRAM的结构和工作原理

该设计采用MT48LC64M4A2芯片,容量为256 Mbyte,最高工作频率为133 MHz,包含16位数据总线,4个L-bank(Logic bank),每个L-bank的行地址寻址范围为8 k,存储单元内可存放4 bit,8 bit,16 bit三种位宽的数据,此设计所采用的是16 bit位宽存储数据,行地址寻址范围为512。

SDRAM内部是一个存储阵列,结构类似一个表格,指定了表格的行和列就能够确定指定的单元格的地址。每个存储单元是由三极管和电容组成的,电容充电实现数据存储,同时放电也会导致数据的丢失,因此需要隔一段固定时间对SDRAM进行预刷新操作,MT48LC64M4A2芯片需要在64 ms内实现8 192次预刷新以保证数据不丢失。SDRAM的地址是分时复用的,在不同时间段内分别送出行地址(A[12:0]范围:0～8 k),列地址(A[8:0]范围:0～256)。MT48LC64M4A2芯片54个引脚包括以下重要的控制信号引脚:写使能信号WE;行地址选通脉冲RAS;列地址选通脉冲CAS;L-bank选择信号BA0,BA1;掩码DQM;地址信号A[12:0];数据信号DQ[15:0][3]。

2.2.2 SDRAM控制器的实现

SDRAM控制器由时钟模块、命令监控模块、命令译码模块、数据传递模块等几部分组成,支持1,2,4,8和全页突发等突发模式。SDRAM状态转移如图3所示。

系统上电后对SDRAM进行初始化,等待100 μs获得稳定的电源和时钟,然后对所有L-bank进行预充电以及预刷新命令。最后通过LMR命令向模式寄存器中写入0x033,以支持8 bit突发长度的读写操作。

系统完成初始化以后,进入idle状态,等待刷新命令、写命令、读命令的到来。主控制器根据需要,向SDRAM控制器发出各种操作命令,命令优先级为正在执行的命令最高,其次为预刷新命令,然后是其他命令。根据这种优先级机制能有效地减少命令冲突,提高SDRAM的工作效率[4]。

读写操作是SDRAM要进行的主要操作,该设计所采用的是8 bit突发读写模式,当接收FIFO接收到8个AD采样数据以后,主控制器向SDRAM控制器发起突发写命令,开始执行写进程,发送ACTIVE命令,激活要操作单元的行,发送写命令同时激活相应列,ACTIVE命令和写命令之间要等待tRCD时间,写命令发起的初始地址由主控制模块生成,用户在PC机界面上输入要延时的数据个数,主控制器根据这个长度自动计算出初始写地址,由SDRAM读写地址差来实现读写数据的延时。

当写进程执行完毕以后,控制器跳转至读进程,与写进程类似,在ACTIVE命令之后发起读命令,数据将在CAS Latency个周期后出现在数据总线上。关闭当前使用的行,有两种方式:一种是发起precharge命令,一种是发起burst terminate命令。当需要对同一个bank中的不同行进行操作的时候,需要发起precharge命令,来关闭当前使用行。

需要注意的是,当操作行地址和突发长度设定以后,以突发长度个列组成一个模块,这个操作模块的设定由地址线A[8:3]完成,地址线A[2:0]指定读写操作在这个模块中的初始列地址,读或写操作都将在这个模块中执行,直到指定下一次操作的具体地址。

3 硬件平台及测试结果

在Altera公司的开发工具quartusII环境下完成了射频延时器可编程模块的设计,可编程模块采用的是Altera公司的Cyclone III EP3C120F484C8的FPGA芯片和Micron公司的MT48LC64M4A2芯片,系统在搭建的硬件平台上进行测试。软件测试结果如图4所示。

图4中,datain为射频延时器A/D变换后的射频接收数据,dataout为经可编程模块后的输出数据;delay为延时数据个数,可以看出,当延时数设为408,数据在经过延时器控制后,相对于没有延时(delay为0)的情况,数据延时了408个数据,实现对数据的延时调整。

4 结论

测试结果表明,SDRAM的高速处理速率能够满足高速实时处理数据的要求,射频延时器数据延时精度最高可达纳秒级,从而保证设计稳定可靠,符合设计要求,射频延时器的设计和实现有效地降低了因传输速率不同和多径干扰所造成的数据间相互干扰,避免了因此而造成的数据处理失真等问题。

摘要：在无线通信设备中,射频接收端经常需要接收来自不同传输网络的数据,由于数据传输链路的差异,将导致数据间产生严重的相互干扰,从而造成数据处理失真。为了解决这一问题,通常采用模拟延时器对不同传输网络的数据进行时延调整以达到射频同步接收,但是模拟延时器往往延时精度低,处理速度慢,工程造价高。针对此问题,提出了一种新型的射频延时器,它采用模数结合数字处理的方式,实现数据的同步接收,避免了时延差所造成的数据处理失真等问题,测试结果表明射频延时器工作稳定,数据处理速度快,精度可达纳秒级,满足系统设计要求。

关键词：射频延时,同步动态随机存储器控制器,异步先入先出缓存器,FPGA

参考文献

[1]PARK J H,LEE D W,LM H S,et al.A 3.3V 133MHz 32Mb synchronousmask ROM[C]//Proc.ISSCC 1998.San Francisco:IEEE Press,1998:338-339,460.

[2]任广辉,李宝,王刚毅.基于SDRAM的大容量FIFO突发缓存及数据存储方法:中国,200810064901.1[P].2008.

[3]赵冠男.基于FPGA的内存控制器的设计与应用[D].太原:太原理工大学,2010.

[4]赵传猛,高岩,张蓉.一种简单的SDRAM控制器的实现[J].计算机与数字工程,2010,38(8):197-200.

[5]高子旺,顾美康.一种基于FPGA的低复杂度SDRAM控制器实现方法[J].计算机与数字工程,2010,38(1):194-196.

无线射频通信 第8篇

当今社会,病床呼叫系统已成为医院不可缺少的监护设备,它对于患者和医护人员之间的信息沟通起着十分重要的作用,能够有效地保证患者及时得到医护人员的看护和医治,同时为医护人员的医护管理带来极大的方便。目前,现有的呼叫系统大都以有线为主[1,2],有线呼叫系统需要在医护人员值班室和病房之间铺设线路,布置起来比较麻烦,而且对病房的环境有一定的影响,为解决有线系统的不足,迎合医院追求环境整洁的需要,我们设计了医院病床无线呼叫系统。

2 系统工作原理及总体结构

病床无线呼叫系统由接收显示终端和呼叫发射终端2大部分构成。布置系统时,将无线接收显示终端安装在医护人员值班室,呼叫发射终端安装在病房或者楼道内。呼叫按钮挂接在无线发射终端之上,采用44矩阵式键盘设计,每台发射终端可挂接16个呼叫按钮。呼叫按钮安装在相应病房对应的病床上。当某一呼叫按钮按下时,呼叫发射终端会判断出按键按下的位置,并将相应的病房号和病床号通过规定好的数据帧格式发送到值班室的接收显示终端上;接收显示终端接收到数据帧后,通过解码在液晶显示器上显示出呼叫的病房号和病床号,并通过声光报警来提示值班人员。系统的总体结构如图1所示。

3 硬件设计

系统硬件设计包括接收显示终端和呼叫发射终端的设计,两者均以AT89S52单片机和n RF905无线收发器为核心。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器,具有8 KB在线可编程Flash存储器。n RF905是挪威Nordic公司推出的单片射频收发芯片,工作电压为1.9~3.6 V,工作于433/868/915 MHz 3个ISM频道。n RF905可以自动完成前导码和CRC校验码的处理,采用曼彻斯特编解码,具有低功耗的特点。当输出功率为-10 d Bm时,发射瞬时电流为11 m A,在接收模式时,电流为12.5 m A。n RF905采用SPI接口完成同微处理器的数据传输,n RF905发射一次的数据量最大为32 B[3]。

3.1 呼叫发射终端

呼叫发射终端由AT89S52、n RF905、44矩阵按键及供电电路构成,其原理如图2所示。当AT89S52检测到有按键按下时,进行按键判断,并将判断结果以相应数据帧格式发送出去,每次发送完毕后,LED指示灯闪烁。该终端在正常情况下采用交流电源供电,当断电时,采用直流供电。

3.2 接收显示终端

接收显示终端由AT89S52、n RF905、声光报警装置、存储器、功能按键、液晶显示模块、供电电路组成,其原理如图3所示。当n RF905接收到信号后,交由AT89S52分析并解码,然后将信息存储到存储器中,最后调用显示程序将存储器中存储的最近5条呼叫信息在液晶显示模块相应位置显示,并进行声光报警。功能按键包括清空存储器按键、信息查询按键等。液晶显示模块选用12864汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8 192个中文汉字(1616点阵)、128个字符(816点阵)及64256点阵显示RAM(GDRAM)。存储器选用24c04单总线串行存储器,它是一个1 KB位串行CMOS E2PROM,内部含有128个8位字节。

4 软件设计

4.1 防冲突软件设计

对于呼叫发射终端,有可能在同一时间内有多个呼叫按键被按下,为了避免冲突,在检测到多个呼叫信号时,首先将其存储在单片机的RAM中,然后实行顺序发射。当在同一时间有多个呼叫发射终端同时发射数据时,会产生信息碰撞,因此需要采用合理的防碰撞机制。在此,我们采用了CSMA(载波侦听多路访问)协议,该协议的实现原理是发射终端在发送数据前先进行载波侦听,以确认当前使用的信道未被占用,如果侦听到有其他终端在发送数据,则会延时等待,从而有效降低了发生冲突的可能性,提高了整个系统的吞吐量[4]。

4.2 呼叫发射终端

呼叫发射终端通电后,首先进行初始化操作,然后进入程序流程,即首先扫描按键,若有按键按下,则进行按键判断,判断出按键数及按键位置,然后采用CSMA协议进行信道检查,若信道空闲,则进行数据信息的发射。呼叫发射终端具体程序流程如图4所示。

4.3 接收显示终端

接收显示终端通电后,首先进行相应初始化操作,然后进入程序流程,即首先扫描自身的功能按键,若有键按下,则进入相应处理程序,否则,判断有无数据接收,若有数据接收,则将数据解码后进行存储,存储完后进行显示并用声光报警提示值班医护人员[5,6]。接收显示终端具体流程如图5所示。

5 结束语

采用AT89S52和n RF905设计的病床无线呼叫系统成本低、架设及维护方便、无需布线、能量消耗低,具有很强的实用性,可作为新一代病床呼叫系统推广使用。该系统的扩展性强,可为值班医生设计移动接收节点,佩带在医护人员身上,为医护人员提供实时的呼叫信息。

参考文献

[1]刘焰.单片机实现病房呼叫管理[J].科技资讯,2006,54(25):7-8.

[2]全为民.基于RS-485总线的病房数显呼叫器的设计[J].微计算机信息,2002,36(18):9-10.

[3]Nordic VLSI ASA.433MHz Single Chip RF Transceiver nRF905Datasheet[EB/OL].(2008-07-30)[2009-12-20].http://www.nvlsi.no.

[4]吴强,沈斌,秦宪礼.无线射频瓦斯传感器研究[J].煤矿安全,2009,40(5):74-77.

[5]梅彬运,熊振国,伍宗富.基于nRF401芯片的医院无线护理呼叫系统的设计[J].现代电子技术,2007,30(14):167-169.

无线射频注入的物理层分析 第9篇

随着对敌方无线通信认知程度的深入,有可能根据敌方采用的通信手段,以软件无线电的方式,构造与之相适应的虚假报文并通过无线射频注入到敌方网络,实现网络欺骗。这是一个极其复杂的处理和控制过程,需要在物理层、数据链路层以及更高的层次都能够正确的交互,达到常规通信对抗无法达到的攻击效果。物理层处于OSI网络7层协议的最底层,是实现高层次欺骗攻击服务请求的物理基础,本文探讨实现无线射频注入需要在物理层完成的工作。

1 无线射频注入的模型框架

首先建立无线射频注入的模型框架。为了描述的方便,将无线网络的7层协议简化为3个层次,即物理层、数据链路层和更高的信息层。为了实现欺骗信息无线注入,需要攻击方与敌方的接收方能够在对等的层次上进行交互操作,高层次的任何操作最终都需要物理层来完成。

物理层提供射频信道调制以及具有适合的数据顺序和定时的电接口。要实现无线射频注入,首先要求攻击设备在物理层上实现与被攻击设备的信号匹配、数据顺序一致和严格地定时,才能够进一步向更高的层次渗透。这需要对敌方的无线通信进行侦察,精确地感知敌方通信信号外部参数和通信交互规程,由无线注入设备产生与之相匹配的虚假报文,并以足够的信号强度和相应的通信规程注入到网络。无线注入模型如图1所示。

为了在物理层实现无线注入,需要满足以下几个方面要求:

① 攻击者与被攻击者之间有足够的信道容量。攻击者在信道上以适当的信号带宽和功率向被攻击者发射信号,满足额定的信噪比才能够实现物理信号注入;

② 攻击方发射的信号与接收方的接收设备接收方式相关,信号的外部参数严格匹配,接收设备才能够以足够高的正确率解调,使得由欺骗信息构成的原始比特流能够进一步向上层渗透;

③ 收发之间保证严格的时间顺序,按照接收设备遵循的通信规程完成链路建立、交互、和欺骗信息的注入。

2 对主要参数的需求分析

2.1 信道容量的需求

2.1.1 信道容量

攻击方要在一个特定的无线信道上向被攻击方注入欺骗信息,首先要保证该信道有足够的容量。根据仙农定理,有扰连续信道的信道容量为:

undefined。 (1)

式中,C为信道容量;B为信道带宽;S/N为信噪比。

对于无线注入来说,要求被攻击方接收到的信息是由攻击方发出的,从仙农公式来看,攻击方必须使用适当的信号带宽B和信噪比S/N,才能够将欺骗信息注入到被攻击方的接收系统。

在实际无线通信中,信息必须按照一定的调制方式进行调制才能够使得信息与无线信道匹配,发射到空中。不同调制方式的误码率公式如表1所示。

2.1.2 发射功率的确定

攻击者的无线射频注入设备向被攻击者的接收设备注入欺骗信息,在接收设备的端口必须有足够的信噪比。

接收方的信号强度,取决于多种因素。无线电能量在三维空间理想的传播,接收机处的载噪比为:

C/N0=Pt+Gt+Gr-Lb-NF-Lt-kTB。 (2)

式中,C为载波功率;N0为噪声功率密度;Pt为发射功率;Gt为发射天线的天线增益;Gr为接收天线的天线增益;Lb为路径传播损耗;NF为接收机的噪声系数,此噪声加到放大的接收信号中;Lt为任何其他损失的总计;k为波兹曼常量;T为接收机的等效温度;B为信号所占带宽。

在进行射频注入时,要有足够的发射功率和合适的天线增益,以克服路径传输损耗及基底噪声等因素带来的信号恶化。

(1) 空间传输损耗Lb的确定

Lb根据具体的电波传播环境来确定。无线信道的传播模型可分为大尺度(Large-Scale)传播模型和小尺度(Small-Scale)传播模型2种。大尺度表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化,小尺度表征了接收信号短时间内的快速波动。实际无线信道的衰落因子可表示为:

η(t)=ξ(t)ζ(t)。 (3)

式中,η(t)为信道的衰落因子;ξ(t)为小尺度衰落;ζ(t)为大尺度衰落。

大尺度传播模型集中于给定范围内平均接收场强的预测。在无线通信中,电波传播经常在不规则地区,在估计路径损耗时,要考虑特定地区的地形地貌。一些通用的室外传播模型包括:Longley-Rice 模型、Durkin模型、Okumura模型和Hada模型等[1]。

小尺度描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内接收信号强度的快速变化,主要原因是多径效应。这种衰落是由于同一传输信号沿2个或多个路径传播,以微小的时间差别到达接收机的信号互相干涉引起。

在实际计算时,根据收发终端所处的位置关系,选用合适的传播模型对传播损耗进行估计,并增加一定的信号强度余量补偿小尺度衰落造成的影响。

(2) 天线增益的确定

通信双方的接收和发射天线一般都有方向性增益,攻击设备与被攻击设备之间的天线增益也存在方向性。根据工作频段、收发双方的位置、接收和发射平台的种类来估计天线的方向性参数Gt和Gr。从工作频段来看,频段越低,发射和接收天线的方向性越差。从接收和发射源的平台类型来看,地面固定平台容易采用定向天线,而机动特别是机载平台通常采用全向天线。同时要根据攻击方与被攻击的通信双方之间的位置关系,来判断接收方相对于攻击者发射天线增益的方向性。

(3) 带宽内噪声的确定

在实际进行无线射频注入的过程中存在2种方式:

① 被攻击的收发双方处于静默状态;攻击者的发射设备与被攻击的接收设备之间的通信相当于2个正常终端克服路径传播损耗和热噪声的情况下的通信;

② 被攻击的收发双方之间正在进行通信;攻击者的攻击信号在被攻击的接收设备端口需要克服被攻击网络发射方的信号及热噪声,并达到额定的信噪比需求,被攻击的接收方才能够接收到攻击方注入的信息。

这2种方式所需要的发射功率不同。在方式①情况下,在计算接收端的噪声时,只需要考虑环境噪声,噪声=kTB,因此需要无线注入发射的功率较小;在方式②情况下,需要把对方的发射信号作为接收方的噪声,噪声=kTB+对方信号强度,因此需要更大的发射功率。

(4) 确定发射功率

通过对传播损耗、天线增益和噪声基底等参数的估计,可以根据式(2)载噪比公式推算出实现无线射频注入需要的发射功率水平。

2.2 信号形式的匹配

实现信号解调的常用方法是基于信号相关的方法,即将接收信号和噪声分解为N维向量。接收信号通过一组并行的N个相关器,这些相关器主要计算接收信号r(t)在N个基函数{fn(t)}上的投影。在存在干扰信号时,对造成误码起作用的是进入相关器仍能够保留的能量。因此,要实现物理层的射频注入,要根据相关解调器的结构,设法使欺骗信号是与解调器相匹配的相关信号。

需要首先观察目标方的通信情况,对其外部参数进行精确测量,包括:通信信号的载波频率、信号带宽、调制方式、调制速率和调制的滚降系数等。采用数字信号处理技术,能够比较准确地测定这些参数。滚降系数描述了滤波器的带宽特性,文献[2]表明滚降系数误差给系统的整体性能造成的损失很小,这并不一定要预先准确地知道发送端的成形滤波器的系数,而只需假定一个合适的值即可,一般可以设为0.5。

2.3 收发时序关系控制

2个数据终端设备之间要能正常通信,还需要共同遵守一定的通信规程,使对方能够正确地接收和判断攻击方所发的消息。通信规程涉及消息类型、数据格式、传输次序、建链和拆链方式、流量控制以及链路管理等问题的规定或约定。面向字符的协议用的较多是BSC,主要用于计算机之间和终端之间的通信;面向比特的协议用的较多的是HDLC,在计算机网、卫星数据网中均广泛应用。

攻击者要实现对被攻击者的终端进行信息注入,首先要通过交换、探询和选择等过程建立数据链路,然后再进行欺骗信息传送,在信息传送结束后断开连接。只有严格地遵循相应的规程,在相应的时隙发送合适的报文,才能够完成射频注入。

3 无线射频注入的实现

实现无线射频注入的流程包括侦察感知过程和射频注入过程2个阶段。

在侦察感知阶段,主要是实现对网络参数的感知,确定发射功率和发射的信号参数;在射频注入过程,主要是实现匹配波形的产生和欺骗信号的发射。

3.1 侦察感知过程

3.1.1 发射功率的确定

采用无源侦察的方式对目标进行测向定位,确定目标的位置,根据位置的相对关系确定路径损耗。

根据频段信息、定位信息确定目标的平台属性,测量信号在攻击方处的信号场强,确定被攻击的收发双方接收天线、发射天线的方向增益。

根据估计的天线方向信息、路径传播损耗和额定的信噪比需求,计算实现攻击需要达到的发射功率,并根据实际情况适当补偿一定的功率等级。

3.1.2 信号参数的确定

对被攻击网络的通信进行监测,收集目标的信号参数,包括信号强度、信号的调制特征,通过时序关系判断所采用的通信规程等。

3.2 射频注入过程

3.2.1 波形产生

敌方采用的通信信号波形可能千变万化,要适应其变化,采用软件无线电技术,能够生成任意波形的信号[3]。

软件无线电把尽可能多的无线通信功能用软件来实现,所有基带信号的处理用软件方式替代硬件实施。这种结构的最大优点是在基于同样的硬件环境,针对不同的功能采取不同的软件来实施,其系统升级、多种模式运行可自适应完成。在一个共用的模块软件中,能够实现所有的波形、协议、加密和通信过程。

3.2.2 射频发射

要根据被攻击的接收设备的通信规程,在特定的时序发射适当的信号形式,完成数据链路的建立、欺骗信息的传送和注入过程的结束。在进行注入时,一定要考虑信号强度上留有余量。

4 结束语

以上讨论了实现无线注入需要的物理层基础。只有完成了在物理层的射频注入,才有可能进一步向更高的层次渗透。在物理层需要攻击方足够的发射功率以满足额定信噪比的要求,同时需要保证注入信号的外部形式与接收设备严格相关匹配、注入的时序严格满足通信规程,才有可能使欺骗信息进入到敌方的网络。

摘要：通过物理层进行无线射频注入是实现更高层次网络对抗的基础。建立了一个无线射频注入的模型,在物理层实现注入必须满足足够的信道容量、匹配的信号形式和严格的时序关系。分析了实现物理层注入需要确定的几个参数:估计路径传播损耗、收发天线增益、噪声基底等指标以确定发射功率。对被攻击网络的信号进行精确参数估计,以控制产生相匹配的信号。要遵循合适的通信规程,以实现无线链路的建立和欺骗信息的传送。给出了实现无线注入的工作流程,将欺骗信息通过物理层向高层渗透。

关键词：射频注入,物理层,信号匹配

参考文献

[1]RAPPAPORTS.无线通信原理与应用[M].蔡涛,译.北京:电子工业出版社,1999.

[2]詹亚锋,曹志刚,马正新.滚降系数误差对M-PSK信号误码性能的影响[J].通信学报,2003,24(10):125-130.

[3]钮心忻,杨义先.软件无线电技术与应用[M].北京:北京邮电大学出版社,2000.

无线射频识别技术与应用研究综述 第10篇

1 RFID基本原理

RFID系统由标签、读写器、数据传输和处理系统组成。RFID标签被称为电子标签、电子条码等, 它是内部带有天线的芯片, 芯片中存储能够被识别目标的信息。RFID标签具有持久性, 信息接收传播穿透性强, 存储信息容量大、种类多等特点。RFID标签支持读写功能, 目标物体的信息能随时被更新。RFID读写器分为手持和固定两种, 由发送器、接收器、控制模块和收发器组成。收发器与控制计算机或可编程逻辑控制器 (PLC) 连接从而实现沟通功能。读写器用天线接收和传输信息, 通过接收标签发出的无线电波读取数据。最常见的是被动射频系统, 当读写器遇见RFID标签时, 发出电磁波, 周围形成电磁场, 标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路, 芯片转换电磁波, 然后发送给读写器, 读写器把它转换成相关数据, 控制计算器就可以处理这些数据从而进行识别和管理等。在主动射频系统中, 标签中装有电池并可在有效范围内被识别。RFID系统可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签, 操作快捷方便。

2 RFID技术的起源与发展

RFID技术最早起源于雷达技术的发展及应用, 其历史可追溯到20世纪初期[1,2,3] 。雷达发射无线电波并通过接收到的目标反射信号来测定和定位目标的位置及其速度, 其物理机制是RFID技术的工作基础。1948年, Harry Stockman发表了题为“利用反射功率进行通信”一文, 奠定了RFID系统的理论基础。在过去的半个多世纪里, RFID技术的发展经历了以下几个阶段:20世纪40年代, 雷达的改进和应用催生了RFID技术, 1948年奠定了RFID技术的理论基础;50年代, 处于实验室的研究和探索阶段;60年代, 处于初步发展阶段, 开始一些应用尝试;70年代末, 美国政府将RFID技术转移到民间, 处于一个大发展时期, 出现了一些早期的RFID应用。80年代, 美国与欧洲的几家公司开始着手生产RFID标签, RFID技术及产品进入商业应用阶段。90年代, RFID技术标准化问题日趋得到重视, RFID产品被广泛应用, 逐渐成为人们生活中的一部分。到21世纪初期, 有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展。电子标签成本不断降低, 应用规模和行业不断扩大。无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正成为现实。

3 RFID技术研究现状

当前RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私等方面[4] 。电子标签的工作频率是一项重要的指标[5] , 它不仅决定着射频识别系统的工作原理 (电感耦合还是电磁耦合) 、识别距离, 还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。短距离的HF (13.56MHz) 频段射频识别技术被飞利浦 (Phillips) 、美国德州仪器 (TI) 等跨国公司垄断, 包括标签芯片与读写器芯片等, 其参考解决方案也被普遍公开化了。长距离HF射频识别技术被国外极少数企业垄断。产品主要来自于德国Feig公司。由于技术不够成熟、导致成本高, 产量小、性价比低。UHF (915MHz) 射频识别系统最早由美国Amtech公司推出, 其技术比较成熟。目前Atmel, Matrics等公司以及国内的几家公司也在积极投入对UHF射频识别技术的研究。微波 (2.45GHz) 频段的射频识别技术刚刚起步, 其主要开发商仍是Amtech公司[6] 。标签和读写器天线分别承担接收和发射能量的作用, 当前对RFID天线的研究主要集中在天线结构和环境因素对天线性能的影响上。天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗, 比较适合标签应用。由于RFID标签放置方向不可控, 读写器天线必须采取圆极化方式 (其天线增益较大) 。天线增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离产生较大影响, 天线的工作频率对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响。天线特性受所标识物体的形状和物理特性影响, 人们提出了多种解决方案, 如采用曲折型天线解决尺寸限制, 采用倒F型天线解决金属表面的发射问题等。天线特性还受周围物体和环境的影响, 如何减少电磁屏蔽和电磁干扰, 是RFID技术研究的一个重要方向[7] 。在RFID系统中, 冲突可以分为读写器冲突与标签冲突两类[8] 。读写器冲突是指多个读写器同时与一个标签通信, 致使标签无法区分读写器的信号, 也包括相邻的读写器同时使用相同的频率与其阅读区域内的标签通信而引起的频率冲突。标签冲突是指多个标签同时响应读写器的命令而发送信息, 引起信号冲突, 使读写器无法识别标签。读写器冲突问题类似于移动蜂窝网络中的频率分配问题。由于读写器能检测冲突并且读写器间能相互通信, 因此读写器冲突能很容易得到解决。对于标签冲突, 由于目前射频标签存储能力与功能都有限, 标签本身不能检测到冲突且标签与标签之间不能通信, 因此标签防冲突算法对于射频识别系统识别能力至关重要, 也是目前射频识别领域研究的热点与难点之一。标签防冲突算法可以分为基于aloha机制的算法与基于树机制的算法。Aloha机制算法通过使标签在不同的时间响应读写器从而达到减少标签发生冲突的可能性。基于aloha机制的标签防冲突算法能够减少冲突, 提高识别效率。但是必须指出, 基于aloha机制的算法并不能很好地避免冲突, 而且它们存在一个严重的问题即某个标签可能长时间无法得到识别, 这种现象我们称为“标签饥饿”。而基于树机制的标签防冲突算法就不会“标签饥饿”现象。基于树机制的碰撞算法的基本思想是将处于冲突的标签分成两个子集直到读写器能够无冲突地识别出所有标签。RFID安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范对RFID系统的攻击以及利用RFID技术进行安全防范等多个方面。目前, 在RFID系统安全中采用的主要技术对策有KillTag法、FaradayCage法、有源干扰法、智能标签法等。国际上已经提出三种智能标签法:散列函数锁存法、重加密法和二叉树法[9] 。

4 RFID技术标准化

RFID标准化是RFID大范围应用推广中亟待解决的问题。RFID技术领先的国家和地区为争夺技术标准主导权, 都在积极制定自己的标准。在国际上, 射频识别技术标准化发展渐呈三足鼎立之势:ISO/IEC18000、美国的EPC Global、日本的Ubiquitous ID。这三个标准相互之间并不兼容, 主要差别在通讯方式、防冲突协议和数据格式等三个方面, 在技术上差距并不明显。这三个标准都按照RFID的工作频率分为几个频段, 其中, 处于860~960MHz内的UHF频段的产品因为工作距离远且最可能成为全球通用的频段而最受重视, 发展最快。我国政府已经充分认识到RFID产业的重要性, 在2004年初正式成立了电子标签国家标准工作组, 目前, 正在制定中国自己的RFID标准。

5 RFID技术应用

RFID技术已经被广泛应用于各个领域, 典型应用如:动物晶片、门禁控制、航空包裹识别、文档追踪管理、包裹追踪识别、畜牧业、后勤管理、移动商务、产品防伪、运动计时、票证管理、汽车晶片防盜器、停车场管制、生产线自动化、物料管理等等。根据RFID系统完成功能的不同, 可以将其大致分为:电子物品监视系统, 是一种安放在门口的用于控制物品出入的RFID系统, 主要应用在商店、图书馆等地;便携式数据采集系统, 该类系统使用手持式数据采集器, 对标签进行数据采集, 适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境;物流网络管理系统, 读写器直接与数据管理系统相连, 当带有电子标签的物体经过读写器时, 它的信息会被自动输入到管理系统并进行存储、分析、处理, 达到控制物流的目的;定位系统, 用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行的辅助运行定位等。

6 RFID技术发展方向

纵观国内外的研究现状, 可以预测RFID技术将会围绕以下几个方面进行重点研究。

(1) RFID产业发展中的共性技术和具有较大发展潜力的前瞻性技术研究, 包括超高频 (UHF) 读写器核心模块的研发;用于电子标签的芯片应用设计和超低功耗电路设计, 基于不同应用对象的超高频和微波频段RFID标签天线研究;RFID系统测试技术及开放式平台建设;可用于标签芯片的安全算法及其实现技术研究;RFID与其它技术的集成与融合研究;RFID系统检测、认证相关技术研究;基于IPv6网络技术的RFID信息服务体系研究等。

(2) RFID产业化关键技术研究, 包括芯片设计与制造、天线设计与制造、电子标签封装技术与装备、RFID标签集成、读写器设计与制造技术等。

(3) RFID应用关键技术研究, 包括对RFID应用体系架构、RFID系统集成与中间件、RFID公共服务体系、RFID测试技术与规范等RFID应用关键技术进行研究和攻关, 形成RFID技术发展的支撑服务体系。

(4) 在我国, 应深入开展RFID标准的基础研究, 制定适应我国RFID应用的物品编码规则、自主知识产权的空中接口标准以及国家基础性标准、产品标准和行业应用标准。

摘要：无线射频识别技术是一种非接触性的自动识别技术, 已被广泛地应用于生产、管理、生活等各领域, 并逐渐成为主要的自动识别技术。文章从基本原理、实现的关键技术及应用等方面分别对其研究现状进行了综述, 并对今后的发展方向进行了展望。

关键词：无线射频识别,电子标签读写器,应用研究

参考文献

[1]H.Stochman.Communication by Means ofReflectedPower.Proceedings of the IRE, 1948, 36 (10) :1196-1204.

[2]O.Rittenback.Communication by Radar Beams.US Pa-tent 3460139, 1969.

[3]J.J.Bussgang, P.Nesbeda, H.Safran.A UnifiedAnalys-is of Range Performance of CW, Pulse, andPulseDoppler Radar.Proceedings of the IRE, 1959, 47 (10) :1753-1762.

[4]吴永祥.射频识别 (RFID) 技术研究现状及发展展望.微计算机信息, 2006, 22 (11) :234-236, 230.

[5]朱正.射频识别技术频率选择的一些考虑.中国电子商情 (RFID技术与应用) , 2006 (2) :52-54.

[6]陈鹏.长距离HF射频识别关键技术研究与实现.华南理工大学博士学位论文, 2006.

[7]龚成.RFID中电子标签天线设计.中国电子商情 (RFID技术与应用) , 2006 (3) :40-43.

[8]周永明.一种改进的查询树射频识别防冲突新算法.广东轻工职业技术学院学报, 2006, 5 (2) :31-33.