随着计算机与电子信息技术的高速发展,万物互联的物联网时代的到来将是必然的趋势。射频识别（RFID）技术在这场变革中起着不可忽视的的作用,是引领这场变革的关键技术。RFID技术是一种通过无线射频方式进行非接触双向数据通信来实现智能识别目标的技术。如今,RFID技术理论得到了进一步的丰富和发展,已经广泛的应用于许多行业和领域。根据标签内部是否有芯片,RFID标签可以被分为有芯片的传统标签和无芯标签。传统的RFID技术发展时间较长,技术成熟,但是因为标签内部的芯片成本较高,难以应用在低成本领域。对于无芯标签,天线是整个标签的唯一核心单元,制作成本较低,可以解决传统RFID标签成本较高的问题。尽管RFID技术有着巨大的优势,但是RFID系统容易受到各种恶意攻击,限制了RFID技术的广泛应用,其中最主要的攻击是RFID标签的伪造。例如,RFID标准中应用最广泛的一类二代标签,在关键应用中如航运和港口运营、供应链管理、医药产品、钞票以及物联网（Io T）都可以被克隆。由于RFID标签伪造会对采用RFID技术的应用造成严重威胁,可能会导致品牌受损和经济损失,甚至会危及个人的安全和健康。特别是在食品、医疗和制药行业,这些关键应用需要防范RFID标签克隆的攻击。RFID系统由两个主要原件组成:阅读器和标签,与传统的条形码相比,无芯RFID标签的优点在于其较长的读取距离、穿透性和抗污染能力强,因此它具有取代条形码的潜在能力。当前无芯RFID标签的编码数量较小限制了无芯标签的广泛应用。ID的数目决定了标签应用的广度,随着现在社会的快速发展,物品种类变得更多,再加上现在进入大数据物联网时代,数据的繁杂需要大容量的ID,只有保证了ID数目,才能够在实际中得到更多的应用。物理不可克隆函数（PUF）利用物品内在的物理构造来对其进行唯一性标识,作为一种新的硬件安全原语,物理不可克隆函数是一种依赖芯片特征的硬件函数实现电路,通过提取芯片制造过程中引入的工艺参数偏差,实现激励信号与响应信号唯一对应的函数功能。本文基于PUF的思想提取标签制作过程中引入的工艺误差进行编码,生成PUF值。将生成的PUF值作为无芯标签的ID。因为PUF值具有唯一性和随机性,所以可以作为标签的唯一ID,因为PUF的不可克隆特性,可以有效的打击仿冒标签的现象。无芯RFID标签数据编码方式主要有三种方式,时域反射、幅值/相位反向散射调制（RCS）、频谱特性。在时域中编码信息的无芯RFID标签采用声表面波（SAW）技术,标签由一个电声转换器连接到一个天线组成。电磁脉冲由阅读器发送,由天线接收,通过转换器转换成声能。然后,声波通过基底传播,在有反射器的地方发生反射。然后再通过转换器转换回电磁能,并传输到阅读器。这种工作原理被称为时域反射法（TDR）,反射器产生的回波中包含标签的ID信息。基于时域反射的标签提供了高信息容量,但是成本较高,在使用规模大的市场上没有竞争力;基于后向散射的无芯RFID标签通过雷达横截面响应中的极点提供编码信息;本文中研究所用到的无芯RFID标签是基于频域编码的标签,这种标签是基于多螺旋谐振器结构的多阻带滤波器,不同的标签结构对应于不同的谐振频率,对回波频谱的波谷进行检测完成标签ID的检索。这种标签的优点是成本较低,缺点是编码容量较低,基于以上研究,本文中提出一种基于PUF的无芯RFID标签的编码方式,可以实现较低成本的高容量标签。谐振器的长度、谐振器的高度、谐振器的宽度、谐振器相邻金属线的距离、谐振器与微带线的距离、标签的介质板材料等都会对无芯标签的频谱图起到一定的影响。在输入频率固定的情况下,回波信号的幅值受到以上参数的影响。但是在标签的制造过程中,参数的实际值会和理想值有一定的偏差。同一批生产的、相同规格的标签在输入信号相同时,回波信号的幅值也是有差异的。这种差异是由工艺的误差带来的,且具有随机性。我们对这种误差进行编码,即可以生成PUF信息。本文在500M～1.1G的带宽上采样64个点来统计误差,生成64bit的PUF信息作为标签ID。对于带有PUF信息的RFID标签,我们需要设计一个专用的阅读器来检测、提取标签的PUF信息。本文中设计的阅读器不同于传统的RFID阅读器,所设计的阅读器应具有较高的分辨率,能够提取标签制造过程中的偏差并提取出PUF信息。对于同一批成产的标签,读取器可以为每个标签生成唯一的身份信息。阅读器的主要功能是完成无芯RFID标签的PUF信息的提取,这就要求阅读器可以发射500M～1.1G的离散扫频信号,而且能够检测回波信号的幅值,提取无芯RFID标签的PUF信息。阅读器主要由三个部分组成:射频模块、数字控制模块、和电源模块。射频模块的作用主要是接收数字控制模块发出的控制信号,输出对应频率的射频信号,将信号发送给无芯RFID标签,然后接收从无芯RFID标签返回的信号,送往数字控制模块做进一步的数据处理。整个射频模块主要由两个VCO、两个功率放大器、两个功率分配器、两个乘法器、两个低通滤波器、和两个有效值检测器组成。通过数字控制模块控制VCO输出两个相差100M的信号,射频信号f1和f1+100M的参考信号f2。因为VCO的输出信号的幅值会因为输出信号频率的不同而有差异,所以在VCO后接一个高倍数放大器（放大器工作在饱和区）,使输出信号的幅值固定。放大器的输出通过功率分配器之后生成四个信号f11、f12、f21、f22。f11在通过标签之后的回波与f21作为乘法器1的输入信号,乘法器1的输出经过低通滤波器后的信号为M1。M1的幅值和输入的标签回波信号的幅值成正比。将f12和f22输入到乘法器2,输出经过低通滤波器后的信号M2作为参考信号（REF）。引入参考信号的意义是用来降低系统误差带来的影响。M1和M2通过有效值检测器后将交流信号转换成直流信号送到数字模块做进一步的数据处理。数字控制模块主要由FPGA、DAC、ADC组成。数字控制模块的主要作用是通过DAC控制输出到VCO的电压值,进一步达到控制输出信号频率的功能。即FPGA通过对数字信息编码来控制DAC的输出电压,输出电压连接VCO的电压控制端,进而达到控制输出信号的频率。即数字控制模块可以通过对数字编码来实现扫频操作,并对接收到的信号进行处理,提取PUF信息。DAC采用的是14位双通道的DAC模块AN9767,转换速率为125MSPS。DAC采集回波信号M1、M2的幅值大小,将模拟信号转换成数字信号N1和N2。用N1/N2来表示标签的S参数,减小实验器件带来的系统误差。若实际的S参数小于理想值,则该频率下PUF值为0,若实际的S参数大于理想值,则该频率下的PUF值为1。然后将通过扫频得到的64个S参数与理想S参数做比较,得到64bit的PUF编码。电源模块的主要功能是将交流电转换成12V、5V的直流电供给射频模块、数字控制模块正常工作。然后对得到的PUF数据做独特性、可靠性、随机性和可重复性分析。在工作带宽内选择64个点,生成64bit的PUF信息。对100组标签进行测量,提取PUF信息,然后对结果进行分析。本文中的PUF值的平均HD为50.14%,非常接近理想值0.5,说明标签PUF具有理想的独特性;标签PUF的温度可靠性测量范围为20℃～70℃,步长为5℃,在测试了30组64位PUF响应,平均可靠性为99.74%,说明标签PUF的可靠性非常好;选择7个NIST标准对PUF进行随机性测试,实验表明,96%以上的标签PUF通过了全部测试,说明生成的PUF信息具有良好的随机性;在室温28℃的情况下测试了所提出的PUF设计,测量结果表明无芯标签PUF的可重现性为是99.52%,这意味着本文中提出的PUF具有良好的可重复性。而且本文提出的方案针对蛮力攻击、物理攻击、重放攻击、跟踪攻击和机器学习攻击的安全性较好。