射频识别(简称RFID)系统是一种通信技术,以无线电磁波为载体,无需建立机械等接触方式,就能实现数据读取和目标识别。作为系统关键技术的阅读器,承担系统与标签间的数据传输职责。随着RFID功能的不断完善和应用领域的逐渐扩大,其市场需求量呈现爆炸式增长。随着RFID应用范畴的扩大,人们对阅读器的功耗、集成和体积等方面提出了更高要求,期待阅读器在识别标签速度、数量、成功率等方面取得重大突破。对于任何信息系统而言,安全性是影响系统应用的一个关键因素,RFID系统采用无线通讯方式,存在安全风险。为保证RFID系统的安全通信,需要采用一定认证加密机制,以确保读写器和标签之间的安全数据通信。本文首先根据电磁波理论和麦克斯韦方程,建立了无线信号和能量的传输模型,为系统分析及构建RFID系统奠定理论基础。同时,还简要介绍了射频识别系统标准和标签芯片结构。然后分析了 RFID系统标签芯片的框架及工作原理,然后分别对标签芯片的一些主要模块进行基础理论的研究及设计,主要包括:研究整流电路的理论研究,并设计了一种基于Dickson的整流电路;研究了基于亚阈值区工作的基准源,并设计了基准稳压电路。研究ASK调制解调理论,设计了用于UHF RFID标签的ASK解调器,设计了基于环形振荡器且具有自适应补偿机制的时钟产生电路,另外,利用电平比较原理和电容的充放电原理来实现了上电复位电路。最后,使用Cadence Spectre仿真软件对各电路模块进行了仿真,运行结果显示文中设计的电路满足设计要求。在RFID通讯算法方面,为解决阅读器读取标签时的碰撞问题,在分析现有防碰撞算法的基础上,提出一种标签动态分组的自适应时隙防碰撞算法,引入密度函数和马氏距离,分布解决分组过程中的初始聚类中心和样本相似度问题。算法中利用模糊c均值聚类方法,有效解决了标签分组和组内标签序号唯一分配的问题,从而实现了动态的调整阅读器帧时隙,兼容传统算法的优点。该算法在识别成功率和算法用时两个方面,优于传统动态二叉树算法和动态ALOHA算法,提升防碰撞算法的时隙利用率。针对RFID安全协议问题,本文提出一个基于Montgomery曲线的“广义签密算法”,并运用于RFID系统之中,可灵活地切换签密、签名和加密模式,实现了标签和读写器之间的双向认证和消息加密;采用逆向思维模式,由标签担任“安检员”的角色,检验读写器身份的合法性,有效避免RFID计数攻击的安全问题;对于标签ID,重点加强重放和追踪等多方面的安全措施,如计数器、ID的匿名等,以保证标签ID数据和系统底层数据库中的数据同步。安全性分析和实验表明,该方案能有效地抵抗RFID面临的多种攻击,具有一定的效率优势。总之,本文在RFID标签芯片模拟前端电路的关键技术方面进行了详细的研究,并用实验从不同角度加以测试。同时,为阅读器与标签之间的通讯算法提供了创新的理论成果。