Принцип действия RFID очень прост: читающий прибор (reader) излучает в сторону RFID-метки сравнительно короткий импульс высокочастотной энергии, RFID-метка принимает этот импульс и в ответ на него излучает пакет, содержащий всю записанную в ней информацию.
Диапазон рабочих частот этих устройств простирается от сотни килогерц до нескольких гигагерц, причем и дальность считывания, и некоторые другие свойства зависят от рабочей частоты, как показано в таблице.
| Рабочая частота | Характеристика | Рабочая дистанция |
| 125-134 кГц | Низкочастотный | До полуметра |
| 13,553-13,567 МГц | Высокочастотный | 1-3 метра |
| 400-1000 МГц | Ультравысокочастотный | 3-10 метров |
| 2,45 ГГц | Микроволновый | >3 метров |
Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала и некоторых других функций. Вторая - антенна для приёма и передачи сигнала.
Одним из важнейших достоинств RFID-меток является отсутствие у них собственного источника питания. Энергия для работы отбирается у зондирующего луча.
Рассмотрим RFID-метку как систему и проведем все необходимые процедуры.
Предметный анализ RFID-метки. Первый (визуальный) уровень дробления системы дает всего два элемента: " чип (электронный модуль) и " антенна (радиотехнический модуль). Уровень расчленения системы слишком скромен, надо делить дальше. Если антенна фактически уже не делится и можно представить ее как единое целое, то чип представляет собой достаточно сложное устройство, в котором реализуется довольно много функций. Но размеры чипа таковы (сейчас уже доведены в некоторых конструкциях до 50х50 микрон), что увидеть и "пощупать" отдельные элементы физически невозможно, поэтому придется начать не с предметного, а с функционального анализа и только после этого определять элементный состав системы. (см. продолжение предметного анализа)
Функциональный анализ RFID-метки. Опишем сначала работу метки обычными словами.
ВЧ-сигнал от внешнего считывающего устройства принимается антенной, разделяется на две цепи, по одной передается на линию задержки, по другой передается на выпрямитель.
Выпрямитель преобразует ВЧ-сигнал в постоянное напряжение и заряжает конденсатор питания.
Конденсатор питания запитывает (подает напряжение питания) все остальные энергопотребляющие схемы метки.
Линия задержки (время задержки в точности равно длительности зондирующего сигнала) передает сигнал на командное устройство.
Командное устройство запускает считыватель информации и запускает ВЧ-генератор.
Считыватель информации зондирует блок памяти и передает считанную информацию модулятору-смесителю.
ВЧ-генератор передает сигнал несущей частоты модулятору-смесителю.
Модулятор-смеситель формирует ответный модулированный ВЧ-сигнал и передает его антенне.
Антенна излучает ответный сигнал.
Чтобы ответный ВЧ-сигнал не мог снова поступить на выпрямитель (вместо того, чтобы излучиться вовне через антенну), в систему введены еще два элемента: ключ и детектор входного сигнала, который открывает ключ только на время длительности этого сигнала. Ключ, таким образом, пропускает входной сигнал на выпрямитель и препятствует шунтированию выходного сигнала.
Итак, в этом описании работы мы перечислили все (в первом приближении) внутренние полезные функции RFID-метки (окрашены зеленым). При этом для каждой из этих функций назван и исполнитель, и объект воздействия, и адресат. Тем самым получен и материал для предметного анализа.
Полученную информацию следует оформить в виде таблицы:
| Субъект воздействия | Наименование воздействия | Объект воздействия | Получатель результата воздействия |
|---|---|---|---|
| Антенна | принимает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | детектору | |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | ключу (на вход пропускания) | |
| принимает | ответный ВЧ-сигнал | нет | |
| передает | ответный ВЧ-сигнал | во внешнюю среду | |
| Детектор входного сигнала | принимает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | линии задержки | |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | ключу (на вход управления) | |
| Ключ | принимает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | выпрямителю | |
| отражает | ответный ВЧ-сигнал | нет | |
| Выпрямитель | поглощает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет |
| генерирует | постоянный ток | нет | |
| передает | постоянный ток | конденсатору | |
| Конденсатор | принимает | постоянный ток | нет |
| передает | постоянный ток (напряжение питания) | генератору командного сигнала | |
| передает | постоянный ток (напряжение питания) | генератору ВЧ | |
| передает | постоянный ток (напряжение питания) | смесителю | |
| передает | постоянный ток (напряжение питания) | считывателю информации | |
| Линия задержки | принимает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет |
| передает (с задержкой) | запускающий сигнал | генератору командного сигнала | |
| Генератор командного сигнала | принимает | постоянный ток (напряжение питания) | нет |
| передает | запускающий сигнал | считывателю информации | |
| передает | запускающий сигнал | генератору ВЧ | |
| Генератор ВЧ | принимает | запускающий сигнал | нет |
| принимает | постоянный ток (напряжение питания) | нет | |
| передает | ВЧ-сигнал несущей частоты | смесителю | |
| Считыватель информации | принимает | запускающий сигнал | нет |
| принимает | постоянный ток (напряжение питания) | нет | |
| передает | запускающий сигнал | блоку памяти | |
| принимает | пакет информации | нет | |
| передает | пакет информации | смесителю | |
| Блок памяти | принимает | зондирующий сигнал | нет |
| передает | пакет информации | смесителю | |
| Смеситель | принимает | пакет информации | нет |
| принимает | ВЧ-сигнал несущей частоты | нет | |
| передает | ответный (модулированный) ВЧ-сигнал | антенне |
Продолжение предметного анализа. Имея помещенную выше таблицу полезных функций, нетрудно теперь составить список элементов RFID-метки как системы:
|  |
Заметим, что в нашем случае RFID представлен как электронная система, т.е. скорее информационная, чем техническая. Для технической системы здесь нехватает очень многого (отсутствует корпус или подложка, система защиты от внешнего (погодного, механического) воздействия, система крепления, и т.д.). С другой стороны, разводка элементов на микросхеме RFID-метки не всегда позволяет разнести в пространстве отдельные элементы. Поэтому при анализе RFID-метки как технической системы чип приходится считать одним неделимым элементом. (возврат к схеме аналитического этапа)
Продолжение функционального анализа.
Таблица функций получилась довольно объемной, и в ней еще много чего недостает: нет вредных и нейтральных функций, нет данных о степени исполнения воздействия (нормальное, недостаточное, избыточное). Это добавит массу строк и два столбца, так что обозреть всю таблицу станет невозможно. Поэтому таблицу разбивают по элементам системы. Приведем здесь только одну из таблиц - таблицу функций антенны. Для конкретности будем считать, что она составлена в рамках задачи увеличения дальности считывания (это дает основания для назначения вредных и определения качества исполнения полезных функций).
Функции антенны RFID-метки.
| Наименование воздействия | Объект воздействия | Адресат воздействия | Вид функции | Степень исполнения |
|---|---|---|---|---|
| принимает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет | полезная | недостаточно |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | детектору | полезная | нормально |
| передает | зондирующий ВЧ-сигнал | ключу (на вход пропускания) | полезная | нормально |
| отражает | зондирующий ВЧ-сигнал | во внешнюю среду | вредная | избыточно |
| поглощает | зондирующий ВЧ-сигнал | нет | вредная | избыточно |
| нагревается | (зондирующим ВЧ-сигналом) | нет | нейтральная | --- |
| принимает | ответный ВЧ-сигнал | нет | полезная | нормально |
| передает | ответный ВЧ-сигнал | во внешнюю среду (к ридеру) | полезная | недостаточно |
| рассеивает | ответный ВЧ-сигнал | во внешнюю среду (не туда) | вредная | избыточно |
| поглощает | ответный ВЧ-сигнал | нет | вредная | избыточно |
| нагревается | (ответным ВЧ-сигналом) | нет | нейтральная | --- |
На этом примере нетрудно видеть, что предметный и функциональный анализ системы проводятся практически одновременно и параллельно, поскольку информация обоих направлений анализа тесно взаимосвязана и постоянно "перетекает" между этими направлениями.
Возврат к схеме аналитического этапа
Потоковый анализ RFID-метки удобно проводить на графе взаимодействия элементов. Для этого прежде всего следует перечислить все основные потоки, имеющие место в процессе функционирования метки. Кстати заметим, что довольно часто система имеет не один, а несколько режимов функционирования, и потоковый анализ следует проводить для каждого режима. Например, в активных моделях RFID-меток имеется своя микробатарейка питания и режимы ожидания и работы системы там заметно различаются по потокам.
Проведем потоковый анализ пассивной RFID-метки (без собственной батарейки питания). Во время поступления зондирующего импульса от ридера в метке формируются и распространяются следующие потоки: поток электромагнитной энергии, поток информации о том, что надо считать данные из памяти метки и подготовить их к отправке. Однако второй из этих потоков идет по длинному пути линии задержки. В момент окончания зондирующего сигнала возникает информационный поток о готовности к отправке, открывается ключ допуска к антенне, запускается генератор несущей частоты, в смесителе формируется высокочастотный поток информации о содержании метки, который проходит к антенне после окончания зондирующего сигнала и излучается к ридеру.
В то время, пока длится зондирующий импульс, систему потоков в метке можно представить так:
Информация о пришедшем зондирующем импульсе (синие линии) поступает на детектор, преобразуется в запускающий импульс и проходит в линию задержки. Одновременно детектор отпирает ключ на все время длительности зондирующего импульса.
Энергия зондирующего импульса (красные линии) через открытый ключ поступает на выпрямитель и заряжает конденсатор питания схемы. Напряжение конденсатора подается на три схемы (пунктир), но энергия не расходуется, поскольку нет команды на запуск.
 |
По истечении времени задержки (к этому моменту зондирующий импульс уже закончился) картина потоков меняется.
 |
Линия задержки выдает запускающий импульс генератору командного сигнала, эта информация проходит в считывающее устройство и генератор ВЧ (синие линии).
Считывающее устройство посылает считывающий сигнал блоку памяти и получает ответную информацию (зеленые линии), пересылая ее смесителю.
Генератор ВЧ генерирует сигнал несущей частоты (оранжевые линии), передает его смесителю, откуда энергия и информация поступают на антенну и излучаются вовне.
| Возврат к схеме аналитического этапа | Переход к схеме синтетического этапа |