本發(fā)明涉及射頻指紋認證技術領域，尤其涉及一種RFID標簽射頻指紋認證系統(tǒng)及其射頻指紋變換方法。

背景技術：
RFID系統(tǒng)一般由讀寫器、標簽與后臺管理系統(tǒng)構成。RFID系統(tǒng)中讀寫器與標簽之間通過具有開放性的空氣媒介進行無線通信，因此可能面臨克隆、篡改、竊聽、假冒、拒絕服務、去同步化與重傳等攻擊，從而帶來系統(tǒng)信息安全與用戶隱私保護問題，這已成為制約RFID發(fā)展的關鍵問題之一。無電源的近耦合RFID標簽已經(jīng)在電子身份證、電子護照、供應鏈系統(tǒng)中得到了廣泛應用。近耦合RFID標簽的資源一般極其有限，傳統(tǒng)的基于密碼與協(xié)議的安全機制很難直接應用到RFID系統(tǒng)中。為此，一大批運行于應用層的輕量級與超輕量級密碼與安全協(xié)議陸續(xù)被提出。然而，研究表明，RFID標簽內(nèi)的數(shù)字信息易被復制；并且，基于數(shù)字信息的應用層認證協(xié)議也容易存在安全漏洞。通信雙方的認證是信息安全與隱私保護的基礎與關鍵。近年來，運行于物理層的非密碼認證技術被提出用于無線設備的信息安全與隱私保護?；谏漕l指紋（RadioFrequencyFingerprint，簡稱RFF）的無線電發(fā)射設備識別與驗證是非密碼認證技術之一。RFF是攜帶無線電發(fā)射設備硬件信息的接收無線電信號的變換，這種變換體現(xiàn)無線電發(fā)射設備的硬件性質(zhì)并具有可比性。已有研究表明，對標簽施加各種激勵，再根據(jù)標簽響應的射頻信號抽取標簽射頻指紋，進而進行標簽識別，得到了2.43%的平均誤識率。目前對標簽射頻指紋的研究還包括：把近耦合RFID標簽的不同頻率下最小功率響應作為指紋，能以很高正確率對克隆標簽進行檢測；對近耦合RFID標簽信號進行小波變換，進而可得到基于小波指紋的標簽認證。盡管這些研究大都取得了較好的實驗結果，但存在著：需要增加額外設備、占用額外頻譜、采樣率高同時對信號起始點檢測精度敏感等缺陷。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于為增強RFID系統(tǒng)的信息安全強度而提出一種RFID標簽射頻指紋變換方法。上述目的通過下述技術方案來實現(xiàn)。所述射頻指紋認證系統(tǒng)，包括：由所述近耦合狀態(tài)下采集的RFID標簽反饋給讀寫器的電磁感應信號x(t)；對所述信號x(t)進行帶通濾波的帶通濾波器BPF；由帶通濾波器BPF輸出的副載波下邊帶信號或上邊帶信號x1(t)；對所述信號x1(t)進行正交下變頻形成I路和Q路信號的乘法器M；對所述I路和Q路信號進行低通濾波的低通濾波器LPF；由低通濾波器LPF輸出的信號xI(t)、xQ(t)；由所述信號xI(t)和信號xQ(t)復合形成的復信號r(t)；和對所述復信號r(t)進行頻偏與沖擊響應特征提取的射頻指紋變換器RFF-T。所述射頻指紋認證系統(tǒng)的進一步設計在于，所述讀寫器發(fā)射的信號為ISO14443ARFID信號。所述射頻指紋認證系統(tǒng)的進一步設計在于，所述數(shù)字載波o(t)為：o(t)＝cos[2π(fT-fs)t]；其中：fT為標準規(guī)定的載波頻率；fs為負載波頻率。所述射頻指紋認證系統(tǒng)的進一步設計在于，所述信號x1(t)的行為級描述為：x1(t)＝m(t)*htx(t)·cos[2π(fT-fs+Δf)t]+n(t)；其中，m(t)為RFID標簽發(fā)送的基帶信息信號；htx(t)為標簽發(fā)送電路的等效單位沖擊響應；fT-fs為標準規(guī)定的下邊帶頻率；Δf為RFID系統(tǒng)實際諧振頻率與fT-fs之間的頻率差；n(t)為加性高斯白噪聲。由于x1(t)是標簽與讀寫器近距離下的耦合信號，因而信噪比高；故這里可以忽略n(t)信號的作用。所述射頻指紋認證系統(tǒng)的進一步設計在于，所述復信號r(t)是由所述信號xI(t)、xQ(t)進行如下復合形成，r(t)＝xI(t)-j·xQ(t)。上述射頻指紋變換系統(tǒng)對射頻指紋進行變換的方法，包括：對復信號r(t)進行傅立葉變換，獲得對應信號R(f)為：R(f)＝M(f)·Htx(f-Δf)；對上述信號R(f)進行求模和對數(shù)運算，獲得信號log[|R(f)|]為：log[|R(f)|]＝log[|M(f)|]+log[|Htx(f-Δf)|]；對上述信號log[|R(f)|]進行低通濾波，濾除快變分量，得到具有頻偏與沖擊響應特征的標簽的射頻指紋RFF為：LPF{log[|R(f)|]}＝LPF{log[|Htx(f-Δf)|]}；其中，M(f)與Htx(f)分別為m(t)與htx(t)的傅立葉變換。本發(fā)明系統(tǒng)為RFID標簽的融合識別提供一種具有標簽物理特征的頻偏與沖擊響應射頻指紋變換方法，由標簽硬件物理特征決定的Δf與htx(t)具有唯一性與穩(wěn)定性，因而增強了RFID系統(tǒng)的信息安全強度。附圖說明圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意圖。圖2是ISO14443A射頻信號的頻譜。圖3是ISO14443A射頻信號樣本。圖4是一種射頻信號近耦合硬件系統(tǒng)示意圖。圖5是射頻信號變換實驗的局部信號圖6是四個標簽的特征矢量分布及判別界面示意圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。對照圖1，本發(fā)明的RFID標簽射頻指紋認證系統(tǒng)是基于軟件無線電的RFIDRFF認證系統(tǒng)，它包括：電磁感應信號x(t)，帶通濾波器BPF，下邊帶信號或上邊帶信號x1(t)，乘法器M，低通濾波器LPF，低通信號xI(t)、xQ(t)、復信號r(t)和射頻指紋變換器RFF-T；電磁感應信號x(t)是在近耦合狀態(tài)下獲得的RFID標簽反饋給讀寫器的信號，帶通濾波器BPF對所述信號x(t)進行帶通濾波，輸出的副載波下邊帶信號或上邊帶信號x1(t)，信號x1(t)經(jīng)乘法器M的數(shù)字載波o(t)正交下變頻，形成相位差90°的I路和Q路信號，低通濾波器LPF對該兩路信號分別進行低通濾波，低通濾波器LPF對應輸出低通信號為xI(t)、xQ(t)，對該兩低通信號進行復合，構成復信號r(t)，通過射頻指紋變換器RFF-T對該復信號r(t)進行頻偏與沖擊響應特征提取，從而獲得對應射頻指紋RFF。上述本發(fā)明系統(tǒng)中，讀寫器發(fā)射的信號可采用ISO14443A電子標簽（RFID）信號，工作時，讀寫器發(fā)送電磁場，標簽通過電磁感應獲得電源；讀寫器與標簽之間通過負載調(diào)制進行雙向信息傳遞，標簽的附加負載電阻以一定的時鐘頻率接通和斷開，從而在讀寫器發(fā)送頻率兩側形成兩條副載波譜線；標簽基帶數(shù)據(jù)傳輸通過對副載波進行振幅鍵控、頻移鍵控或相移鍵控調(diào)制來完成。ISO14443A是近耦合RFID系統(tǒng)的一種標準，其頻譜示意圖如圖2所示。fT＝13.56MHz為讀寫器載波頻率，fs＝847.5KHz為副載波頻率，實際信息包含在兩個副載波上、下邊帶中。ISO14443A系統(tǒng)的一個實際射頻信號及其延遲解調(diào)結果如圖3所示。其中圖（a）為在ISO14443A讀寫器天線處采集的一次完整會話射頻信號，首先是讀寫器發(fā)出詢問信號，接著是幀延遲階段，最后是標簽響應信號；圖（b）是上圖的延遲解調(diào)結果；圖（c）是圖（b）的局部放大圖。在近耦合狀態(tài)下采集的RFID標簽反饋給RFID讀寫器的電磁信號x(t)，該信號x(t)經(jīng)過帶通濾波器BPF濾波后形成的副載波下邊帶或上邊帶信號x1(t)，根據(jù)標簽信號產(chǎn)生原理與其頻譜，信號x1(t)可行為級描述為：x1(t)＝m(t)*htx(t)·cos[2π(fT-fs+Δf)t]+n(t)（1）其中，m(t)為RFID標簽發(fā)送的基帶數(shù)字信號；htx(t)為標簽發(fā)送電路的等效單位沖擊響應；fT與fs分別為標準規(guī)定的載波與負載波頻率，fT-fs為標準規(guī)定的下邊帶頻率；Δf為RFID系統(tǒng)實際諧振頻率與fT-fs之間的頻率差；*表示卷積運算；n(t)為加性高斯白噪聲。由于x1(t)是標簽與讀寫器近距離下的耦合信號，因而信噪比高；故這里可以忽略n(t)信號的作用。上述信號x1(t)經(jīng)基于乘法器M與數(shù)字載波o(t)的正交下變頻，形成I路和Q路兩路信號。所用數(shù)字載波o(t)為：o(t)＝cos[2π(fT-fs)t]（2）當然信號x1(t)也可通過其他數(shù)字載波進行正交下變頻，例如o＇(t)＝sinπ[2fT-(fst。I路和Q路兩路信號經(jīng)低通濾器LPF濾波后，形成的相應低通信號xI(t)、xQ(t)，該低通信號xI(t)、xQ(t)實質(zhì)是基帶信號，該兩路正交信號可采用下述方式進行組合，構成復信號r(t)為：r(t)＝xI(t)-j·xQ(t)（3）當然信號xI(t)、xQ(t)兩路信號也可通過其他方式組合，形成復信號r(t)。復信號r(t)經(jīng)射頻指紋變換器RFF-T進行射頻指紋變換，其變換包括：首先，對復信號r(t)進行傅立葉變換，獲得對應信號R(f)為：R(f)＝M(f)·Htx(f-Δf)（4）其中，M(f)與Htx(f)分別為m(t)與htx(t)的傅立葉變換。接著，對上述信號R(f)進行求模和對數(shù)運算，獲得信號log[|R(f)|]為：log[|R(f)|]＝log[|M(f)|]+log[|Htx(f-Δf)|]（5）由于標簽發(fā)送的基帶數(shù)字信號m(t)等效表示為而該式中b(k)是二進制序列{±1}，δ(t)為單位脈沖信號，Tb為比特間隔，所以（5）中l(wèi)og[|M(f)|]可視為快變分量；另外，根據(jù)電路理論，log[|Htx(f-Δf)|]為慢變分量。最后，對上述信號log[|R(f)|]進行低通濾波，濾除了式（5）中的快變分量，則獲得的射頻指紋RFF為：LPF{log[|R(f)|]}＝LPF{log[|Htx(f-Δf)|]}（6）由上式可知，射頻指紋RFF主要由RFID標簽等效系統(tǒng)沖擊響應htx(t)與頻偏Δf唯一確定。因此，LPF{log[|R(f)|]}可作為一種RFF用于近耦合RFID標簽的認證。本申請發(fā)明人對本發(fā)明所產(chǎn)生射頻指紋RFF性能效果進行實驗認證。實驗1本次實驗是按ISO14443ARFID近耦合標準進行，硬件系統(tǒng)如圖4，包括RFID讀寫器、標簽、示波器、計算機與天線等；無線電軟件系統(tǒng)為如圖1所示的認證系統(tǒng)。計算機對ISO14443ARFID讀寫器進行控制；射頻示波器為帶寬2GHz的力科432，采樣率為250MSps，外接13.56M天線線圈，射頻示波器采集的信號通過有線網(wǎng)絡送至計算機進行處理。按照提出近耦合RFID標簽頻偏與沖擊響應RFF變換方法對采集標簽射頻感應信號進行實驗。其中下邊帶帶寬取為954KHz，下變頻載波頻率為12.7125MHz。一次標簽頻偏與沖擊響應RFF變換實驗中間結果的局部信號如圖5所示。其中的（a）圖為x(t)的下邊帶信號x1(t)；（b）圖與（c）圖分別為RFIDRFF認證系統(tǒng)處理得到的I路信號xI(t)與Q路信號xQ(t)；（d）圖為構造復信號r(t)的幅頻譜的對數(shù)運算結果log[|R(f)|]，由圖（d）可知，其包含豐富的快變分量；圖（e）為log[|R(f)|]的低通濾波后信號，截取其正幅值部分，即提出的近耦合RFID標簽頻偏與沖擊響應RFF。實驗2隨機選取同一廠家同一系列的4個ISO1444A標簽，記為PICC-1、PICC-2、PICC-3與PICC-4，進行近耦合RFID標簽頻偏與沖擊響應RFF變換實驗。每個標簽采集50個射頻信號，并分別變換為頻偏與沖擊響應RFFLPF{log[|R(f)|]}。對每個LPF{log[|R(f)|]}進行基于相似因子的特征提取，獲得的特征矢量記為[Cr1,Cr2]。4個標簽的200個[Cr1,Cr2]分布及判別界面如圖6所示。由理論推導可知，頻偏與沖擊響應RFF主要由標簽的硬件物理屬性決定，與基帶數(shù)字信號無關，對接收信號起始點檢測精度不敏感，具備穩(wěn)健性。上述實驗驗證了理論分析與數(shù)值仿真結果。