RFID的編碼調(diào)制技術(shù)

1、第第4 4講講 RFIDRFID的編碼和調(diào)制的編碼和調(diào)制 l人類在生活、生產(chǎn)和社會活動中總是伴隨著消息（或信息）的傳遞，這種傳遞消息（或信息）的過程就叫做通信。l通信系統(tǒng)是指完成通信這一過程的全部設(shè)備和傳輸媒介， 一般可概括為如下圖所示的模型： 圖1 通信系統(tǒng)模型一、通信與通信系統(tǒng)1、通信系統(tǒng)模型l信息源信息源（簡稱信源）：把各種消息轉(zhuǎn)換成原始電信號，如麥克風(fēng)。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。l發(fā)送設(shè)備發(fā)送設(shè)備：產(chǎn)生適合于在信道中傳輸?shù)男盘枴信道信道：將來自發(fā)送設(shè)備的信號傳送到接收端的物理媒質(zhì)。分為有線信道和無線信道兩大類。l噪聲源噪聲源：集中表示分布于通信系統(tǒng)中各處的噪聲。l接收設(shè)備接收設(shè)備

2、：從受到減損的接收信號中正確恢復(fù)出原始電信號。 l受信者受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應(yīng)的消息，如揚聲器等。l模擬信號：代表消息的信號參量取值連續(xù)，例如麥克風(fēng)輸出電壓：l數(shù)字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、計算機輸入輸出信號： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號 圖2 模擬信號 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號 圖3 數(shù)字信號通常，按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號，相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。l模擬通信系統(tǒng)是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。l可見，在模擬通信系統(tǒng)中，發(fā)送設(shè)備簡化為調(diào)制器，接收設(shè)備簡化為解調(diào)器，主要是強調(diào)在模擬通信系統(tǒng)

3、中調(diào)制的重要作用。圖4 模擬通信系統(tǒng)模型2、通信系統(tǒng)分類數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸?shù)挠行砸约巴瓿赡?數(shù)轉(zhuǎn)換 ；信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力；加密與解密目的：保證所傳信息的安全；數(shù)字調(diào)制與解調(diào)目的：形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘?；同步目的：使收發(fā)兩端的信號在時間上保持步調(diào)一致 。 圖5 數(shù)字通信系統(tǒng)模型RFID系統(tǒng)常采用數(shù)字信號。其主要特點信號的完整性RFID采用非接觸技術(shù)傳遞信息，容易遇到干擾，使信息傳輸發(fā)生改變。數(shù)字信號容易校驗，并容易防碰撞，可以使信號保持完整性。信號的安全性RFID系統(tǒng)采用無線方式傳遞信息，開放的無線系統(tǒng)存在

4、安全隱患。數(shù)字信號的加密和解密處理比模擬信號容易的多。便于存儲、處理和交換數(shù)字信號的形式與計算機所用的信號一致，都是二進制代碼。便于與計算機互聯(lián)網(wǎng)，也便于計算機對數(shù)字信息進行存儲、處理和交換，可使物聯(lián)網(wǎng)的管理和維護實現(xiàn)自動化、智能化。RFID系統(tǒng)的基本通信模型l按讀寫器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸方向，RFID系統(tǒng)的通信模型主要由讀寫器（發(fā)送器）中的信號編碼（信號處理）和調(diào)制器（載波電路），傳輸介質(zhì)（信道），以及電子標簽（接收器）中的解調(diào)器（載波回路）和信號譯碼（信號處理）組成。l RFID系統(tǒng)最終要完成的功能是對數(shù)據(jù)的獲取，這種在系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換有兩個方面的內(nèi)容：RFID讀寫器向RFID電子標簽方向

5、的數(shù)據(jù)傳輸和RFID電子標簽向RFID讀寫器方向的數(shù)據(jù)傳輸。 3、RFID系統(tǒng)的基本通信模型l信號編碼系統(tǒng)是對要傳輸?shù)男畔⑦M行編碼，以便傳輸信號能夠盡可能最佳的與信道相匹配，防止信息干擾或發(fā)生碰撞。l調(diào)制器用于改變高頻載波信號，即使得載波信號的振幅、頻率或相位與調(diào)制的基帶信號相關(guān)。l射頻識別系統(tǒng)信道的傳輸介質(zhì)為磁場（電感耦合）和電磁波（微波）。l解調(diào)器用于解調(diào)獲取信號，以便再生基帶信號。l信號譯碼系統(tǒng)是對從解調(diào)器傳來的基帶信號進行譯碼，恢復(fù)成原來的信息，并識別和糾正傳輸錯誤。4、信號工作方式時序系統(tǒng) 電子標簽和讀寫器的信息傳輸是在電子標簽?zāi)芰抗?yīng)間歇進行的，讀寫器與電子標簽不同時發(fā)射，這種方式

6、可改善信號受干擾的狀況，提高系統(tǒng)的工作距離。全雙工系統(tǒng) 電子標簽和讀寫器之間可以在同一時刻互相傳送信息半雙工系統(tǒng) 電子標簽和讀寫器之間可以雙向傳送信息，但在同一時刻只能向一個方向傳送信息發(fā)射能量，給電子標簽充電讀寫器停止發(fā)射能量，電子標簽工作，向讀寫器發(fā)送信號二、RFID常用的編碼方式數(shù)字基帶信號波形，可以用不同形式的代碼來表示二進制的“1”和“0”。RFID系統(tǒng)通常使用下列編碼方法中的一種：反向不歸零（NRZ）編碼、曼徹斯特（曼徹斯特（ManchesterManchester）編碼）編碼、單極性歸零（RZ）編碼、差動雙相（DBP）編碼、密勒（密勒（MillerMiller）編碼）編碼和差動編

7、碼。（1）反向不歸零編碼（NRZ，Non Return Zero）l反向不歸零編碼用高電平表示二進制“1”，低電平表示二進制“0”，如下圖所示：圖7 反向不歸零編碼l此碼型不宜傳輸，有以下原因a)有直流，一般信道難于傳輸零頻附近的頻率分量；b)接收端判決門限與信號功率有關(guān)，不方便使用；c)不能直接用來提取位同步信號，因為NRZ中不含有位同步信號頻率成分；d)要求傳輸線有一根接地。注：ISO14443 TYPE B協(xié)議中電子標簽和閱讀器傳遞數(shù)據(jù)時均采用NRZ（2）曼徹斯特編碼（Manchester）l曼徹斯特編碼也被稱為分相編碼（Split-Phase Coding）。l某比特位的值是由該比特長

8、度內(nèi)半個比特周期時電平的變化（上升或下降）來表示的，在半個比特周期時的負跳變表示二進制“1”，半個比特周期時的正跳變表示二進制“0”，如下圖所示：圖8 曼徹斯特編碼編碼器電路 曼徹斯特編碼的特點l曼徹斯特編碼在采用負載波的負載調(diào)制或者反向散射調(diào)制時，通常用于從電子標簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸，因為這有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e誤。這是因為在比特長度內(nèi)，“沒有變化”的狀態(tài)是不允許的。l當(dāng)多個標簽同時發(fā)送的數(shù)據(jù)位有不同值時，則接收的上升邊和下降邊互相抵消，導(dǎo)致在整個比特長度內(nèi)是不間斷的負載波信號，由于該狀態(tài)不允許，所以讀寫器利用該錯誤就可以判定碰撞發(fā)生的具體位置。l曼徹斯特編碼由于跳變都發(fā)生在每一個碼元中間，

9、接收端可以方便地利用它作為同步時鐘。注：ISO14443 TYPE A協(xié)議中電子標簽向閱讀器傳遞數(shù)據(jù)時采用曼徹斯特編碼。 ISO18000-6 TYPE B 讀寫器向電子標簽傳遞數(shù)據(jù)時采用的是曼徹斯特編碼 （3）單極性歸零編碼（Unipolar RZ）l當(dāng)發(fā)碼1時發(fā)出正電流，但正電流持續(xù)的時間短于一個碼元的時間寬度，即發(fā)出一個窄脈沖l當(dāng)發(fā)碼0時，完全不發(fā)送電流。l單極性歸零編碼可用來提取位同步信號。單極性歸零編碼（4）差動雙相編碼（DBP）l差動雙相編碼在半個比特周期中的任意的邊沿表示二進制“0”，而沒有邊沿就是二進制“1”，如下圖所示。此外在每個比特周期開始時，電平都要反相。因此，對于接收器

10、來說，位節(jié)拍比較容易重建。圖10 差動雙相編碼（5）密勒編碼（Miller）l密勒編碼在半個比特周期內(nèi)的任意邊沿表示二進制“1”，而經(jīng)過下一個比特周期中不變的電平表示二進制“0”。一連串的比特周期開始時產(chǎn)生電平交變，如下圖所示，因此，對于接收器來說，位節(jié)拍也比較容易重建。圖11 米勒編碼TYPE A中定義了如下三種時序：（1）時序X：該時序?qū)⒃?4fc處產(chǎn)生一個“pause”（凹槽）；（2）時序Y：該時序在整個位期間（128fc）不發(fā)生調(diào)制；（3）時序Z：這種時序在位期間的開始時，產(chǎn)生一個“pause”。在上述時序說明中，fc為載波1356MHz，pause凹槽脈沖的底寬為0530s，90幅度

11、寬度不大于45s。用這三種時序即可對幀進行編碼，即修正的密勒碼。 邏輯邏輯“1”1”選擇時序選擇時序X X；邏輯；邏輯“0”0”選擇時序選擇時序Y Y。但有兩種情況除外，第一種是在相鄰有兩個或更多的“0”時，此時應(yīng)從第二個“0”開始采用時序Z；第二種是在直接與起始位相連的所有位為“0”時，此時應(yīng)當(dāng)用時序Z表示。另外，通信開始時，用時序Z表示。通信結(jié)束則用邏輯“0”加時序Y表示。無信息時，通常應(yīng)用至少兩個時序Y來表示。6、修正密勒碼編碼注：在ISO/IEC 14443標準（近耦合非接觸式IC卡標準），TYPE A中閱讀器向電子標簽傳遞數(shù)據(jù)時采用修正密勒碼方式對載波進行調(diào)制。假設(shè)輸入數(shù)據(jù)為01 1

12、010波形C實際上是曼徹斯特的反相波形，用它的上升沿輸出變便產(chǎn)生了密勒碼，而用其上升沿產(chǎn)生一個凹槽就是修正密勒碼起始用時序Z直接與起始位相連的0用時序Z相鄰多個或更多0，則從第二格0開始用時序Z通信結(jié)束用邏輯0加時序Y注：由于負脈沖的時間很短，可以保證在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中從高頻場中連續(xù)給電子標簽提供能量。變形米勒編碼在電感耦合的射頻識別系統(tǒng)中用于從讀寫器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳輸。（7）脈沖間歇編碼l對于脈沖間歇編碼來說，在下一脈沖前的暫停持續(xù)時間t表示二進制“1”，而下一脈沖前的暫停持續(xù)時間2t則表示二進制“0”，如下圖所示。圖13 脈沖間歇編碼l這種編碼方法在電感耦合的射頻系統(tǒng)中用于從讀寫器到電子

13、標簽的數(shù)據(jù)傳輸，由于脈沖轉(zhuǎn)換時間很短，所以就可以在數(shù)據(jù)傳輸過程中保證從讀寫器的高頻場中連續(xù)給射頻標簽供給能量。（8）脈沖位置編碼（PPM，Pulse Position Modulation）l脈沖位置編碼與上述的脈沖間歇編碼類似，不同的是，在脈沖位置編碼中，每個數(shù)據(jù)比特的寬度是一致的。其中，脈沖在第一個時間段表示“00”， 第二個時間段表示“01”， 第三個時間段表示“10”， 第四個時間段表示“11”， 如右圖所示。注：ISO15693協(xié)議中，數(shù)據(jù)編碼采用PPM(9)FM0編碼FM0（即Bi-Phase Space）編碼的全稱為雙相間隔碼編碼，工作原理是在一個位窗內(nèi)采用電平變化來表示邏輯。如

14、果電平從位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，則表示邏輯“1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉(zhuǎn)，還在位窗中間翻轉(zhuǎn)則表示邏輯“0”。一個位窗的持續(xù)時間是25s。 注：ISO18000-6 typeA 由標簽向閱讀器的數(shù)據(jù)發(fā)送采用FM0編碼 (10)PIE編碼PIE（Pulse interval encoding）編碼的全稱為脈沖寬度編碼，原理是通過定義脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數(shù)據(jù)脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數(shù)據(jù)。在該標準的規(guī)定中，由閱讀器發(fā)往標簽的數(shù)據(jù)幀由SOF（幀開始信號）、EOF（幀結(jié)束信號）、數(shù)據(jù)0和1組成。在標準中定義了一個名稱為“Tari”的時間間隔，也稱為基準時間間隔，該時間段為相鄰兩個

15、脈沖下降沿的時間寬度，持續(xù)為25s。 注：ISO18000-6 typeA 由閱讀器向標簽的數(shù)據(jù)發(fā)送采用PIE編碼 注：選擇編碼方法的考慮因素1 1、編碼方式的選擇要考慮電子標簽?zāi)芰康膩碓?、編碼方式的選擇要考慮電子標簽?zāi)芰康膩碓丛赗EID系統(tǒng)中使用的電子標簽常常是無源的，而無源標簽需要在讀寫器的通信過程中獲得自身的能量供應(yīng)。為了保證系統(tǒng)的正常工作，信道編碼方式必須保證不能中斷讀寫必須保證不能中斷讀寫器對電子標簽的能量供應(yīng)器對電子標簽的能量供應(yīng)。在RFID系統(tǒng)中，當(dāng)電子標簽是無源標簽時，經(jīng)常要求基帶編碼在每兩個相鄰數(shù)據(jù)位元間具有跳變的特點，這種相鄰數(shù)據(jù)間有跳變的碼，不僅可以保證在連續(xù)出現(xiàn)“0”時

16、對電子標簽的能量供應(yīng)，而且便于電子標簽從接收到的碼中提取時鐘信息。注：選擇編碼方法的考慮因素2 2、編碼方式的選擇要考慮電子標簽的檢錯的能力、編碼方式的選擇要考慮電子標簽的檢錯的能力出于保障系統(tǒng)可靠工作的需要，還必須在編碼中提供數(shù)據(jù)一級的校驗保護，編碼方式應(yīng)該提供這種功能。可以根據(jù)碼型的變化來判斷是否發(fā)生誤碼或有電子標簽沖突發(fā)生。在實際的數(shù)據(jù)傳輸中，由于信道中干擾的存在，數(shù)據(jù)必然會在傳輸過程中發(fā)生錯誤，這時要求信道編碼能夠提供一定程度的檢測錯誤的能力。曼徹斯特編碼、差動雙向編碼、單極性歸零編碼具有較強的編碼檢錯能力。注：選擇編碼方法的考慮因素3、編碼方式的選擇要考慮電子標簽時鐘的提取在電子標簽

17、芯片中，一般不會有時鐘電路，電子標簽芯片一般需要在讀寫器發(fā)來的碼流中提取時鐘。曼徹斯特編碼、密勒編碼、差動雙向編碼容易使電子標簽提取時鐘。1、調(diào)制和解調(diào)l通?；鶐盘柧哂休^低的頻率分量，不宜通過無線信道傳輸。因此，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端需要由一個載波來運載基帶信號，也就是使載波的某個參量隨基帶信號的規(guī)律而變化，這一過程稱為（載波）調(diào)制。l載波受調(diào)制以后稱為已調(diào)信號，它含有基帶信號的全部特征。l在通信系統(tǒng)的接收端則需要有解調(diào)過程，其作用是將已調(diào)信號中的原始基帶信號恢復(fù)出來。l調(diào)制和解調(diào)過程對通信系統(tǒng)是至關(guān)重要的，因為調(diào)制解調(diào)方式在很大程度上決定了系統(tǒng)可能達到的性能。三、RFID的調(diào)制和解調(diào)l調(diào)制的基

18、本作用是頻率搬移。概括起來，調(diào)制主要有如下幾個目的：頻率搬移頻率搬移。調(diào)制把基帶信號頻譜搬移到一定的頻率范圍，以適應(yīng)信道傳輸要求。實現(xiàn)信道復(fù)用實現(xiàn)信道復(fù)用。一般每個被傳輸信號占用的帶寬小于信道帶寬，因此，一個信道同時只傳一個信號是很浪費的，此時信道工作在遠小于其傳輸信息容量的情況下。然而通過調(diào)制，使各個信號的頻譜搬移到指定的位置，從而實現(xiàn)在一個信道里同時傳輸許多信號。工作頻率越高帶寬越大工作頻率越高帶寬越大。根據(jù)信息論一般原理可知，寬帶通信系統(tǒng)一般表現(xiàn)出較好的抗干擾性能。將信號變換，使它占據(jù)較大的帶寬，它將具有較強的抗干擾性。工作頻率越高天線尺寸越小工作頻率越高天線尺寸越小。如果天線的尺寸可以

19、與工作波長相比擬，天線的輻射更為有效。由于工作頻率與波長成反比，提高工作頻率可以降低波長，進而減小天線的尺寸，迎合現(xiàn)代通信對尺寸小型化的要求。l調(diào)制信號有模擬信號和數(shù)字信號之分，因此根據(jù)輸入調(diào)制信號的不同，調(diào)制可以分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。模擬調(diào)制是指輸入調(diào)制信號為幅度連續(xù)變化的模擬量；數(shù)字調(diào)制是指輸入調(diào)制信號為幅度離散的數(shù)字量。l載波的參數(shù)有幅度、頻率和相位，因此根據(jù)載波的參數(shù)變化不同，調(diào)制可以分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。幅度調(diào)制是指載波信號的振幅參數(shù)隨調(diào)制信號的大小而變化；頻率調(diào)制是指載波信號的頻率參數(shù)隨調(diào)制信號的大小而變化；相位調(diào)制是指載波信號的相位參數(shù)隨調(diào)制信號的大小而變化。2、數(shù)

20、字調(diào)制l 數(shù)字調(diào)制的概念 l 用二進制（多進制）數(shù)字信號作為調(diào)制信號，去控制載波某些參量的變化，這種把基帶數(shù)字信號變換成頻帶數(shù)字信號的過程稱為數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)制，反之，稱為數(shù)字解調(diào)。l 數(shù)字調(diào)制的分類 l 在二進制時分為：振幅鍵控（振幅鍵控（ASKASK）、頻移鍵控）、頻移鍵控（FSKFSK）、相移鍵控（）、相移鍵控（PSKPSK）。其中，ASK屬于線性調(diào)制，F(xiàn)SK、PSK屬于非線性調(diào)制注：1、RFID系統(tǒng)通常采用數(shù)字調(diào)制方式傳送消息，調(diào)制信號（包括數(shù)字基帶信號和已調(diào)脈沖）對正弦波進行調(diào)制。2、在RFID系統(tǒng)中，正弦載波除了是信息的載體外，在無源電子標簽中還具有提供能量的作用，這一點與其他無線通

21、信有所不同。二進制振幅鍵控信號時間波型載波信號2ASK信號s(t)1011Tb001ttt注：調(diào)幅技術(shù)實現(xiàn)起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的調(diào)制技術(shù)。 ASK32調(diào)制深度調(diào)制深度BAmA=（A-B）/（A+B）*100%33脈沖調(diào)副波的波形和頻譜二進制移頻鍵控信號的時間波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信號注：該技術(shù)抗干擾性能好，但占用帶寬較大。 FSK原始信息原始信息tt2PSKt載波載波100110二進制移相鍵控信號的時間波形注：用180相移表示1，用0相移表示0。這種調(diào)制技術(shù)抗干擾性能最好，且相位的變化也可以作為定時信息來同步發(fā)送機和接收機的時鐘，并對傳輸速率起到加倍的作用。 PSK用于動物識別的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準則 ISO 11784和11785應(yīng)答器采用FSK調(diào)制，NRZ編碼ISO14443從閱讀器向標簽傳送信號時，TYPE A采用改進的Miller編碼方式，調(diào)制深度為100%的ASK信號；TYPE B則采用NRZ編碼方式，調(diào)制深度為10%的ASK信號。 從標簽向閱讀器傳送信號時，二者均通過調(diào)制載波傳送信號,副載波頻率皆為847KHz。TYPE A采用開關(guān)鍵控（On-Off keying）的Manchester編碼；TYPE B采用NRZ-L的B