2024年-RFID第章RFID的無線通信原理學(xué)習(xí)課件

射頻識別技術(shù)原理、協(xié)議及系統(tǒng)設(shè)計第三章

RFID無線通信原理12024/5/6本章內(nèi)容3.1射頻頻譜與電磁信號傳輸3.2信號的電壓與能量3.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用3.4反向散射機制與標(biāo)簽編碼3.5鏈路預(yù)算3.6天線增益與極化對傳輸范圍的影響3.7真實環(huán)境下的信號傳輸3.8小結(jié)22024/5/63.1射頻頻譜與電磁信號傳輸RFID技術(shù)指是利用無線電波通信來識別RFID標(biāo)簽的一種方式，可以實現(xiàn)非視距、無接觸的識別。一個RFID系統(tǒng)中通常需要包含RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器以及與之配套的天線。工作流程如圖3.1所示終端控制閱讀器發(fā)出查詢命令閱讀器對查詢命令進行編碼和調(diào)制，并通過閱讀器天線發(fā)送出去閱讀器天線將查詢信號利用無線信道發(fā)送給標(biāo)簽，并被RFID標(biāo)簽內(nèi)嵌的微型天線接收到當(dāng)末各RFID標(biāo)簽接收到的無線信號強度高于某一閾值，標(biāo)簽將被激活并對閱讀器信號進行解調(diào)和解碼根據(jù)閱讀器的查詢信號，標(biāo)簽生成帶有特殊標(biāo)志的返回信號，編碼調(diào)制后返回給閱讀器天線；閱讀器端利用閱讀器天線不斷掃描識別區(qū)域而獲得標(biāo)簽返回的標(biāo)識符閱讀器對標(biāo)簽信號進行解調(diào)和解碼工作并將其解碼信息傳輸給后臺程序進行進一步處理。32024/5/63.1射頻頻譜與電磁信號傳輸電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量,其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面無線信道干擾？無線通信并非有線信道可靠，會產(chǎn)生干擾，解決辦法就是將各種無線信號調(diào)制到不同頻率的載波信號中傳輸。但無線頻譜分配遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長的無線通信應(yīng)用42024/5/63.1射頻頻譜與電磁信號傳輸將各種無線信號調(diào)制到不同頻率的載波信號中傳輸。52024/5/63.1射頻頻譜與電磁信號傳輸?shù)湫偷腞FID工作頻率包括低頻125KHz-134KHz；高頻13.56MHz，超高頻860MHz-960MHz（915M）以及微波2.4GHz和5.8GHz低頻信號由于波長較長，擁有較好的衍射能力，通?？梢岳@過大多數(shù)障礙物傳輸，但穿透力較差。低頻和高頻的RFID標(biāo)簽往往采用電感耦合的技術(shù)通信，其通信距離短也正是因為磁場能量是按照距離的立方這個速度進行衰減的超高頻和微波采用電磁發(fā)射原理，其能量是按照距離的平方這個速度進行衰減的。62024/5/63.2信號的電壓與能量變化電場可以通過電壓或電流的時間函數(shù)來描述其變化方式，我們認(rèn)為電場的電壓一般可以轉(zhuǎn)化為正弦波的描述形式能量大小用功率表示，按照正弦規(guī)律變化的電場，可以用微積分計算一個周期的電流能量，再除以時間。v0為峰值，R為負(fù)載的電阻，Pav為平均功率72024/5/63.2信號的電壓與能量信號處理問題中，相對變化更值得關(guān)注?，F(xiàn)實應(yīng)用中，信號功率根據(jù)環(huán)境不同會發(fā)生巨大的變化，使用分貝(dB)代替瓦特(W)：分貝是相對的，描述具體功率時需要加入?yún)⒖脊β?，常用的?毫瓦特(mW)，此處分貝大小為dBm對數(shù)性質(zhì)lg(a.b)=lg(a)+lg(b)所以相應(yīng)的乘法轉(zhuǎn)換為加法82024/5/63.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用等幅波(ContinuousWave,CW)：一個簡單的，頻率、相位、振幅不發(fā)生變化的周期正弦信號。它無法攜帶信息，也叫載波信號。需要攜帶數(shù)據(jù)時，需要在這樣的周期信號上進行調(diào)制：m(t)含有基帶信息，余弦為載波。92024/5/63.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用當(dāng)m(t)也是正余弦信號時，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，有：這種正弦調(diào)制將信號分為兩個信號，稱為邊帶，一個頻率高于載波（公式第一項），一個低于載波（公式第二項）。這表示在某個信號經(jīng)過調(diào)制之后，得到的信號頻譜將會變寬，包含載波頻率周圍的一段頻率。102024/5/63.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用對RFID閱讀器信號的調(diào)制一般執(zhí)行的是數(shù)位調(diào)變(DigitallyModulated)。通斷鍵控(On-OffKeying,OOK)，對“1”保持高功率，“0”保持低功率。對于某個實際的二進制串將會轉(zhuǎn)化為一段功率或高或低的電磁波。OOK是否有問題？112024/5/63.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用OOK對于RFID被動標(biāo)簽，數(shù)據(jù)位是0時能量低，無法激活標(biāo)簽，導(dǎo)致工作不正常。在調(diào)制之前對二進制數(shù)串進行編碼。脈沖間隔編碼(PIE):“1”：輸出長時間的高功率跟隨短暫的低功率“0”：輸出短暫高功率跟隨短暫低功率缺點：二進制0其傳輸速率會比二進制1的傳輸速率快很多如何處理？122024/5/63.3閱讀器信號的調(diào)制與復(fù)用頻分多址（FDMA）技術(shù)，要求不同應(yīng)用使用不同的載波頻率傳輸信息，而接收端接收器僅獲取相應(yīng)頻率信號來進行解調(diào)，而得到所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如：ALR-9900閱讀器，其工作頻率是902.75MHz—927.75MHz，在處理FDMA時閱讀器將此段頻率平均分成50個頻道，每個頻道500KHz頻率范圍，閱讀器通過和標(biāo)簽在指定頻率范圍內(nèi)通信來減少和其他信號之間的沖突。但雖然FDMA從理論上解決了多種信號沖突的問題，但在實際應(yīng)用中，仍然需要注意閱讀器的部署，周圍空間中其它信號干擾等情況，以保證RFID閱讀過程成功完成。例如閱讀器A在頻道10監(jiān)聽標(biāo)簽信號，閱讀器B在頻道11發(fā)送請求信號，閱讀器A很難聽到標(biāo)簽信息132024/5/63.4反向散射機制與標(biāo)簽編碼變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，變化的電場產(chǎn)生磁場信號發(fā)射器中的電流通過天線輻射出無線電磁波，形成變化的電磁場，在接收器天線線圈感應(yīng)到變化的電磁場，而在線圈內(nèi)部產(chǎn)生電壓，如果接收器的天線是通過某種負(fù)載連通的，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。任何物體在接受到某個電磁波之后會同樣傳輸這樣一串電磁波。接受器調(diào)制后輻射的電磁波能返回到傳輸器的天線中，并產(chǎn)生能被識別的信號，叫做反向散射信號。142024/5/63.4反向散射機制與標(biāo)簽編碼接收器在某一時刻接收到的反射信號向量是空間中各種信號的矢量疊加如下圖所示，疊加導(dǎo)致了不確定性，如果想利用反向散射機制，就必須設(shè)計某種編碼機制使得接收器能夠根據(jù)這些變化識別信號，而不關(guān)心信號的相位或振幅。152024/5/63.4反向散射機制與標(biāo)簽編碼目前，標(biāo)簽編碼方式都是基于特定的時間間隔內(nèi)對標(biāo)簽變化進行計數(shù)，或基于標(biāo)簽狀態(tài)變化頻率。屬于頻移鍵控(FSK)的變種?！?”可能是1ms內(nèi)標(biāo)簽狀態(tài)的100次轉(zhuǎn)變。“0”可能是1ms內(nèi)標(biāo)簽狀態(tài)的50次轉(zhuǎn)變。162024/5/63.5鏈路預(yù)算標(biāo)簽通過反向散射機制獲得能量，大致過程如右上圖所示。標(biāo)簽到閱讀器回路的過程按照右下圖所示。在無線傳輸中，完成將傳輸數(shù)據(jù)成功從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩怂枰哪芰恳话惚环Q為鏈路預(yù)算在RFID系統(tǒng)中可分為閱讀器到標(biāo)簽的通信（前向鏈路預(yù)算）過程和標(biāo)簽返回信號的過程（反向鏈路預(yù)算）本節(jié)將對這些過程中的能量傳遞以及損耗過程進行具體分析。閱讀器傳輸能量路徑損耗標(biāo)簽激活能量172024/5/63.5.1閱讀器傳輸能量實際應(yīng)用最大傳輸能量不能超過1W頻率大多RFID設(shè)備工作在ISM頻段功率閱讀器的功率往往被限定在某個安全范圍182024/5/63.5.2路徑損耗路徑損耗：指在傳輸過程中，傳輸器實際發(fā)送的能量和接收器實際接收到的能量之間的差異。假設(shè)天線傳輸是各向同性，即天線向各個方向均勻輻射能量。如右圖所示。

192024/5/63.5.2路徑損耗

202024/5/63.5.3標(biāo)簽激活能量

右圖繪制了一條起點在(1m，-1.5dBm)斜率是-20dB/10m的直線來表示前向鏈路的衰減模式。212024/5/63.5.3標(biāo)簽激活能量在上圖中標(biāo)簽接收到的能量-10dBm，但內(nèi)部IC芯片工作的能量開銷以及調(diào)制的能量損耗，反射的能量要小于接收的能量，假設(shè)利用大約有-5dBm的衰減由于閱讀器識別所需能量對不同標(biāo)簽表現(xiàn)不同，假設(shè)較為合理的閾值-75dBm?？梢愿鶕?jù)前向鏈路能耗圖繪制反向鏈路的能量損耗圖。如右圖所示，為前向和反向鏈路能量消耗。閱讀器天線接收端獲得的能量是-55dBm，比閱讀器所需要的能量高20dBm，理論上閱讀器在29m遠(yuǎn)的地方獲得的能量才可能低于信號閾值。

222024/5/63.6天線增益與極化對傳輸范圍的影響232024/5/63.6.1天線增益的影響對于輸出為1W的RFID閱讀器，在全向天線的作用下只能傳輸2-3m的距離，在標(biāo)簽分布在閱讀器四周的應(yīng)用中比較有利?，F(xiàn)實場景中，閱讀器會被安排在某個區(qū)域的邊緣，而標(biāo)簽則被大量放置在該區(qū)域中心附近，并且標(biāo)簽構(gòu)成的區(qū)域只在閱讀器能夠輻射到的某個角度區(qū)域內(nèi)。如果能夠讓天線將能量集中于一個方向輻射，就可以更加充分利用這些傳輸能量，使能量利用率最大化242024/5/63.6.1天線增益的影響將能量集中于一處進行輻射的天線，叫做定向天線。對于RFID應(yīng)用場景，定向天線充分地利用這些傳輸能量，使得能量利用率最大化，而減少不必要區(qū)域的掃描能量浪費。右圖為定向天線的輻射模型。對于相對于天線中心方向的任意角度d，曲線邊緣代表著天線在此方向上輻射的能量密度。252024/5/63.6.1天線增益的影響某個方向d上的輻射強度和平均到各個方向上的輻射強度的比例稱為該方向上天線的定向增益。該方向上的輻射效率也就是該天線的功率增益，也叫做放大系數(shù)G（powergain）天線增益：在輸入功率相等的條件下，功率輻射密度最大的方向上獲得的能量與全向天線該方向上獲得能量的比值。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。并不是說天線可以主動增加信號能量，而是按照一定的規(guī)律重新分配。對于定向天線而言，如需更高的功率增益，信號輻射的范圍也就相對越窄，如右圖所示。假設(shè)所有能量都均勻地分布在波束立體角為?的光束內(nèi)，光束外沒有任何能量。262024/5/63.6.1天線增益的影響右圖是商用RFID閱讀器的定向天線極坐標(biāo)輻射圖。其中的曲線是以對數(shù)模式描述各個方向的能量增益大小。3dB對應(yīng)的波束寬度，圖中所示大約為72°，即1.25弧度，所以對應(yīng)的光束立體角為(1.25)2=1.6，天線的增益大約為

272024/5/63.6.1天線增益的影響并非所有的天線都能夠擁有很好的方向性，其中一種方向性不特別顯著的天線就是偶極天線。偶極天線并不向軸線輻射信號，而是均勻的向和軸線垂直的各個方向輻射。如右圖所示。相對偶極天線的增益比相對全向天線的增益要小2.2dBdBi和dBd是功率增益的單位，兩者都是相對值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線；dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子。一般認(rèn)為dBi和dBd表示同一個增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值要大2.2282024/5/63.6.1天線增益的影響通過天線的增益和傳輸能量，可以計算出利用全向天線，來達到定向天線所指向方向的最大增益效果時所需要的輸入能量，這個能量稱為有效全向輻射功率（EIRP）。EIRP常被或明確或含蓄地用來規(guī)定無線操作上的能量限制。例如FCC規(guī)定在美國地區(qū)，某個無照傳輸器可以傳輸1W能量的信號，同時可以使用6dBi的天線；天線增益增加1dB，傳輸能量就需要減小1dB。實際上，F(xiàn)CC是規(guī)定EIRP不超過36dBm（30dBm+6dBi）。292024/5/63.6.1天線增益的影響右圖為初始能量1W的傳輸信號，使標(biāo)簽位于定向天線增益最大方向上時，6dBi天線增益的效果圖。前向鏈路的傳輸距離從3m增加到6m。能量損耗是伴隨距離平方速度下降。反向鏈路的效果？302024/5/63.6.1天線增益的影響有效孔徑：G表示天線增益收發(fā)能量與距離關(guān)系：Friis方程式前向鏈路與反向鏈路能量開銷：312024/5/63.6.1天線增益的影響定義標(biāo)簽所需的最小能量則前向鏈路傳輸范圍：定義閱讀器端解調(diào)信號所需的最小信號能量則反向鏈路鏈路傳輸范圍：322024/5/63.6.2線性極化與圓極化極化是RFID系統(tǒng)中另一個重要的天線參數(shù)，電磁波是在空間直線傳播的。右圖中電磁矢量表示電磁場的方向電場和磁場方向相互垂直，而場的方向永遠(yuǎn)是和其傳播方向垂直的，像這樣波的震動方向和傳播方向垂直的波被稱為橫波，電場就是在垂直于傳播方向上上下移動電子。電場的方向決定其極化方向。極化方向始終固定的極化方式也被稱為線性極化。332024/5/63.6.2線性極化與圓極化電磁場的方向可以隨時間發(fā)生變化當(dāng)電磁場方向隨時間繞傳播方向的軸旋轉(zhuǎn)而不改變其場強大小，獲得的就是類似線性極化的圓極化輻射。通過簡單的矢量疊加過程，我們可以把純圓極化轉(zhuǎn)化為線性極化的疊加342024/5/63.6.2線性極化與圈極化圓極化的電磁波作用于線性極化的天線時，類似之前的分解過程，只有和導(dǎo)線指向的電場分量能產(chǎn)生電勢，而垂直的分量將沒有效果。雙偶極子：主要是通過同時安置兩個正交的天線在標(biāo)簽上來達到吸收不同方向能量的目的。對于線性極化，我們只需要乘以某個三角正弦變量即可表示其分量，這里用極化方向和接收天線方向夾角表示，如右公式所示。對于商業(yè)天線，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法獲得，其處理過程則更加麻煩，需要閱讀相關(guān)說明文檔，或者用相關(guān)的線性計劃標(biāo)簽測試獲得。352024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸以上都是在理想環(huán)境下進行的相關(guān)計算，實際環(huán)境中總是充滿各種噪聲和干擾。閱讀器自身信號的散射，折射后形成的干擾信號，不是簡單的能量疊加，而是每個點電勢的累加，結(jié)果不可預(yù)知，即：多徑效應(yīng)362024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸

372024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸考慮最壞情況，當(dāng)相位差為0°時可以得出疊加電勢：當(dāng)相位差為180°時可以得出疊加電勢：382024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸在RFID系統(tǒng)中，地面的反射干擾是十分嚴(yán)重的，混凝土折射率高達2.5。因此，RFID天線一般放置在離地面1-2m高的位置影響識別效率的還包括入射角度和極化方式。垂直極化的波在輻射到水平地面上在某個稱為布魯斯特角上可以達到?jīng)]有反射的效果，如右圖所示。392024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸垂直極化的信號能量衰減比較規(guī)律，而水平極化的信號能量則會更多地受到多徑效應(yīng)的影響，如右圖所示。線性極化的閱讀器在使用垂直極化天線時，能夠獲得較好的閱讀效果；水平極化的天線將可以識別更遠(yuǎn)的標(biāo)簽402024/5/63.7真實環(huán)境下的信號傳輸障礙物的影響，對于超高頻RFID系統(tǒng)中，典型的電磁波波長大約32cm，與環(huán)境中的大部分障礙物尺寸是在同一個數(shù)量級，不僅需要考慮反射，還需要加