RFID的编码调制技术解析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第4讲 RFID的编码和调制,人类在生活、生产和社会活动中总是伴随着消息或信息的传递，这种传递消息或信息的过程就叫做通信。,通信系统是指完成通信这一过程的全部设备和传输媒介，,一般可概括为如以以下图所示的模型：,图1 通信系统模型,一、通信与通信系统,1、通信系统模型,信息源简称信源：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。,发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。,信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。,噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。,接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。,受信者信宿：把原始电信号复原成相应的消息，如扬声器等。,模拟信号,：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：,数字信号,：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：,(a)话音信号 (b)抽样信号,图2 模拟信号,(a)二进制信号 (b)2PSK信号,图3 数字信号,通常，依据信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。,模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。,可见，在模拟通信系统中，发送设备简化为调制器，接收设备简化为解调器，主要是强调在模拟通信系统中调制的重要作用。,图4 模拟通信系统模型,2、通信系统分类,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。,信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性以及完成模/数转换；,信道编码与译码目的：增加抗干扰力气；,加密与解密目的：保证所传信息的安全；,数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号；,同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调全都。,图5 数字通信系统模型,RFID系统常承受数字信号。其主要特点,信号的完整性,RFID承受非接触技术传递信息，简洁遇到干扰，使信息传输发生转变。数字信号简洁校验，并简洁防碰撞，可以使信号保持完整性。,信号的安全性,RFID系统承受无线方式传递信息，开放的无线系统存在安全隐患。数字信号的加密和解密处理比模拟信号简洁的多。,便于存储、处理和交换,数字信号的形式与计算机所用的信号全都，都是二进制代码。便于与计算机互联网，也便于计算机对数字信息进展存储、处理和交换，可使物联网的治理和维护实现自动化、智能化。,RFID系统的根本通信模型,按读写器到电子标签的数据传输方向，RFID系统的通信模型主要由读写器发送器中的信号编码信号处理和调制器载波电路，传输介质信道，以及电子标签接收器中的解调器载波回路和信号译码信号处理组成。,RFID系统最终要完成的功能是对数据的猎取，这种在系统内的数据交换有两个方面的内容：RFID读写器向RFID电子标签方向的数据传输和RFID电子标签向RFID读写器方向的数据传输。,3、RFID系统的根本通信模型,信号编码系统是对要传输的信息进展编码，以便传输信号能够尽可能最正确的与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰撞。,调制器用于转变高频载波信号，即使得载波信号的振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。,射频识别系统信道的传输介质为磁场电感耦合和电磁波微波。,解调器用于解调猎取信号，以便再生基带信号。,信号译码系统是对从解调器传来的基带信号进展译码，恢复成原来的信息，并识别和订正传输错误。,4、信号工作方式,时序系统,电子标签和读写器的信息传输是在电子标签能量供给间歇进展的，读写器与电子标签不同时放射，这种方式可改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。,全双工系统,电子标签和读写器之间可以在同一时刻相互传送信息,半双工系统,电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息,放射能量，给电子标签充电,读写器停顿放射能量，电子标签工作，向读写器发送信号,二、RFID常用的编码方式,数字基带信号波形，可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。,RFID系统通常使用以下编码方法中的一种：反向不归零NRZ编码、曼彻斯特Manchester编码、单极性归零RZ编码、差动双相DBP编码、密勒Miller编码和差动编码。,1反向不归零编码NRZ，Non Return Zero,反向不归零编码用高电平表示二进制“1”，低电平表示二进制“0”，如以以下图所示：,图7 反向不归零编码,此码型不宜传输，有以下缘由,有直流，一般信道难于传输零频四周的频率重量；,接收端判决门限与信号功率有关，不便利使用；,不能直接用来提取位同步信号，由于NRZ中不含有位同步信号频率成分；,要求传输线有一根接地。,注：ISO14443 TYPE B协议中电子标签和阅读器传递数据时均承受NRZ,2曼彻斯特编码Manchester,曼彻斯特编码也被称为分相编码Split-Phase Coding。,某比特位的值是由该比特长度内半个比特周期时电平的变化上升或下降来表示的，在半个比特周期时的负跳变表示二进制“1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制“0”，如以以下图所示：,图8 曼彻斯特编码,编码器电路,曼彻斯特编码的特点,曼彻斯特编码在承受负载波的负载调制或者反向散射调制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，由于这有利于觉察数据传输的错误。这是由于在比特长度内，“没有变化”的状态是不允许的。,当多个标签同时发送的数据位有不同值时，则接收的上升边和下降边相互抵消，导致在整个比特长度内是不连续的负载波信号，由于该状态不允许，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。,曼彻斯特编码由于跳变都发生在每一个码元中间，接收端可以便利地利用它作为同步时钟。,注：ISO14443 TYPE A协议中电子标签向阅读器传递数据时承受曼彻斯特编码。,ISO18000-6 TYPE B 读写器向电子标签传递数据时承受的是曼彻斯特编码,3单极性归零编码Unipolar RZ,当发码1时发出正电流，但正电流持续的时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲,当发码0时，完全不发送电流。,单极性归零编码可用来提取位同步信号。,单极性归零编码,4差动双相编码DBP,差动双相编码在半个比特周期中的任意的边沿表示二进制“0”，而没有边沿就是二进制“1”，如以以下图所示。此外在每个比特周期开头时，电平都要反相。因此，对于接收器来说，位节拍比较简洁重建。,图10 差动双相编码,5密勒编码Miller,密勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0”。一连串的比特周期开头时产生电平交变，如以以下图所示，因此，对于接收器来说，位节拍也比较简洁重建。,图11 米勒编码,TYPE A中定义了如下三种时序：1时序X：该时序将在64fc处产生一个“pause”凹槽；2时序Y：该时序在整个位期间128fc不发生调制；3时序Z：这种时序在位期间的开头时，产生一个“pause”。在上述时序说明中，fc为载波1356MHz，pause凹槽脉冲的底宽为0530s，90幅度宽度不大于45s。用这三种时序即可对帧进展编码，即修正的密勒码。,规律“1”选择时序X；规律“0”选择时序Y。但有两种状况除外，第一种是在相邻有两个或更多的“0”时，此时应从其次个“0”开头承受时序Z；其次种是在直接与起始位相连的全部位为“0”时，此时应当用时序Z表示。另外，通信开头时，用时序Z表示。通信完毕则用规律“0”加时序Y表示。无信息时，通常应用至少两个时序Y来表示。,6、修正密勒码编码,注：在ISO/IEC 14443标准近耦合非接触式IC卡标准，TYPE A中阅读器向电子标签传递数据时承受修正密勒码方式对载波进展调制。,假设输入数据为01 1010,波形C实际上是曼彻斯特的反相波形，用它的上升沿输出变便产生了密勒码，而用其上升沿产生一个凹槽就是修正密勒码,起始用时序Z,直接与起始位相连的0用时序Z,相邻多个或更多0，则从其次格0开头用时序Z,通信完毕用规律0加时序Y,注：由于负脉冲的时间很短，可以保证在数据传输的过程中从高频场中连续给电子标签供给能量。变形米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到电子标签的数据传输。,7脉冲间歇编码,对于脉冲间歇编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t则表示二进制“0”，如以以下图所示。,图13 脉冲间歇编码,这种编码方法在电感耦合的射频系统中用于从读写器到电子标签的数据传输，由于脉冲转换时间很短，所以就可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续给射频标签供给能量。,8脉冲位置编码PPM，Pulse Position Modulation,脉冲位置编码与上述的脉冲间歇编码类似，不同的是，在脉冲位置编码中，每个数据比特的宽度是全都的。其中，脉冲在第一个时间段表示“00”，,其次个时间段表示“01”，,第三个时间段表示“10”，,第四个时间段表示“11”，,如右图所示。,注：ISO15693协议中，数据编码承受PPM,(9)FM0编码,FM0即Bi-Phase Space编码的全称为双相间隔码编码，工作原理是在一个位窗内承受电平变化来表示规律。假设电平从位窗的起始处翻转，则表示规律“1”。假设电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗中间翻转则表示规律“0”。一个位窗的持续时间是25s。,注：ISO18000-6 typeA 由标签向阅读器的数据发送承受FM0编码,(10)PIE编码,PIEPulse interval encoding编码的全称为脉冲宽度编码，原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示数据。,在该标准的规定中，由阅读器发往标签的数据帧由SOF帧开头信号、EOF帧完毕信号、数据0和1组成。在标准中定义了一个名称为“Tari”的时间间隔，也称为基准时间间隔，该时间段为相邻两个脉冲下降沿的时间宽度，持续为25s。,注：ISO18000-6 typeA 由阅读器向标签的数据发送承受PIE编码,注：选择编码方法的考虑因素,1、编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源,在REID系统中使用的电子标签常常是无源的，而无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供给。为了保证系统的正常工作，信道编码方式必需保证不能中断读写器对电子标签的能量供给。,在RFID系统中，当电子标签是无源标签时，常常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，这种相邻数据间有跳变的码，不仅可以保证在连续消逝“0”时对电子标签的能量供给，而且便于电子标签从接收到的码中提取时钟信息。,注：选择编码方法的考虑因素,2、编码方式的选择要考虑电子标签的检错的力气,出于保障系统牢靠工作的需要，还必需在编码中供给数据一级的校验疼惜，编码方式应当供给这种功能。可以依据码型的变化来推断是否发生误码或有电子标签冲突发生。,在实际的数据传输中，由于信道中干扰的存在，数据必定会在传输过程中发生错误，这时要求信道编码能够供给确定程度的检测错误的力气。,曼彻斯特编码、差动双向编码、单极性归零编码具有较强的编码检错力气。,注：选择编码方法的考虑因素,3、编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取,在电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟。,曼彻斯特编码、密勒编码、差动双向编码简洁使电子标签提取时钟。,1、调制和解调,通常基带信号具有较低的频率重量，不宜通过无线信道传输。因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也就是使载波的某个参量随基带信号的规律而变化，这一过程称为载波调制。,载波受调制以后称为已调信号，它含有基带信号的全部特征。,在通信系统的接收端则需要有解调过程，其作用是将已调信号中的原始基带信号恢复出来。,调制和解调过程对通信系统是至关重要的，由于调制解调方式在很大程度上准备了系统可能到达的性能。,三、RFID的调制和解调,调制的根本作用是频率搬移。概括起来，调制主要有如下几个目的：,频率搬移。调制把基带信号频