RFID原理及应用许毅(第2章) 陈建军

2. 信道 信道可以分为两大类，一类是电磁波在空间传播 的渠道，如短波信道、微波信道等；另一类是电 磁波的导引传播渠道，如电缆信道、波导信道等 。RFID的信道是具有各种传播特性的自由空间， 所以RFID采用无线信道。 1）信道带宽 信号所拥有的频率范围叫做信号的频带宽度，简 称带宽。模拟信道的带宽为
数字调制的方法通常称为键控法，常用的数字调 制解调方式有幅移键控 （Amplitude Shift Keying ，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying， FSK）和相移键控（Phase Shift Key，PSK）等 方式。为简化射频标签设计并降低成本，多数射 频识别系统采用ASK调制方式。
2.调制和解调 调制的目的是把传输的模拟信号或数字信号，变 换成适合信道传输的信号，意味着要把信源的基 带信号，转变为一个相对基带频率而言非常高的 带通信号。调制的过程用于通信系统的发送端， 调制就是将基带信号的频谱搬移到信道通带中的 过程，经过调制的信号称为已调信号，已调信号 的频谱具有带通的形式，已调信号称为带通信号 或频带信号。在接收端需将已调信号还原成原始 信号，解调是将信道中的频带信号恢复为基带信 号的过程。
2.2.3 RFID常用的编码方法 编码是RFID系统的一项重要工作，二进制编码是 用不同形式的代码来表示二进制的1和0。对于传 输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压 电平来表示两个二进制数字，也即数字信号由矩 形脉冲组成。按数字编码方式，可以将编码划分 为单极性码和双极性码，单极性码使用正（或负 ）的电压表示数据；双极性码1为反转，0为保持 零电平。根据信号是否归零，还可以将编码划分 为归零码和非归零码，归零码码元中间的信号回 归到0电平，而非归零码遇1电平翻转，零时不变 。
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通信握手 通信握手是指读写器与电子标签双方在通信开始、结束和 通信过程中的基本沟通，通信握手要解决通信双方的工作 状态、数据同步和信息确认等问题。 （1）优先通信。 RFID由通信协议确定谁优先通信，即是读写器，还是电 子标签。对于无源和半有源系统，都是读写器先讲；对于 有源系统，双方都有可能先讲。 （2）数据同步。 读写器与电子标签在通信之前，要协调双方的位速率，保 持数据同步。读写器与电子标签的通信是空间通信，数据 传输采用串行方式进行。 （3）信息确认。 信息确认是指确认读写器与电子标签之间信息的准确性， 如果信息不正确，将请求重发。RFID的通信协议常采用 自动连续重发，接收方比较数据后丢掉错误数据，保留正 确数据。
5）密勒编码 密勒编码在位周期开始时产生电平交变，对接收器来说， 位节拍比较容易重建。密勒编码在半个位周期内的任意边 沿表示二进制1，而经过下一个位周期中不变的电平表示二 进制0。
6）变形密勒编码 变形密勒编码相对于密勒编码来说，将其每个边沿都用负 脉冲代替。由于负脉冲的时间较短，可以保证数据在传输 过程中，能够从高频场中持续为射频标签提供能量。变形 密勒编码在电感耦合的射频识别系统中，主要用于从读写 器到射频标签的数据传输。
2）信道编码与解码 信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换 ，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠 性而进行的编码。信道解码是信道编码的逆过程 。
再变换，即为了使信息在 传输过程中不易被人窃译而进行的编码。在需要 实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全 ，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码， 这种处理过程称为加密。保密解码是保密编码的 逆过程，保密解码在接收端利用与发送端相同的 密码复制品对收到的数据进行解密，恢复原来信 息。
3. 频移键控 频移键控（FSK）是利用载波的频率变化来传递 数字信息，是对载波的频率进行键控。二进制频 移键控载波的频率只有两种变化状态，载波的频 率在和两个频率点变化，分别对应二进制信息的1 和 0。 1）二进制频移键控的定义 二进制频移键控信号可以表示成在两个频率点变 化的载波，其表达式为
v t s t cos ct
s t an g t nTs
n
已调波的键控度m为
a0 a1 m a0 a1
2）二进制振幅键控的电路原理图 二进制振幅键控信号的产生方法通常有两种，一 种是模拟调制法；另一种是键控法。模拟调制 法是用乘法器实现，键控法是用开关电路实现 ，键控度m为100%。
编码是为了达到某种目的而对信号进行的一种变换 。其逆变换称为解码或译码。根据编码的目的不 同，编码理论有信源编码、信道编码和保密编码 三个分支
1）信源编码与解码 信源编码是对信源输出的信号进行变换，包括连 续信号的离散化（即将模拟信号通过采样和量化 变成数字信号），以及对数据进行压缩以提高信 号传输有效性而进行的编码。信源解码是信源编 码的逆过程。
1. 编码格式 1）反向不归零编码 这是一种简单的数字基带编码方式，反向不归零编 码用高电平表示二进制的1，用低电平表示二进制 的 0。 2）曼彻斯特编码 曼彻斯特编码也称为分相编码（Split-Phase Coding）。在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位 不同来区分1和0，其中从高到低跳变表示1，从低 到高跳变表示0。
在时序系统中，从电子标签到读写器的信息传输是在电 子标签能量供应间歇进行的，读写器与电子标签不同时 发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高系统 的工作距离。时序系统的工作过程如下。 （1）读写器先发射射频能量，该能量传送到电子标签 ，给电子标签的电容器充电，将能量用电容器存储起来 ，这时电子标签的芯片处于省电模式或备用模式。 （2）读写器停止发射能量，电子标签开始工作，电子 标签利用电容器的储能向读写器发送信号，这时读写器 处于接收电子标签响应的状态。 （3）能量传输与信号传输交叉进行，一个完整的读出 周期由充电阶段和读出阶段两个阶段构成。
比特率 波特率 log2 M
4）信道容量 信道容量是信道的一个参数，反映了信道所能传 输的最大信息量。 （1）具有理想低通矩形特性的信道。 根据奈奎斯特准则，这种信道的最高码元传输速 率为 最高码元传输速率=2BW 也即这种信道的最高数据传输速率为：
C 2BWlog2 M
（2）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道。 香农提出并严格证明了在被高斯白噪声干扰的信道中，最大信息传送 速率的公式。这种情况的信道容量为：
2.2信号的编码与调制
图2-5给出了RFID系统的通信模型。在这个模型中 ，信道由自由空间、读写器天线、 读写器射频前 端、电子标签天线和电子标签射频前端构成，这 部分的内容在第3～第4章介绍。本节讨论这个模 型中的编码与调制。
2.2.1信号与信道
信号是消息的载体，在通信系统中消息以信号的 形式从一点传送到另一点。信道是信号的传输媒 质，信道的作用是把携有信息的信号从它的输入 端传递到输出端。在RFID系统中，读写器与电子 标签之间交换的是信息，由于采用非接触的通信 方式，读写器与电子标签之间构成一个无线通信 系统，其中读写器是通信的一方，电子标签是通 信的另一方。
3）单极性归零编码 对于单极性归零码，当发1码时发出正电流，但正 电流持续的时间短于一个码元宽度，即发出一个 窄脉冲；当发0码时，仍然完全不发送电流。 4）差动双相编码 差动双相编码在半个位周期中的任意边沿表示二 进制0，而没有边沿跳变表示二进制1。此外，在 每个位周期开始时，电平都要反相。差动双相编 码对接收器来说较容易重建。
2. 振幅键控 调幅是指载波的频率和相位不变，载波的振幅随 调制信号的变化而变化。振幅键控是利用载波的 幅度变化来传递数字信息，在二进制数字调制中 ，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信 息的1和0。目前电感耦合RFID系统常采用ASK调 制方式，如ISO/IEC 14443及ISO/IEC l5693标准 均采用ASK调制方式。 1）二进制振幅键控
BW f 2 f1
2）信道传输速率 信道传输速率就是数据在传输介质（信道）上的 传输速率。数据传输速率是描述数据传输系统的 重要技术指标之一，数据传输速率在数值上等于 每秒钟传输数据代码的二进制比特数，数据传输 速率的单位为比特/秒（b/s）。 3）波特率与比特率 在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫 码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传 输速率，简称波特率。比特率是数据传输速率， 表示单位时间内可传输二进制位的位数。 如果一个码元的状态数可以用M个离散电平个数 来表示，有如下关系：
7）差动编码 对于差分编码，每个要传输的二进制1都会引起 信号电平的变化，而对于二进制0，信号电平保 持不变。
2. 编码方式的选择因素 1）编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源 2）编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力 3）编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取
2.2.4 RFID常用的调制方法 按照从读写器到电子标签的传输方向，读写器中发送的信 号首先需要编码，然后通过调制器调制，最后传送到传输 通道上去。用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变 换为数字已调信号的过程称为数字调制，RFID主要采用 数字调制的方式。 1. 载波 在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是 将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为 加载，这样一个固定频率的波称为载波。在RFID系统中 ，正弦载波除了是信息的载体外，在无源电子标签中还具 有提供能量的作用，这一点与其他无线通信有所不同。
S C BW log 2 1 N
（3）RFID的信道容量。
带宽越大，信道容量越大。在物联网中RFID主要选用微波频率，微波 频率比低频频率和高频频率有更大的带宽。
信噪比越大，信道容量越大。RFID无线信道有传输衰减和多径效应等 ，应尽量减小衰减和失真，提高信噪比。
2.2.2编码与调制 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信 系统，其涉及的技术问题很多，其中主要有信源 编码与解码、加密与解密、信道编码与解码、数 字调制与解调以及同步等。 1.编码与解码
3）二进制振幅键控的功率谱密度 二进制振幅键控信号是随机信号，故研究它的频 谱特性时，应该讨论它的功率谱密度。二进制基 带信号是随机的单极性矩形脉冲序列。 分析表明，二进制振幅键控信号功率谱密度的特 性如下。 （1）二进制振幅键控信号的功率谱由连续谱和离散 谱两部分组成，连续谱取决于经线性调制后的双 边带谱，而离散谱由载波分量确定。 （2）二进制振幅键控信号的带宽是基带信号带宽的 两倍，若只计功率谱密度的主瓣（第一个谱零点 的位置），传输的带宽是码元速率的两倍。