物联网射频识别(RFID)技术与应用 - 第5章
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
第5章 编码与调制
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
读写器与电子标签之间消息的传递是通过电信号实现的。 原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信 号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信 号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这 个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码， 这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具 有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。
物联网射频识别（RFID）技术与应用
3. 保密编码与解码 保密编码是对信号进行再变换，即为了使信息在
传输过程中不易被人窃译而进行的编码。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
5.2.2 调制与解调
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，这就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频带信号。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
2.编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力 为保障系统工作的可靠性，必须在编码中提供数据一
级的校验保护，编码方式应该提供这一功能，并可以根据码 型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
5.4.1 数字调制
数字信号有离散取值的特点，数字调制技术利用数 字信号的这一特点，通过开关“键控”载波，从而实现 数字调制。
数字信息有二进制与多进制之分，数字调制也分为 二进制调制与多进制调制。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
图5.13 采用振幅键控ASK的副载波调制
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5.2.1编码与解码
1. 信源编码与解码 （1）提高信息传输的有效性 （2）完成模/数转换
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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。
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5.1.2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空间，所以RFID采用无 线信道。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
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
1.模拟信号和数字信号 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，
其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。 数字信号是指幅度的取值是离散的，幅值表示被
限制在有限个数值之内。EPC码（二进制码）就是一 种数字信号。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
数字信号较模拟信号有许多优点，RFID系统常 采用数字信号。RFID系统数字信号的主要特点如下。
1. Matlab/Simulink软件。 2. Simulink使用简介。
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5.4
RFID常用的调制方法
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
数字基带信号往往具有丰富的低频分量，必须用 数字基带信号对载波进行调制，而不是直接传送数字基 带信号，以使信号与信道的特性相匹配。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。
物联网射频识别（RFID）技术与应用
3.波特率与比特率 （1）波特率 （2）比特率 （3）波特率与比特率的关系
比特率=波特率 log2 M
（5.2）
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4.信道容量
（1）具有理想低通矩形特性的信道
这种信道的最高数据传输速率为
C 2BW log2 M
（5.4）
（2）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道
这种情况的信道容量为
C
BW
log2 (1
S N
)
（5.5）
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5.2
编码与调制
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图5.2 数字通信系统的模型
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
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5.3.1 编码格式
1. 反向不归零（NRZ）编码 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。
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2. 曼彻斯特（Manchester）编码 在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1
和0，其中从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0。
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3. 单极性归零（Unipolar RZ）编码 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的时间宽度，即发出一个窄脉 冲；当发0码时，完全不发送电流。
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5.1
信号与信道
5.2
编码与调制
5.3
RFID常用的编码方法
5.4
RFID常用的调制方法
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5.1
信号与信道
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1. 载波 载波是指被调制以传输信号的波形，载波一般为
正弦振荡信号，正弦振荡的载波信号可以表示为
v(t) Acos(ct )
（5.6）
载波被调制以后，载波的振幅、频率或相位就随信号的
变化而变化。
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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（Amplitude Shift Keying，ASK）是利用载
波的幅度变化传递数字信息，在二进制数字调制中，载波 的幅度只有两种变化，分别对应二进制的“1”和“0”。
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图5.9 振幅键控的时间波形
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图5.11 频移键控的时间波形
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4. 相移键控 相移键控（Phase Shift Keying，PSK）是利用载波的
相位变化传递数字信息，是对载波的相位进行键控。二进 制相移键控载波的初始相位有两种变化状态，通常载波的 初始相位在0和π两种状态变化，分别对应二进制信息的“1” 和“0”。
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5.3
RFID常用的编码方法
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二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的1 和0。按照数字编码方式，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。按照信号是否归零， 还可以将编码划分为归零码和非归零码，归零码在码元 中间信号回归到0电平；非归零码遇1电平翻转，遇0电平 不变。
5.1.1 信号
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。信号分为模拟信号和数 字信号，RFID系统主要处理的是数字信号。信号可以 从时域和频域两个角度来分析，在RFID传输技术中， 对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。
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称为带宽。
BW f2 f1
（5.1）
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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。数据传输速率的单位为比特/秒，记做bps 或b/s。
1kbps=103bps 1Mbps=103kbps 1Gbps=103Mbps
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3.频移键控 频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）是利用载
波的频率变化传递数字信息，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 f1 和 f2 两个频率点变化，分别对应二进制信息
的“1”和“0”。
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1.信号需要调制的原因 为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用较
高频率的信号。
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2.信号调制的方法 在无线通信中，调制是指载波调制。载波调制，
就是用调制信号去控制载波参数的过程。 （1）调幅 （2）调频 （3）调相
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，读写器发出 的编码方式应该能够使电子标签容易提取时钟信息。
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5.3.3编码方式Matlab/Simulink仿真方法
（1）信号的完整性 （2）信号的安全性 （3）便于存储、处理和交换 （4）设备便于集成化、微型化 （5）便于构成物联网
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2.时域和频域 时域的自变量是时间，时域表达信号随时间的变
化。频域的自变量是频率，频域表达信号随频率的变 化。在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号 时域的研究更重要。
4. 差动双相（DBP）编码 5.米勒（Miller）编码 6. 差动编码
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5.3.2 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 在RFID系统中，由于使用的电子标签常常是无源的，
无源标签需要在与读写器的通信过程中获得自身的能量供应。 为了保证系统的正常工作，信道编码方式首先必须保证不能 中断读写器对电子标签的能量供应。
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图5.12 相移键控的时间波形
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5.4.2 副载波调制
副载波调制是指首先把信号调制在载波1上，出于某 种原因，决定对这个结果再进行一次调制，于是用这个结 果去调制另外一个频率更高的载波2。
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3.信号工作方式 （1）时序系统 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。
（2）全双工系统 （3）半双工系统
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第5章 编码与调制
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读写器与电子标签之间消息的传递是通过电信号实现的。 原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信 号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信 号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这 个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码， 这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具 有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。
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3. 保密编码与解码 保密编码是对信号进行再变换，即为了使信息在
传输过程中不易被人窃译而进行的编码。
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5.2.2 调制与解调
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，这就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频带信号。
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2.编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力 为保障系统工作的可靠性，必须在编码中提供数据一
级的校验保护，编码方式应该提供这一功能，并可以根据码 型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生。
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5.4.1 数字调制
数字信号有离散取值的特点，数字调制技术利用数 字信号的这一特点，通过开关“键控”载波，从而实现 数字调制。
数字信息有二进制与多进制之分，数字调制也分为 二进制调制与多进制调制。
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图5.13 采用振幅键控ASK的副载波调制
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5.2.1编码与解码
1. 信源编码与解码 （1）提高信息传输的有效性 （2）完成模/数转换
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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。
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5.1.2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空间，所以RFID采用无 线信道。
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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
1.模拟信号和数字信号 模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，
其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。 数字信号是指幅度的取值是离散的，幅值表示被
限制在有限个数值之内。EPC码（二进制码）就是一 种数字信号。
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物联网射频识别（RFID）技术与应用
数字信号较模拟信号有许多优点，RFID系统常 采用数字信号。RFID系统数字信号的主要特点如下。
1. Matlab/Simulink软件。 2. Simulink使用简介。
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5.4
RFID常用的调制方法
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数字基带信号往往具有丰富的低频分量，必须用 数字基带信号对载波进行调制，而不是直接传送数字基 带信号，以使信号与信道的特性相匹配。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。
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3.波特率与比特率 （1）波特率 （2）比特率 （3）波特率与比特率的关系
比特率=波特率 log2 M
（5.2）
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4.信道容量
（1）具有理想低通矩形特性的信道
这种信道的最高数据传输速率为
C 2BW log2 M
（5.4）
（2）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道
这种情况的信道容量为
C
BW
log2 (1
S N
)
（5.5）
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编码与调制
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图5.2 数字通信系统的模型
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5.3.1 编码格式
1. 反向不归零（NRZ）编码 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。
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2. 曼彻斯特（Manchester）编码 在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1
和0，其中从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0。
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3. 单极性归零（Unipolar RZ）编码 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的时间宽度，即发出一个窄脉 冲；当发0码时，完全不发送电流。
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信号与信道
5.2
编码与调制
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RFID常用的编码方法
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信号与信道
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1. 载波 载波是指被调制以传输信号的波形，载波一般为
正弦振荡信号，正弦振荡的载波信号可以表示为
v(t) Acos(ct )
（5.6）
载波被调制以后，载波的振幅、频率或相位就随信号的
变化而变化。
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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（Amplitude Shift Keying，ASK）是利用载
波的幅度变化传递数字信息，在二进制数字调制中，载波 的幅度只有两种变化，分别对应二进制的“1”和“0”。
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图5.9 振幅键控的时间波形
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图5.11 频移键控的时间波形
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4. 相移键控 相移键控（Phase Shift Keying，PSK）是利用载波的
相位变化传递数字信息，是对载波的相位进行键控。二进 制相移键控载波的初始相位有两种变化状态，通常载波的 初始相位在0和π两种状态变化，分别对应二进制信息的“1” 和“0”。
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5.3
RFID常用的编码方法
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二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的1 和0。按照数字编码方式，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。按照信号是否归零， 还可以将编码划分为归零码和非归零码，归零码在码元 中间信号回归到0电平；非归零码遇1电平翻转，遇0电平 不变。
5.1.1 信号
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。信号分为模拟信号和数 字信号，RFID系统主要处理的是数字信号。信号可以 从时域和频域两个角度来分析，在RFID传输技术中， 对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。
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称为带宽。
BW f2 f1
（5.1）
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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。数据传输速率的单位为比特/秒，记做bps 或b/s。
1kbps=103bps 1Mbps=103kbps 1Gbps=103Mbps
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3.频移键控 频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）是利用载
波的频率变化传递数字信息，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 f1 和 f2 两个频率点变化，分别对应二进制信息
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1.信号需要调制的原因 为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用较
高频率的信号。
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2.信号调制的方法 在无线通信中，调制是指载波调制。载波调制，
就是用调制信号去控制载波参数的过程。 （1）调幅 （2）调频 （3）调相
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，读写器发出 的编码方式应该能够使电子标签容易提取时钟信息。
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5.3.3编码方式Matlab/Simulink仿真方法
（1）信号的完整性 （2）信号的安全性 （3）便于存储、处理和交换 （4）设备便于集成化、微型化 （5）便于构成物联网
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2.时域和频域 时域的自变量是时间，时域表达信号随时间的变
化。频域的自变量是频率，频域表达信号随频率的变 化。在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号 时域的研究更重要。
4. 差动双相（DBP）编码 5.米勒（Miller）编码 6. 差动编码
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5.3.2 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 在RFID系统中，由于使用的电子标签常常是无源的，
无源标签需要在与读写器的通信过程中获得自身的能量供应。 为了保证系统的正常工作，信道编码方式首先必须保证不能 中断读写器对电子标签的能量供应。
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图5.12 相移键控的时间波形
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5.4.2 副载波调制
副载波调制是指首先把信号调制在载波1上，出于某 种原因，决定对这个结果再进行一次调制，于是用这个结 果去调制另外一个频率更高的载波2。
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3.信号工作方式 （1）时序系统 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。
（2）全双工系统 （3）半双工系统
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