第3章 编码和调制

射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种： 反向不归零（NRZ）编码 曼彻斯特（Manchester）编码 单极性归零（UnipolarHZ）编码 差动双相（DBP）编码 密勒（Miller）编码利差动编码。
3 编码和调制
数字基带信号的频谱
g(t) G(w)

2
0
2
t
2π τ 2π τ
《RFID技术基础》
常州工学院
图1 RFID的系统结构
图2 阅读器组成示意图
图3 射频识别系统的基本通信结构框图
3 编码和调制
数据和信号
数据可定义为表意的实体， 分为模拟数据和数字数据。 模拟数据在某些时间间隔 上取连续的值，例如，语 音、温度、压力等。
数字数据取离散值，为 人们所熟悉的例子是文本 或字符串。在射频识别应 答器中存放的数据是数字 数据 。
3 编码和调制
副载波与副载波调制解调 TYPE A中的副载波调制
S 字节（8 位） P 字节 P …… CRC-1 P CRC-2 P E
标准帧的结构
NRZ 码 副载波 fs 曼彻斯特码 副载波 调制信号
副载波调制波形
40
3 编码和调制
（b）触发器 D2 移相 90° 的波形图
38
副载波调制是标签向读写器发送数据的方法。在通 常的RFID通信中，读写器是主动方，产生射频场， 把要发送给标签的数据直接调制在射频场载波上； 而标签是被动方，不产生射频场，标签回送数据 的时候把自己当做一个线圈，回送的数据用打开 和关断线圈表示，根据电磁感应原理，磁场中闭 合的线圈会减小磁场振幅，打开的线圈对磁场幅 度没有影响。读写器感知到这种磁场幅度的变化， 从而接收到标签回送的数据信息。开关线圈相当 于在磁场中开关一个磁场的负载，这种调制方法 就称为负载调制。
曼彻斯特（Manchester）码
数据时钟 CLK
NRZ 码数据
1
0
0
1
1
0
曼彻斯特码
15
曼彻斯特码 Manchester code (又称裂相码、双向码）， 一种用电平跳变来表示1或0的编码，其变化规则 很简单，即每个码元均用两个不同相位的电平信 号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的 相位正好相反。
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3 编码和调制
信道的容量
对在给定条件，给定通信路径或信道上的数据传输 速率称为信道容量。
数据传输速率=码元传输速率×log2M 信道的最大容量C为 C=2BW log2M 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道最大容量 C= BW log2（1＋S/N）
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3 编码和调制
数据编码(信源编码和信道编码 )
数据 NRZ 码
移相π
FSK实现的原理框图
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3 编码和调制
脉冲调制 FSK解调
5V D1 PR D FSK 信号 7474 CLK CL R
1
5V D2 PR
Q
CLK 7474
Q
数据输出
Q
非
D CL
Q
125kHz 时钟
Reset CLK 10 进计数器 4017
FSK解调电路原理图
31
1
非 单稳 74121 Q7
20
Miller码也称延迟调制码，是一种变形双向码。其编 码规则：对原始符号“1”码元起始不跃变，中心 点出现跃变来表示，即用10或01表示。对原始符 号“0”则分成单个“0”还是连续“0”予以不同 处理；单个“0”时，保持0前的电平不变，即在 码元边界处电平不跃变，在码元中间点电平也不 跃变；对于连续“0”，则使连续两个“0”的边 界处发生电平跃变。 在无源RFID中，为实现卡和读写器之间的数据交换， 都是采用负载调制方式完成的。进行负载调制时， 需要选用一种编码去调制。密勒(Miller)码因码中 带有时钟信息，且具有较好的抗干扰能力，因而 是非接触存储卡中优选使用的码型，例如，EM Microelectronnic-marin SA的RFID产品H4006中就 采用了密勒码技术。
0
0
1
1
0
FSK 脉冲 f0 f0 f1 f1
FSK脉冲调制波形
FSK是指对已调脉冲波形的频率进行控制， FSK调制方式用于射频载波频率为125kHz的情况.
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3 编码和调制
脉冲调制 FSK调制
fc/8 射频载波 fc 分 频 器 门电路 1 数据 NRZ 码 fc/5 门电路 2

FSK 输出
至 MCU
CLKen
3 编码和调制
脉冲调制 FSK解调工作原理如下： 触发器D1将输入FSK信号变为窄脉冲。触发器 D1采用74HC74，当端为高时，FSK上跳沿将Q端 置高，但由于此时为低，故CL端为低，又使Q端 回到低电平。Q端的该脉冲使十进计数器4017复零 并可重新计数。
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3 编码和调制
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3 编码和调制
数据 0 PSK 波形 （62.5kHz） 数据 1
触发器 D2 输出 判决器 D3 输出
数据 0
数据 1
（a）判决器将 PSK 信号解调为 NRZ 码的波形图
125kHz 基准方波 触发器 D1 输出 异或 1 输出
PS K 解 调 电 路 的 相 关 波 形
触发器 D2 输出 （62.5kHz）
1
Q
7474 D 非 门 CL 5V Q 1 2 PR D4 7474 窗口 检测 电路 R1
Q
Q
R3 异 或 4 C3
1
CLK
异 或 2
D CL 异或 3 C2 R2 非门 1 PSK 信号
C1
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3 编码和调制
设PSK信号的数据速率为fc/2（fc为射频载波频 率值125 kHz），则加至解调器的PSK信号是125 k Hz/2=62.5 kHz的方波信号。该PSK信号进入解调 器后分为两路：一路加至触发器D3的时钟输入端 （CLK），触发器D3是位值判决电路；另一路用 于形成相位差为90°的基准信号。触发器D3的D 输入端加入的是由125 kHz载波基准形成的62.5 kH z基准方波信号，这样，若触发器的D3的时钟与D 输入端两信号相位差为90°（或相位差不偏至0° 或180°附近），则触发器D3的Q端输出信号即为 NRZ码，可供微控制器MCU读入。
0
4π τ
w
（a）单个脉冲波形
（b）单个脉冲的频谱
g t
A 0
2 其他
t

波形
G

sin / 2 A / 2 A Sa / 2
14

g (t )e jt dt
3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器
δ
p p
δ
p
δ
p
δ
通信结束
解 码 时 序 波 形 图 示 例
仍为高 关闭 使能
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3 编码和调制
脉冲调制 将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲 串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。 主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。
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3 编码和调制
脉冲调制 FSK
数据时钟
数据 NRZ 码
5
3 编码和调制
数据和信号
模拟信号在时域表现为连 续的变化，在频域其频谱是 离散的。模拟信号用来表示 模拟数据。 数字信号是一种电压脉冲 序列，数据取离散值，通常 可用信号的两个稳态电平来 表示，一个表示二进制的0， 另一个表示二进制的1。
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3 编码和调制
传输介质
传输介质是数据传输系统里发送器和接收 器之间的物理通路。
3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器
数据 数据时钟 1 0 1 1 0 0 1 0
NRZ 倒相的 曼彻斯特码
密勒码
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
密勒码波形及与NRZ码、曼彻斯特码的波形关系
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3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器 密勒（Miller）码
编码控制 非门 曼彻斯特码 1 CLK 7474 D CL VCC
（b）波形图示例
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3 编码和调制
修正密勒码解码
修正密勒码 输入 解码开始 使能
脉冲形成
时钟电路
数据 CLK
内部数据 产生
数据寄存
解码 输出
CLK（13.56MHz） 解码结束
结束 信号
修正密勒码解码器原理框图
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3 编码和调制
修正密勒码解码
Pause 修正密勒码输入 起始位 使能信号 CLK （13.56MHz） 数据时钟 脉冲形成 电路输出 data-reg(0)触发器输出 （脉冲 P 置 1，数据时钟 下降沿翻转） 解码数据 （数据时钟上升沿采样） Logic-0 触发器输出 （脉冲 P 复零，识别到逻 辑零时为高） END 信号 0 0 1 1 0 1 0 时序 y 0 1 1 0 1 0 通信结束 时序 y 0
信源编码是对信源信息进行加工处理，模拟 数据要经过采样、量化和编码变换为数字数据， 为降低所需要传输的数据量，在信源编码中还 采用了数据压缩技术。 信道编码是将数字数据编码成适合于在数字 信道上传输的数字信号，并具有所需的抵抗差 错的能力，即通过相应的编码方法使接收端能 具有检错或纠错能力。
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3 编码和调制
无线传输
f Hz
104 105 106 107 108 109 1010 1011
125kHz
13.56MHz
869M 2.45G 433M 915M 5.8G
波段
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
EHF
射频识别所用的频率为<135 kHz（LF）及ISM频率的13.56 MHz（HF）， 433 MHz（UHF），869 MHz（UHF），915 MHz（UHF），2.45 GHz（U HF），5.8 GHz（SHF）。
3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器 曼彻斯特（Manchester）码
编码控制 7486 数据 CLK 异 或 7404 2CLK 1 非门 VCC CLK CL
Q
PR D 74HC74 输出
Q
编码器电路
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3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器 曼彻斯特（Manchester）码
Q
PR
Q
密勒码输出
用曼彻斯特码产生密勒码的电路
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3 编码和调制
修正密勒码编码器 假设输出数据为01 1010
数据 NRZ 码 输入 b 编码器 异 或 c a 13.56MHz 时钟 e 13.56MHz 128 分频 数据时钟 使能 计数器 d 修正密勒码 输出
（a）修正密勒码编码器原理框图
a b c d e Z Z X X Y X Y Z Y 0 0 1 1 0 1 0 0
使能（PR 端）
2CLK
CLK
DATA（数据）
异或输出
74HC74Q
74HC74Q （输出）
Βιβλιοθήκη Baidu
1
0
0
曼彻斯特码编码器时序波形图示例
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3 编码和调制
RFID中常用的编码方式及编解码器 密勒（Miller）码
密勒码编码规则
bit(i1) × 0 1 bit i 1 0 0 密勒码编码规则 bit i的起始位置不变化，中间位置跳变 bit i的起始位置跳变，中间位置不跳变 bit i的起始位置不跳变，中间位置不跳变
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3 编码和调制
PSK调制电路
参 考 脉冲波 门电路 1 倒相器 数据 NRZ 码

PSK 输出
移相π （倒相）
门电路 2
选择相位法电路框图
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5V 125kHz 基准信号
5V PR Q D D3 7474 Q 至 MCU
3 编码和调制
异或 1
PR D2 7474
CLK
PSK解调电路 5V D CLK Q 阅读器能正确将 PSK调制信号变换为 NRZ码的关 CL CL PR 键。 CLK D Q 5V 5V
数字基带信号波形
0 0 1 1 0 1 0
（a） NRZ 码
（b）双极性 矩形脉冲
（c）单极性 归零波形
（d）曼彻斯特码
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不归零码(NRZ,Not Return to Zero)
基带传输时,需要解决数字数据的数字信号表示以及收发 两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说,最简 单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；双极性码是二进制码，1为反转， 0为保持零电平。根据信号是否归零，还可以划分为归零 码和非归零码，归零码码元中间的信号回归到0电平，例 如“1”为正电平，“0”为负电平， 每个数据表示完毕 后， 都会回归到零电平状态，而非归零码没有回归到零电平 的过程，例如“1”为高电平，“0”为低电平。
脉冲调制 PSK1和PSK2
0 PP PSK1 P PSK2 P PP PP PP 0 1 1 PP
数据 NRZ 码
采用PSK1调制时，若在数据位的起始处出现上升沿或下 降沿（即出现1，0或0，1交替），则相位将于位起始处跳 变180°。而PSK2调制时，相位在数据位为1时从位起始处 跳变180°，在数据位为0时则相位不变。