RFID第3章 RFID的无线通信原理

3.6.1 天线增益的影响
并非所有的天线都能够拥有很好的方向 性，其中一种方向性不特别显著的天线 就是偶极天线。 偶极天线并不向轴线辐射信号，而是均 匀的向和轴线垂直的各个方向辐射。如 右图所示。 相对偶极天线的增益比相对全向天线的 增益要小2.2dB dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是 相对值，但参考基准不一样。dBi的参考 基准为全方向性天线；dBd的参考基准为 偶极子。一般认为dBi和dBd表示同一个 增益，用dBi表示的值比dBd用表示的值 要大2.2
等幅波(Continuous Wave, CW)： 一个简单的，频率、相位、振幅不发生 变化的周期正弦信号。它无法携带信息， 也叫载波信号。
需要携带数据时，需要在这样的周期信 号上进行调制：m(t)含有基带信息，余 弦为载波。
3.3 阅读器信号的调制与复用
当m(t)也是正余弦信号时，根据三角函 数关系，有：
3.6.1 天线增益的影响
某个方向d上的辐射强度和平均到各个方 向上的辐射强度的比例称为该方向上天 线的定向增益。 该方向上的辐射效率也就是该天线的功 率增益，也叫做放大系数G（power gain） 天线增益：在输入功率相等的条件下， 功率辐射密度最大的方向上获得的能量 与全向天线该方向上获得能量的比值。 它定量地描述一个天线把输入功率集中 辐射的程度。并不是说天线可以主动增 加信号能量，而是按照一定的规律重新 分配。 对于定向天线而言，如需更高的功率增 益，信号辐射的范围也就相对越窄，如 右图所示。
这种正弦调制将信号分为两个信号，称 为边带，一个频率高于载波（公式第一 项），一个低于载波（公式第二项）。 这表示在某个信号经过调制之后，得到 的信号频谱将会变宽，包含载波频率周 围的一段频率。
3.3 阅读器信号的调制与复用
对RFID阅读器信号的调制一般执行的是 数位调变(Digitally Modulated)。
3.6 天线增益与极化对传输范围的影响
3.6.1 天线增益的影响
对于输出为1W的RFID阅读器，在全向 天线的作用下只能传输2-3m的距离，在 标签分布在阅读器四周的应用中比较有 利。
现实场景中，阅读器会被安排在某个区 域的边缘，而标签则被大量放置在该区 域中心附近，并且标签构成的区域只在 阅读器能够辐射到的某个角度区域内。 如果能够让天线将能量集中于一个方向 辐射，就可以更加充分利用这些传输能 量，使能量利用率最大化
接受器调制后辐射的电磁波能返回到传 输器的天线中，并产生能被识别的信号， 叫做反向散射信号。
3.4 反向散射机制与标签编码
接收器在某一时刻接收到的反射信号向量是空间中各种信号的矢量叠加
如下图所示，叠加导致了不确定性，如果想利用反向散射机制，就必须 设计某种编码机制使得接收器能够根据这些变化识别信号，而不关心信 号的相位或振幅。
3.6.1 天线增益的影响
将能量集中于一处进行辐射的 天线，叫做定向天线。 对于RFID应用场景，定向天线 充分地利用这些传输能量，使 得能量利用率最大化，而减少 不必要区域的扫描能量浪费。 右图为定向天线的辐射模型。 对于相对于天线中心方向的任 意角度d，曲线边缘代表着天 线在此方向上辐射的能量密度。
3.4 反向散射机制与标签编码
变化的磁场产生变化的电场，变化的电 场产生磁场 信号发射器中的电流通过天线辐射出无 线电磁波，形成变化的电磁场，在接收 器天线线圈感应到变化的电磁场，而在 线圈内部产生电压，如果接收器的天线 是通过某种负载连通的，就会产生感应 电流。 任何物体在接受到某个电磁波之后会同 样传输这样一串电磁波。
射 频 识 别 技 术
第 RFID无线 三 通信原理 章
原理、协议及系统设计
本章内容
3.1 射频频谱与电磁信号传输
3.2 信号的电压与能量
3.3 阅读器信号的调制与复用 3.4 反向散射机制与标签编码 3.5 链路预算 3.6 天线增益与极化对传输范围的影响 3.7 真实环境下的信号传输 3.8小结
信号处理问题中，相对变化更值得关注。 现实应用中，信号功率根据环境不同会 发生巨大的变化，使用分贝(dB)代替瓦 特(W)：
分贝是相对的，描述具体功率时需要加 入参考功率，常用的是1毫瓦特(mW)， 此处分贝大小为dBm
对Leabharlann Baidu性质 lg(a.b)=lg(a) +lg(b) 所以相应 的乘法转换为加法
3.3 阅读器信号的调制与复用
3.3 阅读器信号的调制与复用 • 频分多址（FDMA）技术，要求不同应用使用不同的载 波频率传输信息，而接收端接收器仅获取相应频率信号 来进行解调，而得到所需传输的数据。 • 例如：ALR-9900阅读器，其工作频率是902.75MHz— 927.75MHz，在处理FDMA时阅读器将此段频率平均分 成50个频道，每个频道500KHz频率范围，阅读器通过 和标签在指定频率范围内通信来减少和其他信号之间的 冲突。 • 但虽然FDMA从理论上解决了多种信号冲突的问题，但 在实际应用中，仍然需要注意阅读器的部署，周围空间 中其它信号干扰等情况，以保证RFID阅读过程成功完 成。 • 例如阅读器A在频道10监听标签信号，阅读器B在频道 11发送请求信号，阅读器A很难听到标签信息
3.6.1 天线增益的影响
定义标签所需的最小能量 则前向链路传输范围：
定义阅读器端解调信号所需的最小信号 能量 则反向链路链路传输范围：
3.6.2 线性极化与圆极化
极化是RFID系统中另一个重要的天线参 数，电磁波是在空间直线传播的。 右图中电磁矢量表示电磁场的方向 电场和磁场方向相互垂直，而场的方向 永远是和其传播方向垂直的，像这样波 的震动方向和传播方向垂直的波被称为 横波，电场就是在垂直于传播方向上上 下移动电子。 电场的方向决定其极化方向。 极化方向始终固定的极化方式也被称为 线性极化。
3.6.1 天线增益的影响
右图为初始能量1W的传输信号，使标签 位于定向天线增益最大方向上时，6dBi 天线增益的效果图。
前向链路的传输距离从3m增加到6m。 能量损耗是伴随距离平方速度下降。
反向链路的效果？
3.6.1 天线增益的影响
有效孔径：
收发能量与距离关系：
G表示天线增益
Friis方程式
前向链路与反向链路能量开销：
路径损耗
标签激活能量
3.5.1 阅读器传输能量
功率
• 阅读器的功率往 往被限定在某个 安全范围
频率
• 大多RFID设 备工作在ISM 频段
实际应用
• 最大传输能 量不能超过 1W
3.5.2 路径损耗
路径损耗：指在传输过程中，传输器实 际发送的能量和接收器实际接收到的能 量之间的差异。 假设天线传输是各向同性，即天线向各 个方向均匀辐射能量。如右图所示。
3.6.1 天线增益的影响
通过天线的增益和传输能量，可以计算 出利用全向天线，来达到定向天线所指 向方向的最大增益效果时所需要的输入 能量，这个能量称为有效全向辐射功率 （EIRP）。 EIRP常被或明确或含蓄地用来规定无线 操作上的能量限制。 例如FCC规定在美国地区，某个无照传 输器可以传输1W能量的信号，同时可以 使用6dBi的天线；天线增益增加1dB，传 输能量就需要减小1dB。实际上，FCC是 规定EIRP不超过36dBm（30dBm+6dBi）。
3.1 射频频谱与电磁信号传输
• RFID技术指是利用无线电波通信来识别RFID标签的一种方式，可 以实现非视距、无接触的识别。 • 一个RFID系统中通常需要包含RFID标签、RFID阅读器以及与之配 套的天线。工作流程如图3.1所示 • 终端控制阅读器发出查询命令 • 阅读器对查询命令进行编码和调制，并通过阅读器天线发送出 去 • 阅读器天线将查询信号利用无线信道发送给标签，并被RFID标 签内嵌的微型天线接收到 • 当末各RFID标签接收到的无线信号强度高于某一阈值，标签将 被激活并对阅读器信号进行解调和解码 • 根据阅读器的查询信号，标签生成带有特殊标志的返回信号， 编码调制后返回给阅读器天线； • 阅读器端利用阅读器天线不断扫描识别区域而获得标签返回的 标识符 • 阅读器对标签信号进行解调和解码工作并将其解码信息传输给 后台程序进行进一步处理。
假设所有能量都均匀地分布在波 束立体角为Ω的光束内，光束外没 有任何能量。
3.6.1 天线增益的影响
右图是商用RFID阅读器的定向天线极坐 标辐射图。 其中的曲线是以对数模式描述各个方向 的能量增益大小。 3dB对应的波束宽度，图中所示大约为 72°，即1.25弧度，所以对应的光束立 体角为(1.25)2=1.6，天线的增益大约为
3.5.2 路径损耗
3.5.3 标签激活能量
右图绘制了一条起点在(1m，-1.5dBm)斜 率是-20dB/10m的直线来表示前向链路的 衰减模式。
3.5.3 标签激活能量
在上图中标签接收到的能量-10dBm，但 内部IC芯片工作的能量开销以及调制的 能量损耗，反射的能量要小于接收的能 量，假设利用大约有-5dBm的衰减 由于阅读器识别所需能量对不同标签表 现不同，假设较为合理的阈值-75dBm。 可以根据前向链路能耗图绘制反向链路 的能量损耗图。 如右图所示，为前向和反向链路能量消 耗。阅读器天线接收端获得的能量是 -55dBm，比阅读器所需要的能量高 20dBm，理论上阅读器在29m远的地方 获得的能量才可能低于信号阈值。
3.1 射频频谱与电磁信号传输
将各种无线信号调制到不同频率的载波信号中传输。
3.1 射频频谱与电磁信号传输
• 典型的RFID工作频率包括低频125KHz-134KHz；高频 13.56MHz，超高频860MHz-960MHz （915M）以及微 波2.4GHz和5.8GHz • 低频信号由于波长较长，拥有较好的衍射能力，通常可 以绕过大多数障碍物传输，但穿透力较差。 • 低频和高频的RFID标签往往采用电感耦合的技术通信， 其通信距离短也正是因为磁场能量是按照距离的立方这 个速度进行衰减的 • 超高频和微波采用电磁发射原理，其能量是按照距离的 平方这个速度进行衰减的。
3.2 信号的电压与能量
变化电场可以通过电压或电流的时间函 数来描述其变化方式，我们认为电场的 电压一般可以转化为正弦波的描述形式 能量大小用功率表示，按照正弦规律变 化的电场，可以用微积分计算一个周期 的电流能量，再除以时间。v0为峰值，R 为负载的电阻 ，Pav为平均功率
3.2 信号的电压与能量
通断键控(On-Off Keying, OOK)，对“1” 保持高功率，“0”保持低功率。 对于某个实际的二进制串将会转化为一 段功率或高或低的电磁波。
OOK是否有问题？
3.3 阅读器信号的调制与复用
OOK对于RFID被动标签，数据位是0时 能量低，无法激活标签，导致工作不正 常。
如何处理？
在调制之前对二进制数串进行编码。 脉冲间隔编码(PIE): “1”：输出长时间的高功率跟随短暂的 低功率 “0”：输出短暂高功率跟随短暂低功率 缺点：二进制0其传输速率会比二进制1 的传输速率快很多
3.1 射频频谱与电磁信号传输
电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式 传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面
无线信道干扰？
无线通信并非有线信道可靠，会产生干扰，解决 办法就是将各种无线信号调制到不同频率的载波 信号中传输。但无线频谱分配远远不能满足日益 增长的无线通信应用
3.4 反向散射机制与标签编码
目前，标签编码方式都是基于特定的时间间隔内对标签变化进行计数， 或基于标签状态变化频率。
属于频移键控(FSK)的变种。
“1”可能是1ms内标签状态的100次转变。 “0”可能是1ms内标签状态的50次转变。
3.5 链路预算
标签通过反向散射机制获得能量， 大致过程如右上图所示。 标签到阅读器回路的过程按照右 下图所示。 在无线传输中，完成将传输数据 成功从发送端传输到接收端所需 要的能量一般被称为链路预算 在RFID系统中可分为阅读器到 标签的通信（前向链路预算）过 程和标签返回信号的过程（反向 链路预算） 本节将对这些过程中的能量传递 以及损耗过程进行具体分析。 阅读器传输能量