RFID标签芯片原理与设计——调制与编码

逻辑1是以9个频率为fc/28（约484.28kHZ）的脉冲开始， 紧跟着8个频率为频率为fc/32（约423.75kHZ）的脉冲
RFID标签芯片编码——15693
使用双副载波时的位编码方式
注意频率 之间的切换
设计要点：前半部分产生8个频率为fc/32的时钟，后半 部分产生9个频率为fc/28的时钟
避免出现毛刺
设计要点：前半部分产生9个频率为fc/28的时钟，后半 部分产生8个频率为fc/32的时钟，
RFID标签芯片编码——15693
使用单副载波时的SOF和EOF
SOF由以下三部分组成： 1. 非调制时间768/fc（约56.64us）； 2. 24个频率为fc/32的脉冲； 3. 单副载波表示的逻辑1。
阅读器与标签之间编码的时序关系
帧格式
RFID标签芯片编码——TypeB
14443-B协议帧的开始SOF
14443-B协议帧结束
RFID标签芯片编码——TypeB
TypeB所有速率均采用NRZ-L非归零编码
106/212/424/848K速率下1个比特周期共有8/4/2/1个副载波
64个时钟 内无调制 80个副载波时钟 定义逻辑1相位
提示：速率越快，功耗越大，读写距离越短 为了提高读写距离，可将速率设置成最低速率
RFID标签芯片编码——15693
使用单副载波时的位编码方式
高速率的波形 低速率时钟数乘以4
逻辑0是以频率为fc/32的8个脉冲开始， 接着是非调制时间256/fc（约18.88us）
逻辑1是以非调制时间256/fc开始， 接着是频率为fc/32的8个脉冲
EOF由以下三部分组成： 1. 单副载波表示的逻辑0； 2. 24个频率为fc/32的脉冲； 3. 非调制时间768/fc（约56.64us）。
RFID标签芯片编码——15693
使用双副载波时的SOF
SOF由以下三部分组成： 1. 27个频率为fc/28的脉冲（约484.28kHZ）； 2. 24个频率为fc/32的脉冲（约423.75kHZ）； 3. 双副载波表示的逻辑1。
RFID标签芯片原理与设计 ——调制与编码
Jianguo Hu
hujguo@mail.sysu.edu.cn
RFID信号传输
信号 读写器 读写器 天线 时序 能量 标签 天线 RFID 标签芯片
后台数据库
RFID理论基础主要包括： 能量传输理论基础、信号传输理论基础
RFID标签芯片编码与调制
信号传输流程图
RFID标签芯片负载调制
RFID标签芯片负载调制
RFID标签芯片负载调制
RFID标签芯片负载调制
RFID标签芯片负载调制——ASK设计
RF1 RF2 R1 R2 P1 P2
N1
N2
N3
N4
Data
负载调制电路
Data为电子标签要发送的数据，R1、R2为调制电阻，N1、N2为负载调制开关管。 当电子标签发送数据Data=“0”时，N1、N2管关断，天线工作电流不变；当 Data=“1”时，N1、N2管导通，R1、R2并联到天线两端，天线等效负载电阻降 低，天线电流增大、感应电压降低，阅读器天线的感应电压升高。在负载调制 时，天线限幅电路配合调制信号工作。当Dout=“1”时，天线限幅部分将在更 低处开始限压。
载波的参数有幅度、频率和相位，因此根据载波的参数变化不同，调制可以 分为幅度调制、频率调制和相位调制。
RFID标签芯片负载调制
RFID系统通常采用数字调制方式传送消息，调制信号（包括数字基带信号 和已调脉冲）对正弦波进行调制。 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。
图1 通信系统模型
RFID标签芯片编码与调制
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）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。
数字电路执行完一条命令后 产生二进制输出信号
将帧格式按比特编码 将编码信号调制成射频模拟 信号并通过天线发送出去
二进制信号经过CRC编码后 形成完整的发送帧格式
RFID标签芯片编码与调制
1、通信系统模型
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， 一般可概括为如下图所示的模型：
编码输出控制 电路 5
dout
encoder_state tx_over SOF_12_NUM
第二计数 器 12
cnt32
编码模式 选择电路 2
SOF_34_NUM DATA_01 CNT_NUM CNT_DATA
编码状态机 3
tx_empty
cnt 第一计数 器 11
cnt28 cnt_clr eof_start fs_num
1
tx_load data_rate_flag tx_data
字节编码控 制电路 4
tx_buf cnt_bit
RFID标签芯片负载调制
通常基带信号具有较低的频率分量，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，这一个过程称为（载波）调制。 载波受到调制以后称为已调信号，它含有基带信号的全部特征。 根据输入调制信号的不同，调制信号有模拟信号和数字信号之分 模拟调制是指输入调制信号为幅度连续变化的模拟量； 数字调制是指输入调制信号为幅度离散的数字量。
RFID标签芯片负载调制——ASK设计
lm N1 N2 R3 R4 P1 Ant1 Ant2 N3 N4 R1 R2 P2 C3 P3 P4 P5 R5 M_cl N5 C2 C1 P6 P7
限幅电路电路图
当负载调制电路开始工作时，M-cl信号触发P6打开，相当于将R4和P1短路掉， 使得限幅电路的限幅电压值降低，进一步形成负载调制。

RFID标签芯片编码与调制
信号编码系统是对要传输的信息进行编码，以便传输信号
能够尽可能最佳的与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰Biblioteka Baidu撞。
调制器用于改变高频载波信号，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）。 解调器用于解调获取信号，以便再生基带信号。
•
数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。
信 息 源 信 源 编 码 加 密 信 道 编 码 数 字 调 制 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者
信道 噪声源
数字通信系统模型
① ② ③
④
⑤
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：增强抗干扰能力； 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一致 。
TR0
TR1 互相反相
RFID标签芯片编码——15693
响应帧格式 Flag标志位的定义
如：查询命令的响应
RFID标签芯片编码——15693
传输速率
使用何种数据速率是由阅读器发送过来的标志位决定，如下表所示， 可使用两种速率，低速率和高速率。另外使用NXP定制的快速防冲突 Fast inventory命令时，速率是标准模式的两倍速率，只限单副载波。
RFID标签芯片编码——TypeA
TypeA在212/424/848K速率下采用NRZ-L非归零编码
212/424/848K速率下1个比特周期共有4/2/1个副载波
与逻辑1相位相同 32个副载波
互相反相 反相，逻辑0相位
互相反相 反相，逻辑0相位
互相反相
反相，逻辑0相位
RFID标签芯片编码——TypeB
RFID标签芯片编码与调制
RFID系统常采用数字信号。其主要特点 信号的完整性 RFID采用非接触技术传递信息，容易遇到干扰，使信息传输发生改变。 数字信号容易校验，并容易防碰撞，可以使信号保持完整性。 信号的安全性 RFID系统采用无线方式传递信息，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容易的多。 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一致，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行存储、处理和交换，可使物 联网的管理和维护实现自动化、智能化。
读写器停止发射能量，电子标签 工作，向读写器发送信号
全双工系统：电子标签和读写器之间可以在同一时刻互相传送信息 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
RFID标签芯片编码
编码帧格式
判断起始位 数据 奇偶标志 数据 结束位
标准帧格式编码 与解码帧格式一样
RFID标签芯片编码与调制
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：
0
t
0
t
(b) 抽样信号 模拟信号 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
码元
t
0
t
(a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 数字信号
RFID标签芯片编码与调制
RFID标签芯片编码与调制
3、RFID系统的基本通信模型
RFID系统的基本通信模型
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获取，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。
.数字调制的概念 用二进制（多进制）数字信号作为调制信号，去控制载波某些参量的变化， 这种把几代数字信号变换成频带数字信号的过程称为数字调制，反之，称为数 字解调。 .数字调制的分类 在二进制时分为：振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。 其中，ASK属于线性调制，FSK、PSK属于非线性调制。
RFID标签芯片编码——15693
使用单副载波时的位编码方式
设计要点：产生副载波，后半部分与低电平相与
设计要点：产生副载波，前半部分与低电平相与
RFID标签芯片编码——15693
使用双副载波时的位编码方式
高速率的波形 低速率时钟数乘以4
逻辑0是以8个频率为fc/32（约423.75kHZ）的脉冲开始， 紧跟着9个频率为fc/28（约484.28kHZ）的脉冲
EOF由以下三部分组成： 1. 双副载波表示的逻辑0； 2. 24个频率为fc/32的脉冲（约423.75kHZ）； 3. 27个频率为fc/28的脉冲（约484.28kHZ）。
RFID标签芯片编码——15693
编码电路
fast_inv_read clk28 sub_carrier_flag clk_encoder clk tx_en I10 clk32 dou_r
信号译码系统是对从解调器传来的基带信号进行译码，恢
复成原来的信息，并识别和纠正传输错误。
RFID标签芯片编码与调制
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应间歇进行的， 读写器与电子标签不同时发射，这种方式可改善信号受干扰的状况， 提高系统的工作距离。
发射能量，给电子标签充电
2、通信系统分类
通常，按照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。
模拟通信系统模型
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。
RFID标签芯片编码与调制
例如：HLTA命令的回复
RFID标签芯片编码——TypeA
曼彻斯特编码
编码采用副载波： 频率为fc/16 8个时钟周期
TypeA在106K速率下采用曼彻斯特编码 每一位的中间有一个跳变。 位中间的跳变既作为时钟，又作为数据： 从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0. 曼彻斯特码也是一种归零码。