编码、调制与解调

图1 通信系统模型
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 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。
（4）差动双相编码（DBP）
• 差动双相编码在半个比特周期中的任意的边沿表示二进制 “0”，而没有边沿就是二进制“1”，如下图所示。此外 在每个比特周期开始时，电平都要反相。因此，对于接收 器来说，位节拍比较容易重建。
图10 差动双相编码
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（5）米勒编码（Miller）
• 调制和解调过程对通信系统是至关重要的，因为调制解调 方式在很大程度上决定了系统可能达到的性能。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.3、模拟调制与解调
• 调制的基本作用是频率搬移。概括起来，调制主要有如下几个 目的： ① 频率搬移。调制把基带信号频谱搬移到一定的频率范围，以适 应信道传输要求。 ② 实现信道复用。一般每个被传输信号占用的带宽小于信道带宽 ，因此，一个信道同时只传一个信号是很浪费的，此时信道工 作在远小于其传输信息容量的情况下。然而通过调制，使各个 信号的频谱搬移到指定的位置，从而实现在一个信道里同时传 输许多信号。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 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。
图4 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。
5.3、模拟调制与解调
• 常见的模拟调制有幅度调制和角度调制； • 根据频谱特性的不同，通常可以把幅度调制分为标准调幅 （AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（ SSB）等。 （1）标准调幅（AM） • 假设载波信号为vc ( t ) Vcm cos c t ， • 调制信号为 v ( t ) Vm cos t ， • 并且 c ,( c 2fc , 2F ),Vcm Vm
• 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，这一过程称为（载波）调制。 • 载波受调制以后称为已调信号，它含有基带信号的全部特 征。 • 在通信系统的接收端则需要有解调过程，其作用是将已调 信号中的原始基带信号恢复出来。
射频识别技术
RFID Technology
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
• • • •
5.1、通信与通信系统 5.2、基带中的编码 5.3、模拟调制与解调 5.4、数字调制与解调
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 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：
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（3）单极性归零编码（Unipolar RZ）
• 单极性归零编码在第一个半比特周期中的高电平表示二进 制“1”，而持续整个比特周期内的低电平信号表示二进 制“0”，如下图所示，单极性归零编码可用来提取位同 步信号。
图9 单极性归零编码
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
• 米勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示二进制“1” ，而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0” 。一连串的比特周期开始时产生电平交变，如下图所示， 因此，对于接收器来说，位节拍也比较容易重建。
图11 米勒编码
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（6）变形米勒编码
• 变形米勒编码相对于米勒编码来说，将其每个边沿都用负 脉冲代替，如下图所示。由于负脉冲的时间很短，可以保 证在数据传输的过程中从高频场中连续给电子标签提供能 量。变形米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读 写器到电子标签的数据传输。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
• 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
(a) 话音信号
(b) 抽样信号 图2 模拟信号
t
0
t
• 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：
码元
t
(a) 二进制信号
0
t
(b) 2PSK信号 图3 数字信号
•
其中ka是由电路决定的常数，ma为调幅指数，且 ma
kaVm Vcm
调制信号
Biblioteka Baidu
已调信号
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.3、模拟调制与解调
（1）标准调幅（AM） • 从频域角度来描述调幅波时，主要看它的频谱成分和带宽 。 1 1 vc ( t ) Vcm cos c t maVcm cos( c )t maVcm cos( c )t 2 2 • 上式表明，它含有三条高频谱线，一条位于ωc处，幅度为 Vcm；另外两条位于载频ωc两边，称为上下旁频，频谱分 别是ωc+Ω和ωc-Ω，幅度均为0.5maVcm。 • 由此可以看出调制的过程是频谱的线性搬移过程，载频仍 保持调制前的频率和幅度，因此它没有反映调制信号的信 息，在AM调制中只有两个旁频携带了调制信号的信息。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.3、模拟调制与解调
（1）标准调幅（AM） • 就是用调制信号v ( t ) 控制载波幅度Vcm ，使载波幅度按照 调制信号的规律变化，即：
Vcm ( t ) Vcm ka v ( t ) Vcm kaVm cos t Vcm ( 1 ma cos t )
• 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。
① 幅度调制是指载波信号的振幅参数随调制信号的大小而 变化； ② 频率调制是指载波信号的频率参数随调制信号的大小而 变化； ③ 相位调制是指载波信号的相位参数随调制信号的大小而 变化。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
图8 曼彻斯特编码
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（2）曼彻斯特编码（Manchester）
• 曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调 制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，因为 这有利于发现数据传输的错误。
• 这是因为在比特长度内，“没有变化”的状态是不允许 的。
• 当多个标签同时发送的数据位有不同值时，则接收的上 升边和下降边互相抵消，导致在整个比特长度内是不间 断的负载波信号，由于该状态不允许，所以读写器利用 该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.2、基带中的编码
• 常用的数据编码方式有反向不归零编码（NRZ，Non Return Zero）、曼彻斯特编码（Manchester）、单极性归 零编码（Unipolar RZ）、差动双相编码（DBP）、米勒编 码（Miller）、变形米勒编码、差动编码、脉冲--间歇编码 、脉冲位置编码（PPM，Pulse Position Modulation）等方 式。 • 下面对这些编码方式进行简单地介绍，假设这些码型是以 矩形脉冲为基础的，且消息代码由二进制符号0、1组成。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足 了通信功能的基本要求。 • 读写器和电子标签之间的数据传输构成了与该基本通信模 型相类似的结构。
• 按照从读写器到电子标签的数据传输方向，呈现出以下基 本结构（从电子标签到读写器的数据传输与此类似），
• 脉冲位置编码与上述的脉冲间歇编码类似，不同的是，在 脉冲位置编码中，每个数据比特的宽度是一致的。其中， 脉冲在第一个时间段表示“00”， 第二个时间段表示“01”， 第三个时间段表示“10”， 第四个时间段表示“11”， 如右图所示。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.3、模拟调制与解调
（7）差动编码
• 在差动编码中，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。
图12 差动编码
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（8）脉冲—间歇编码
• 对于脉冲—间歇编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间t 表示二进制“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t则表 示二进制“0”，如下图所示。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 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 信道 噪声源 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者
图5 数字通信系统模型
① 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 ； ② 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力； ③ 加密与解密目的：保证所传信息的安全； ④ 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 ； ⑤ 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 。
③ 改善系统性能。根据信息论一般原理可知，宽带通信系统一般 表现出较好的抗干扰性能。将信号变换，使它占据较大的带宽 ，它将具有较强的抗干扰性。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.3、模拟调制与解调
• 调制信号有模拟信号和数字信号之分，因此根据输入调制 信号的不同，调制可以分为模拟调制和数字调制。 ① 模拟调制是指输入调制信号为幅度连续变化的模拟量； ② 数字调制是指输入调制信号为幅度离散的数字量。
图13 脉冲—间歇编码
• 这种编码方法在电感耦合的射频系统中用于从读写器到电 子标签的数据传输，由于脉冲转换时间很短，所以就可以 在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续给射频标 签供给能量。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（9）脉冲位置编码（PPM，Pulse Position Modulation）
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（1）反向不归零编码（NRZ，Non Return Zero）
• 反向不归零编码用高电平表示二进制“1”，低电平表示 二进制“0”，如下图所示：
图7 反向不归零编码
• 此码型不宜传输，有以下原因 a) 有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量； b) 接收端判决门限与信号功率有关，不方便使用； c) 不能直接用来提取位同步信号，因为NRZ中不含有位同步 信号频率成分； d) 要求传输线有一根接地。
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
（2）曼彻斯特编码（Manchester）
• 曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split-Phase Coding）。
• 某比特位的值是由该比特长度内半个比特周期时电平的变 化（上升或下降）来表示的，在半个比特周期时的负跳变 表示二进制“1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制 “0”，如下图所示：
图6 射频识别系统的基本通信结构框图
第5章 RFID系统的编码、调制与解调
5.1、通信与通信系统
• 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 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。 • 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。