1、第第4 4講講 RFIDRFID的編碼和調制的編碼和調制 l人類在生活、生產和社會活動中總是伴隨著消息（或信息） 的傳遞，這種傳遞消息（或信息）的過程就叫做通信。 l通信系統是指完成通信這一過程的全部設備和傳輸媒介， 一般可概括為如下圖所示的模型： 圖1 通信系統模型 一、通信與通信系統 1、通信系統模型 l信息源信息源（簡稱信源）：把各種消息轉換成原始電信號，如 麥克風。信源可分為模擬信源和數字信源。 l發送設備發送設備：產生適合于在信道中傳輸的信號。 l信道信道：將來自發送設備的信號傳送到接收端的物理媒質。 分為有線信道和無線信道兩大類。 l噪聲源噪聲源：集中表示分布于通信系統中各處的噪聲

2、。 l接收設備接收設備：從受到減損的接收信號中正確恢復出原始電信 號。 l受信者受信者（信宿）：把原始電信號還原成相應的消息，如揚 聲器等。 l模擬信號：代表消息的信號參量取值連續，例如麥克風輸出電壓： l數字信號：代表消息的信號參量取值為有限個，例如電報信號、 計算機輸入輸出信號： (a) 話音信號 (b) 抽樣信號 圖2 模擬信號 (a) 二進制信號 (b) 2PSK信號 圖3 數字信號 通常，按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號，相應地把 通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統。 l模擬通信系統是利用模擬信號來傳遞信息的通信系統。 l可見，在模擬通信系統中，發送設備簡化為調制器，接收設

3、 備簡化為解調器，主要是強調在模擬通信系統中調制的重要 作用。 圖4 模擬通信系統模型 2、通信系統分類 數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息的通信系統。 信源編碼與譯碼目的：提高信息傳輸的有效性以及完成模/數轉 換 ； 信道編碼與譯碼目的：增強抗干擾能力； 加密與解密目的：保證所傳信息的安全； 數字調制與解調目的：形成適合在信道中傳輸的帶通信號 ； 同步目的：使收發兩端的信號在時間上保持步調一致 。 圖5 數字通信系統模型 RFID系統常采用數字信號。其主要特點 信號的完整性 RFID采用非接觸技術傳遞信息，容易遇到干擾，使信息傳輸 發生改變。數字信號容易校驗，并容易防碰撞，可以使信號 保持

4、完整性。 信號的安全性 RFID系統采用無線方式傳遞信息，開放的無線系統存在安全 隱患。數字信號的加密和解密處理比模擬信號容易的多。 便于存儲、處理和交換 數字信號的形式與計算機所用的信號一致，都是二進制代碼。 便于與計算機互聯網，也便于計算機對數字信息進行存儲、 處理和交換，可使物聯網的管理和維護實現自動化、智能化。 RFID系統的基本通信模型 l按讀寫器到電子標簽的數據傳輸方向，RFID系統的通信模型主要由 讀寫器（發送器）中的信號編碼（信號處理）和調制器（載波電路）， 傳輸介質（信道），以及電子標簽（接收器）中的解調器（載波回路） 和信號譯碼（信號處理）組成。 l RFID系統最終要完成

5、的功能是對數據的獲取，這種在系統內的數據 交換有兩個方面的內容：RFID讀寫器向RFID電子標簽方向的數據傳輸 和RFID電子標簽向RFID讀寫器方向的數據傳輸。 3、RFID系統的基本通信模型 l信號編碼系統是對要傳輸的信息進行編碼，以便傳輸信號 能夠盡可能最佳的與信道相匹配，防止信息干擾或發生碰 撞。 l調制器用于改變高頻載波信號，即使得載波信號的振幅、 頻率或相位與調制的基帶信號相關。 l射頻識別系統信道的傳輸介質為磁場（電感耦合）和電磁 波（微波）。 l解調器用于解調獲取信號，以便再生基帶信號。 l信號譯碼系統是對從解調器傳來的基帶信號進行譯碼，恢 復成原來的信息，并識別和糾正傳輸錯誤

6、。 4、信號工作方式 時序系統 電子標簽和讀寫器的信息傳輸是在電子標簽能量供應間歇進行的， 讀寫器與電子標簽不同時發射，這種方式可改善信號受干擾的狀況， 提高系統的工作距離。 全雙工系統 電子標簽和讀寫器之間可以在同一時刻互相傳送信息 半雙工系統 電子標簽和讀寫器之間可以雙向傳送信息，但在同一時刻只能向 一個方向傳送信息 發射能量，給電子標簽充電 讀寫器停止發射能量，電子標簽 工作，向讀寫器發送信號 二、RFID常用的編碼方式 數字基帶信號波形，可以用不同形式的代碼來表示二進制的“1” 和“0”。 RFID系統通常使用下列編碼方法中的一種：反向不歸零（NRZ）編 碼、曼徹斯特（曼徹斯特（Man

7、chesterManchester）編碼）編碼、單極性歸零（RZ）編碼、差動雙 相（DBP）編碼、密勒（密勒（MillerMiller）編碼）編碼和差動編碼。 （1）反向不歸零編碼（NRZ，Non Return Zero） l反向不歸零編碼用高電平表示二進制“1”，低電平表示二進制 “0”，如下圖所示： 圖7 反向不歸零編碼 l此碼型不宜傳輸，有以下原因 有直流，一般信道難于傳輸零頻附近的頻率分量； 接收端判決門限與信號功率有關，不方便使用； 不能直接用來提取位同步信號，因為NRZ中不含有位同步信號頻率 成分； a)要求傳輸線有一根接地。 注：ISO14443 TYPE B協議中電子標簽和閱讀

8、器傳遞數據時均采用NRZ （2）曼徹斯特編碼（Manchester） l曼徹斯特編碼也被稱為分相編碼（Split-Phase Coding）。 l某比特位的值是由該比特長度內半個比特周期時電平的變化（上 升或下降）來表示的，在半個比特周期時的負跳變表示二進制 “1”，半個比特周期時的正跳變表示二進制“0”，如下圖所示： 圖8 曼徹斯特編碼 編碼器電路 曼徹斯特編碼的特點 l曼徹斯特編碼在采用負載波的負載調制或者反向散射調制時，通 常用于從電子標簽到讀寫器的數據傳輸，因為這有利于發現數據 傳輸的錯誤。這是因為在比特長度內，“沒有變化”的狀態是不 允許的。 l當多個標簽同時發送的數據位有不同值時，

9、則接收的上升邊和下 降邊互相抵消，導致在整個比特長度內是不間斷的負載波信號， 由于該狀態不允許，所以讀寫器利用該錯誤就可以判定碰撞發生 的具體位置。 l曼徹斯特編碼由于跳變都發生在每一個碼元中間，接收端可以方 便地利用它作為同步時鐘。 注：ISO14443 TYPE A協議中電子標簽向閱讀器傳遞數據時采用曼徹斯特編碼。 ISO18000-6 TYPE B 讀寫器向電子標簽傳遞數據時采用的是曼徹斯特編碼 （3）單極性歸零編碼（Unipolar RZ） l當發碼1時發出正電流，但正電流持續的時間短于一個碼元的時間 寬度，即發出一個窄脈沖 l當發碼0時，完全不發送電流。 l單極性歸零編碼可用來提取位

10、同步信號。 單極性歸零編碼 （4）差動雙相編碼（DBP） l差動雙相編碼在半個比特周期中的任意的邊沿表示二進制“0”， 而沒有邊沿就是二進制“1”，如下圖所示。此外在每個比特周期 開始時，電平都要反相。因此，對于接收器來說，位節拍比較容 易重建。 圖10 差動雙相編碼 （5）密勒編碼（Miller） l密勒編碼在半個比特周期內的任意邊沿表示二進制“1”，而經過 下一個比特周期中不變的電平表示二進制“0”。一連串的比特周 期開始時產生電平交變，如下圖所示，因此，對于接收器來說， 位節拍也比較容易重建。 圖11 米勒編碼 TYPE A中定義了如下三種時序： （1）時序X：該時序將在64fc處產生一

11、個“pause”（凹槽）； （2）時序Y：該時序在整個位期間（128fc）不發生調制； （3）時序Z：這種時序在位期間的開始時，產生一個“pause”。 在上述時序說明中，fc為載波1356MHz，pause凹槽脈沖的底寬為 0530s，90幅度寬度不大于45s。用這三種時序即可對幀 進行編碼，即修正的密勒碼。 邏輯邏輯“1”1”選擇時序選擇時序X X；邏輯；邏輯“0”0”選擇時序選擇時序Y Y。但有兩種情況除外， 第一種是在相鄰有兩個或更多的“0”時，此時應從第二個“0”開始采 用時序Z；第二種是在直接與起始位相連的所有位為“0”時，此時應當 用時序Z表示。 另外，通信開始時，用時序Z表示。

12、通信結束則用邏輯“0”加時序 Y表示。無信息時，通常應用至少兩個時序Y來表示。 6、修正密勒碼編碼 注：在ISO/IEC 14443標準（近耦合非接觸式IC卡標準），TYPE A中閱 讀器向電子標簽傳遞數據時采用修正密勒碼方式對載波進行調制。 假設輸入數據 為01 1010 波形C實際上是曼徹斯特的反相波形，用它 的上升沿輸出變便產生了密勒碼，而用其上 升沿產生一個凹槽就是修正密勒碼 起始用時 序Z 直接與起始位 相連的0用時 序Z 相鄰多個或更多 0，則從第二格0 開始用時序Z 通信結束用邏 輯0加時序Y 注：由于負脈沖的時間很短，可以保證在數據傳輸的過程中從高頻場中連 續給電子標簽提供能量

13、。變形米勒編碼在電感耦合的射頻識別系統中用于 從讀寫器到電子標簽的數據傳輸。 （7）脈沖間歇編碼 l對于脈沖間歇編碼來說，在下一脈沖前的暫停持續時間t表示二 進制“1”，而下一脈沖前的暫停持續時間2t則表示二進制“0”， 如下圖所示。 圖13 脈沖間歇編碼 l這種編碼方法在電感耦合的射頻系統中用于從讀寫器到電子標簽 的數據傳輸，由于脈沖轉換時間很短，所以就可以在數據傳輸過 程中保證從讀寫器的高頻場中連續給射頻標簽供給能量。 （8）脈沖位置編碼（PPM，Pulse Position Modulation） l脈沖位置編碼與上述的脈沖間歇編碼類似，不同的是，在脈沖位 置編碼中，每個數據比特的寬度是

14、一致的。其中，脈沖在第一個 時間段表示“00”， 第二個時間段表示“01”， 第三個時間段表示“10”， 第四個時間段表示“11”， 如右圖所示。 注：ISO15693協議中，數據編碼采用PPM (9)FM0編碼 FM0（即Bi-Phase Space）編碼的全稱為雙相間隔碼 編碼，工作原理是在一個位窗內采用電平變化來表示 邏輯。如果電平從位窗的起始處翻轉，則表示邏輯 “1”。如果電平除了在位窗的起始處翻轉，還在位 窗中間翻轉則表示邏輯“0”。一個位窗的持續時間 是25s。 注：ISO18000-6 typeA 由標簽向閱讀器的數據發送采用FM0 編碼 (10)PIE編碼 PIE（Pulse

15、interval encoding）編碼的全稱為脈沖寬度編碼，原理 是通過定義脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數據脈沖下降沿之間的不同時間寬度來表示數據。 在該標準的規定中，由閱讀器發往標簽的數據幀由SOF（幀開始信 號）、EOF（幀結束信號）、數據0和1組成。在標準中定義了一個名 稱為“Tari”的時間間隔，也稱為基準時間間隔，該時間段為相鄰兩 個脈沖下降沿的時間寬度，持續為25s。 注：ISO18000-6 typeA 由閱讀器向標簽的數據發送采用PIE編碼 注：選擇編碼方法的考慮因素 1 1、編碼方式的選擇要考慮電子標簽能量的來源、編碼方式的選擇要考慮電子標簽能量的來源 在REID系統

16、中使用的電子標簽常常是無源的，而無源標簽 需要在讀寫器的通信過程中獲得自身的能量供應。為了保 證系統的正常工作，信道編碼方式必須保證不能中斷讀寫必須保證不能中斷讀寫 器對電子標簽的能量供應器對電子標簽的能量供應。 在RFID系統中，當電子標簽是無源標簽時，經常要求基帶 編碼在每兩個相鄰數據位元間具有跳變的特點，這種相鄰 數據間有跳變的碼，不僅可以保證在連續出現“0”時對電 子標簽的能量供應，而且便于電子標簽從接收到的碼中提 取時鐘信息。 注：選擇編碼方法的考慮因素 2 2、編碼方式的選擇要考慮電子標簽的檢錯的能力、編碼方式的選擇要考慮電子標簽的檢錯的能力 出于保障系統可靠工作的需要，還必須在編

17、碼中提供數據 一級的校驗保護，編碼方式應該提供這種功能。可以根據 碼型的變化來判斷是否發生誤碼或有電子標簽沖突發生。 在實際的數據傳輸中，由于信道中干擾的存在，數據必然 會在傳輸過程中發生錯誤，這時要求信道編碼能夠提供一 定程度的檢測錯誤的能力。 曼徹斯特編碼、差動雙向編碼、單極性歸零編碼具有較強 的編碼檢錯能力。 注：選擇編碼方法的考慮因素 3、編碼方式的選擇要考慮電子標簽時鐘的提取 在電子標簽芯片中，一般不會有時鐘電路，電子標簽 芯片一般需要在讀寫器發來的碼流中提取時鐘。 曼徹斯特編碼、密勒編碼、差動雙向編碼容易使電子 標簽提取時鐘。 1、調制和解調 l通?；鶐盘柧哂休^低的頻率分量，不宜

18、通過無線信道傳輸。因 此，在通信系統的發送端需要由一個載波來運載基帶信號，也就 是使載波的某個參量隨基帶信號的規律而變化，這一過程稱為 （載波）調制。 l載波受調制以后稱為已調信號，它含有基帶信號的全部特征。 l在通信系統的接收端則需要有解調過程，其作用是將已調信號中 的原始基帶信號恢復出來。 l調制和解調過程對通信系統是至關重要的，因為調制解調方式在 很大程度上決定了系統可能達到的性能。 三、RFID的調制和解調 l調制的基本作用是頻率搬移。概括起來，調制主要有如下幾個目 的： 頻率搬移頻率搬移。調制把基帶信號頻譜搬移到一定的頻率范圍，以適應 信道傳輸要求。 實現信道復用實現信道復用。一般每

19、個被傳輸信號占用的帶寬小于信道帶寬， 因此，一個信道同時只傳一個信號是很浪費的，此時信道工作在 遠小于其傳輸信息容量的情況下。然而通過調制，使各個信號的 頻譜搬移到指定的位置，從而實現在一個信道里同時傳輸許多信 號。 工作頻率越高帶寬越大工作頻率越高帶寬越大。根據信息論一般原理可知，寬帶通信系 統一般表現出較好的抗干擾性能。將信號變換，使它占據較大的 帶寬，它將具有較強的抗干擾性。 工作頻率越高天線尺寸越小工作頻率越高天線尺寸越小。如果天線的尺寸可以與工作波長相 比擬，天線的輻射更為有效。由于工作頻率與波長成反比，提高 工作頻率可以降低波長，進而減小天線的尺寸，迎合現代通信對 尺寸小型化的要求

20、。 l調制信號有模擬信號和數字信號之分，因此根據輸入調制 信號的不同，調制可以分為模擬調制和數字調制。 模擬調制是指輸入調制信號為幅度連續變化的模擬量； 數字調制是指輸入調制信號為幅度離散的數字量。 l載波的參數有幅度、頻率和相位，因此根據載波的參數變 化不同，調制可以分為幅度調制、頻率調制和相位調制。 幅度調制是指載波信號的振幅參數隨調制信號的大小而變 化； 頻率調制是指載波信號的頻率參數隨調制信號的大小而變 化； 相位調制是指載波信號的相位參數隨調制信號的大小而變 化。 2、數字調制 l 數字調制的概念 l 用二進制（多進制）數字信號作為調制信號，去控 制載波某些參量的變化，這種把基帶數字

21、信號變換成 頻帶數字信號的過程稱為數字調制數字調制，反之，稱為數字 解調。 l 數字調制的分類 l 在二進制時分為：振幅鍵控（振幅鍵控（ASKASK）、頻移鍵控）、頻移鍵控 （FSKFSK）、相移鍵控（）、相移鍵控（PSKPSK）。其中，ASK屬于線性調 制，FSK、PSK屬于非線性調制 注： 1、RFID系統通常采用數字調制方式傳送消息，調制信號（包括數字基帶信號 和已調脈沖）對正弦波進行調制。 2、在RFID系統中，正弦載波除了是信息的載體外，在無源電子標簽中還具有 提供能量的作用，這一點與其他無線通信有所不同。 二進制振幅鍵控信號時間波型 載波信號 2ASK信號 s(t) 1011 Tb

22、 001 t t t 注：調幅技術實現起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的 調制技術。 ASK 32 調制深度調制深度 B A mA=（A-B）/（A+B）*100% 33 脈沖調副波的波形和頻譜 二進制移頻鍵控信號的時間波形 a ak 1011001 t s(t) t s(t)b t t c d et tf gt2FSK信號 注：該技術抗干擾性能好，但占用帶寬較大。 FSK 原始信息原始信息 t t2PSK t載波載波 100110 二進制移相鍵控信號的時間波形 注：用180相移表示1，用0相移表示0。這種調制技術抗干擾性能最好， 且相位的變化也可以作為定時信息來同步發送機和接收機的時鐘，并對傳 輸速率起到加倍的作用。 PSK 用于動物識別的代碼結構和技術準則 ISO 11784和11785應 答器采用FSK調制，NRZ編碼 ISO14443從閱讀器向標簽傳送信號時，TYPE A采用改進的 Miller編碼方式，調制深度為100%的ASK信號；TYPE B則采用 NRZ編碼方式，調制深度為10%的ASK信號。 從標簽向閱讀器傳送信號時，二者均通過調制載波傳送信號, 副載波頻率皆為847KHz。TYPE A采用開關鍵控（On-Off keying）的Manchester編碼；TYPE B采用NRZ-L的