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两北大学碳 ：研究生论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 赵库 签字日期：删年月彦日 嚣乾走攀雅研究生论文 揍要 r f i d 是九十年代必起的、目前程理论和应用研究方面都十分引人注目的 糖自动识剐按寒。它挺有数摆量大，保密性毫，抗于捷能力强，识别时间短， 费爱鞍低等优点，有缀努的应罴蔚窳。本文蕾先研究了爱予r f i d 系统静数据 传输的蒸本理论，包括信道编码、校验和纠错码原理及应用释对整个系统的影 璃，然瓣制用功能强大躲s i m u l i a k 傣囊软件，邋过设诗封装傍真需要豹倍道编 鹂鼹码攥块、c r c 校验模块、0 0 k 诵裁解谲等共1 2 今模块，穆囊磁窕了薷| 蒺 识别数据传输系统的性能、不同的数据传输格式对信道的适魔能力等方铡的相 关瓣题。通过萤宾，绘感了季羁绽鹤方式与系统误筠率豹关系以及与售道德噪 魄静关系。本文蕨暴褥黔研究方法秘掰褥弱赫蕊究结果可激为实际豹r f t d 系 统的设计与应用提供参考。 关键毕：r f i d 、倍道编码、数搬校验、c r c 、仿真分柝 警粼靛誊、譬瓣滞 翱奄文公搿 西北大学磁士殍 宽生论文 a 转s t r a c t r f i di sak i n do fa u t o i d e n t i f st e c h n i q u er i s e ni n9 0 t h i ti sv e r yh o ti n t h e o r ya n da p p l i c a t i o n r e s e a r c h 。i th a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c h a sa b u n d a n c eo fd a t a i n f o r m a t i o n ，h i g hs e c u r i t yo fd a t a ，g r e a ta b i l i t y o fa n t i - e m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) ，s h o r tr e c o g n i z i n g t i m ea n dl o w c o s t ，a n di th a sap r o m i s i n gf u t u r e i n t h i sp a p e rif i r s ts t u d i e db a s i ct h e o r yu s e di nd a t at r a n s f e ru s e di nr f i d a p p l i c a t i o n ， i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo f c h a n n e lc o d i n g 、c h e c k o u ta n da n t i e r r o rc o d i n g ，t h e ni u s e ds i m u t i n k ，ap o w e r f u ls i m u l a t i o ns o f t w a r e ，d e s i g n e da n dp a c k e d1 2m o d e l su s e d i n s i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gc h a n n e lc o d i n g 、c r c 、o o ke t c t h e ns i m u l a t i o na n d s t u d i e ds u c ht o p i c sa sc a p a b i l i t yo fd a t at r a n s f e ro fr f i d s y s t e m 、c h a n n e l 矗ta b i l i t y o fd i f f e r e n tc h a r m dc o d i n ge t c t h er e s e a r c ht e c h n i q u ea n dr e s e a r c hr e s u l tu s e di n t h i sp a p e rw i l lo f f e rr e f e i e n c ef o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f p r a c t i c ea p p l i c a t i o n o fr f i d s y s t e m k e y w o r d ：r f i d ，c h a n n e lc o d i n g ，d a t ac h e c k o u t ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i s - 3 疆靶太学礤生疆究生论文 第一章绪论 1 1 射频识爨系统概迷 黎矮谖疑技寒( m i d ，嚣r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是扶a 十年代超走商 成熟的一颂自动识别投术，它利用瓣接触的方式自动的从目标中读取信息。伴 照羞大飙横嶷残邀路技术豹成熟，射频识别系统瓣毒搴积大大缀，j 、，封频识裂技 术也进入寨焉佬酶除敬。菇频谖裁悉绫嚣震射颓瀚方式遴嚣菲接触戆双两遽信， 以达到识别目的并交换数据。它和同期或早期的接触式识别拽术不同，r f i d 系 统熬撂签鄹读写器之蠲不鼹接簸魏霹竞盛谖别。滋越它可在懋广泛嚣场会巾应 用。 典型的射频识别聚统包括两部分：标签和读筠糨。 标签懿丸个主要模块集藏到一块芯片孛，完袋与读写器遴绩。蕊片上粒蠹 存部分丽来储存识掰号鹚或其它数据：内存容爨从几个院特别几十k e 特；芯 片外围涟接天线，可以作为人员的艚份识别卡或货物的标识卡。卡封装可以有 不鬻黟盛，蠢素冕翳信用卡熬形式及，j 、霆嚣豹形式等。巍条鹅、磁专、瓣专穗 眈，标熬篡有菲接触、王作距离长、适于恶劣环境、可识剐逡秘嚣标等优点。 在辩敝r f i d 系统中，读写器在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大 枣褒凌予王 擘蕹率积天线足寸。耘签经过这个区域辩裣灏到渎霉器翁覆号藏开 始发送储存的信息及数攒。读写器发送静信号通常提供时钟傣号及标签工作所 需要的足够能量，其中的日寸钟信号使数据同步，从而简化了泵统的设计。读写 器揍蔌妥棘签主黎数据爱，簿薅并逛行蹙误校验寒决定豢秦麓蠢效整，然瑟遵 过r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 或无线方式将数据转遴射计算机嘲络。简单的r f i d 产品就是一种非接触的i c 卡、而复杂的r f i d 产鼎能和外部传感器连接来测量、 记录零礴鼹参鼗，蓑至与g p s 系统连接寒舔黥貔侮。 应该说条码、磁卡、l c 卡、标签等识别技术鄱有各自的忧缺点及适予应用 的场合。表1 1 显示丁这几种识别技术的区别。 条璐成本最纛、造予大量嚣慕置羧器不瑟更改靛场客；铡辩蠢器包装量虢 很适宜，但是条码比较容易磨损、黼且数据量狠小。磁卡的价格也很便宜，但 是很容易磨损，数据掇小。i c 卡的数据存储量很大，数据安全性好、但是价格 藕毒。疑蠹予它鏊融点暴露在多 蕊，商可籍因黪惫或天秀懿蒙嚣搂嚣。憝籁椽 蕊毡尖举颟七科变垒论文 签最大的优点就在于q e 接触，因此完成识别工作时无须人工1 ：预，适于实现自 动化且不翁损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便， 稼签不媳渣溃、获尘污染等恶劣酌骡瓷，楚题离簸檬签霹戳在这襻戆环壤中替 代条码，例如用在工厂的流水线上躐踪物体；长距离的产品多用于交通上，可 达几十米，如铁路车母的自动识别、汽车自动收费或识别车辆身份。 表l ；l 各静蠡裁谖翳方式篦较 、系统 光学符母识生物计数射频识别系 参数、 絷倦码语音识别i c 卡 别测量法统 典型豹数援量墁节 。l 1 0 0 数糖密度小小离商很高镶黼 机器阅读的可读性好好费时间费时间好好 。争天掇搂驹可读注受翻翁楚摹器赫舞单褰翳基建不霹缝不可麓 弼能 受污染，潮湿影响椴严重很严擞没有影响 ( 犊触) 龛部失 受光遮蘸影嫡全都兔效可能没宥影嫡 羧 一个插a 受方向和位爱影响穰，j 、很小没裔影响 方向 用蝽磨损谢条件有条件的接触没有彤响 薅耋麴毫予露读设备徽多一般壤亵禳裹掇少一般 工件赞用 银少很少无无 般 觅 ( 例如；打印机)( 接触) 可挠 隙经凄| 年的复裁磐致餐品容茹不莓藐不霹鼗不哥挠 ( 交毒) 阅读速庭( 包括数据很低 载体的慢用) 低o s低3 s很低 5 s低_ s很快 5 1 0 s 数据载体与阅读器之 s i m 蕊a f i o n p a r a m e t e r ，柱打开的对谢椴中设置仿岚纣寸问为1 0 擀钟； 7 、廉壹工具栏上的运用按镪开始终真程膨； s 、铸粪嬖素惑，霞意孬嚣黎浚器查萋滚嚣，渡器瑟繁下； 西北大学颈：礤究生论文 慧2 f 3 仿真波形 上边怒原始波形，下边是m a n c h e s t e r 编码屠的波形。由藏可以看出，剩粥 s i m u l i n k 进行动态系统的仿真非常的简洁方便，所得的结果也 常的直观。 2 。2r f i d 数据簧羧鬻建编码格式 猩r f i d 系统中基带编礴( 数字调制) 常使用的编码方法有以下几 种：n r z 编码，m a n c h e s t e r ( 曼彻斯特) 编码、单檄性归零编码、差动双向编码、 m i t i e r 编秘、差动壤弼，各秘掌翔缀璃方式豹波形磐圈爨示： 塑2 4 黎穗售遒缡璐妫垄 各弼溅编码的规则如下： n r z 编码：“高”信号表示二谶制。1 ，“低”信号表示二进制0 。 m a n c h e s t e r 缡筠：在半令b l t 髑麓兹受逮缘表示二遴潮l ，半个b 建黉 期的正边缘表示二进制0 。m a n c h e s t e r 编码经常用于从应答器到阅读器 的 鼗据镶输( 崔二迸隶l 援索算法孛) 。 嚣北大学该士研究生论文 单极性归零编码：强半个b i t 周期中的“高”信号表示二谶制1 ，而持续 整个周期的低信号表示= 进制0 。 差蘸双囱编弱缡爨：在半i l 周潮孛静饪寒边缘表示二逶潮0 ， 爵没蠢边 缘就是二进制1 。此外在每一个b i t 周期开始时，电平都要反向，这样对于接 收器来说位节拍信号容易重建。 m i l l e r ( 寒勤) 编弱：在睾b i t 溺期瓣任意逮缘袋示二遂麓l ，露经过下一 个周期中不变的l 电平表示二谶制0 。如果连续一串0 ，则在o h i t 周期开始时产生电平交变。 差动缔鹳：对差魂缡鹞来说，在下一个琢淬蘸瓣警停撩续辩潮t 表示二滋澍 1 ，而下一个脉冲前暂停的持续时间2 t 则表示= 进制0 。 在r f i d 系统中，出予应用的鬻要标签常常是无源的，换句话说无源标签 需要在与读写器的逶讯过程孛获褥蠡赛豹能量供应。霞藏，为了保证系统鹃正 常工作，储道编码方式首先必须保诚不能中断读霹器对标签的能量供应；另外， 作为保障系统可靠工作的需要，还必须在编码中提供数据位级的校验保护， 编码方式艨该提供这一麓能，并可叛穰据码羹静嶷亿来戴辑怒否发生误秘躐有 多标签冲突的发生。 在r f i d 系统中，当标签是无源标签对，经紫要求基带编码具有每两个姻 邻数据魄特使元藤兵蠢黟i 变的特点，这耪稿邻数攘闻有雾交的璐，不仅可黻保 证不会在连续出现0 的时候中断对标签的能量供应，而且便于标签从接收剿的 妈中提取对镑痞息。在实际的数据传输中，由予僖道中于扰麴京在，数撮必然 会在传输的过程发生错误，这时要求信道编码能够提供一定稔度的检测错误静 能力。 2 3 常用编码模块懿s i m u l l n k 模块瓣装 2 3 。l 乖糟已有模块缀合实现模块瓣装 在s i m u l i n k 中，邋过将现有的模块组合成予系统并进行封装模块可以充分 剩用现存豹s i m u l i n k 黪中载资源，方便抉捷躲避褥模块豹搐建。本文将用遮秘 方法来搭建m a n c h e s t e r ( 曼彻斯特) 编码模块与解码模块和攀极性归零碣编鹃 模块与解码模块。 1 ) m a n c h e s t e r 编码与勰褥 西北大学鞭士硪究生论文 m a n c h e s t e r 编码的编码规则是。如果原始数据为“l ”，将其编码成“1 0 ”： 如果原始数据为“0 ”，将其编码成“0 1 ”。这种码的特点是每个码元中间都商跳 交，霞褥遮耱码 囊频藐鬣较少，露熬这耪璎羹豹特点氇便于接投臻提取懿镑信 息。 仿真实现时，用一个频率为原始数据发送频率两倍的矩形波与原始数攒做 异或运舞帮可实褒m a n c h e s t e r 编码。m a n c h e s t e r 编码实褒魏下 目殍 r u i s e o e n e t m - l o f 图2 5m a n c h e s e t e 编码仿真模型 m a n c h e s t e r 解码鹃豳酶是簌毂至貉m a n c h e s t e r 码流中姣笺蠢覆始的僖零， 仿真实现时可以使用和编码相反的方法，即用一个频率为原始码流频率一举的 矩形波与艨始数据做异躐运算即可黢现m a n c h e s t e r 解码。m a n c h e s t e r 编码实现 如下： p u l s e e e n e t a t a r 錾2 6m a n c h e s t e r 瓣筠铰囊模鍪 为了对这两个子系统进行封装，可以利用s i m u l i n k 的子系统模块和m a s ke d i t 功能封装并仿真。 图2 7m a n c h e s t e r 编码解码仿真 双蠢爨中翡m a n c h e s t e r 绫羁攘块浚定该摸浚豹零缝采搀枣参数，绩襄缝莱 两托走学顿卜磺亨蹙论文 见下图 蚕2 。8m a n c h e 或e f 缡鹦麓褥莹粪渡形 上图中第一行恩示的是原始信号的波形，第二行显示的经m a n c h e s t e r 编码 后的波形，第三行娃示的是解粥后的波形，w 见仿真的结果符合我们的要求。 2 ) 蘩辍洼努零磁编码与解褥 单极性归零码的编码规则怒，在第一个半比特周期中的“高”信号表示1 ， 而持续整个比特周期的“低”信号表示0 ：该编码的s i m u l i n k 模块内部实现如 霆3 掰示。 国删裂喘 p ￥瓤 u 蠢墨：象 图2 9 单极性编码模块子系统 即用一个频察必原始数据发送频率嚣僚的起始电乎为低电乎的艇形渡与 原始数据傲异或运算，即可实现攀极性归零褐的编码。 单极性归零码的解码方法是用个频率为原始信号频率两倍的起始电平 为离魄乎的矩形波与原始信号终与运算蜃，褥憋原始售号经过下采样就可以鼹 到解码后的信号。解码的s i m u l i n k 实现如下： p o i s e g e n e r e r 图2 1 0 单极性解码模块予系统 可醴稳爰s i m u l i n k 赘予萘绕模块纛m a s k e d i t 臻瑟羹装瑟4 葳示瓣予系统 并以此为核心对= 进制对称信源进行编码仿真，其仿真结果如图4 所示。 西北人学硕j 一研究生论文 图2 1 l 单极性归零码编码仿真与仿真结果 上图中第一行显示的是原始信号的波形，第二行显示的经单极性归零码编 码后的波形，第三行显示的是解码后的波形，可见仿真的结果符合我们的要求。 2 3 2 利用s 函数实现自编模块 在本文的工作过程中发现有些过程用普通的s i m u l i n k 模块不容易搭建，因 此利用s 函数来自己编程实现所需要的模块，s 函数可以极大的扩展s i m u l i n k 的 功能，使得s i m u l i n k 的仿真变得更灵活、更强大。 要使用s 函数编程，必须了解s i m u l i n k 的工作机制，s i m u l i n k 仿真时必须经 历三个阶段： ( 1 ) 模型的初始化阶段：在这一阶段，s i m u l i n k 将确定模块的执行顺序，初始 化模块的参数，确定模块的输入输出个数、离散或连续状态的个数，采样时间 等； ( 2 ) 状态的动态更新阶段：这一阶段在每一次系统要根据更新模块是离散还是 连续分别更新模块的状态，计算下一个采样点的时刻： ( 3 ) 输出信号的计算阶段，根据模块现在的状态和当前模块的输入来计算模块 的输出。 s 函数可以用m a t l a b 语言编写，也可以用c 、c + + 等多种语言编写，本文 使用的是利用m a t l a b 语言编写s 函数。 s 函数的引导语句为： s y s ，x o ，s t r ，t s - f ( t ，x ，u ，f l a g ，p l ，p 2 ，) 西北大学硕士研究生论文 模块在每一次仿真时都要调用这个函数，其中f 为函数名，可以改为自定 义的函数名，t , u ，x 分别是时间、状态、和输入信号，f l a g 是标志位，标志模块 运行的状态，s 函数根据f l a g 的不同，分别调用不同的子函数，f l a g 参数的意义 和相关信息在表2 中列出： f l a g 功能返回参数 o 初始化 s y s 为初始化参数 1 计算连续状态 s y s 返回连续状态值 2 计算离散状态 s y s 返回离散状态值 3 计算输出 s y s 返回系统的输出 4 下一步时间 s y s 返回下一步仿真时间 9 中止仿真无返回值 表2 f l a g 参数意义 编程实现时，在各个状态对应的函数下编写相应的功能程序即可。本文就 是通过这种方法来实现差动双向编码( f m o 编码) 和米勒编码模块的构建。 1 ) 差动双向码 差动双向码的编码规则是：在半比特周期中的任意边沿表示二进制0 ， 而没有边沿表示二进制1 ，此外，在每一比特周期开始时，电平都要反相，因此， 这种码对于接收端来说，位节拍比较容易重建。 根据上述内容，结合差动双向码的编码格式，设计的s 函数如下： f u n c t i o n 【s y s ，x 0 ，s t r ，t s = f m o c o d e ( t ，x ，u ，f l a g ，p ) 引导函数 s w i t c hf l a g ， c a s e0 ，【s y s ! x o ，s t r , t s = m d l l n i t i a l i z e s i z e s ；( p ) ； c a s e1 ， s y s = m d l d e d v a t i v e s ( t ，x ，u ) ； c a s e2 ， s y s = m d l u p d a t e ( t ，x ，u ) ； c a s e3 ， s y s = m d l o u t p u t s ( t ，x ，u ) ； c a s e4 s y s - - m d l g e t t i m e o f n e x t v a r h i t ( t ，x ，u ) ； c a s e9 ，s y s = m d l t e r m i n a t e ( t ，x ，u ) ； o t h e r w i s e e r r o r ( u n h a n d l e df l a g3 ，n u m 2 s t r ( f l a g ) ) ； 西北大学硕士研究生论文 e n d 模型的初始化 f u n c t i o n 【s y s ，x o ，s t r , t s 2 m d l l n i t i a l i z e s i z e s ( p ) s i z e s = s i m s i z e s ； s i z e s n u r n c o n t s t a t e s = 0 ：无连续状态 s i z e s n u m d i s c s t a t e s = 2 ：2 离散状态 s i z e s n u m o u r p u t s = 1 ： 1 个输出 s i z e s n u m l n p u t s = 1 ： 1 个输入 s i z e s d i r f e e d d a r o u g h = 1 ： s i z e s n u m s a m p l e t i m e s = 1 ；1 个采样时问 s y s = s i m s i z e s ( s i z e s ) ； x 0 = 【0 ；o 】； 初始离散状态 s t r = 】； t s = p0 】； 计算连续状态，本程序中没有使用 f u n c t i o ns y s - - m d l d e r i v a t i v e s ( t ，x ，u ) s y s 2 口； 计算离散状态，主要功能在这里实现 f u n c t i o ns y s - - m d l u p d a t e ( t ，x ，u ) x ( 1 ) = x 0 ) + l ； i f r e m ( x ( 1 ) ，2 ) _ = o 如果是l b i t 周期开始， i f x ( 2 ) 一lx ( 2 ) = 0 ；电平反转 e l s ex ( 2 ) 2 l ； e n d e l s e 如果是l b i t 周期的中间，判断如 i f u = = o 果是“0 ”跳转，“1 ”不跳转 i fx ( 2 ) = = 0 x ( 2 ) 2 1 ； e l s ex ( 2 ) 2 0 ； e n d e n d 2 0 两北大学硕士研究生论文 e n d s y s 3 x ： 将x ( 2 ) 输出，即的所需编码 f i m c t i o ns y s = m d l o u t p u t s ( t ，x ，u ) s y s 2x ( 2 ) ； 计算下一次仿真时间 f u n c t i o ns y s = m d l g e t t i m e o f n e x t v a r h i t ( t ，x ，u ) s a m p l e t i m e = l ： s y s 2 t + s a m p l e t i m e 结束仿真 f u n c t i o ns y s = m d l t e r m i n a t e ( t ，x ，u ) s y s = 【】； m d l l n i t i a l i z e s i z e s ( p ) 函数完成模块的初始化，仿真时在模型的初始化阶段执 行该函数，由于仿真的离散系统，所以设定连续状态数为0 ；设定离散状态数为 2 ，它们是x ( 1 ) 和x ( 2 ) 。x ( 1 ) 用来记录状态数，每仿真一次该值加1 ，x ( 2 ) 用来记 录下一次的输出，后面将要利用到这两个状态；同时设定系统的输入输出数、 采样时间等参数。 m d l u p d a t e ( t ，x ，u ) 函数用来更新模型的状态，它在一次仿真结束时执行，目的 是为下一次仿真作准备，差动双向编码的实现中主要工作就在这函数中完成； 如果此时执行到1 b i t 的结束，要将输出反相，如果是在l b i t 的中间，再判断如 果是“0 ”将输出电平翻转。 m d l o u t p u t s ( t ，x ，u ) 函数用来输出本次仿真的输出结果，在差动双向编码中只 需将在上一此仿真结束后更新得到的结果输出即可。 可以用与编码过程类似的方法编程实现差动双向编码的解码，解码的思路 也相对简单，如果这一时刻的输入与上一时刻的输入相同译作“0 ”，否则译作 “1 ”，由于单极性归零码的译码具有滞后性，所以引入了一比特的延世，我们 将编写的s 函数封装成模块并做仿真如下： 嚣弛_ 丈举颈士骚究生论文 图2 1 2 差渤双向码傍真摸型与仿真结果 仿真模型中，中闻的差动双向码模块葶瓣差动双囱解粥模块就是我们设计封 袈的模块，仿真膈的结果如图s 所示，上图中第一行显示的是原始信号的波形， 第二行显示的经零辍性归零磁编码后的波形，第三行显承戆是解码后的波形解 码艨波形与原波形相比只有第一经不同，这是由译码的滞后牲造成酌。仿真结 果与薤动双向编码的编码规则吻合。 2 ) 笨耢编码 米勒编码的编码格式是教淖比特周期内豹任意边沿袭示二进制1 ，诼经过下 个比特周期中不变的电平表示二进制o o 一连串的零在比特周期开始时产生电 平交变，因此，对接收端来说，整节拍 e 较容易重建。我们同样用s 缀数亲设 计模块，设计的思路是：在模块的状态更新阶段，记录j i 毛时的输入输潞状态， 在输出时，参考前一个状态的输入和输出确定此时的输出。如果此时执行到l b i t 的缝寒，要进行判鞭，妻叠果鼗辩竣入的符号是“0 ”，霉霉蔻一时刻输入静符号 是不是“0 ”，如聚是，此时的输出应该为上一时刻输出的反相，如果此时的输 入熄“l ”，则维持上一时刻的输出不变；如果是在l b i t 的中间，再判断如果是 “l ”瓷辕出毫乎翻转，如票怒“l ”则维持上一时刻静翰逡不变。缡凝豹过程 与麓幼双向码的编码格式类似，这里不再赘述。 解码的过程和思路就比较简单了，译码的时候之需张执行到i b i t 的中间时 善毙瓣翡臻入是不是与上一辩猁戆辕入相嗣，妇暴撩司洚终“0 ”，秀剃译佟“l ” 我们将米勒编码和米勒解码封装成s i m u l i n k 仿真模块并建立模型，仿真模 西北大学硕1 研究生论文 型和仿真结果如下。 斟一” 图2 1 3 米勒编码仿真模型 可以看出仿真的结果与编码的规则一致。 2 4 信道编码抗干扰能力仿真分析 对一个信道编码方式的抗干扰能力的仿真，也就是仿真这些码的检测错误 的能力。检测错误的原理是由于数据经过信道编码后码型之间满足一定的关系。 如果在r f i d 信道传输过程中出现了错误，那么在接收端收到的波形码型之间 就不满足原来的关系，这样就有可能判断出在传输过程中是否出现了错误。从 而可以根据检测的结果做出下一步的行动的决策，比如在多标签应用环境中， 一个时刻只能有一个标签向读写器传送信息，如果有两个或两个以上的标签同 时向读写器发送信息，采用上述的信道编码方式后，到达读写器的数据就可能 不满足该编码应用的码型规则，据此判断是不是有多个标签同时向读写器发出 了信息产生了冲突。 1 ) 二进制对称信道 为了能够仿真各信道编码的抗噪声性能，必须引入一个能够产生随机错误 的信道，由于所有的数据都是以二进制的方式传送的，所以我们引入的信道是 最常见的二进制对称信道。 所n - - 进制对称信道指的是发送o 和发送“l ”都会产生相等概率的错 误的信道，该信道的示意图如下： 西北大学硕士研究生论文 0o 1 一p 图2 1 4 二进制对称信道示意图 发送端为“0 ”接收端为“1 ”和发送端为“1 ”接收端为“0 ”的概率相等， 均为p ，一般情况下，p 是小于0 5 的。这样的信道是一个抽象程度非常高的信 道模型，任何的信道，不管是采用基带传输还是频带传输，也不管采取什么调 制编码方式，只要是用来传输数字信号，都可以抽象成这样一个数学模型。 2 ) r f i d 系统数据编码方式检错能力仿真 仿真的方案是由信号源随机的产生一组二进制数据，代表r f i d 系统由读 写器发出或者是由标签返回的原始数据或命令，将这个数据采用上面提到的编 码方式进行编码，编码后的数据送入二进制对称信道进行传输，在接收端解码 以前，先根据码型判断是不是有错误产生，再将数据解码，将解码后的数据与 原始数据进行比较，看是不是真的有错误发生，以此来检验该编码方式的检错 能力。 为了获得相应的结果，本文采用模型加程序的仿真方式，即以图2 模型为 基础，由程序提供相关模型参数并控制模型运行。 图2 1 5 信道编码抗干扰能力仿真模型 根据r f i d 的实际应用情况，数据通信时每帧数据大体在几个字节到十几 个字节之间，因此仿真时设定一帧的长度为1 0 0 ，并让二进制对称信道的错误率 在1 5 0 之间变化，仿真中，设定仿真次数为1 0 0 0 次。具体过程为：由信 源发出数据帧，经过m a n c h e s t e r 编码或单极性归零码或差动双向编码或米勒编 码后进入二进制对称信道传输；接收端将接收到的数据与原编码进行比较，并 累计检出错误的个数，并由下式计算差错的检出率： 西北大学硕士研究生论文 玎：e 1 ( 2 1 ) e 式中r 为差错的检出率，e l 为累计检出错误次数，e 为总的实际错误个数。我们 可以将仿真模型的m a n c h e s t e r 编码模块和解码模块更换成其他的编码和解码模 块并用同样的方式进行仿真，从而比较各种编码方式的检测错误的能力。仿真 的结果见表1 ： 表2 1 1 0 0 0 次编码检错能力仿真结果 仿真总的错误检出错误检出率 漏检率 编码方式 次数 次数( e )次数( e 1 )( 叩) ( 1 r ) m a n c h e s t e r 1 0 0 08 4 86 0 87 2 2 8 单极性归零码 1 0 0 08 4 87 1 78 4 1 6 差动双向编码 1 0 0 08 5 66 0 87 1 2 9 米勒编码 1 0 0 08 0 20o 1 0 0 从仿真结果可以看出，由于米勒编码后的波形在接收端几乎没有办法把握 该码型的特点，也就没有办法在解码以前判断有没有错误发生，因此米勒编码 不能用来在r f i d 系统数据通信做冲突检测和错误检测的工作。m a n c h e s t e r 编 码、单极性归零码以及差动双向编码( f m o 编码) 都具有一定的错误检测的能 力，但是检测错误的能力都不是很高，大体上都有2 0 到3 0 的漏检率。也可 以看出编码方式所具有的检测错误的能力随编码方式的不同而不同，因此如果 想提高错误检测的能力，选择检测错误能力较高的码是一种不错的方案。 3 ) 选择编码方式的其他考虑因素 在一个实际的r f i d 系统中，选择合适的编码方式可能不仅仅考虑该编 码所具有的检测错误的能力，也要综合考虑其他一些因素。下面列举一些经常 需要考虑的情况 1 、在一般的r f i d 标签芯片中可能不会有时钟电路，这就需要标签芯片 从读写器发过来码流中提取时钟信息。这就要求读写器发出的数据的编码方式 能够使标签芯片方便的提取时钟信息，如果编码的码型变化比较丰富的话就可 以较为容易的做到这一点。在这方面米勒编码、m a n c h e s t e r 编码、差动双向编 码具有优势。 西北大学硕：l 研究生论文 2 、目前大多数的r f i d 系统的标签都是无源标签，而无源标签自身没有能 量供应，需要从读写器发出的电磁波中提取能量来进行工作。这就要求编码方 式必须保证对标签的能量供应不能中断，即必须选择码型变化丰富的编码方式， 换句话说，如果用某一种编码方式去调制电磁波，结果在某些情况下可能会造 成标签能量供应的中断。那么这种编码。方式就不能在这个r f i d 系统中应用。 3 、在多标签应用环境中，读写器必须一个接着一个的读取各个标签的信 息，这就需要应用某些算法来实现多标签的读取，在这一过程中要求当多个标 签同时向读写器发送信息时，读写器应该能够从收到的码流中检测出是否有冲 突发生，这是就需要选择检测错误能力较强的码，如m a n c h e s t e r 编码、差动双 向编码、单极性归零码等。 西北人学硕上研究生论文 第三章r f i d 系统的数据校验方式及其仿真研究 3 , 1r f i d 系统的数据保护与校验 r f i d 系统采取无接触的方式进行数据传输，因此在传输过程中很容易受 到干扰，包括系统内部的热噪声和系统外部的各种电磁干扰等，这些都会使传 输的信号发生畸变，从而使传输数据发生不受欢迎的改变从而导致传输错误， 如图3 1 所示： 发送数据 干扰么一 接收数据 940 e5f85f f3 2 i r 1 9 4 e 5f85f f3 2 图3 1r f i d 数据传输误码示意图 因传输的信号畸变而导致的数据传输出错在r f i d 系统的数据通信中是不 能容忍的，解决的思路有两种：一是加大读写器的输出功率，从而提高信噪比， 但这种方式有一定的局限性，读写器发出的功率受一定的标准限制，如果超出 标准会造成电磁污染。另一种方案就是在原始数据的后面加上一些校验位，这 些校验位和前边的数据之间具有某种关联，接收端根据判断收到的数据位和校 验位之间是否满足这种关联关系来判断数据有没有发生畸变，这就是差错控制 编码。 3 2 差错控制编码 3 2 1 差错控制的基本方式 差错控制方式基本上分为两类，一类称为“反馈纠错”，另一类称为“前 向纠错”。在这两类基础上又派生出一种称为“混合纠错”。 ( 1 ) 反馈纠错 这种方式在是发信端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法对 所传信息进行编码，加入少量监督码元，在接收端则根据编码规则收到的编码 信号进行检查，一旦检测出( 发现) 有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求 重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到 正确收到为止。所谓发现差错是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的， 但不一定知道错误的准确位置。 ( 2 ) 前向纠错 西北大学硕士研究生论文 这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的 编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前 向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传 输有利，但是纠错设备比较复杂。 ( 3 ) 混合纠错 混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重、超出自行纠 正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。因此，“混合纠错”是“前向 纠错”和“反馈纠错”两种方式的混合。 r f i d 系统一般使用第一种或第二种差错控制方式。 3 2 2 、汉明码距与编码纠错能力的关系 汉明码距指的是长度相同的两个符号序列( 码字) a 和b 之间对应位置上 不同码元的个数，用符号d ( a ，b ) 表示，如两个二元序列： a = 1 0 1 1 1 1 b = 1 1 1 1 0 0 则得d ( a ，b ) = 3 。 有了汉明码距的概念，我们就可以用汉明码距来描述码的纠错检测能力。 如果一组编码的码长为n ，如果将这些资源全部利用上，可以对2 “的符号进行 编码，但这样一来这个编码就没有任何的抗干扰能力，因为合法码字之间的最 小汉明码距为1 ，任何一个符号的编码的任意一位发生错误，就变成了另外一个 符号的编码，它也是一个合法的码字。接收端不能判断是不是有错误发生。 我们可以在2 “个可用的码字中间选择一些码字来对信源符号进行编码，把 这些码字称为合法码字，而其他的没有使用的码字称为非法的码字。这样合法 码字之间的汉明距离就会拉开，有些合法码字发生错误后有可能变成非法码字， 接收端如果收到这些非法码字后就可以判断出传输过程中出现了错误。码字之 间的最小汉明距离越大，编码的抗干扰能力就越强。如编码的最小汉明距离为2 ， 任何合法码字发生一位错误都会变成非法码字，但不能确定是由哪一个合法码 字错误而来，因此这个编码可以发现一位错误；如编码的最小汉明距离为3 ，任 何合法码字发生一位错误都会变成非法码字，而且距离原来的码字距离为1 ，而 距离其他任何合法码字的最小距离为2 ，因此可以确定这个非法码字是由哪一个 西北大学硕士研究生论文 合法码字发生错误而来，因此这个编码用作纠错编码可以发现一位错误并且纠 正一位错误，但是如果发生了两位错误，也可发现但是如果试图纠正这个错误 就会产生新的错误；如果把这种编码只当作检错编码，则可以发现两个错误。 以此类推，可以总结出编码的最小汉明码距与编码纠错检错能力之间的关系： 要发现( 检测) e 个随机错误，则要求码的最小距离d m i n = e + l + 要纠正e 个随机错误，则要求码的最小距离d m i n = 2 e + 1 + 要纠正e 个随机错误同时检测f ( = e ) 个错误，则要求码的最小距离 d m i n = e + f + l 如果一个分组码的数据位长度为k ，校验位长度为r ，总的编码长度为n ， n = k + r ，则总的可以编码的合法码字的个数为2 。，总的码字个数为2 ”，可以看出 如果检验位的长度越长，合法码字所占的比例就越小，如果这些码字能够尽可 能在所有的码字中均匀分布的话，合法码字之间的最小汉明码距就可以越大， 编码的抗干扰能力也就越强，因此设计编码方法的最重要的任务就是尽量使得 合法码字能够尽可能的均匀分布。 3 3 常用的差错控制编码 3 3 1 奇偶监督码 奇偶校验码也称奇偶监督码，它是一种最简单的线性分组检错编码方式。其 方法是首先把信源编码后的信息数据流分成等长码组，在每一信息码组之后加 入一位( 1 比特) 监督码元作为奇偶检验位，使得总码长n ( 包括信息位k 和监督位 1 ) 中的码重为偶数( 称为偶校验码) 或为奇数( 称为奇校验码) 。如果在传输过程 中任何一个码组发生一位( 或奇数位) 错误，则收到的码组必然不再符合奇偶校验 的规律，因此可以发现误码。奇校验和偶校验两者具有完全相同的工作原理和 检错能力，原则上采用任一种都是可以的。 由于每两个l 的模2 相加为0 ，故利用模2 加法可以判断一个码组中码重是 奇数或是偶数。模2 加法等同于“异或”运算。现以偶监督为例。 对于偶校验，应满足 口x l o d x - 2 0 o 口l o 响= 0 ( 3 - 故监督位码元c o 可由下式求出： c o = 口l0 a 2o o 一2o 一i ( 3 2 ) 西北大学硕士研究生论文 2 7 一l 撑或2 7 七+ r + 1 ( 3 3 ) =1h 0110 01 1 31 01010 1 ，= l i( 一4 ) li 该矩阵称为一致监督矩阵，设码字为c = c 6 c 5 c 4 c 3 c 2 c i c ) 有： h c 7 = 0 7 ( 3 - - 5 ) 表3 1 ( 7 ，4 ) 汉明码编码结果 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 1 0 11 0 0 0 0 1 11 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 10 1 0 1 0 1 01 0 0 1 1 0 01 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 00 1 1 0 0 1 1l o l 0 1 0 l1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 1 1 1 1 0 01 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 这就完成了汉明码的编码。 译码时若信道中发生随机错误，错误图样位e ，接收序列为r = c + e 日月7 = h c 7 + h e 7 ( 3 6 ) 根据式( 3 5 ) ，可将上式改写为： 西北大学硕士研究生论文 h - r 7 = h e 7 0 ( 3 7 ) 肿7 料 旷s ， r ：生：! ：二! 二! ：1 一二 ( 3 9 ) 循环码组中任两个码组之和( 模2 ) 必定为该码组集合中的一个码组。 6 i _ 岛“o o6 j + 1 ( 3 1 0 ) 二进制多项式，由口一x “+ 口一x “+ + 口l x + 口 。如一个8 位二进制数 1 0 1 1 0 1 0 1 可以表示为：l x 7 + 0 x 6 + l x 5 + l x 4 + 0 x 3 + l x 2 + 0 x + 1 。多项式乘除法 采用c r c 校验时，发送方和接收方用同一个生成多项式g ( x ) ，并且g ( x ) 西北大学硕i ：研究生论义 的首位和最后一位的系数必须为1 。 t ( x ) ，得到余数作为c r c 校验码。 判断数据帧是否出错。 c r c 的处理方法是：发送方以g ( x ) 去除 校验时，以计算的校正结果是否为0 为据， c r c 生成多项式甙x ) 由协议规定，其结构及校错效果要经过严格的数据分 析与实验后确定，目前已有多种生成多项式列入国际标准中。例如： g ( x 、= x 2 + x 1 1 + x 3 + x 2 + x + l g ( x 、= x 1 6 + x 1 5 + 工2 + 1 ( 3 1 1 ) g ( x ) = x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 c r c 校验码能检测出数据传输过程中所发生的双错、奇数位错、突发错。常用 的c r c 校验码有4 位、8 位、1 6 位以及3 2 位。r 位码可以校验的数据个数为 ”= 2 1 ，如1 6 位c r c 校验码( f 1 6 ) ，可以校验3 2 k b i t 的数据，可以检测 突发长度不大于1 6 的突发错以及9 9 9 9 8 的突发长度大于或等于1 7 的突发错。 可以看出c r c 的校验能力非常突出，c r c 校验原来用于磁盘驱动器，即 使数据量很大也能可靠地校验。这种方法同样也适用于有线传输或无线通信技 术中识别错误。c r c 校验只能识别传错误但不能校正错误，它的优点是识别错 误可靠性高，只需要少量的操作就可以识别。1 6 位的c r c 就适用于 4 k 字节长 的数据完整性校验。目前c r c 校验算法在r f i d 应用系统中得到了非常广泛的 应用。 3 5 c r c 校验能力仿真 3 5 1 仿真模型 为了仿真在r f i d 系统中采用不同长度的c r c 编码来校验所传输的数据的 抗干扰性能，本文建立了如下仿真模型： t o w o t l 图3 2c r c 校验能力仿真模型 在模型中贝努里二进制信源发出一帧数据，考虑到r f i d 应用的实际，读 写器或标签发出的数据在数据进入信道传输前加入4 位、8 位和1 6 位c r c 校 西北大学硕上研究生论文 验码，然后通过二进制对称