物联网RFID-编码与调制

编码与调制,RFID系统的核心功能是实现读写器与电子标签之间的信息传输。以读写器向电子标签的数据传输为例，被传输的信息分别需要经过读写器中的信号编码、调制，然后经过传输介质（无线信道），以及电子标签中的解调和信号解码。本章将具体介绍RFID系统常用的编码和调制方法。,7.1RFID系统的通信过程,数字通信系统是利用数字信号来传输信息的通信系统，如图所示。信源编码与信源译码的目的是提高信息传输的有效性以及完成模/数转换等；信道编码与信道译码的目的是增强信号的抗干扰能力，提高传输的可靠性；数字调制是改变载波的某些参数，使其按照将要传输信号的特点变化而变化的过程，通过将数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。,7.1RFID系统的通信过程,在RFID系统中，读写器和电子标签之间的数据传输方式与基本的数字通信系统结构类似。读写器与电子标签之间的数据传输是双向，这里以读写器向电子标签传输数据为例说明其通信过程。读写器中信号经过信号编码、调制器及传输介质（无线信道），以及电子标签中的解调器和信号译码等处理，如图所示。,RFID系统通信结构框图（以读写器向电子标签发送数据为例）,7.1RFID系统的通信过程,1.解码与编码信号编码的作用是对发送端要传输的信息进行编码，使传输信号与信道相匹配，防止信息受到干扰或发生碰撞。根据编码目的不同，可分为信源编码和信道编码。1）信源编码与信源解码信源编码是对信源输出的信号进行变换，信源解码是信源编码的逆过程。在RFID系统中，当电子标签是无源标签时，经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，相邻数据间的码跳变不仅可以在连续出现“0”时保证对电子标签的能量供应，且便于电子标签从接收码中提取时钟信息。2）信道编码与信道解码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，目的是前向纠错，是为了区分通路、适应信道条件以及提高通信可靠性而进行的编码。数字信号在信道传输时会受到噪声等因素影响引起差错，为了减少差错，发送端的信道编码器对信号码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成抗干扰编码。接收端的信道编码器按相应的逆规则进行解码，从而发现或纠正错误，提高传输可靠性。,7.1RFID系统的通信过程,2.调制与解调调制器用于改变高频载波信号，使得载波信号的振幅、频率或相位与要发送的基带信号相关。解调器的作用是解调获取到的信号，以重现基带信号。信号需要调制的因素包括：1）工作频率越高带宽越大要使信号能量能以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化。2）工作频率越高天线尺寸越小只有当馈送到天线上的信号波长和天线的尺寸可以相比拟时，天线才能有效地辐射或接收电磁波。波长和频率f的关系为c=m/s,7.1RFID系统的通信过程,如果信号的频率太低，则无法产生迅速变化的电场和磁场，同时它们的波长又太大，如20000Hz频率下波长仍为15000m，实际中是不可能架设这么长的天线。因此，要把信号传输出去，必须提高频率，缩短波长。常用的一种方法是将信号“搭乘”在高频载波上，即高频调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去。3）信道复用一般每个需要传输的信号占用的带宽都小于信道带宽，因此，一个信道可由多个信号共享。但是未经调制的信号很多都处于同一频率范围内，接收端难以正确识别，一种解决方法是将多个基带信号分别搬移到不同的载频处，从而实现在一个信道里同时传输许多信号，提高信道利用率。,7.2RFID信源编码方法,信源编码是指将模拟信号转换成数字信号，或将数字信号编码成更适合传输的数字信号。RFID系统中读写器和电子标签所存储的信息都已经是数字信号了，本书介绍编码均为数字信号编码。数据编码一般又称为基带数据编码，常用的数据编码方法有反向不归零编码、曼彻斯特编码、密勒编码、修正密勒编码等。,选择编码方法的考虑因素1、编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源在REID系统中使用的电子标签常常是无源的，而无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应。为了保证系统的正常工作，信道编码方式必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应。在RFID系统中，当电子标签是无源标签时，经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，这种相邻数据间有跳变的码，不仅可以保证在连续出现“0”时对电子标签的能量供应，而且便于电子标签从接收到的码中提取时钟信息。,7.2RFID信源编码方法,2、编码方式的选择要考虑电子标签的检错的能力出于保障系统可靠工作的需要，还必须在编码中提供数据一级的校验保护，编码方式应该提供这种功能。可以根据码型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生。在实际的数据传输中，由于信道中干扰的存在，数据必然会在传输过程中发生错误，这时要求信道编码能够提供一定程度的检测错误的能力。曼彻斯特编码、差动双向编码、单极性归零编码具有较强的编码检错能力。,7.2RFID信源编码方法,3、编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取在电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟。曼彻斯特编码、密勒编码、差动双向编码容易使电子标签提取时钟。,7.2RFID信源编码方法,7.2RFID信源编码方法,典型的编码方式,1、反向不归零编码（NRZ，NonReturnZero）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：此码型不宜传输，有以下原因有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；接收端判决门限与信号功率有关，不方便使用；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；要求传输线有一根接地。,注：ISO14443TYPEB协议中电子标签和阅读器传递数据时均采用NRZ,7.2RFID信源编码方法,2、曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split-PhaseCoding）。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：曼彻斯特编码,7.2RFID信源编码方法,曼彻斯特编码器电路,7.2RFID信源编码方法,曼彻斯特编码的特点曼彻斯特编码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。曼彻斯特编码由于跳变都发生在每一个码元中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟。因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。,注：ISO14443TYPEA协议中电子标签向阅读器传递数据时采用曼彻斯特编码。ISO18000-6TYPEB读写器向电子标签传递数据时采用的是曼彻斯特编码,7.2RFID信源编码方法,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,射频卡1,射频卡2,7.2RFID信源编码方法,7.2RFID信源编码方法,3密勒（Miller）编码密勒编码规则：对于原始符号“1”，用码元起始不跳变而中心点出现跳变来表示，即用10或01表示；对于原始符号“0”，则分成单个“0”还是连续“0”予以不同的处理，单个“0”时，保持“0”前的电平不变，即在码元边界处电平不跳变，在码元中间点电平也不跳变对于连续两个“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跳变。,7.2RFID信源编码方法,4、修正密勒码TYPEA中定义了如下三种时序：（1）时序X：该时序将在64fc处产生一个“pause”（凹槽）；（2）时序Y：该时序在整个位期间（128fc）不发生调制；（3）时序Z：这种时序在位期间的开始时，产生一个“pause”。在上述时序说明中，fc为载波1356MHz，pause凹槽脉冲的底宽为0530s，90幅度宽度不大于45s。用这三种时序即可对帧进行编码，即修正的密勒码。逻辑“1”选择时序X；逻辑“0”选择时序Y。但有两种情况除外，第一种是在相邻有两个或更多的“0”时，此时应从第二个“0”开始采用时序Z；第二种是在直接与起始位相连的所有位为“0”时，此时应当用时序Z表示。另外，通信开始时，用时序Z表示。通信结束则用逻辑“0”加时序Y表示。无信息时，通常应用至少两个时序Y来表示。,注：在ISO/IEC14443标准（近耦合非接触式IC卡标准），TYPEA中阅读器向电子标签传递数据时采用修正密勒码方式对载波进行调制。,假设输入数据为011010,波形C实际上是曼彻斯特的反相波形，用它的上升沿输出变便产生了密勒码，而用其上升沿产生一个凹槽就是修正密勒码,起始用时序Z,直接与起始位相连的0用时序Z,相邻多个或更多0，则从第二格0开始用时序Z,通信结束用逻辑0加时序Y,注：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。,5、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。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。,7.2RFID信源编码方法,6、脉冲位置编码（PPM，PulsePositionModulation）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。,注：ISO15693协议中，数据编码采用PPM,7.2RFID信源编码方法,7、FM0编码,FM0（即Bi-PhaseSpace）编码的全称为双相间隔码编码，工作原理是在一个位窗内采用电平变化来表示逻辑。如果电平从位窗的起始处翻转，则表示逻辑“1”。如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗中间翻转则表示逻辑“0”。一个位窗的持续时间是25s。,注：ISO18000-6typeA由标签向阅读器的数据发送采用FM0编码,7.2RFID信源编码方法,8、PIE编码PIE（Pulseintervalencoding）编码的全称为脉冲宽度编码，原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示数据。在该标准的规定中，由阅读器发往标签的数据帧由SOF（帧开始信号）、EOF（帧结束信号）、数据0和1组成。在标准中定义了一个名称为“Tari”的时间间隔，也称为基准时间间隔，该时间段为相邻两个脉冲下降沿的时间宽度，持续为25s。,注：ISO18000-6typeA由阅读器向标签的数据发送采用PIE编码,7.2RFID信源编码方法,7.3差错控制编码（信道编码）,在读写器与电子标签的无线通信中，最主要的干扰因素是信道噪声和多标签操作，这些干扰会导致传输的信号发生畸变，从而使传输出现错误。为了提高数字传输系统的可靠性，有必要采用差错控制编码，对可能或者已经出现的差错进行控制。采用恰当的信道编码，能显著提高数据传输的可靠性，从而使数据保持完整性。差错控制编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束）。接收端则按照既定规则校验信息码元与监督码元之间的关系，差错会导致信息码元与监督码元的关系受到破坏，因而接收端可以发现错误乃至纠正错误。,信息码元与监督码元,信息码元k监督码元r,25,常用的差错控制编码最常用的差错控制编码有奇偶校验法、循环冗余校验法和汉明码等。这些方法用于识别数据是否发生传输错误，并且可以启动校正措施，或者舍弃传输发生错误的数据，要求重新传输有错误的数据块。,7.3差错控制编码（信道编码）,1、奇偶校验,奇偶校验码是一种最简单而有效的数据校验方法。实现方法:在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位0或1,若采用奇校验位,只需把每个编码中1的个数凑成奇数;若采用偶校验位,只要把每个编码中1的个数凑成偶数。检验原理:这种编码能发现1个或奇数个错,但因码距较小,不能实现错误定位。对奇偶校验码的评价:它能发现一位或奇数个位出错，但无错误定位和纠错能力。尽管奇偶校验码的检错能力较低，但对出错概率统计,其中7080是1位错误,另因奇偶校验码实现简单,故它还是一种应用最广泛的校验方法。实际应用中,多采用奇校验,因奇校验中不存在全“0”代码,在某些场合下更便于判别。,00001000100010000111010000101101101011101000010011101011011011001110101110011111,7.3差错控制编码（信道编码）,奇偶校验的校验方程,设7位信息码组为C7C6C5C4C3C2C1,校验码为C0,则对偶校验,当满足C7C6C5C4C3C2C1C00（1）时,为合法码;对奇校验,当满足C7C6C5C4C3C2C1C01（2）时,为合法码。这里的表示模2相加。对于偶校验,合法码字应满足nCiC00（3）i-1对于奇校验,合法码字应满足nCiC01（4）i-1,注意:公式(1)(2)为奇偶校验位的生成方程;公式(3)(4)为校验方程。,7.3差错控制编码（信道编码）,2、循环冗余校验码（CRC),CRC码是一种检错、纠错能力很强的数据校验码,主要用于网络、同步通信及磁表面存储器等应用场合。1循环冗余校验码的编码方法循环冗余校验码由两部分组成,左边为信息位,右边为校验位。若信息位为N位,校验位为K位,则该校验码被称为(NK,N)码。编码步骤如下：(1)将待编码的N位有效信息位表示为一个n1阶的多项式M(X)。(2)将M(X)左移K位,得到M(X).Xk（K由预选的K1位的生成多项式G(X)决定）。(3)用一个预选好的K1位的G(X)对M(X).Xk作模2除法。(4)把左移K位后的的有效信息位与余数作模2加法,形成长度为NK的CRC码。M(X).XkR(X)Q(X).G(X),7.3差错控制编码（信道编码）,举例,例:选择生成多项式为G(X)X4X1(10011),请把8位有效信息11110111编码成CRC码。解：步骤1：M(X)X7X6+X5X4+X2X1+111110111步骤2:M(X).X4111101110000(即左移4位）步骤3：模2除，M(X)X4G(X)1111011100001001111100101111110011，即R(X)1111步骤4：模2加，得到循环冗余码为M(X)X4R(X)1111011100001111111101111111,纠错原理,由于M(X).XkQ(X).G(X)R(X)，根据模2加的规则M(X).XkR(X)Q(X).G(X)R(X)R(X)Q(X).G(X)上式表明,合法的CRC码应当能被生成多项式整除。若CRC码不能被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错。,发送数据,接收数据,CRC,CRC校验,生成多项式的选择,生成多项式被用来生成CRC码,但并非任何一个K1位的多项式都能作为生成多项式用,它应满足下列要求：（1）任何一位出错都应使余数不为0。（2）不同位出错应使余数不同。（3）对余数继续作模2除法，应使余数循环。生成多项式的选择主要靠经验，但已有3种多项式成为标准而被广泛运用,它们都具有极高的检错率,分别是:CRC-12X12X11X3X2X1CRC-16X16X15X21CRC-CCITTX16X12X51CRC-32=X32X26X23+X22X16X12+X11X10X8+X7X5X4+X2X1,注：在RFID标准ISO/IEC14443中，采用的是CRC-CCITT的生成多项式；但应注意的是，该标准中的TYPEA计算时循环移寄存器的初始值为6363H；TYPEB循环位移寄存器的初始值为FFFFH。,16位CRC适用于校验4000字节长的数据块的完整性，超过此长度，性能下降。RFID中传输的数据块都比4000字节短，故也可用12位或8位的CRC。,7.4RFID系统调制方法,在通信中，通常会有基带信号和频带信号。基带信号也就是原始信号，通常具有较低的频率成分，不适合在无线信道中进行传输。在通信系统中，由一个载波来运载基带信号，调制就是使载波信号的某个参量随基带信号的变化而变化，从而实现基带信号转换成频带信号。在通信系统的接收端对应要有解调过程，其作用是将信道中的频带信号恢复为基带信号。数字调制是指把数字基带信号调制到载波的某个参数上，使得载波的参数（幅度、频率、相位）随数字基带信号的变化而变化，因此数字调制信号也称键控信号。数字调制中的调幅、调频和调相分别称为移幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）。,7.4RFID系统调制方法,1.振幅键控目前电感耦合RFID系统常采用ASK调制方式，如ISO/IEC14443及ISO/IEC15693标准均采用ASK调制方式。1.调制二进制振幅键控信号可以表示成具有一定波形的二进制序列（二进制数字基带信号）与正弦载波的乘积，即其中，为载波，S(t)为二进制序列，即式中，Ts为码元持续时间，g(t)为基带脉冲波形，假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲；an表示第n个符号的电平取值。,二进制振幅键控信号时间波型,注：调幅技术实现起来简单，但容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。,ASK,调制深度,B,A,mA=（A-B）/（A+B）*100%,38,脉冲调副波的波形和频谱,39,7.4RFID系统调制方法,2.频移键控数字频移键控是用载波的频率来传输数字消息，即用所传输的数字消息来控制载波的频率。数字频率调制又称为频移键控调制（FrequencyShiftkeying，FSK），即用不同的频率来表示不同的符号。二进制频移键控记为2FSK,7.4RFID系统调制方法,3.相移键控数字相位调制又称为相移键控调制（PhaseShiftKeying，PSK）。二进制移相键控方式2PSK是键控的载波相位按基带脉冲序列的规律而改变的一种数字调制方式，即根据数字基带信号的两个电平（或符号）使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。,原始信息,t,2PSK,载波,1,0,0,1,1,0,二进制移相键控信号的时间波形,注：用180相移表示1，用0相移表示0。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。,PSK,用于动物识别的代码结构和技术准则ISO11784和11785应答器采用FSK调制，NRZ编码ISO14443从阅读器向标签传送信号时，TYPEA采用改进的Miller编码方式，调制深度为100%的ASK信号；TYPEB则采用NRZ编码方式，调制深度为10%的ASK信号。从标签向阅读器传送信号时，二者均通过调制载波传送信号,副载波频率皆为847KHz