第3讲RFID的编码调制和校验演示幻灯片

1,第3讲RFID的编码和调制,2,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。,3,一、RFID常用的编码方式,数字基带信号波形，可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。RFID系统通常使用下列编码方法中的一种：反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零（RZ）编码、差动双相（DBP）编码、密勒（Miller）编码和差动编码。,4,1、曼彻斯特（Manchester）编码,编码器电路,曼彻斯特码编码器时序波形图,注：ISO18000-6TYPEB读写器到标签之间采用的是曼彻斯特编码,5,密勒码编码规则,2、密勒码编码,密勒码（Miller）也称延迟调制码，是一种变形双向码。,6,密勒码波形及与NRZ码、曼彻斯特码的波形关系,用曼彻斯特码产生密勒码的电路,7,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。,3、修正密勒码编码,注：在ISO/IEC14443标准（近耦合非接触式IC卡标准），TYPEA中采用修正密勒码方式对载波进行调制。,8,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,9,4、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,10,5、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,11,注：选择编码方法的考虑因素1、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，信道编码方式首先必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应。另外，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。2、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。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。,12,1、脉冲调制将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。,二、RFID调制,13,FSK,FSK脉冲调制波形,14,PSK1和PSK2,采用PSK1调制时，若在数据位的起始处出现上升沿或下降沿（即出现1，0或0，1交替），则相位将于位起始处跳变180。而PSK2调制时，相位在数据位为1时从位起始处跳变180，在数据位为0时则相位不变。,15,2、数字调制,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，这种把基带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,注：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。,16,二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。,17,调制深度,B,A,mA=（A-B）/（A+B）*100%,18,二进制移频键控信号的时间波形,注：该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。,19,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。,20,脉冲调幅波,21,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。TYPEA采用开关键控（On-Offkeying）的Manchester编码；TYPEB采用NRZ-L的BPSK编码。ISO15693标准规定的载波频率亦为13.56MHz，阅读器和标签全部都用ASK调制原理，调制深度为10%和100%，,22,3、副载波调制与解调,在RFID系统中，副载波的调制方法主要应用在频率为13.56MHz的RFID系统中，而且仅是在从电子标签向阅读器的数据传输中采用。对13.56MHz的RFID系统，大多数使用的副载波频率为847kHz（13.56MHz/16）、424kHz（13.56MHz/32）212kHz（13.56MHz/64）。,23,24,三、数据校验,在RFID系统中，数据传输的完整性存在两个方面的问题：外界的各种干扰可能使数据传输产生错误；多个应答器同时占用信道使发送数据产生碰撞。运用数据检验（差错检测）和防碰撞算法可分别解决这两个问题。,25,差错随机错误：由信道中的随机噪声干扰引起。在出现这种错误时，前后位之间的错误彼此无关。突发错误：由突发干扰引起，当前面出现错误时，后面往往也会出现错误，它们之间有相关性。混合错误,突发错误长度b=5,26,差错控制在传输信息数据中增加一些冗余编码，使监督码元和信息码元之间建立一种确定的关系，实现差错控制编码和差错控制解码功能。反馈重发（ARQ）、前向纠错（FEC）和混合纠错（HEC）,反馈重发发送端需要在得到接收端正确收到所发信息码元（通常以帧的形式发送）的确认信息后，才能认为发送成功。前向纠错接收端通过纠错解码自动纠正传输中出现的差错，所以该方法不需要重传。这种方法需要采用具有很强纠错能力的编码技术。混合纠错是ARQ和FEC的结合，设计思想是对出现的错误尽量纠正，纠正不了则需要通过重发来消除差错。,27,检纠错码信息码元与监督码元,信息码元k监督码元r,28,检纠错码的分类,29,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。,00001000100010000111010000101101101011101000010011101011011011001110101110011111,30,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。,31,RFID中的差错检测CRC码（循环冗余码）较强的检错能力，硬件实现简单算法步骤,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采用CRC-A，计算时循环移寄存器的初始值为6363H；TYPEB采用CRC-B，循环位移寄存器的初始值为FFFFH。,32,循环冗余校验码(CyclicRedundancyCheck,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),33,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)11110111000011111111011100001111,34,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。,35,发送数据,接收数据,CRC,CRC校验,36,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-CCITTX16X12