RFID的编码调制技术

RFID 编码 调制

第4讲 RFID的编码和调制

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一、通信与通信系统1、通信系统模型

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：

图1 通信系统模型

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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。

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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

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2、通信系统分类通常，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。

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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 数 字 解 调 信 道 译 码 解 密 信 源 译 码 受 信 者

信道 噪声源

图5 数字通信系统模型①

② ③ ④ ⑤

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 ； 信道编码与译码目的：增强抗干扰能力； 加密与解密目的：保证所传信息的安全； 数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 ； 同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 。

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RFID系统常采用数字信号。其主要特点

信号的完整性RFID采用非接触技术传递信息，容易遇到干扰，使信息传输 发生改变。数字信号容易校验，并容易防碰撞，可以使信号 保持完整性。

信号的安全性RFID系统采用无线方式传递信息，开放的无线系统存在安全 隐患。数字信号的加密和解密处理比模拟信号容易的多。

便于存储、处理和交换数字信号的形式与计算机所用的信号一致，都是二进制代码。 便于与计算机互联网，也

便于计算机对数字信息进行存储、 处理和交换，可使物联网的管理和维护实现自动化、智能化。

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3、RFID系统的基本通信模型

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。

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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。

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4、信号工作方式 时序系统电子标签和读写器的信息传输是在电子标签能量供应间歇进行的， 读写器与电子标签不同时发射，这种方式可改善信号受干扰的状况， 提高系统的工作距离。发射能量，给电子标签充电 读写器停止发射能量，电子标签 工作，向读写器发送信号

全双工系统电子标签和读写器之间可以在同一时刻互相传送信息

半双工系统电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向 一个方向传送信息

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二、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。

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(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 a) b) c)

d)

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：ISO14443 TYPE B协议中电子标签和阅读器传递数据时均采用NRZ

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(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8 曼彻斯特编码编码控制 7486 数据 CLK 异 或 7404 2CLK 1 非门 VCC CLK CLQ

PR D 74HC74 输出Q

编码器电路

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曼彻斯特编码的特点

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 的具体位臵。 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。

注：ISO14443 TYPE A协议中电子标签向阅读器传递数据时采用曼彻斯特编码。ISO18000-6 TYPE B 读写器向电子标签传递数据时采用的是曼彻斯特编码

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(3)单极性归零编码(Unipolar RZ)

当发码1时发出正电流，但正电流持续的时间短于一个码元的时间 宽度，即发出一个窄脉冲 当发码0时，完全不发送电流。 单极性归零编码可用来提取位同步信号。

单极性归零编码

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(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

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(5)密勒编码(Miller)

密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

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6、修正密勒码编码TYPE A中定义了如下三种时序： (1)时序X:该时序将在64/fc处产生一个“pause”(凹槽); (2)时序Y:该时序在整个位期间(128/fc)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13.56MHz,pause凹槽脉冲的底宽为 0.5~3.0μs,90%幅度宽度不大于4.5μs。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/IEC 14443标准(近耦合非接触式IC卡标准),TYPE A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。

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数据 NRZ 码 输入

b

编码器 异 或 c a

假设输入数据 为01 1010d 修正密勒码 输出

13.56MHz 时钟 e

128 分频 数据时钟

计数器

使能

13.56MHz

(a)修正密勒码编码器原理框图 波形C实际上是曼彻斯特的反相波形，用它a b c d e Z Z X X Y X Y Z Y 0 0 1 1 0

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1 0 0

相邻多个或更多 起始用时 直接与起始位 通信结束用逻 0,则从第二格 0 序Z 相连的0用时 辑0加时序 Y 开始用时序Z 序Z 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。

(b)波形图示例

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(7)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。

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(8)脉冲位臵编码(PPM,Pulse Position Modulation)

脉冲位臵编码与上述的脉冲间歇编码类似，不同的是，在脉冲位 臵编码中，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

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