第五章RFID系统的编码、调制与解调

1、第五章第五章 RFID系统的编码、调制与解调系统的编码、调制与解调天津科技大学物流工程系天津科技大学物流工程系张涵跃张涵跃主要内容主要内容基带中的编码基带中的编码调制与解调调制与解调模拟调制模拟调制幅度调制幅度调制模拟调频模拟调频第五章第五章 RFIDRFID系统的编码、调制与解调系统的编码、调制与解调通信系统模型通信系统模型第五章第五章 RFIDRFID系统的编码、调制与解调系统的编码、调制与解调射频识别系统的基本通信结构框图射频识别系统的基本通信结构框图读写器结构读写器结构信号编码系统信号编码系统的作用是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能够的作用是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能

2、够尽可能最佳地与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰撞。尽可能最佳地与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰撞。调制器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。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）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）第五章第五章 RFIDRFID系统的编码、调制与解调系统的编码、调制与解调射频识别系统的基本通信结构框图射频识别系统的基本通信结构框图电子标签结构电子标签结构解调器解调器的作用是解调获取信号，以便再生基带信号。的作

3、用是解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进行译码，恢复成原的作用则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。来的信息，并识别和纠正传输错误。第一节第一节 基带中的编码基带中的编码v 基带信号是代码的电表示形式。基带数据编码又被称为数据编码。基带信号是代码的电表示形式。基带数据编码又被称为数据编码。v 码型是以矩形脉冲为基础的，且消息代码由二进制符号码型是以矩形脉冲为基础的，且消息代码由二进制符号0 0、1 1组成。组成。v （1 1）反向不归零（）反向不归零（NRZNRZ，Non Return ZeroNon Re

4、turn Zero）编码）编码v 高电平表示二进制高电平表示二进制“1”1”，低电平表示二进制，低电平表示二进制“0”0”。（2）曼彻斯特（）曼彻斯特（Manchester）编码）编码v 曼彻斯特编码也被称为分相编码（曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split-Phase CodingSplit-Phase Coding）。）。v 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/ /下降）来表示的，在半个比特周期时的负跳变表示二进制下降）来表示的，在半个比特周期时的负跳变表示二进制“1”1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制半

5、个比特周期时的正跳变表示二进制“0”0”。（2）曼彻斯特（）曼彻斯特（Manchester）编码）编码v 曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反相散射调制时，通常曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反相散射调制时，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，的错误。这是因为在比特长度内，“没有变化没有变化”的状态是不允许的。的状态是不允许的。v 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

6、长度内是不间断的副载波信号，由于边互相抵消，导致在整个比特长度内是不间断的副载波信号，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。位置。（3）单极性归零（）单极性归零（Unipolar RZ）编码）编码v 单极性归零单极性归零编码在第一个半比特周期中的高电平表示二进编码在第一个半比特周期中的高电平表示二进 制制“1”1”，而持续整个比特周期内的低电平表示二进制，而持续整个比特周期内的低电平表示二进制“0”0”。v 单极性归零单极性归零编码可用来提取位同步信号。编码可用来提取位同步信号。（4）差动双相（）差动双相（

7、DBP）编码）编码v 差动双向差动双向编码在编码在半个比特周期中的任意的边沿表示二进半个比特周期中的任意的边沿表示二进 制制“0”0”，而没有边沿就是二进制，而没有边沿就是二进制“1”1”。v 在每个比特周期开始时，电平都要反相。在每个比特周期开始时，电平都要反相。v 对于接收器来说，位节拍比较容易重建。对于接收器来说，位节拍比较容易重建。（5）米勒（）米勒（Miller）编码）编码v 米勒米勒编码在编码在半个比特周期内的任意边沿表示二进制半个比特周期内的任意边沿表示二进制“1”1”， 而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0”0”。v 一连串的

8、比特周期开始时产生电平交变。一连串的比特周期开始时产生电平交变。v 对于接收器来说，位节拍比较容易重建。对于接收器来说，位节拍比较容易重建。（6）变形米勒编码）变形米勒编码bitpulseTtv 变形米勒变形米勒编码相对于编码相对于米勒米勒编码来说，将其每个编码来说，将其每个边沿都用负脉边沿都用负脉冲代替。由于负脉冲的时间很短（冲代替。由于负脉冲的时间很短（ ），可以保证在），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。数据传输的过程中从高频场中连续给电子标签提供能量。 v 变形米勒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编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到

9、电子标签的数据传输电子标签的数据传输。（7）差动编码）差动编码v 在差动在差动编码中，每个要传输的二进制编码中，每个要传输的二进制“1”1”都会引起信号电都会引起信号电平的变化，而对于二进制平的变化，而对于二进制“0”0”，信号电平保持不变。，信号电平保持不变。（8）脉冲）脉冲间歇编码间歇编码bitpulseTtv 在下一脉冲前的暂停持续时间在下一脉冲前的暂停持续时间t 表示表示二进制二进制“1”1”，而，而下一脉下一脉冲前的暂停持续时间冲前的暂停持续时间2t 则表示则表示二进制二进制“0”0”。v 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这种编码方法在电感耦合的射频系统中用于从读

10、写器到电子标签的数据传输标签的数据传输，由于脉冲转换时间（，由于脉冲转换时间（ ）很短，所以）很短，所以就可以在数据传输过程中保证从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读写器的高频场中连续给射频识别标签供给能量。频识别标签供给能量。（9）脉冲位置编码）脉冲位置编码v 脉冲位置编码（脉冲位置编码（PPMPPM，Pulse Position ModulationPulse Position Modulation）与上述的脉冲间歇编）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。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。v 脉

11、冲在第一个时间段表示脉冲在第一个时间段表示“00”00”；v 脉冲在第二个时间段表示脉冲在第二个时间段表示“01”01”；v 脉冲在第三个时间段表示脉冲在第三个时间段表示“10”10”；v 脉冲在第四个时间段表示脉冲在第四个时间段表示“11”11”。第二节第二节 调制与解调调制与解调v 调制调制 用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使载波的这些参量 随基带信号的变化而变化。随基带信号的变化而变化。v 大多数数字通信系统中，选择正弦信号作为载波。因为正弦信号大多数数字通信系统中，选择正弦信号作为载波。因为正弦信号 形式简单，便于产生和接

12、收。形式简单，便于产生和接收。v 数字调制数字调制一般有调幅、调频和调相三种基本形式。一般有调幅、调频和调相三种基本形式。v 模拟调制模拟调制是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信是对载波信号的参量进行连续调制，在接收端对载波信 号的调制参量进行连续的估值。号的调制参量进行连续的估值。v 数字调制数字调制是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在是用载波信号的某些离散状态来表征所传送的信息，在 接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。接收端对载波信号的离散调制参量进行检测。v 数字调制信号也被称为数字调制信号也被称为键控信号键控信号。第二节第二节 调制与解调调制与解调v 射频识

13、别系统采用的调制方法为数字调制，主要是射频识别系统采用的调制方法为数字调制，主要是振幅键控振幅键控（ASKASK）、）、 移频键控移频键控（FSKFSK）和）和移相键控移相键控（PSKPSK）。）。v 在射频通信中，必须将原始信号（基带信号）调制到射频载波上。其在射频通信中，必须将原始信号（基带信号）调制到射频载波上。其 原因是：原因是：v （1 1）在无线系统中，只有当）在无线系统中，只有当天线尺寸与波长可以比拟时天线尺寸与波长可以比拟时才能有效地辐才能有效地辐 射射频功率。射射频功率。v （2 2）在有线系统中，同轴线对于高频提供了有效的屏蔽，使得高频信）在有线系统中，同轴线对于高频提供了

14、有效的屏蔽，使得高频信 号不致于泄漏。号不致于泄漏。v （3 3）国际上，对于无线频谱有严格的管理和分配。在频谱拥挤的情况）国际上，对于无线频谱有严格的管理和分配。在频谱拥挤的情况 下，无线电高频可以提供较大的通信容量。下，无线电高频可以提供较大的通信容量。v （4 4）利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷，比如信）利用调制解调技术可以提供有效的方法来克服信道缺陷，比如信 道的加性噪声、失真和衰落等。道的加性噪声、失真和衰落等。第二节第二节 调制与解调调制与解调v 在通信中，通常会有基带信号和频带信号：在通信中，通常会有基带信号和频带信号：v 基带信号基带信号就是原始信号，这类信号

15、的频谱成份主要集中就是原始信号，这类信号的频谱成份主要集中 在零频附近；在零频附近；v 频带信号频带信号的频谱主要集中在载频附近。的频谱主要集中在载频附近。v 在射频通信中，频带信号的带宽远远小于载波频率，即在射频通信中，频带信号的带宽远远小于载波频率，即 对载波频率的相对带宽远小于对载波频率的相对带宽远小于1 1。 第二节第二节 调制与解调调制与解调v 解调或称为检波解调或称为检波 解调是从已调频带信号中提取出基带信号，同时使附加解调是从已调频带信号中提取出基带信号，同时使附加的噪声、失真和码间干扰等最小。的噪声、失真和码间干扰等最小。v 通信系统总的性能取决于调制器和解调器的设计。通信系统

16、总的性能取决于调制器和解调器的设计。v 调制器和解调器组合在一起称为调制解调器。调制器和解调器组合在一起称为调制解调器。第二节第二节 调制与解调调制与解调衡量调制方式好坏的主要性能指标有三种：衡量调制方式好坏的主要性能指标有三种： （1 1）良好的调制方式应该对噪声、干扰和信道失真有较）良好的调制方式应该对噪声、干扰和信道失真有较高的容限，这样可以使通信系统在较低的输入信噪比、较大高的容限，这样可以使通信系统在较低的输入信噪比、较大的干扰和信道失真下得到较好的输出信号质量，实际上就是的干扰和信道失真下得到较好的输出信号质量，实际上就是延长了通信距离。延长了通信距离。 （2 2）调制方式的频带利

17、用率）调制方式的频带利用率 由于射频资源有限，所以在保证传输速率和质量的条件由于射频资源有限，所以在保证传输速率和质量的条件下，使用带宽越小越好，这就是调制方式的频谱有效性。下，使用带宽越小越好，这就是调制方式的频谱有效性。 第二节第二节 调制与解调调制与解调衡量调制方式好坏的主要性能指标有三种：衡量调制方式好坏的主要性能指标有三种： （3 3）调制方式的功率有效性）调制方式的功率有效性 对于发射设备来说，不同的调制方式要求不同的高频功对于发射设备来说，不同的调制方式要求不同的高频功率放大器来放大已调制射频信号。有些已调制射频信号可以率放大器来放大已调制射频信号。有些已调制射频信号可以允许用非

18、线性放大器放大，不会造成传输信息损失。但是有允许用非线性放大器放大，不会造成传输信息损失。但是有些已调制射频信号必须用线性功率放大器放大，而非线性放些已调制射频信号必须用线性功率放大器放大，而非线性放大器的功率比线性放大器的功率高。所以调制方式的有效性大器的功率比线性放大器的功率高。所以调制方式的有效性是极为重要的。是极为重要的。第三节第三节 模拟调制模拟调制 模拟调制模拟调制 用连续基带信号使载波的某个参数（幅度、频率、相位）用连续基带信号使载波的某个参数（幅度、频率、相位）连续变化的调整方式。连续变化的调整方式。 当被调制的载波参数为幅度时，称为幅度调制；当被调制的载波参数为幅度时，称为幅

19、度调制； 当被调制的载波参数为频率或相位时，统称为角度调制。当被调制的载波参数为频率或相位时，统称为角度调制。一、幅度调制一、幅度调制1 1普通调幅（普通调幅（AMAM） 设载波信号为设载波信号为 ，调制信号为，调制信号为 ，并且并且 ，（，（ ， ），）， 。（1 1）调幅的定义）调幅的定义用调制信号用调制信号 控制载波幅度，使载波幅度按照调制信号的规律变化，控制载波幅度，使载波幅度按照调制信号的规律变化，即即 是由电路决定的常数，是由电路决定的常数， 称为调幅指数。称为调幅指数。 tVtvccmccos)(tVtvmcos)(cccf2F2mcmVV)(tv)cos1 (cos)()(tm

20、VtVkVtvkVtVacmmacmacmcmakcmmaaVVkm（2）调幅波（）调幅波（AM）的频谱）的频谱 从频域角度来描述调幅波时，主要看它的频谱成份和带宽。从频域角度来描述调幅波时，主要看它的频谱成份和带宽。 上式表明，它含有三条高频谱线，一条位于上式表明，它含有三条高频谱线，一条位于 处，幅度为处，幅度为 ；另外两条位于载频另外两条位于载频 两边，称为上下旁频，频谱分别是两边，称为上下旁频，频谱分别是 和和 ，幅度均为，幅度均为 。 由此可以看出：由此可以看出： （a a）调制的过程是频谱的线性搬移过程；）调制的过程是频谱的线性搬移过程； （b b）载频仍保持调制前的频率和幅度，因

21、此它没有反映调制信号）载频仍保持调制前的频率和幅度，因此它没有反映调制信号 的信息，在的信息，在AMAM调制中只有两个旁频携带了调制信号的信息。调制中只有两个旁频携带了调制信号的信息。 （3 3）调幅波（调幅波（AM）的带宽）的带宽 调幅波的带宽调幅波的带宽BW=2F，即为调制信号频率的两倍。，即为调制信号频率的两倍。tVmtVmtVtVccmaccmaccmc)cos(21)cos(21cos)(ccmVcccmaVm5 . 0c2抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSBSC）p 从节省功率的角度出发，将普通调幅波（从节省功率的角度出发，将普通调幅波（AMAM）中的载波抑制掉，即得

22、到）中的载波抑制掉，即得到抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSBSCDSBSC）。）。p 抑制载波的双边带信号的带宽与抑制载波的双边带信号的带宽与AMAM调幅波相同，即调幅波相同，即BW=2FBW=2F。p DSBSCDSBSC调制节省了功率，但是没有节省频带。调制节省了功率，但是没有节省频带。p DSBSCDSBSC信号的表达式为信号的表达式为 由上式可以看出，由上式可以看出，DSBSCDSBSC信号是调制信号与载波信号信号是调制信号与载波信号相乘相乘的结果，的结果，DSBSCDSBSC 信号的波形有两个特点：信号的波形有两个特点：p （a a）它的上下包络均不同于调制信号的变化

23、形状；）它的上下包络均不同于调制信号的变化形状；p （b b）在调制信号为零的两旁，由于调制信号的正负发生了变化，所以）在调制信号为零的两旁，由于调制信号的正负发生了变化，所以 已调波的相位在零点处发生了已调波的相位在零点处发生了180180的突变。的突变。ttVAVtvccmmcoscos)(tVAVtVAVccmmccmm)cos(21)cos(212抑制载波的双边带调幅（抑制载波的双边带调幅（DSBSC）tttttcccsinsincoscos)cos(tttttcccsinsincoscos)cos(3单边带调幅（单边带调幅（SSBSC）p DSBSC DSBSC 信号的两个边带是完全

24、对称的，每个边带都携带了信号的两个边带是完全对称的，每个边带都携带了相同的调制信号信息。从节省频带的角度出发，只需要发相同的调制信号信息。从节省频带的角度出发，只需要发射一个边带（上边带或下边带），因此得到单边带调幅。射一个边带（上边带或下边带），因此得到单边带调幅。p 单边带信号的带宽单边带信号的带宽 。与。与AMAM信号及信号及DSBSCDSBSC信号相信号相比，单边带信号频带缩减了一倍，且功率利用率提高了一比，单边带信号频带缩减了一倍，且功率利用率提高了一倍。倍。p SSBSCSSBSC信号的表达式为信号的表达式为12FFBWtVAVtvccmm)cos(21)(4调幅信号的产生调幅信号

25、的产生（1 1）AMAM和和DSBSCDSBSC 从频谱的角度来看，无论从频谱的角度来看，无论AMAM、DSBSCDSBSC和和SSBSCSSBSC，都是将调制信号的频，都是将调制信号的频谱不失真地搬移到载频两边。而实现频谱不失真搬移的最基本的方法是谱不失真地搬移到载频两边。而实现频谱不失真搬移的最基本的方法是在时域上将两个信号相乘。在时域上将两个信号相乘。图中，滤波器的中心频率为图中，滤波器的中心频率为 ， 带宽为带宽为2F2F。但在实际的应用中，由于但在实际的应用中，由于AMAM已调波已调波 的包络反映了调制信息，不适合于的包络反映了调制信息，不适合于 非线性功率放大器放大，为了在发非线性

26、功率放大器放大，为了在发 射机中应用高效率的非线性功率放射机中应用高效率的非线性功率放 大器，因此，大器，因此，AMAM一般在发射机的末一般在发射机的末 级进行，称为高电平调制。级进行，称为高电平调制。c（2 2）SSBSCSSBSC信号的产生信号的产生 产生产生SSBSCSSBSC信号有两种基本方法：一是滤波法；二是移相法。信号有两种基本方法：一是滤波法；二是移相法。 滤波法滤波法 由抑制载波的双边带信号中滤除一个下边带（或上边带）即可得单边由抑制载波的双边带信号中滤除一个下边带（或上边带）即可得单边 带信号。这个方法的难点在于滤波器的实现。当调制信号的最低频率带信号。这个方法的难点在于滤波

27、器的实现。当调制信号的最低频率 很小时，上下两边带的频差很小，这就要求滤波器的矩形系数几乎接很小时，上下两边带的频差很小，这就要求滤波器的矩形系数几乎接 近近1 1，导致了滤波器实现十分困难。，导致了滤波器实现十分困难。 移相法移相法 可以将单边带信号的表达式转换为两个双边带信号之和：可以将单边带信号的表达式转换为两个双边带信号之和：)sinsincos(cos21)cos(21ttttVAVtVAVVcccmmccmmSSBL)sinsincos(cos21)cos(21ttttVAVtVAVVcccmmccmmSSBH（2 2）SSBSCSSBSC信号的产生信号的产生 单边带信号可以采用下

28、图所示的移相法实现。单边带信号可以采用下图所示的移相法实现。5振幅解调振幅解调（1 1）相干解调）相干解调 振幅解调是从调幅波中恢复出低频调制信号，也称为检波。在频域上看，振幅解调是从调幅波中恢复出低频调制信号，也称为检波。在频域上看，振幅解调是把已调波的边带搬回到低频，也是属于线性频谱搬移，所以实现振幅解调是把已调波的边带搬回到低频，也是属于线性频谱搬移，所以实现的基本方法仍然是在时域上将两信号相乘，并通过滤波器滤出所需要的信号。的基本方法仍然是在时域上将两信号相乘，并通过滤波器滤出所需要的信号。这种方法称为相干解调，也被称为同步检这种方法称为相干解调，也被称为同步检波。相干解调需要一个与已

29、调波的载波同波。相干解调需要一个与已调波的载波同频同相的参考信号。相干解调的关键点是频同相的参考信号。相干解调的关键点是必须保证参考信号与已调波的载波同频同必须保证参考信号与已调波的载波同频同相，否则会引起失真。相，否则会引起失真。相干解调是一种性能优良的解调方式，但相干解调是一种性能优良的解调方式，但其难点在于同步信号的获取，它的实现电其难点在于同步信号的获取，它的实现电路比较复杂。路比较复杂。5振幅解调振幅解调 （2 2）包络检波）包络检波 包络检波是其输出的电压直接反映输入高频信号包络包络检波是其输出的电压直接反映输入高频信号包络变化的解调电路，它的电路结构非常简单，而且不需要同变化的解

30、调电路，它的电路结构非常简单，而且不需要同步信号，属于非相干解调。但由于只有普通调幅（步信号，属于非相干解调。但由于只有普通调幅（AMAM）波）波的包络与调制信号成正比，而的包络与调制信号成正比，而DSBSCDSBSC与与SSBSCSSBSC波，它们的包波，它们的包络不直接反映调制信号的变化，所以包络检波只适用于络不直接反映调制信号的变化，所以包络检波只适用于AMAM波的解调。波的解调。二、模拟调频二、模拟调频用调制信号去控制高频载波的频率称为调频（用调制信号去控制高频载波的频率称为调频（FMFM），）， 用调制信号去控制高频载波的相位称为调相（用调制信号去控制高频载波的相位称为调相（PMPM

31、），）， 调频和调相都表现为高频载波的瞬时相位随调制信号调频和调相都表现为高频载波的瞬时相位随调制信号 的变化而变化，总称角度调制。的变化而变化，总称角度调制。一般说来，模拟调频比模拟调相应用广泛。一般说来，模拟调频比模拟调相应用广泛。 1 1调频波的基本性质调频波的基本性质（1 1）调频和调相的定义）调频和调相的定义 设高频载波为设高频载波为 ，调制信号为，调制信号为 。 调频定义为高频载波的瞬时频率随着低频调制信号的变化而变化，则调频定义为高频载波的瞬时频率随着低频调制信号的变化而变化，则 是由电路决定的常数。是由电路决定的常数。 调相定义为高频载波的瞬时相位随着低频调制信号的变化而变化，

32、则调相定义为高频载波的瞬时相位随着低频调制信号的变化而变化，则 其中，其中， 称为最大相移，它仅与调制信号的幅度有关，与其频称为最大相移，它仅与调制信号的幅度有关，与其频 率无关。率无关。tVtvccmccos)(tVtvmcos)(ttVktvktmcmfcfccoscos)()(fkmpmVktttVkttvkttmcmpcpccoscos)()(（2 2）调频波的表达式）调频波的表达式 调频波的相位变化规律为调频波的相位变化规律为 其中，调频波的相位变化与调制信号的积分成正比，最大相移为其中，调频波的相位变化与调制信号的积分成正比，最大相移为 ， 它不仅与调制信号的幅度有关，而且反比于调制信号的频率。因此，调频它不仅与调制信号的幅度有关，而且反比于调制信号的频率。因此，调频 波的表达式为波的表达式为 定义最大相移定义最大相移 为调频指数为调频指数 ，即，即 同样，调相波可以表示为同样，调相波可以表示为 同时定义最大相移同时定义最大相移 为调相指数为调相指数 。)coscos()(cos)(tVktVtVtvmpccmcmfmmtVktdttVkdtttmfcmfcsincos)()()sincos