第3讲RFID的编码调制和校验

1、第3讲 RFID的编码和调制 RFID系统的基本通信模型l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。l 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。 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

2、归零（NRZ）编码、曼彻斯特（曼彻斯特（ManchesterManchester）编码）编码、单极性归零（RZ）编码、差动双相（DBP）编码、密勒（密勒（MillerMiller）编码）编码和差动编码。1、曼彻斯特（曼彻斯特（ManchesterManchester）编码）编码编码器电路 曼彻斯特码编码器时序波形图注：ISO18000-6 TYPEB 读写器到标签之间采用的是曼彻斯特编码密勒码编码规则 bit(i-1)bit i密勒码编码规则1bit i的起始位置不变化，中间位置跳变00bit i的起始位置跳变，中间位置不跳变10bit i的起始位置不跳变，中间位置不跳变2、密勒码编码密勒码（

3、Miller）也称延迟调制码，是一种变形双向码。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 TYPE A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。 逻辑逻辑“1”1”选择时序选择时序X X；逻辑；逻辑“0”0”选择时序选择时序Y Y。但有两种情况

4、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/IEC 14443标准（近耦合非接触式IC卡标准），TYPE A中采用修正密勒码方式对载波进行调制。假设输入数据为01 1010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

5、序Z通信结束用逻辑0加时序Y4、FM0编码FM0（即Bi-Phase Space）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：ISO18000-6 typeA 由标签向阅读器的数据发送采用FM0编码 5、PIE编码PIE（Pulse interval encoding）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

6、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：ISO18000-6 typeA 由阅读器向标签的数据发送采用PIE编码 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必须在编码中

7、提供数据一级的校验保护的校验保护，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。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。l主要的调制方式为频移键控FSK和

8、相移键控PSK。 二、RFID调制13FSK FSK脉冲调制波形 14PSK1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。 2、数字调制l 数字调制的概念 l 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数字调制，反之，称为数字解调。l 数字调制的分类 l 在二进制时分为：振幅键控（振幅键控（ASKASK）、频移键控）、频移键控（FSKFSK）、相移键控

9、（）、相移键控（PSKPSK）。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。二进制振幅键控信号时间波型载波信号2ASK信号s(t)1011Tb001ttt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调制深度调制深度BAmA=（A-B）/（A+B）*100%二进制移频键控信号的时间波形aak1011001ts(t)ts(t)bttcdettfgt2FSK信号注：该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。 原始信息原始信息tt2PSKt载波载波100110二进

10、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。 20l脉冲调幅波 用于动物识别的代码结构和技术准则 ISO 11784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，TYPE A采用改进的Miller编码方式，调制深度为100%的ASK信号；TYPE B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。TYPE A采用开关键控（On-Off

11、keying）的Manchester编码；TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。 ISO 15693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%， 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）、424 kHz（13.56MHz/32）212 kHz（13.56MHz/64）。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

12、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。25l差错 l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。 l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。 l混合错误 正确比特流00111000 接收比特流01100100 异或错误图样 01011100 突发错误长度b=5 26l差错控制l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 。l反馈重发（ARQ

13、）、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。 27l检纠错码 l信息码元与监督码元 信息码元 k 监督码元r 28l检纠错码的分类 奇偶校验l奇偶校验码是一种奇偶校验码是一种最简单而有效最简单而有效的数据校验方法。的数据校验方法。l实现方法实现方法: : 在每个被传送码的左边或

14、右边加上在每个被传送码的左边或右边加上1 1位奇偶校验位位奇偶校验位0 0或或1, 1, 若采用奇校验位若采用奇校验位, , 只需把每个编码中只需把每个编码中1 1的个数凑成奇数的个数凑成奇数; ; 若若采用偶校验位采用偶校验位, , 只要把每个编码中只要把每个编码中1 1的个数凑成偶数。的个数凑成偶数。l检验原理检验原理: : 这种编码能发现这种编码能发现1 1个或奇数个错个或奇数个错, , 但因码距较小但因码距较小, , 不能不能实现错误定位。实现错误定位。l对奇偶校验码的评价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

15、奇偶校验码的检错能力较低，但对出误定位和纠错能力。尽管奇偶校验码的检错能力较低，但对出错概率统计错概率统计, , 其中其中70708080是是1 1位错误位错误, , 另因奇偶校验码实现简另因奇偶校验码实现简单单, , 故它还是一种应用最广泛的校验方法。故它还是一种应用最广泛的校验方法。l实际应用中实际应用中, , 多采用奇校验多采用奇校验, , 因奇校验中不存在全因奇校验中不存在全“0”0”代码代码, , 在在某些场合下更便于判别。某些场合下更便于判别。 000010001000100001110100001011011010111010000100111010110110110011101

16、01110011111奇偶校验的校验方程l设设7 7位信息码组为位信息码组为C C7 7C C6 6C C5 5C C4 4C C3 3C C2 2C C1 1, , 校验码为校验码为C C0 0 , ,则对偶校验则对偶校验, , 当当满足满足lC C7 7CC6 6CC5 5CC4 4CC3 3CC2 2CC1 1CC0 00 0 （1 1） 时时, , 为合法码为合法码; ; 对奇校验对奇校验, , 当满足当满足lC C7 7CC6 6CC5 5CC4 4CC3 3CC2 2CC1 1CC0 0 1 1 （2 2） 时时, , 为合法码。这里的为合法码。这里的表示模表示模2 2相加。相加。

17、l对于偶校验对于偶校验, , 合法码字应满足合法码字应满足 n n C Ci iCC0 00 0 （3 3） i-1i-1l对于奇校验对于奇校验, , 合法码字应满足合法码字应满足 n n C Ci iCC0 01 1 （4 4） i-1i-1注意注意: :公式公式(1)(2)(1)(2)为奇偶校验位为奇偶校验位的生成方程的生成方程; ;公式公式(3)(4)(3)(4)为校验方程。为校验方程。31lRFID中的差错检测 lCRC码（循环冗余码） 较强的检错能力，硬件实现简单l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

18、的TYPE A采用CRC-A，计算时循环移寄存器的初始值为6363H；TYPE B采用CRC-B，循环位移寄存器的初始值为FFFFH。循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check ,CRC) lCRCCRC码是一种检错、纠错能力很强的数据校验码码是一种检错、纠错能力很强的数据校验码, , 主要用于网络、同主要用于网络、同步通信及磁表面存储器等应用场合。步通信及磁表面存储器等应用场合。1 1循环冗余校验码的编码方法循环冗余校验码的编码方法l循环冗余校验码由两部分组成循环冗余校验码由两部分组成, , 左边为信息位左边为信息位, , 右边为校验位。若信右边为校验位。若信息位为息位为

19、N N位位, , 校验位为校验位为K K位位, , 则该校验码被称为则该校验码被称为(N(NK, N)K, N)码。码。l编码步骤编码步骤如下：如下：(1)(1)将待编码的将待编码的N N位有效信息位表示为一个位有效信息位表示为一个n n1 1阶的多项式阶的多项式M(X)M(X)。(2)(2)将将M(X)M(X)左移左移K K位位, , 得到得到M(X).XM(X).Xk k（K K由预选的由预选的K K1 1位的生成多项式位的生成多项式G(X)G(X)决定）。决定）。(3)(3)用一个预选好的用一个预选好的K K1 1位的位的G(X)G(X)对对M(X).XM(X).Xk k作模作模2 2除

20、法。除法。(4)(4)把左移把左移K K位后的的有效信息位与余数作位后的的有效信息位与余数作模模2 2加法加法, , 形成长度为形成长度为N NK K的的CRCCRC码。码。 M(X).XM(X).Xk kR(X) R(X) Q(X).G(X) Q(X).G(X) 信息位校验位N位K位循环冗余校验码的格式M(X)X Xk k G(X)Q(X)R(X)G(X)举例例例: :选择生成多项式为选择生成多项式为G(X)G(X)X X4 4X X1(10011),1(10011),请把请把8 8位有效信息位有效信息1111011111110111编码成编码成CRCCRC码。码。 解：解：步骤步骤1 1：

21、M(X) M(X) X X7 7X X6 6+ X+ X5 5X X4 4 + X+ X2 2X X1 1 +1 +1 11110111 11110111 步骤步骤2 2: M(X). X: M(X). X4 4 111101111111011100000000 ( ( 即左移即左移4 4位）位） 步骤步骤3 3：模：模2 2除，除，M(X)XM(X)X4 4G(X)G(X) 111101111111011100000000 10011100111110010111100101111111111001110011，即，即R(X)R(X)11111111步骤步骤4 4：模：模2 2加，得到循环冗

22、余码为加，得到循环冗余码为M(X)XM(X)X4 4R(X) R(X) 111101111111011100000000 11111111 11110111111101110000000011111111 纠错原理 由于由于M(X).XM(X).Xk kQ(X). G(X)Q(X). G(X)R(X)R(X)，根据模，根据模2 2加的规则加的规则M(X). XM(X). Xk k R(X)R(X)Q(X).G(X)Q(X).G(X)R(X)R(X)R(X)R(X)Q(X).G(X)Q(X).G(X)上式表明上式表明, , 合法的合法的CRCCRC码应当能被生成多项式整除。码应当能被生成多项式整除。若若CRCCRC码不能码不能被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错。被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错。 4672616E7A4672616E7AE580E5800发送数据接收数据CRCCRC校验生成多项式的选择l生成多项式被用来生成生成多项式被用来生成CRC