第3章编码和调制

《RFID技术基础》利节第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真信号信号是消息的载体，在通信系统中消息以信号的形式从一点传送到另一点。信号分为模拟信号和数字信号，RFID系统主要处理的是数字信号。信号可以从时域和频域两个角度来分析，在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。信道

信道可以分为两大类，一类是电磁波在空间传播的渠道，如短波信道、微波信道等；另一类是电磁波的导引传播渠道，如电缆信道、波导信道等。RFID的信道是具有各种传播特性的空间，所以RFID采用无线信道。调制与解调

为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用较高频率的信号。在无线通信中，调制是指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波参数的过程。调制的目的是把传输的模拟信号或数字信号，变换成适合信道传输的信号，这就意味着要把信源的基带信号，转变为一个相对基带频率而言非常高的频带信号。

阅读器与应答器之间消息的传递是通过电信号实现的。原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码，这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。

对RFID系统来说，阅读器和应答器之间的通信主要包括了5个功能模块。数字信号（基带信号、信号编码、信号处理）和调制器（载波回路）、传输介质（信道）以及解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。编码是用不同形式的代码来表示二进制的1和0。按照数字编码方式，可以将编码划分为单极性码和双极性码。单极性码使用正（或负）的电压表示数据；双极性码1为反转，0为保持零电平。按照信号是否归零，还可以将编码划分为归零码和非归零码，归零码在码元中间信号回归到0电平；非归零码遇1电平翻转，遇0电平不变。

在RFID系统选择一种合适的信号编码方式时，最重要的是调制后的信号频谱以及对传输错误的敏感度。对无源标签来说，不允许因信号编码与调制方法的不适当而导致能量供应的中断。

常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码（NRZ码）2、曼切斯特码（Manchester码）3、单极性归零码（UnipolarRZ码）4、差分双相码（DBP码）5、密勒码（Miller码）6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码（PP码）常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码：高电平代表二进制符号“1”，低电平代表二进制符号“0”，在整个码元期间电频能够保持不变。2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码：在半个比特周期内从高电平到低电平的跳变代表二进制符号“1”，而从低电平到高电平的跳变代表二进制符号“0”。在采用副载波的负载调制时经常用于从应答器到阅读器的数据传输。3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码：在第一个半比特周期中的高电平表示二进制符号“1”，而持续整个比特周期的低电平表示二进制“0”。4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码：在半比特周期中任意的跳变表示二进制符号“0”，而无跳变则表示二进制符号“1”。在每一比特周期开始时，电平都要反相。5、密勒码6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码：“1”要求码元起点电平与其前一个相邻码元的末相电平一致，并且在码元时隙的中点位置有极性跳变，要根据具体情况。“0”分两种情况，单个“0”码的电平取其前一个码元的末相，并且在整个码元时隙中电平不变，遇到连续“0”时相邻两个“0”码在边界处要有跳变。6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码：相对于密勒码，在每个边沿都被一个负脉冲取代。7、差分码8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码7、差分码：每个要传输的二进制“1”将引起信号电平的改变，而二进制“0”时信号电平保持不变。可以有NRZ码生成。8、脉冲-间隙码常用码型（以10110010为例）1、反向不归零码2、曼切斯特码3、单极性归零码4、差分双相码5、密勒码6、变形密勒码7、差分码8、脉冲-间隙码：在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制符号“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t表示二进制符号“0”。常在电感耦合的射频识别系统中用于阅读器到应答器的数据传输。练习画出10011010的7种编码方式的脉冲波形图常用码型（10011010）1、反向不归零码：高电平代表二进制符号“1”，低电平代表二进制符号“0”，在整个码元期间电频能够保持不变。2、曼切斯特码：在半个比特周期内从高电平到低电平的跳变代表二进制符号“1”，而从低电平到高电平的跳变代表二进制符号“0”。3、单极性归零码：在第一个半比特周期中的高电平表示二进制符号“1”，而持续整个比特周期的低电平表示二进制“0”。4、差分双相码：在半比特周期中任意的跳变表示二进制符号“0”，而无跳变则表示二进制符号“1”。在每一比特周期开始时，电平都要反相。5、密勒码：“1”要求码元起点电平与其前一个相邻码元的末相电平一致，并且在码元时隙的中点位置有极性跳变，要根据具体情况。“0”分两种情况，单个“0”码的电平取其前一个码元的末相，并且在整个码元时隙中电平不变，遇到连续“0”时相邻两个“0”码在边界处要有跳变。6、变形密勒码：相对于密勒码，在每个边沿都被一个负脉冲取代。7、差分码：每个要传输的二进制“1”将引起信号电平的改变，而二进制“0”时信号电平保持不变。可以有NRZ码生成。8、脉冲-间隙码：在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制符号“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t表示二进制符号“0”。10011010数字基带信号波形第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真在RFID中，为使阅读器在读取数据时能很好地解决同步的问题，往往不直接使用数据的NRZ码对射频进行调制，而是将数据的NRZ码进行编码变换后再对射频进行调制。所采用的变换编码主要有曼切斯特码、密勒码和修正密勒码等。曼彻斯特（Manchester）码

（1）编码方式1码是前半位为高，后半位为低；0码是前半位为低，后半位为高。NRZ码和数据时钟进行异或便可得到曼切斯特码。(P77图3.5)起始位信息位流结束位编码器电路（2）编码器由于上升沿和下降沿的不理想，简单的采用NRZ码异或所得结果会产生尖峰脉冲（P77），改进后电路图采用了一个D触发器74HC74，从而消除了尖峰脉冲的影响。曼彻斯特（Manchester）码

曼彻斯特码编码器时序波形图示例曼彻斯特（Manchester）码曼切斯特码用于应答器芯片，若应答器上有微控制器（MCU），则PR端电平可由MCU控制。若应答器芯片为存储卡，则PR端电平可有存储器数据输出状态信号控制。（P77图3.63.7和表3.1）曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：采用曼切斯特码传输数据信息时，起始位采用1码，结束位采用无跳变低电平。当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件实现曼切斯特码的编码。曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：采用曼切斯特码传输数据信息时，起始位采用1码，结束位采用无跳变低电平。当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件实现曼切斯特码的编码。eg:NRZ码10010转换成曼切斯特码曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：采用曼切斯特码传输数据信息时，起始位采用1码，结束位采用无跳变低电平。当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件实现曼切斯特码的编码。eg:NRZ码10010转换成曼切斯特码10100101100100曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：采用曼切斯特码传输数据信息时，起始位采用1码，结束位采用无跳变低电平。当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件实现曼切斯特码的编码。练习:NRZ码101101转换成曼切斯特码曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：采用曼切斯特码传输数据信息时，起始位采用1码，结束位采用无跳变低电平。当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。在使用曼切斯特码时，只要编号1，0和结束位的子程序，也可以软件实现曼切斯特码的编码。练习:NRZ码101101转换成曼切斯特码1010011010011000曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。解码：首先判断起始位，其码序位10，然后将读入的10和01组合转换成NRZ码的1和0，若读到00组合，则表示收到结束位，11组合是非法码。曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。解码：首先判断起始位，其码序位10，然后将读入的10和01组合转换成NRZ码的1和0，若读到00组合，则表示收到结束位，11组合是非法码。练习:曼切斯特码101010100101011000转换成NRZ码曼彻斯特（Manchester）码（4）软件实现方法编码：当输出数据1的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码10；当输出数据0的曼切斯特码时，可输出对应的NRZ码01，结束位的对应NRZ码为00。解码：首先判断起始位，其码序位10，然后将读入的10和01组合转换成NRZ码的1和0，若读到00组合，则表示收到结束位，11组合是非法码。练习:曼切斯特码101010100101011000转换成NRZ码1110001密勒（Miller）码

（1）编码方式密勒码的逻辑0的电平和前位有关，逻辑1虽然在中间有跳变，但上跳还是下跳取决于前位结束时的电平。

起始位为1，结束位为0，数据位流包括传送数据和它的检验码。

起始位数据位流结束位（2）编码器倒相的曼切斯特码作为D触发器74HC74的CLK信号，用上跳沿触发，触发器的Q输出端输出的是密勒码。密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.流程图P80图3.14

eg:NRZ码10110010转化为密勒码密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.流程图P80图3.14

eg:NRZ码10110010转化为密勒码1000011000111000密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.流程图P80图3.14

练习：NRZ码110011转化为密勒码密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.流程图P80图3.14

练习：NRZ码110011转化为密勒码1001100011100100密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.

解码：由阅读器MCU完成。首先应判断起始位，在读出电平由高到低的跳变沿时，便获取了起始位，然后对以2倍数据时钟频率读入的位值进行每两位一次转换：01和10都转换为1，00和11都转换为0.密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.

解码：由阅读器MCU完成。首先应判断起始位，在读出电平由高到低的跳变沿时，便获取了起始位，然后对以2倍数据时钟频率读入的位值进行每两位一次转换：01和10都转换为1，00和11都转换为0.

练习：密勒码1000011000111000转换为NRZ码值密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.

解码：由阅读器MCU完成。首先应判断起始位，在读出电平由高到低的跳变沿时，便获取了起始位，然后对以2倍数据时钟频率读入的位值进行每两位一次转换：01和10都转换为1，00和11都转换为0.

练习：密勒码1000011000111000转换为NRZ码值10110010密勒（Miller）码（3）软件实现方法编码：密勒码1表示为10或01，密勒码0表示11或00.

解码：由阅读器MCU完成。首先应判断起始位，在读出电平由高到低的跳变沿时，便获取了起始位，然后对以2倍数据时钟频率读入的位值进行每两位一次转换：01和10都转换为1，00和11都转换为0.

练习：密勒码1000011000111000转换为NRZ码值10110010

注：密勒码停止位的电位是随着前位的不同而不同的，既可能是00，也可能是11.密勒（Miller）码在RFID的ISO/IEC14443标准中规定，载波频率为13.56MHz；在从阅读器向应答器的数据传输中，ISO/IEC14443标准的TYPEA中采用修正密勒码方式对载波进行调制。修正密勒码TYPEA中定义如下三种时序：1）时序X：在64/fc处，产生一个Pause。2）时序Y：在整个位期间（128/fc）不发生调制。3）时序Z：在位期间的开始产生一个Pause。

修正密勒码（1）编码方式

TYPEA中定义如下三种时序：1）时序X：在64/fc处，产生一个Pause。2）时序Y：在整个位期间（128/fc）不发生调制。3）时序Z：在位期间的开始产生一个Pause。修正密勒码的编码规则如下：1）逻辑1为时序X。2）逻辑0为时序Y。3）通信开始用时序Z表示。4）通信结束用逻辑0加时序Y表示。5）无信息用至少两个时序Y表示。6）若相邻有两个或更多0，则从第二个0开始采用时序Z。7）直接与起始位相连的所有0，用时序Z表示。P81图3.15修正密勒码（1）编码方式

解码时序波形图示例

修正密勒码（2）解码器（添加内容）

第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真脉冲调制是将数据的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。

载波：在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为加载，这样一个固定频率的波称为载波。

载波通常是一个高频正弦振荡信号。

载波：在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为加载，这样一个固定频率的波称为载波。

载波通常是一个高频正弦振荡信号。eg,声音信号的频率范围约为20Hz-20kHz，如果直接发送，则需要非常大的天线，只有馈送到天线上的信号波长和天线的尺寸可以比拟时，天线才能有效地辐射和接收电磁波。

载波：在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号与一个固定频率的波进行相互作用，这个过程称为加载，这样一个固定频率的波称为载波。

载波通常是一个高频正弦振荡信号。

不同的载波频率可以使多个无线通信系统同时工作，避免了相互干扰。例如，手机通信。脉冲调制是将数据的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。

主要的调制方式有：振幅键控(ASK)频移键控(FSK)相移键控(PSK)

振幅键控(AmplitudeShiftKeying，ASK)振幅键控是载波的频率和相位不变，载波的振幅随调制信号的变化而变化，利用载波的幅度变化传递数字信息。在二进制数字调制中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制的“1”和“0”。已调波的调制度（也称键控度）：振幅键控(AmplitudeShiftKeying，ASK)A和B的值如图，mA表示了调制深度，mA=100%时载波信号出现短缺。在阅读器向应答器传输信息时，常需一定调幅度的ASK调制。eg1：在ISO/IEC14443标准中，TYPEB的阅读器向应答器传输信息时，采用10%调幅度的ASK调制。（P97图3.39）eg2：在ISO/IEC14443标准中，TYPEA中阅读器向应答器传输信息时，100%ASK调幅度的修正密勒码调制。（P97图3.41）振幅键控(AmplitudeShiftKeying，ASK)频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）

频移键控是利用载波的频率变化传递数字信息，是对载波的频率进行键控。二进制频移键控载波的频率只有两种变化状态，载波的频率在f0和f1两个频率点变化，分别对应二进制信息的“1”和“0”。频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）

FSK调制方式用于频率低于135kHz（射频载波频率为125kHz）的情况。常用于阅读器中。

频移键控（FrequencyShiftKeying，FSK）

FSK调制方式用于频率低于135kHz（射频载波频率为125kHz）的情况。常用于阅读器中。

RFID芯片中FSK通常由多种模式，如e5551芯片中有4种模式。PSK调制方式通常有两种：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。

相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）

对于二进制，绝对调相记为2PSK，相对调相记为2DPSK。在PSK中，是以一个固定的参考相位脉冲波为基准的，解调时要有一个参考相位的脉冲波。若参考相位出现“倒相”，则恢复的NRZ码就会发生0码和1码反向。而在DPSK系统中，编码只与相对相位有关，而与绝对相位无关。相移键控（PhaseShiftKeying，PSK）

第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真在正弦波调制中，载波采用正弦高频信号，而不是前述的脉冲调制中的脉冲串信号。经过调制后的高频振荡信号称为已调波信号。如果受控参数是高频振荡的振幅，则这种调制称为振幅调制（AM），简称为调幅。如果受控参数是高频振荡的频率或相位，则这种调制称为频率调制或相位调制，简称为调频（FM）或调相（PM），并统称为调角。无线广播中需要将声音信号“搭乘”到更高频率上去传输。在RFID系统中，和通常无线通信情况不同的是，正弦载波除了是信息的载体外，在无源应答器中还具有提供能量的作用。调幅（添加内容）调幅是指载波的频率和相位角不变，载波的振幅按照调制信号的变化规律变化。调幅可以通过调制信号和载波信号相乘实现。振幅调制模型

调幅、调频和调相波形图

PSK系统性能优于ASK和FSK,具有较高的频带利用率，并在误码率、信号平均功率等方面比ASK好，但其解调只能采用比较复杂的相干解调技术，因此，对于电感耦合方式的RFID系统，采用ASK的居多。第三章编码与调制

信号和编码RFID中常用的编码器脉冲调制正弦波调制负载调制传输损耗与失真当应答器向阅读器传输信息时，负载调制是主要采用的方法。负载调制又可分为电阻负载调制和电容负载调制。开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，二进制数据编码信号用于控制开关S的通断。电阻负载调制

当二进制数据编码信号为1时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联；当二进制数据编码信号为0时，开关S断开，应答器负载电阻为RL。显然，并联电阻值远远小于RL。次级回路等效电路中的端电压：电阻负载调制

RLm为负载电阻RL和负载调制电阻Rmod的并联值。当进行负载调制时，RLm<RL，VCD电压下降。因此次级回路由于Rmod的接入，负载加重，Q值降低，谐振回路两端电压下降。（a）是应答器上控制开关S的二进制数据编码信号，（b）是应答器电感线圈上的电压波形，（c）是阅读器电感线圈上的电压波形，（d）是对阅读器电感线圈上的电压解调后的波形。电阻负载调制

应答器的二进制数据编码信号通过电阻负载调制方法送到了阅读器，电阻负载调制过程是一个调幅过程。电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod.

电容负载调制

通过定性分析，电容Cmod的接入是应答器电感线圈上的电压下降，从而是阅读器电感线圈上的电压上升。电容负载调制

Rmod的接入不改变应答器回路的谐振频率，因此阅读器和应答器回路在工作频率下处于谐振状态。而Cmod接入后，应答器回路失谐，其反射电抗也会引起阅读器回路的失谐，电感线圈L1两端电压不仅幅度变化，相位也变化。电容负载调制

Rmod的接入不改变应答器回路的谐振频率，因此阅读器和应答器回路在工作频率下处于谐振状态。而Cmod接入后，应答器回路失谐，其反射电抗也会引起阅读器回路的失谐，电感线圈L1两端电压不仅幅度变化，相位也变化。

电容负载调制时，数据信息的传输过程基本相同，只是阅读器线圈两端电压会产生相位调制的影响。因此在采用电容负载调制时，应答器的天线电路谐振频率不应低于阅读器天线电路的谐振频率。 国际标准ISO14443的负载调制测试用的PICC电路

（P97图3.38） 应答器谐振回路由线圈L和电容器CV1组成，其谐振电压经桥式整流器VD1-VD4整流，并用齐纳二极管VD5稳压在3V左右。副载波信号（874kHz）可通过跳线选择Cmod1或Rmod1进行负载调制。由曼彻斯特码或NRZ码进行ASK或BPSK副载波调制。P97图3.40

功率放大器功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量，它是阅读器重要的组成部分。阅读器中的功率放大电路采用谐振功率放大器。功率放大电路功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量，它是阅读器重要的组成部分。阅读器中的功率放大电路采用谐振功率放大器。按照电流的流通角的不同，分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C类（或称丙类）三类工作状况。功率放大电路A类放大器电流的流通角约为360°，适用