第七章-编码与调制

第七章编码与调制RFID系统的核心功能是实现读写器与电子标签之间的信息传输。以读写器向电子标签的数据传输为例，被传输的信息分别需要经过读写器中的信号编码、调制，然后经过传输介质（无线信道），以及电子标签中的解调和信号解码。本章将具体介绍RFID系统常用的编码和调制方法。7.1RFID系统的通信过程数字通信系统是利用数字信号来传输信息的通信系统，如图所示。信源编码与信源译码的目的是提高信息传输的有效性以及完成模/数转换等；信道编码与信道译码的目的是增强信号的抗干扰能力，提高传输的可靠性；数字调制是改变载波的某些参数，使其按照将要传输信号的特点变化而变化的过程，通过将数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。7.1RFID系统的通信过程在RFID系统中，读写器和电子标签之间的数据传输方式与基本的数字通信系统结构类似。读写器与电子标签之间的数据传输是双向，这里以读写器向电子标签传输数据为例说明其通信过程。读写器中信号经过信号编码、调制器及传输介质（无线信道），以及电子标签中的解调器和信号译码等处理，如图所示。RFID系统通信结构框图（以读写器向电子标签发送数据为例）7.1RFID系统的通信过程1.解码与编码信号编码的作用是对发送端要传输的信息进行编码，使传输信号与信道相匹配，防止信息受到干扰或发生碰撞。根据编码目的不同，可分为信源编码和信道编码。1）信源编码与信源解码信源编码是对信源输出的信号进行变换，信源解码是信源编码的逆过程。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，相邻数据间的码跳变不仅可以在连续出现“0”时保证对电子标签的能量供应，且便于电子标签从接收码中提取时钟信息。2）信道编码与信道解码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，目的是前向纠错，是为了区分通路、适应信道条件以及提高通信可靠性而进行的编码。数字信号在信道传输时会受到噪声等因素影响引起差错，为了减少差错，发送端的信道编码器对信号码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成抗干扰编码。接收端的信道编码器按相应的逆规则进行解码，从而发现或纠正错误，提高传输可靠性。7.1RFID系统的通信过程2.调制与解调调制器用于改变高频载波信号，使得载波信号的振幅、频率或相位与要发送的基带信号相关。解调器的作用是解调获取到的信号，以重现基带信号。信号需要调制的因素包括：1）工作频率越高带宽越大要使信号能量能以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化。2）工作频率越高天线尺寸越小只有当馈送到天线上的信号波长和天线的尺寸可以相比拟时，天线才能有效地辐射或接收电磁波。波长λ和频率f的关系为c=m/s/cf83107.1RFID系统的通信过程如果信号的频率太低，则无法产生迅速变化的电场和磁场，同时它们的波长又太大，如20000Hz频率下波长仍为15000m，实际中是不可能架设这么长的天线。因此，要把信号传输出去，必须提高频率，缩短波长。常用的一种方法是将信号“搭乘”在高频载波上，即高频调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去。3）信道复用一般每个需要传输的信号占用的带宽都小于信道带宽，因此，一个信道可由多个信号共享。但是未经调制的信号很多都处于同一频率范围内，接收端难以正确识别，一种解决方法是将多个基带信号分别搬移到不同的载频处，从而实现在一个信道里同时传输许多信号，提高信道利用率。7.2RFID信源编码方法信源编码是指将模拟信号转换成数字信号，或将数字信号编码成更适合传输的数字信号。RFID系统中读写器和电子标签所存储的信息都已经是数字信号了，本书介绍编码均为数字信号编码。在实际应用的RFID系统中，选择编码方法的考虑因素有很多。如无源标签需要在与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，信道编码方式必须保证不中断读写器对电子标签的能量供应。数据编码一般又称为基带数据编码，常用的数据编码方法有反向不归零编码、曼彻斯特编码、密勒编码、修正密勒编码等。7.2RFID信源编码方法典型的编码方式7.2RFID信源编码方法1.反向不归零编码反向不归零编码（NRZ）用高电平表示二进制“1”，低电平表示二进制“0”。反向不归零码一般不宜用于实际传输，主要有以下原因：（1）存在直流分量，信道一般难以传输零频附近的频率分量；（2）接收端判决门限与信号功率有关，使用不方便；（3）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；（4）要求传输线中有一根接地。在RFID系统应用中，为了能很好地解决读写器和电子标签通信时的同步问题，往往不使用数据的反向不归零编码直接对射频信号进行调制，而是将数据的反向不归零码进行某种编码后再对射频信号进行调制，所采用的编码方法主要有曼彻斯特编码、密勒码和修正密勒码等。7.2RFID信源编码方法2.曼彻斯特编码曼彻斯特编码也称为分相编码，某位的值由半个位周期（50%）的电平变化（上升/下降）来表示。在半个位周期时的负跳变（即电平由1变为0）表示二进制“1”，正跳变表示二进制“0”。在采用副载波的副载调制或者反向散射调制时，曼彻斯特编码通常用于从电子标签到读写器方向的数据传输，这有利于发现数据传输的错误。比如，当多个电子标签同时发送的数据位有不同值时，接收的上升边和下降边互相抵消，导致在整个位长度副载波信号是不跳变的，但由于该状态是不允许的，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，其时钟同步信号隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间跳变既可作为时钟信号，又可作为数据信号，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。7.2RFID信源编码方法3．密勒（Miller）编码密勒编码规则：对于原始符号“1”，用码元起始不跳变而中心点出现跳变来表示，即用10或01表示；对于原始符号“0”，则分成单个“0”还是连续“0”予以不同的处理，单个“0”时，保持“0”前的电平不变，即在码元边界处电平不跳变，在码元中间点电平也不跳变对于连续两个“0”，则使连续两个“0”的边界处发生电平跳变。Biti−1Biti编码规则00Biti的起始位置发生跳变，中间位置不跳变01Biti的起始位置不跳变，中间位置发生跳变10Biti的起始位置不跳变，中间位置也不跳变11Biti的起始位置不跳变，中间位置发生跳变7.2RFID信源编码方法3．密勒（Miller）编码密勒解码方法：以2倍时钟频率读入位值后再判决解码。首先，读出0→1的跳变后，表示获得了起始位，然后每两位进行一次转换：01和10都译为1，00和11都译为0。密勒码停止位的电位随前一位的不同而变化，即可能为00，也可能为11，因此，为保证起始位的一致，停止位后必须规定位数的间歇。此外，在判别时若结束位为00，后面再读入也为00，则可判知前面一个00为停止位。但若停止位为11，则再读入4位才为0000，而实际上，停止位为11，而不是第一个00。解决此问题的办法就是预知传输的位数或以字节为单位传输，这两种方法在RFID系统中均可实现。7.2RFID信源编码方法4.修正密勒码修正密勒码是ISO/IEC14443（Type-A）规定使用的从读写器到电子标签的数据传输编码。以ISO/IEC14443（Type-A）为例，修正密勒码的编码规则为：每位数据中间有个窄脉冲表示“1”，数据中间没有窄脉冲表示“0”，当有连续的“0”时，从第二个“0”开始在数据的起始部分增加一个窄脉冲。该标准还规定起始位的开始处也有一个窄脉冲，而结束位用“0”表示。如果有两个连续的位开始和中间部分都没有窄脉冲，则表示无信息。该规则描述为：Type-A首先定义如下三种时序：时序X：在64/f处产生一个凹槽；时序Y：在整个位期间（128/f）不发生调制；时序Z：在位期间的开始处产生一个凹槽。其中，f为载波频率，即13.56MHz，凹槽脉冲的时间长度为0.5～3.0μs，用这三种时序对数据帧进行编码即修正密勒码。7.2RFID信源编码方法4.修正密勒码修正密勒码编码规则：（1）逻辑1为时序X。（2）逻辑0为时序Y。但两种情况除外：若相邻有两个或者更多的0，则从第二个0开始采用时序Z；直接与起始位相连的所有0，用时序Z表示。（3）数据传输开始时用时序Z表示。（4）数据传输结束时用逻辑0加时序Y表示。（5）无信息传输时用至少两个时序Y表示。假设输入数据为011010，则图（a）所示原理图中有关部分的波形如图（b）所示。其中，波形c实际上是曼彻斯特编码的反相波形，用它的上升沿输出便产生了密勒码，而用其上升沿产生一个凹槽就是修正密勒码。7.2RFID信源编码方法7.3差错控制编码（信道编码）在读写器与电子标签的无线通信中，最主要的干扰因素是信道噪声和多标签操作，这些干扰会导致传输的信号发生畸变，从而使传输出现错误。为了提高数字传输系统的可靠性，有必要采用差错控制编码，对可能或者已经出现的差错进行控制。采用恰当的信道编码，能显著提高数据传输的可靠性，从而使数据保持完整性。差错控制编码的基本实现方法是在发送端将被传输的信息附上一些监督码元，这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束）。接收端则按照既定规则校验信息码元与监督码元之间的关系，差错会导致信息码元与监督码元的关系受到破坏，因而接收端可以发现错误乃至纠正错误。7.3差错控制编码（信道编码）差错控制编码的相关概念1.信息码元与监督码元信息码元又称为信息序列或信息位，这是发送端由信源编码得到的被传输的信息数据比特，通常用K来表示。在二元码的情况下，由信息码元组成的信息码组为k个，不同信息码元取值的组合共有2k个。监督码元又称为监督位或者附加数据比特，这是为了检纠错码而在信道编码时加入的判断数据位。监督码元通常以r来表示，即有如下关系:n=k+r式中，经过分组编码后的总长为n位，其中信息码长（码元数）为k位，监督码长（码元数）为r位，通常称其为n的码字。2.许用码组与禁用码组若码组中的码元数位为n，在二元码的情况下，总码组数位2n个。其中被传输的信息码组为2k个，称为许用码组，其余的2n−2k个码组不予传输，称为禁用码组。寻求某种规则从总码组中选出许用码组是发送端编码的主要任务，而接收端解码的任务是利用相应的规则来判断及校正收到的码字符合许用码组。3.编码效率编码效率是衡量编码性能好坏的一个重要参数，具体表示为码字中信息位占总码元数的比例。编码效率的高低，直接影响信道中用来传输信息码元的有效利用率。编码效率的计算公式为编码效率是衡量纠错码性能的一个重要指标，一般情况下，监督位越多（即r越大），检纠错能力越强，但相应的编码效率也随之降低了。kkRnkr7.3差错控制编码（信道编码）4.码字、码组、码长、码重与码距码字由若干个码元组成，如10011001。码组是多个码字构成的集合，如{001100，001010，011101，001011，101011}。码长是指码组中编码的总位数，例如，码组“01001”的码长为5，码组“100101”的码长为6。码组中非“0”码元的数目，即“1”码元的个数，称为码组的重量，简称码重，常用W表示，如码组“11101”的码重为4W，码组“110101”的码重也为4W，它反映一个码组中“0”和“1”的比重。所谓码元距离就是两个等长码组之间对应码位上码元不同的个数，简称码距，也称为汉明距。码距反映的是码组之间的差异程度，如00和01两组码的码距为1，011和100的码距为3。那么，多个码组之间相互比较，可能会有不同的码距，其中的最小值被称为最小码距（用d0表示），它是衡量编码纠/检错能力的重要依据。例如，010、101、110三个码组相比较，码距有1、2和3三个值，则最小码距为d0=1。7.3差错控制编码（信道编码）5.系统码与非系统码在线性分组码中，所有码组的k位信息码元在编码前后保持原来形式的码称为系统码，反之就是非系统码。系统码与非系统码在性能上大致相同，而且系统码的编/译