物联网射频识别(RFID)技术与应用---第5章

物联网射频识别（RFID）技术与应用第5章编码与调制点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用读写器与电子标签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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映信号与信道5.1编码与调制5.2RFID常用的编码方法5.3RFID常用的调制方法5.4物联网射频识别（RFID）技术与应用点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用信号与信道5.1点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.1.1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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.模拟信号和数字信号模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。数字信号是指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。EPC码（二进制码）就是一种数字信号。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用数字信号较模拟信号有许多优点，RFID系统常采用数字信号。RFID系统数字信号的主要特点如下。（1）信号的完整性（2）信号的安全性（3）便于存储、处理和交换（4）设备便于集成化、微型化（5）便于构成物联网点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.时域和频域时域的自变量是时间，时域表达信号随时间的变化。频域的自变量是频率，频域表达信号随频率的变化。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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.信号工作方式（1）时序系统在时序系统中，从电子标签到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，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。（2）全双工系统（3）半双工系统点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.通信握手通信握手要解决通信双方的工作状态、数据同步和信息确认等问题。（1）优先通信阅读器和电子标签谁先讲的问题。有源系统，双方都可先讲，无源、半有源是读写器先讲。（2）数据同步采用串行方式的空间通信。（3）信息确认RFID的通信协议常采用自动连续重发，接收方比较数据后丢掉错误数据，保留正确数据点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.1.2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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用信道容量的概念任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元：在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。。点击此处结束放映2020/8/18•失真不严重•失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)数字信号通过实际的信道物联网射频识别（RFID）技术与应用1.信道带宽信号所拥有的频率范围叫做信号的频带宽度，简称为带宽。（5.1）12ffBW点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.信道传输速率信道传输速率就是数据在传输介质（信道）上的传输速率。数据传输速率的单位为比特/秒，记做bps或b/s。1kbps=103bps1Mbps=103kbps1Gbps=103Mbps点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.波特率与比特率（1）波特率：每秒钟传输的波特数。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。（2）比特率（3）波特率与比特率的关系比特率=波特率（5.2）M为用来表示一个码元的状态数的电平数M2log点击此处结束放映2020/8/18传输比特流10011100……10011100…………2bit一组4种幅度,1个码元携带2bit信息,n=log2M(M码元状态数)t3210物联网射频识别（RFID）技术与应用4.信道容量（1）奈奎斯特(Nyquist)定理理想低通信道的最高码元传输速率：N=2BW点击此处结束放映2020/8/18（2）具有理想低通矩形特性的信道无噪声的情况下这种信道的最高数据传输速率为（5.4）[例]一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？MBWC2log22020/8/18（3）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道这种情况的信道容量为（5.5）[例]一个数字信号通过两种物理状态经信噪比为20dB的3kHz带宽的信道传送，其数据率不会超过多少？解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比S/N=100C=3000log2(1+100)=30006.66=19.98kbit/s数据率不会超过19.98kbit/s)1(log2NSBWC物联网射频识别（RFID）技术与应用编码与调制5.2点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图5.2数字通信系统的模型点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.2.1编码与解码1.信源编码与解码（1）提高信息传输的有效性（2）完成模/数转换点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.信道编码与解码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠性而进行的编码。信道解码是信道编码的逆过程。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.保密编码与解码保密编码是对信号进行再变换，即为了使信息在传输过程中不易被人窃译而进行的编码。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.2.2调制与解调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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.信号需要调制的原因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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.信号调制的方法在无线通信中，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。（1）调幅（2）调频（3）调相点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID常用的编码方法5.3点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用二进制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。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.3.1编码格式1.反向不归零（NRZ）编码反向不归零编码用高电平表示二进制的1，用低电平表示二进制的0。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.曼彻斯特（Manchester）编码在曼彻斯特编码中，用电压跳变的相位不同来区分1和0，其中从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.单极性归零（UnipolarRZ）编码单极性归零码，当发1码时发出正电流，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0码时，完全不发送电流。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用4.差动双相（DBP）编码5.米勒（Miller）编码6.差动编码点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.3.2编码方式的选择因素1.编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源在RFID系统中，由于使用的电子标签常常是无源的，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，经常要求编码在每两个相邻数据位元之间具有跳变的特点，这种相邻数据间有跳变的信道编码方式首先保证了读写器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。即码型变换丰富的编码方式有利于保证电子标签能量供应不中断。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力为保障系统工作的可靠性，必须在编码中提供数据一级的校验保护，编码方式应该提供这一功能，并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。如曼彻斯特编码每个bit位中间跳变，如收到的信息位中间没跳变，即可认为收到错误码。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用3.编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取在电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟，读写器发出的编码方式应该能够使电子标签容易提取时钟信息。如曼彻斯特编码每个bit位中间跳变，可以提取跳变时钟来维持信息传输的同步。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.3.3编码方式Matlab/Simulink仿真方法1.Matlab/Simulink软件。2.Simulink使用简介是一个功能强大而且非常易用的动态系统软件仿真工具，利用该软件可以完成RFID编码方式的仿真。利用Simulink库中的资源，可以封装RFID通信系统中常见的信道编码模块。可以基于这些封装的编码模块，仿真信道编码的抗干扰能力，即仿真RFID编码的检错能力。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用RFID常用的调制方法5.4点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用数字基带信号往往具有丰富的低频分量，必须用数字基带信号对载波进行调制，而不是直接传送数字基带信号，以使信号与信道的特性相匹配。用数字基带信号控制载波，把数字基带信号变换为数字已调信号的过程称为数字调制，RFID主要采用数字调制的方式。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用5.4.1数字调制数字信号有离散取值的特点，数字调制技术利用数字信号的这一特点，通过开关“键控”载波，从而实现数字调制。数字信息有二进制与多进制之分，数字调制也分为二进制调制与多进制调制。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用1.载波载波是指被调制以传输信号的波形，载波一般为正弦振荡信号，正弦振荡的载波信号可以表示为（5.6）载波被调制以后，载波的振幅、频率或相位就随信号的变化而变化。)cos()(tAtvc点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用2.振幅键控调幅是指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。振幅键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）是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”。点击此处结束放映物联网射频识别（RFID）技术与应用图5.9振幅键控的时间波形点击此处结束放映01010101:maaaaaaaa载波振荡的振幅按二进制编码在和两种状态之间切换，其中表示“1?状态;表示“0?状态;已调波的键控度定义为：二进制振幅键控：信号的产生方法通常有两种：一种是用模拟乘法器实现的模拟调制法