射频识别技术RFID Technology第5章 RFID系统的编码、调制与解调第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.1、通信与通信系统5.2、基带中的编码5.3、模拟调制与解调5.4、数字调制与解调5.1、通信与通信系统人类在生活、生产和社会活动中总是伴随着消息（或信息）的传递，这种传递消息（或信息）的过程就叫做通信。通信系统是指完成通信这一过程的全部设备和传输媒介，一般可概括为如下图所示的模型： 图1 通信系统模型第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.1、通信与通信系统信息源（简称信源）：把各种消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。发送设备：产生适合于在信道中传输的信号。信道：将来自发送设备的信号传送到接收端的物理媒质。分为有线信道和无线信道两大类。噪声源：集中表示分布于通信系统中各处的噪声。接收设备：从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。 受信者（信宿）：把原始电信号还原成相应的消息，如扬声器等。第5章 RFID系统的编码、调制与解调模拟信号：代表消息的信号参量取值连续，例如麦克风输出电压：数字信号：代表消息的信号参量取值为有限个，例如电报信号、计算机输入输出信号：第5章 RFID系统的编码、调制与解调 (a) 话音信号 (b) 抽样信号 图2 模拟信号 (a) 二进制信号 (b) 2PSK信号 图3 数字信号5.1、通信与通信系统通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。可见，在模拟通信系统中，发送设备简化为调制器，接收设备简化为解调器，主要是强调在模拟通信系统中调制的重要作用。第5章 RFID系统的编码、调制与解调图4 模拟通信系统模型5.1、通信与通信系统数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性以及完成模/数转换 ；信道编码与译码目的：增强抗干扰能力；加密与解密目的：保证所传信息的安全；数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 ；同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 。 第5章 RFID系统的编码、调制与解调图5 数字通信系统模型5.1、通信与通信系统射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足了通信功能的基本要求。读写器和电子标签之间的数据传输构成了与该基本通信模型相类似的结构。按照从读写器到电子标签的数据传输方向，呈现出以下基本结构（从电子标签到读写器的数据传输与此类似），图6 射频识别系统的基本通信结构框图第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.1、通信与通信系统信号编码系统是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能够尽可能最佳的与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰撞。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）。解调器用于解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码系统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。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.2、基带中的编码常用的数据编码方式有反向不归零编码（NRZ，Non Return Zero）、曼彻斯特编码（Manchester）、单极性归零编码（Unipolar RZ）、差动双相编码（DBP）、米勒编码（Miller）、变形米勒编码、差动编码、脉冲-间歇编码、脉冲位置编码（PPM，Pulse Position Modulation）等方式。下面对这些编码方式进行简单地介绍，假设这些码型是以矩形脉冲为基础的，且消息代码由二进制符号0、1组成。第5章 RFID系统的编码、调制与解调（1）反向不归零编码（NRZ，Non Return Zero）反向不归零编码用高电平表示二进制“1”，低电平表示二进制“0”，如下图所示：图7 反向不归零编码此码型不宜传输，有以下原因a)有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；b)接收端判决门限与信号功率有关，不方便使用；c)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；d)要求传输线有一根接地。第5章 RFID系统的编码、调制与解调（2）曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split-Phase Coding）。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（上升或下降）来表示的，在半个比特周期时的负跳变表示二进制“1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制“0”，如下图所示：图8 曼彻斯特编码第5章 RFID系统的编码、调制与解调（2）曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调制时，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的错误。这是因为在比特长度内，“没有变化”的状态是不允许的。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，导致在整个比特长度内是不间断的负载波信号，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位置。第5章 RFID系统的编码、调制与解调（3）单极性归零编码（Unipolar RZ）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制“1”，而持续整个比特周期内的低电平信号表示二进制“0”，如下图所示，单极性归零编码可用来提取位同步信号。图9 单极性归零编码第5章 RFID系统的编码、调制与解调（4）差动双相编码（DBP）差动双相编码在半个比特周期中的任意的边沿表示二进制“0”，而没有边沿就是二进制“1”，如下图所示。此外在每个比特周期开始时，电平都要反相。因此，对于接收器来说，位节拍比较容易重建。图10 差动双相编码第5章 RFID系统的编码、调制与解调（5）米勒编码（Miller）米勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0”。一连串的比特周期开始时产生电平交变，如下图所示，因此，对于接收器来说，位节拍也比较容易重建。图11 米勒编码第5章 RFID系统的编码、调制与解调（6）变形米勒编码变形米勒编码相对于米勒编码来说，将其每个边沿都用负脉冲代替，如下图所示。由于负脉冲的时间很短，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。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电子标签的数据传输。（7）差动编码在差动编码中，每个要传输的二进制“1”都会引起信号电平的变化，而对于二进制“0”，信号电平保持不变。图12 差动编码 第5章 RFID系统的编码、调制与解调（8）脉冲间歇编码对于脉冲间歇编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t则表示二进制“0”，如下图所示。图13 脉冲间歇编码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标签的数据传输，由于脉冲转换时间很短，所以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频标签供给能量。第5章 RFID系统的编码、调制与解调（9）脉冲位置编码（PPM，Pulse Position Modulation）脉冲位置编码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。其中，脉冲在第一个时间段表示“00”， 第二个时间段表示“01”， 第三个时间段表示“10”， 第四个时间段表示“11”， 如右图所示。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调通常基带信号具有较低的频率分量，不宜通过无线信道传输。因此，在通信系统的发送端需要由一个载波来运载基带信号，也就是使载波的某个参量随基带信号的规律而变化，这一过程称为（载波）调制。载波受调制以后称为已调信号，它含有基带信号的全部特征。在通信系统的接收端则需要有解调过程，其作用是将已调信号中的原始基带信号恢复出来。调制和解调过程对通信系统是至关重要的，因为调制解调方式在很大程度上决定了系统可能达到的性能。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调调制的基本作用是频率搬移。概括起来，调制主要有如下几个目的：频率搬移。调制把基带信号频谱搬移到一定的频率范围，以适应信道传输要求。实现信道复用。一般每个被传输信号占用的带宽小于信道带宽，因此，一个信道同时只传一个信号是很浪费的，此时信道工作在远小于其传输信息容量的情况下。然而通过调制，使各个信号的频谱搬移到指定的位置，从而实现在一个信道里同时传输许多信号。改善系统性能。根据信息论一般原理可知，宽带通信系统一般表现出较好的抗干扰性能。将信号变换，使它占据较大的带宽，它将具有较强的抗干扰性。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调调制信号有模拟信号和数字信号之分，因此根据输入调制信号的不同，调制可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制是指输入调制信号为幅度连续变化的模拟量；数字调制是指输入调制信号为幅度离散的数字量。载波的参数有幅度、频率和相位，因此根据载波的参数变化不同，调制可以分为幅度调制、频率调制和相位调制。幅度调制是指载波信号的振幅参数随调制信号的大小而变化；频率调制是指载波信号的频率参数随调制信号的大小而变化；相位调制是指载波信号的相位参数随调制信号的大小而变化。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调常见的模拟调制有幅度调制和角度调制；根据频谱特性的不同，通常可以把幅度调制分为标准调幅（AM）、抑制载波双边带调幅（DSB）、单边带调幅（SSB）等。（1）标准调幅（AM）假设载波信号为 ，调制信号为 ，并且第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（1）标准调幅（AM）就是用调制信号 控制载波幅度 ，使载波幅度按照调制信号的规律变化，即：其中ka是由电路决定的常数，ma为调幅指数，且 调制信号 已调信号第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（1）标准调幅（AM）从频域角度来描述调幅波时，主要看它的频谱成分和带宽。上式表明，它含有三条高频谱线，一条位于c处，幅度为Vcm；另外两条位于载频c两边，称为上下旁频，频谱分别是c+和c-，幅度均为0.5maVcm。由此可以看出调制的过程是频谱的线性搬移过程，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AM调制中只有两个旁频携带了调制信号的信息。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（1）标准调幅(AM)标准调幅的频谱图如右图所示:由频谱图可以看出，AM信号的 频谱由载频分量、上边带、下边带 三部分组成。上边带的频谱结构与原调制 信号的频谱结构相同，下边 带是上边带的镜像。载频分量载频分量上边带上边带下边带下边带第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（2）抑制载波的双边带调幅（DSBSC）在标准调幅波中，载波本身并不携带有用信息，却占据了一半以上的功率。在正弦调制下，100%调制时的最大可能效率仅有33%。若再考虑到实际系统的平均调制度还小于100%，因此实际效率更低，这是标准调幅的最大缺点。但可以设想，既然载波分量不携带消息，就可以将它完全抑制掉，将有效的功率全部用到边带传输上去，从而提高了调制效率。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（2）抑制载波的双边带调幅（DSBSC）根据同样的信号假设，则DSBSC信号的表达式为由上式可以看出DSBSC信号是调制信号与载波信号相乘的结果，DSBSC信号的波形有两个特点：它的上下包络均不同于调制信号的变化形状；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180度的突变。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（2）抑制载波的双边带调幅（DSBSC）双边带调幅的频谱图如右图所示： 从频谱图可以看出，双边带 调幅不含有载波分量，节省 了载波功率。但是该种调制方式不能使用 包络检波解调，只能使用 相干解调，较为复杂。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（3）单边带调幅（SSBSC）DSBSC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，只需要发射一个边带（上边带或下边带），因此得到单边带调幅。与AM信号及DSBSC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倍。按照同样的信号假设，则SSBSC信号的表达式为：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（1）AM与DSBSC信号的产生从频谱的角度看，无论AM、DSBSC和SSBSC，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在时域上将两个信号相乘，如下图所示：图中，滤波器的中心频率为c，带宽为2F。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（2）SSBSC信号的产生产生SSBSC信号有两种基本方法：一是滤波法，一是移相法。a)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）即可得单边带信号。右图为通过滤波法得到的单边带信号的频谱图。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调（2）SSBSC信号的产生b）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：因此单边带信号可以采用课本图5.14的方法实现。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调振幅解调a）相干解调：相干解调器的一般模型如下图所示：相干解调器原理：为了无失真地恢复原基带信号，接收端必须提供一个与接收的已调载波严格同步（同频同相）的本地载波（称为相干载波），它与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器取出低频分量，即可得到原始的基带调制信号。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调振幅解调b）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变化的解调电路，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。但是由于只有标准调幅（AM）波的包络与调制信号成正比，而DSBSC和SSBSC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AM波的解调。包络检波的结构如下图所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调角度调制是频率调制和相位调制的总称。频率调制简称调频(FM)，就是用调制信号去控制高频载波的频率；相位调制简称调相(PM)，就是用调制信号去控制高频载波的相位。这两种调制中，载波的幅度都保持恒定，而频率和相位的变化都表现为载波瞬时相位的变化。与幅度调制技术相比，角度调制最突出的优势是其较高的抗噪声性能。 第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调假设高频载波信号为 ，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，则其中kf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，则其中 称为最大相移，它仅与调制信号的幅度有关，与其频率无关。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调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 ，它不仅与调制信号的幅度有关，而且反比与调制信号的频率。因此，调频波的表达式为定义最大相移为调频指数mf，即同理，调相波可以表示为第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调调频（FM）与调相（PM）波形第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.3、模拟调制与解调调频信号的产生直接调频法：用调制信号直接控制调制器的频率，使其频率跟随调制信号而变化。如下图所示：间接调频法：用调制信号的积分值去控制调相电路，使其输出相位与控制信号成正比，由于频率是相位的微分，因此输出信号的频率与调制信号成正比，从而实现了调频。如下图所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调数字调制：即把数字基带信号调制到正弦载波的某个参数上，使得载波的参数（幅度、频率、相位）随数字基带信号的变化而变化，这是一个频谱搬移的过程。数字调制可分为二进制调制和多进制调制。 下面主要介绍二进制调制。通过开关键控载波，通常称为键控法。基本键控方式有二进制幅度键控(2ASK)、二进制频率键控(2FSK)、二进制相位键控(2PSK)。第5章 RFID系统的编码、调制与解调 振幅键控 频移键控 相移键控5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）2ASK信号的一般表达式为：其中 ，Ts为码元持续时间，g(t)为持续时间为Ts的基带脉冲波形，通常假设是高度为1，宽度等于Ts的矩形脉冲； an 表示第N个符号的电平取值，则波形图如下所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）2ASK的产生方法有两种，一种是模拟调制法（相乘器法），一种是键控法，分别如下图所示： 相乘器法 键控法第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）2ASK信号解调方法也有两种，一种是非相干解调，一种是相干解调。 第5章 RFID系统的编码、调制与解调455.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK） 非相干解调过程的时间波形如下图所示： 第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）2ASK信号可以表示成 ，式中 s(t) 表示二进制单极性随机矩形脉冲序列。假设Ps (f)表示s(t)的功率谱密度，P2ASK (f) 表示2ASK信号的功率谱密度，则由上式可得：由上式可见，2ASK信号的功率谱是基带信号功率谱Ps (f)的线性搬移（属线性调制）。所以知道了Ps (f)即可确定P2ASK (f) 。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）根据相关理论可知，单极性的随机脉冲序列功率谱的一般表达式为式中fs = 1/Ts，G(f)是单个基带信号码元g(t)的频谱函数。则对于全占空矩形脉冲序列，根据矩形波形g(t)的频谱特点，对于所有的m不等于0的整数，有故上式可简化为第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）将其代入可得：当概率P =1/2时，并考虑到则2ASK信号的功率谱密度为：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）2ASK信号的功率谱密度示意图如下图所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调505.4、数字调制与解调（1）二进制幅度键控（2ASK）从以上分析及上图可以看出： 2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两部分组成；连续谱取决于g(t)经线性调制后的双边带谱，而离散谱由载波分量确定。 2ASK信号的带宽是基带信号带宽的两倍，若只计谱的主瓣（第一个谱零点位置），则有式中 fs = 1/Ts即2ASK信号的传输带宽是码元速率的两倍。 第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控(2FSK)在2FSK中，载波的频率随二进制基带信号在f1和f2两个频率点间变化。其典型的波形图如下图所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）由图可见，2FSK 信号的波形(a)可以分解为波形(b)和波形（c），也就是说，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加。因此，2FSK信号的时域表达式又可写成：式中g(t)表示单个矩形脉冲，Ts 表示脉冲持续时间， n和n分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位，通常可令其为零。因此，2FSK信号的表达式可简化为：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）其中 ，2FSK信号的产生方法也有两种，一种是模拟调频法，另一种是键控法，键控法示意图如下所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调545.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）2FSK信号的解调方法a）非相干解调第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）2FSK信号的解调方法b） 相干解调第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）对相位不连续的2FSK信号，可以看成由两个不同载频的2ASK信号的叠加，它可以表示为其中，s1(t)和s2(t)为两路二进制基带信号。据2ASK信号功率谱密度的表示式，不难写出这种2FSK信号的功率谱密度的表示式：令概率P = 0.5，只需将2ASK信号频谱中的fc分别替换为f1和f2，然后代入上式，即可得到下式： 第5章 RFID系统的编码、调制与解调 其曲线如右图：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（2）二进制频率键控（2FSK）由上图可以看出，相位不连续2FSK信号的功率谱由连续谱和离散谱组成。其中，连续谱由两个中心位于f1和f2处的双边谱叠加而成，离散谱位于两个载频f1和f2处；连续谱的形状随着两个载频之差的大小而变化，若|f1 f2| fs ，则出现双峰；若以功率谱第一个零点之间的频率间隔计算2FSK信号的带宽，则其带宽近似为其中，fs = 1/Ts为基带信号的带宽。图中的fc为两个载频的中心频率。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（3）二进制相位键控（2PSK）在2PSK中，通常用初始相位0和分别表示二进制“1”和“0”。因此，2PSK信号的时域表达式为：式中，n表示第n个符号的绝对相位：因此，上式可以改写为第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（3）二进制相位键控（2PSK）由于两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号可以表述为一个双极性全占空矩形脉冲序列与一个正弦载波的相乘：式中这里，g(t)是脉宽为Ts的单个矩形脉冲，而an的统计特性为即发送二进制符号“0”时（an取+1），e2PSK(t)取0相位；发送二进制符号“1”时（ an取 -1）， e2PSK(t)取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（3）二进制相位键控（2PSK）2PSK信号的典型波形如下图所示：2PSK信号的产生方法也有两种：第5章 RFID系统的编码、调制与解调2PSK信号的解调方法常用的是相干检测法：波形图如下所示：第5章 RFID系统的编码、调制与解调5.4、数字调制与解调（3）二进制相位键控（2PSK）比较2ASK信号的表达式和2PSK信号的表达式：2ASK：2PSK：可知，两者的表示形式完全一样，区别仅在于基带信号s(t)不同（an不同），前者为单极性，后者为双极性。因此，我们可以直接引用2ASK信号功率谱密度的公式来表述2PSK信号的功率谱，即应当注意，这里的Ps(f)是双极性矩形脉冲序列的功率谱。第5章 RFID系统的编码、调制与解调由相关理论可知，双极性的全占空矩形随机脉冲序列的功率谱密度为将其代入上式得：若P =1/2，并考虑到矩形脉冲的频谱：则2PSK信号的功率谱密度为第5章 RFID系统的编码、调制与解调功率谱密度曲线从以上分析可见，二进制相移键控信号的频谱特性与2ASK的十分相似，带宽也是基带信号带宽的两倍。区别仅在于当P=1/2时，其谱中无离散谱（即载波分量），此时2PSK信号实际上相当于抑制载波的双边带信号。因此，它可以看作是双极性基带信号作用下的调幅信号。第5章 RFID系统的编码、调制与解调