2.2 RFID的编码、调制与解调

2.2.1 编码与解码

编码是为了达到某种目的而对信号进行的一种变换，相反过程一般称为解码或译码。根据编码的目的不同，编码理论有信源编码、信道编码和保密编码3种，主要应用在数字通信技术、自动控制技术和计算机技术等领域。

1.信源编码与解码

信源编码是对信源输出的信号进行变换，即将需要转换的模拟信号通过采样、量化变成数字信号，然后对数据压缩以提高信号传输的有效性而进行的编码。信源解码则是信源编码的逆过程。信源编码的主要功能正如其定义一样，包括模数转换和提高信息传输的有效性。通常采用某种数据压缩技术，减少码元数目和降低码元速率。码元速率决定传输占用的带宽，而通信的有效性则是通过传输带宽来体现。

2.信道编码与解码

信道编码是对信源编码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。信道编码的主要目的是前向纠错，增强数字信号的抗干扰能力。数字信号在信道传输时受到噪声等影响会引起差错，为了减小差错，信道编码器对传输的信道码元按照一定的规则加入保护成分（监督码元），组成抗干扰编码。接收端的信道解码器按照相应的逆规则进行解码，从中发现错误或纠正错误，以提高通信的可靠性。

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。保密编码的目的是为了隐藏敏感信息，一般采用乱置、替换或两种都有的方法实现，这种处理过程又称为加密。保密解码是保密编码的逆过程，保密解码利用与发送端相同的密码复制品，接收端接收数据，实施解密恢复信息的过程。

2.2.2 RFID常用编码

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基本通信模型相类似的结构。读写器与电子标签之间的数据传输需要3个主要功能块，如图2-6所示。按读写器到电子标签的数据传输方向，RFID结构顺序为读写器（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）。RFID系统最终要完成的功能是对数据的获取，在系统内的数据交换有两个方面的内容，即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。

射频识别系统的基本通信结构框图如图2-6所示。信号编码系统的作用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地与信道相匹配，这样的处理包括了对信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞以及对某些信号特性的蓄意改变。调制器用于改变高频载波信号，即使载波信号的振幅、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）。解调器的作用是解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进行译码，恢复原来的信息，并识别和纠正传输错误。

1.RFID数据传输常用编码格式

RFID系统一般采用二进制编码，二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的“0”和“1”。射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种，即反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零编码、差动双相（DBP）编码、米勒（Miller）编码和差动编码。

（1）反向不归零（Non Return Zero，NRZ）编码

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”，以二进制字符串“101100101001011”为例进行编码（即NRZ编码），如图2-7所示。

这种编码方式仅适合近距离传输信息，原因如下。

1）有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量。

2）收端判决门限与信号功率有关，不方便使用。

3）不包含位同步成分，不能直接用来提取同步信号。

（2）曼彻斯特（Manchester）编码

曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split Phase Coding）。在曼彻斯特编码中，某位的值是由该位长度内半个位周期时电平的变化（上升/下降）来表示的，在半个位周期时的负跳变表示二进制“1”，半个位周期时的正跳变表示二进制“0”，二进制字符串“101100101001011”编码（即曼彻斯特编码）如图2-8所示。

曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或反向散射调制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，这有利于发现数据传输的错误。这是因为在位长度内，“没有变化”的状态是不允许的。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，导致在整个位长度内是不间断的副载波信号，由于该状态不被允许，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。

（3）单极性归零（Unipolar RZ）编码

单极性归零编码用在第一个半个位周期中的高电平表示二进制“1”，而用持续整个位周期内的低电平信号表示二进制“0”，二进制字符串“101100101001011”编码（即单极性归零编码）如图2-9所示。单极性归零编码可用来提取位同步信号。

（4）差动双相（DBP）编码

差动双相编码在半个位周期中的任意边沿表示二进制“0”，而没有边沿就是二进制“1”，二进制字符串“101100101001011”编码（即差动双相编码）如图2-10所示。此外，在每个位周期开始时，电平都要反相。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。

（5）米勒（Miller）编码

米勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个位周期中不变的电平表示二进制“0”。位周期开始时产生电平交变，二进制字符串“101100101001011”编码（即米勒编码）如图2-11所示。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。

（6）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，二进制字符串“101100101001011”编码（即差动编码），如图2-12所示。

2.选择编码方法的考虑因素

通常在RFID系统中使用的电子标签是无源的，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。另外，作为保障系统可靠工作的需要，还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。

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的时候对电子标签的能量供应，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存在信道中的干扰，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检测错误的能力。

2.2.3 调制与解调

在无线电技术中，调制与解调占有十分重要的地位。假如没有调制与解调技术，就没有无线电通信，没有广播和电视，也没有手机、传真、计算机通信及国际互联网等。

调制是使一个信号（如光、高频电磁振荡等）的某些参数（如振幅、频率等）按照另一个欲传输的信号（如声音、图像等）的特点变化的过程。例如某中波广播电台的频率为540kHz，这个频率是指载波的频率，它是由高频电磁振荡产生的等幅正弦波频率，用所要传播的语言或音乐信号去改变高频振荡的幅度，使高频振荡的幅度随语言或音乐信号的变化而变化，这个控制过程就称为调制。其中语言或音乐信号称为调制信号，调制后的载波就载有调制信号所包含的信息，称为已调波。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。调制的过程用于通信系统的发端，调制就是把基带信号的频谱搬移到信道通带中的过程。经过调制的信号称为已调信号，已调信号的频谱具有带通的形式，已调信号称为带通信号或频带信号。在接收端需将已调信号还原成原始信号，解调是将信道中的频带信号恢复为基带信号的过程。

调制在无线电发信机中应用最广。图2-13所示为发信机的原理框图。高频振荡器负责产生载波信号，把要传送的信号与高频振荡信号一起送入调制器后，高频振荡被调制，经放大后由天线以电磁波的形式辐射出去。其中调制器有两个输入端和一个输出端。这两个输入分别为被调制信号和调制信号。一个输出就是合成的已调制的载波信号。例如，最简单的调制就是把两个输入信号分别加到晶体管的基极和发射极，集电极输出的便是已调信号。

为什么要用语言或音乐信号去控制高频振荡呢？原来要使信号的能量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；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。可是超过20kHz的高频信号，人耳就听不见了。为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。

按照被调制信号参数的不同，调制的方式也不同。如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称为调幅；如果被控制的参数是高频振荡的频率或相位，则称这种调制方式为频率调制或相位调制，简称调频或调相（调频与调相又统称调角）。

幅度调制的特点是载波的频率始终保持不变，振幅却是变化的。其幅度变化曲线与要传递的低频信号是相似的。它的振幅变化曲线称为包络线，代表了要传递的信息。幅度调制在中、短波广播和通信中使用甚多。幅度调制的不足是抗干扰能力差，因为各种工业干扰和天电干扰都会以调幅的形式叠加在载波上，成为干扰和杂波。

解调是调制的逆过程，它的作用是从已调波信号中取出原来的调制信号。对于幅度调制来说，解调是从它的幅度变化提取调制信号的过程。例如收音机里对调幅波的解调通常是利用二极管的单向导电特性，将调幅高频信号去掉一半，再利用电容器的充放电特性和低通滤波器滤去高频分量，就可以得到与包络线形状相同的音频信号。解调示意图如图2-14所示。对于频率调制来说，解调是从它的频率变化中提取调制信号的过程。频率解调要比幅度解调复杂，用普通检波电路是无法解调出调制信号的，必须采用频率检波方式，如各类鉴频器电路。

2.2.4 RFID常用的调制方法

读写器与电子标签之间传递信息，首先需要编码，然后通过调制解调器调制，最后通过无线信道相互传送信息。一般来说，数字基带信号往往具有丰富的低频分量，在无线通信中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。

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；反之，称为数字解调。

在二进制时，调制分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。其中，ASK属于线性调制，FSK、PSK属于非线性调制。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。

1.振幅键控

振幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，为二进制振幅键控（2ASK）。二进制振幅键控信号可以被表示成具有一定波形形状的二进制序列（二进制数字基带信号）与正弦型载波的乘积。通常，二进制振幅键控信号的产生方法有两种，即一般的模拟幅度调制方法与数字键控方法实现。2ASK信号的波形随着控制波形的通断变化，所以又称为通断键控或开关键控（On Off Keying，OOK）信号。2ASK信号有两种基本的解调方法，即相干解调法和非相干解调法（包络检波法）。相干解调需要在接收端产生一个本地载波，实现较为复杂。

ASK指的是振幅键控方式。这种调制方式是根据信号的不同来调节正弦波的幅度。振幅键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波被接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。对于二进制振幅键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的两倍。振幅键控的调制波形图如图2-15所示。

振幅键控（ASK）的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称作开关键控法（OOK）。多电平调制方式（MASK）又称为多进制数字振幅调制，调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。

2.频移键控

用基带数据信号控制载波频率的调制方式称为频移键控，英文缩写为FSK。二进制频移键控就是利用二进制数字信号控制载波频率，当传送“1”码时输出一个频率f₁，频移键控是利用两个不同频率f₁和f₂的振荡源来代表信号1和0。用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。对二进制的频移键控调制方式，其有效带宽为B=2xF+2F_b，xF是二进制基带信号的带宽，也是FSK信号的最大频偏，由于数字信号的带宽，即F_b值大，所以二进制频移键控的信号带宽比较大，频带利用率小。传送“0”码时输出另外一个频率f₀。

从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。二进制频移键控的调制波形图如图2-16所示。

3.相移键控

用载波相位表示输入信号信息的调制技术称为相移键控。移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，当取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；当取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。

根据香农理论，在确定的带宽里面，对于给定的信号SNR其传送的无差错数据速率存在着理论上的极限值。从另一个方面来理解这个理论，可以认为，在特定的数据速率下，信号的带宽和功率（或理解成SNR）可以互相转换，这一理论成功地使用在传播状态极端恶劣的短波段，在这里具有活力的通信方式比快速方式更有实用意义。PSK就是这一理论的成功应用。所谓PSK就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间进行切换的一种相位调制方法。

产生PSK信号有调相法和选择法两种。

1）调相法。将基带数字信号（双极性）与载波信号直接相乘。

2）选择法。用数字基带信号去对相位相差180°的两个载波进行选择。

相移键控的调制波形图如图2-17所示。