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1.數(shù)據(jù)和信號(hào)
數(shù)據(jù)可定義為表意的實(shí)體,分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)在某些時(shí)間間隔上取連續(xù)的值,如語(yǔ)音、溫度、壓力等。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)取離散值,為人們所熟悉的例子是文本或字符串。在電子標(biāo)簽中存放的數(shù)據(jù)是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
在通信系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)以電氣信號(hào)的形式從一點(diǎn)傳向另一點(diǎn)。信號(hào)是數(shù)據(jù)的電氣或者電磁形式的編碼,信號(hào)可以分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。
模擬信號(hào)是連續(xù)變化的電磁波,可以通過不同的介質(zhì)傳輸,如有線信道和無(wú)線信道。模擬信號(hào)在時(shí)域中表現(xiàn)為連續(xù)的變化,在頻域中其頻譜是離散的。模擬信號(hào)用來(lái)表示模擬數(shù)據(jù)。
數(shù)字信號(hào)是一種電壓脈沖序列,數(shù)據(jù)取離散值,它可以通過有線介質(zhì)傳輸。數(shù)字信號(hào)用于表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),通??捎眯盘?hào)的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)電平來(lái)表示,一個(gè)表示二進(jìn)制的0,另一個(gè)表示二進(jìn)制的1。
2.信號(hào)的帶寬
信號(hào)的帶寬是指信號(hào)頻譜的寬度。很多信號(hào)具有無(wú)限的帶寬,但是信號(hào)的大部分能量往往集中在較窄的一段頻帶中,這個(gè)頻帶稱為該信號(hào)的有效帶寬或帶寬。
3.傳輸介質(zhì)
傳輸介質(zhì)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)里發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸介質(zhì)可以分為有線傳輸介質(zhì)和無(wú)線傳輸介質(zhì)。RFID系統(tǒng)信道的傳輸介質(zhì)為磁場(chǎng)(電感耦合)和電磁波(微波),都屬于無(wú)線傳輸。
RFID系統(tǒng)所用的頻率為小于135kHz的LF頻率及ISM頻率的13.56MHz(HF)、433MHz(UHF)、869MHz(UHF)、915MHz(UHF)、2.45GHz(UHF)、5.8GHz(SHF)。
4.信道
與信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)相似,信道也可以分為傳送模擬信號(hào)的模擬信道和傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)字信道兩大類。但應(yīng)注意的是,數(shù)字信號(hào)經(jīng)過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送,模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)變換后也可以在數(shù)字信道上傳送。
1)數(shù)據(jù)傳輸速率
數(shù)據(jù)傳輸速率指每秒傳輸二進(jìn)制信息的位數(shù),單位為位/秒,記作bps或b/s。其計(jì)算公式為:s=1/T log2N (dps)
式中,T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度(全寬碼)或重復(fù)周期(歸零碼),單位為秒;N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。
通常N=2K,K為二進(jìn)制信息的位數(shù),K=log2N。
當(dāng)N=2時(shí),S=1/T,表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率。
2)信號(hào)傳輸速率
信號(hào)傳輸速率指單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù),單位為波特,記作Baud。其計(jì)算公式為
式中,T為信號(hào)碼元的寬度,單位為秒。
信號(hào)傳輸速率也稱碼元速率、調(diào)制速率或波特率。
由式(4-1)、式(4-2)得
S=B log2N (dps) 或 B=S/log2N(Baud)
5.信道容量
給定條件,給定通信路徑或信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率稱為信道容量。信道容量表示一個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,其單位為位/秒(bps)。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別是,前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率,是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限,而后者是實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。
信道容量和傳輸帶寬成正比關(guān)系。實(shí)際所用的帶寬都有一定的限制,這往往是考慮到不要對(duì)其他的信號(hào)源產(chǎn)生干擾,從而有意對(duì)帶寬進(jìn)行了限制。因此,必須盡可能高效率地使用帶寬,這樣能在有限的帶寬中獲得最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。制約帶寬使用效率的主要因素是噪聲。
1)離散的信道容量
奈奎斯特(Nyquist)在無(wú)噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關(guān)系為
B=2 H (Baud)
奈奎斯特公式:無(wú)噪信道傳輸能力公式,為
C=2 H log2N(bps)
式中,H為信道的帶寬,即信道傳輸上、下限頻率的差值,單位為Hz;N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)。
2)連續(xù)的信道容量
香農(nóng)公式:帶噪信道容量公式,為
C=H log2(1+S/N) (bps)
式中,S為信號(hào)功率;N為噪聲功率;S/N為信噪比,通常把信噪比表示成10lg(S/N)分貝(dB)。
6.編碼
RFID系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與通信系統(tǒng)的基本模型結(jié)構(gòu)相類似,滿足了通信功能的基本要求。其讀寫器和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成了與基本通信模型相類似的結(jié)構(gòu)。其讀寫器與電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸需要三個(gè)主要功 能塊,按讀寫器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸方向,RFID系統(tǒng)的通信模型主要由讀寫器(發(fā)送器)中的信號(hào)編碼(信號(hào)處理)和調(diào)制器(載波電路),傳輸介質(zhì)(信道),以及電子標(biāo)簽(接收器)中的解調(diào)器(載波回路)和信號(hào)譯碼(信號(hào)處理)組成。
1)RFID數(shù)據(jù)傳輸?shù)某S镁幋a格式
數(shù)字基帶信號(hào)波形,可以用不同形式的代碼來(lái)表示二進(jìn)制的“1”和“0”。RFID系統(tǒng)通常使用下列編碼方法中的一種:反向不歸零(NRZ)編碼、曼徹斯特(Manchester)編碼、單極性歸零(RZ)編碼、差動(dòng)雙相(DBP)編碼、密勒(Miller)編碼和差動(dòng)編碼。
最常用的數(shù)字信號(hào)波形為矩形脈沖,因?yàn)榫匦蚊}沖易于產(chǎn)生和變換。下面以矩形脈沖為例來(lái)介紹幾種常用的脈沖波形和傳輸碼型。
(1)反向不歸零(Non Return Zero,NRZ)編碼。
反向不歸零編碼用高電平表示二進(jìn)制“1”,用低電平表示二進(jìn)制“0”,此碼型不宜傳輸,有以下原因:有直流,一般信道難于傳輸零頻附近的頻率分量;接收端判決門限與信號(hào)功率有關(guān),不方便使用;不能直接用來(lái)提取位同步信號(hào),因?yàn)樵贜RZ中不含位同步信號(hào)頻率成分;要求傳輸線有一根接地。
設(shè)消息代碼由二進(jìn)制符號(hào)“0”、“1”組成,則單極性不歸零編碼如圖4-9(a)所示。這里,基帶信號(hào)的零電位及正電位分別與二進(jìn)制符號(hào)的“0”及“1”一一對(duì)應(yīng)。由此可見,它是一種最簡(jiǎn)單的常用碼型。
(2)單極性歸零(RZ)編碼。
單極性歸零碼是在傳送“1”碼時(shí)發(fā)送一個(gè)寬度小于碼元持續(xù)時(shí)間的歸零脈沖,而在傳送“0”碼時(shí)不發(fā)送脈沖,即代表數(shù)碼的脈沖在小于碼的間間隔內(nèi)電平回到零值,因此它又稱為歸零碼。它的特點(diǎn)是碼元間隔明顯,有利于碼元定時(shí)信號(hào)的提取,但碼元的能量較小。
(3)雙極性不歸零編碼。
雙極性不歸零(NRZ)編碼,其特點(diǎn)是數(shù)字消息用兩個(gè)極性相反而幅度相等的脈沖表示。它與單極性碼相比較有以下優(yōu)點(diǎn):
① 從平均統(tǒng)計(jì)角度來(lái)看,消息“1”和“0”的數(shù)目各占一半,因此無(wú)直流分量;
② 接收雙極性碼時(shí)判決門限電平為零,穩(wěn)定不變,因而不受信道特性變化的影響,抗噪聲性能好;
③ 可以在電纜等無(wú)接地的傳輸線上傳輸。
(4)曼徹斯特(Manchester)編碼。
曼徹斯特編碼也稱分相編碼(Split—Phase Coding),其波形如圖4-10 所示,在每一位的中間有一個(gè)跳變。位中間的跳變既作為時(shí)鐘,又作為數(shù)據(jù),其從高到低的跳變表示1,從低到高的跳變表示0。曼徹斯特編碼也是一種歸零碼。曼徹斯特編碼在采用負(fù)載波的負(fù)載調(diào)制或者反向散射調(diào)制時(shí),通常用于從電子標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸,因?yàn)檫@有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。究其原因,在曼徹斯特編碼中“沒有變化”的狀態(tài)是不允許的。當(dāng)多個(gè)電子標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)位有不同值時(shí),接收的上升邊和下降邊互相抵消,導(dǎo)致在整個(gè)位長(zhǎng)度內(nèi)是不間斷的副載波信號(hào),由于該狀態(tài)不允許,所以讀寫器利用該錯(cuò)誤就可以判定碰撞發(fā)生的具體位置。
(5)密勒(Miller)編碼。
Miller編碼也稱延遲調(diào)制碼,是一種變形雙向碼。其編碼規(guī)則為:對(duì)原始符號(hào),如果是“1”碼元起始,則不跳變,用中心點(diǎn)出現(xiàn)跳變來(lái)表示,即用10或01表示。對(duì)原始符號(hào)“0”則分成單個(gè)“0”還是連續(xù)“0”分別進(jìn)行處理:對(duì)于單個(gè)“0”,保持0前的電平不變,即在碼元邊界處的電平不跳變,碼元中間點(diǎn)處的電平也不跳變;對(duì)于連續(xù)“0”,則使連續(xù)兩個(gè)“0”的邊界處發(fā)生電平跳變。
密勒編碼在半個(gè)位周期內(nèi)的任意邊沿表示二進(jìn)制“1”,而經(jīng)過下一個(gè)位周期中不變的電平用二進(jìn)制“0”表示。位周期開始時(shí)產(chǎn)生電平交變,如圖4-11所示。因此,對(duì)接收器來(lái)說(shuō),位節(jié)拍比較容易重建。
圖4-11 密勒編碼
2)選擇編碼方法的考慮因素
在REID系統(tǒng)中使用的電子標(biāo)簽常常是無(wú)源的,而無(wú)源標(biāo)簽需要在讀寫器的通信過程中獲得自身的能量供應(yīng)。為了保證系統(tǒng)的正常工作,信道編碼方式首先必須保證不能中斷讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽的能量供應(yīng)。另外,出于保障系統(tǒng)可靠工作的需要,還必須在編碼中提供數(shù)據(jù)一級(jí)的校驗(yàn)保護(hù),編碼方式應(yīng)該提供這種功能??梢愿鶕?jù)碼型的變化來(lái)判斷是否發(fā)生誤碼或有電子標(biāo)簽沖突發(fā)生.