第4章-采样、编码与调制-1

物联网射频识别（RFID）技术与应用第4章编码与调制点击此处结束放映RFID是一种系统，一种射频识别系统。典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成，一般我们把中间件和应用软件统称为应用系统。RFID系统构架图4-2RFID的系统结构在实际RFID解决方案中，不论是简单的RFID系统还是复杂的RFID系统都包含一些基本组件。组件分为硬件组件和软件组件。RFID系统构架图4-3射频识别系统基本组成若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图4-3示。这种观点同现代信息技术观点相吻合。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。1、电子标签二、RFID系统构架图4-4RFID系统构件——标签电子标签（ElectronicTag）也称也称应答器或智能标签（SmartLabel），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。电压调节器：把由标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源；调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器；解调器：把载波去除以取出真正的调制信号；逻辑控制单元：用来译码阅读器送来的信号，并依其要求回送数据给阅读器；存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。2、读写器二、RFID系统构架图4-6读写器组成示意图读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器。读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器，报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成，如图4-6所示。3、控制器二、RFID系统构架控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器与电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作。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。图4模拟通信系统模型2、通信系统分类•数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。①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；②信道编码与译码目的：增强抗干扰能力；③加密与解密目的：保证所传信息的安全；④数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号；⑤同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致。信息源信源编码信道译码信道编码信道数字调制加密数字解调解密信源译码受信者噪声源图5数字通信系统模型RFID系统常采用数字信号。其主要特点信号的完整性RFID采用非接触技术传递信息，容易遇到干扰，使信息传输发生改变。数字信号容易校验，并容易防碰撞，可以使信号保持完整性。信号的安全性RFID系统采用无线方式传递信息，开放的无线系统存在安全隐患。数字信号的加密和解密处理比模拟信号容易的多。便于存储、处理和交换数字信号的形式与计算机所用的信号一致，都是二进制代码。便于与计算机互联网，也便于计算机对数字信息进行存储、处理和交换，可使物联网的管理和维护实现自动化、智能化。RFID系统的基本通信模型按读写器到电子标签的数据传输方向，RFID系统的通信模型主要由读写器（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）组成。RFID系统最终要完成的功能是对数据的获取，这种在系统内的数据交换有两个方面的内容：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。3、RFID系统的基本通信模型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。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4.1编码与调制4.2RFID常用的编码方法4.3RFID常用的调制方法4.4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4.1点击此处结束放映身份证号码：654125199401081811把用来表示信息的符号组合叫做信息的代码。什么是信息的代码？电话号码：[phone]新疆伊犁地区新源县出生年月日序列号区号电话号码信息编码就是采用某种原则或方法编制代码来表示信息；信息编码的根本目的是为了能对信息进行有效的处理，有时也是为了对信息加密，使其不为局外人所知。不同领域有着不同的信息编码原则和方法计算机必须将所有信息数字化即转化成由“0”、“1”两个符号组成的二进制代码用二进制记数法对数值数据进行编码，这种方法在计算机中信息的存储效率较高。例如：1、计算简单，只有0和1两个数字。采用逢二进一的进位规则2、“0”和“1”刚好代表电路中的关开。著名科学家冯·诺依曼计算机内的数据和程序采用二进制代码表示。电子计算机将所有输入的信息（数据、程序等）都转化为机器能识别和处理的二进制数字代码，由“0”、“1”组成的代码叫二进制代码。物联网射频识别（RFID）技术与应用4.1.1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4、信号工作方式时序系统电子标签和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，这种方式可改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。全双工系统电子标签和读写器之间可以在同一时刻互相传送信息半双工系统电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息发射能量，给电子标签充电读写器停止发射能量，电子标签工作，向读写器发送信号方式FDX(全双工)能量传输下传上传HDX(半双工)能量传输下传上传SEQ(时序)能量传输下传上传下传：从读写器到标签的数据传输上传：从标签到读写器的数据传输1time25全双工（FDX）半双工（HDX）时序（SEQ）RFID系统的工作方式信道的定义和分类信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：仅指传输媒质。分为有线信道（明线、对称电缆、同轴电缆及光纤）和无线信道（地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道）。无线的频谱环境长波30－300KHz10-1km中波0.3-1.5MHz1000-200m短波1.5-30MHz100-10m超短波:米波30-300MHz10-1m微波：分米波0.3－3GHz100-10cm厘米波3-30GHz10-1cm毫米波30-300GHz10-1mm亚毫米波300-3000GHz1-0.1mm光波：红外光3103-3105GHz100-1m可见光3105-3106GHz0.8-0.4m无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）无线信道无线信道电磁波的频率－受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上0~10km平流层：约10～60km电离层：约60～400km地面对流层平流层电离层10km60km0km电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收频率(GHz)(a)氧气和水蒸气（浓度7.5g/m3）的衰减频率(GHz)(b)降雨的衰减衰减(dB/km)衰减(dB/km)水蒸气氧气降雨率大气衰减传播路径地面地波传播地面信号传播路径天波传播电磁波的分类：地波频率2MHz有绕射能力距离：数百或数千千米天波频率：2~30MHz特点：被电离层反射一次反射距离：4000km寂静区：视线传播：频率30MHz距离:和天线高度有关式中，D–收发天线间距离(km)。[例]若要求D=50km，则增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr视线传播无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh对流层散射通信地球有效散射区域散射传播电离层散射机理－由电离层不均匀性引起频率－30~60MHz距离－1000km以上对流层散射机理－由对流层不均匀性（湍流）引起频率－100~4000MHz最大距离600km流星流星余迹散射流星余迹特点－高度80~120km，长度15~40km存留时间：小于1秒至几分钟频率－30~100MHz距离－1000km以上特点－低速存储、高速突发、断续传输流星余迹散射通信流星余迹无线的应用概况短波/超短波通信天波（电离层）：数据/电话、单边带地波：小型接力机、单双工电台、对讲机微波通信微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波电视、电话、数据卫星通信高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道电视、电话、数据移动通信蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统卫星移动系统有线信道明线对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆双绞线导体绝缘层导体金属编织网保护层实心介质同轴线光纤结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤折射率n1n2折射率n1n27～10125折射率n1n2单模阶跃