RFID

RFID专题:6 射频传播特征、数字通信系统

2022-01-05 10:05:17 明申科技 688

2.1.3 射频传播的基本特征

1.衰减

在射频传播中无法避免的就是衰减,从字面上的理解,衰减就是降低RF信号的强度。准确的说就是:信号在传输介质中传播时,将会有一部分能量转化成热能或者被传输介质吸收,从而造成信号强度不断减弱,这种现象称为衰减。如图2-3所示,超高频RFID阅读器的信号通过水介质后振幅减小的现象就是衰减。一般衰减用L(Loss)表示:

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其中Po表示衰减后的功率;Pi表示衰减前的功率。在衰减情况下L的dB为负值,且Po小于Pi。

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图2-3信号衰减示意图

射频传播中衰减存在的地方:

电缆中:电缆与接头之间的电阻使RF转化为热能。

空气中:路径造成的能量扩散是衰减的最大因素,空气中的灰尘、雨雾均会造成衰减。

系统中无源器件发热造成RF信号衰减。

人为在系统中加入的衰减器(有益的)。

特别强调的一点是,衰减并不一定是坏事,有很多时候为了保护电路,在电路的前端进行衰减,或为了控制辐射范围在天线输出之前进行衰减,都是对整个系统有正向意义的事情。

2.增益

(1)射频增益

增益是与衰减相反的一个特性,其结果是增加RF信号强度。射频的增益(非天线增益)都是通过有源器件产生的。可以理解为,要把一个信号放大,一定要给它对应的能量才可以。一般增益用Gain表示:

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其中Po表示输出功率;Pi表示输入功率。在衰减情况下Gain的dB为负值,且Po小于Pi;在增益情况下Gain的dB为正值,且Po大于Pi。如果实现正的增益,需要引入外部能量,提供给放大器件从而实现信号放大。

如图2-4所示,为衰减与增益的示意图,其中信号经过无源器件衰减后振幅降低并产生热量损耗;通过有源器件提供的能量增益后振幅加强。需要注意的一点是无论增益还是衰减,信号的工作频率与原来保持一致。


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图2-4衰减与增益示意图

(2)天线增益

讲到天线增益时,需要与射频增益进行区分,天线的增益与射频的传输增益是完全不同的。天线的增益是增加在特定方向上的能量强度而不是增加其总能量。天线一般是无源器件,无法提供额外的能量增强RF信号。如图2-5所示,为一个锅形微波天线辐射示意图,天线的发射和接收是把所有能量汇聚在了主波瓣上,并没有新的能量增加。


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(a)实物图         (b)辐射图

图2-5锅形微波天线辐射示意图

3.反射、折射与散射

(1)反射(Reflection)

许多物体都会对RF信号造成反射,如图2-6所示入射波遇到反射面时会发生反射,反射的大小与RF信号的频率和物体的材料有关。如:混凝土对RF信号有一定的反射;而金属几乎完全反射RF信号;电离层对长波有吸收作用,但是对短波、超短波却吸收较少,反射较多。


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图2-6波的反射示意图

反射的直接结果是造成多径(Multipath)效应,接收端将收到来自不同路径的同一个信号。多径信号会破坏或抵消直接信号,在信号覆盖区造成空洞或盲点,影响通信质量。这个就是影响RFID在仓库等应用的识别率的问题根源(6.1.3节有关于多径效应影响的详细解释)。

(2)折射(Refraction)

折射是当RF信号经过不同密度的物体时所发生的传输方向偏转现象,如图2-7所示。如冷空气、雾都会使RF发生折射。在两种物体的交界面上,RF除了反射,也会发折射而进入物体。在长距离通信时,折射会造成严重的问题。如:当大气层发生变化时,RF将改变方向而偏离目的地,使通信无法进行。


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图2-7波的折射示意图

(3)散射(Scattering)

散射是反射的一种表现形式,RF信号被不均匀的反射物打散的现象,称作散射,如图2-7所示。沙尘、雾、树叶、不规则岩石等都可造成散射。超高频RFID标签就是利用反向散射的技术来实现与阅读器的通信的。


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图2-8波的散射示意图

2.1.4数字通信系统

一个无线数字通信系统,包括以下过程:基带数据通过编码调制成为射频信号,通过发射天线辐射到环境中,再由接收天线接收,通过解调和译码后还原之前传输的基带数据。RFID系统就是一种数字通信系统。本节主要讲述一些原理性的知识,更详细的技术指标和硬件设施会在本书的第4章和第5章讲解。

1.数字调制概念

信号(Signal)分模拟(Analog)信号和数字(Digital)信号。如图2-9所示,为最常见模拟调制方式模拟调频(FM)和最常见的数字调制模式数字调频(FSK),其中FM常用于无线广播,而FSK常用于短距离无线通信。虽然两种调制都是对频率进行调制,但是其传输的信号不同,时域信号和频率信号也不同。随着科技的进步,现在主流的通信技术都采用数字无线通信技术实现。


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图2-9含有信息的模拟信号

数字调制是将数字符号转换成适合信道特性波形的过程。基带调制中这些波形通常具有整形脉冲的形式,而在带通调制(Bandpass Modulation)中则利用整形脉冲去调制正弦信号,此正弦信号称为载波波形(Carrier Wave),将载波转换成电磁场(Electromagnetic,EM)传播到指定的地点就可以实现无线传输。那么为什么一定要通过载波来实现基带信号的无线传输呢?这是因为,电磁场必须利用天线才能在空间传输,天线的尺寸主要取决于波长λ及应用的场合。对超高频RFID应用来说,天线长度一般为λ/4(针对于标签和小型阅读器天线的尺寸一般为λ/4到λ/2之间),式中波长等于c/f,c是光速3*10^8m/s。

假设发送一段超高频RFID基带有效信号(f=40kHz),如果不通过载波而直接耦合到天线发送,计算一下天线有多长?采用四分之一波长作为天线的尺寸,对于40kHz的基带信号,其尺寸为λ/4=1875m。为了在空间中传输40kHz的信号,不用载波进行调制,需要尺寸为1875m的天线。当然我们知道这么长的天线是完全不可行的,实际应用中很可能这个超高频RFID系统的工作距离只有5米,而天线超过1km,所以我们必须通过其他的方法将数据传出去。而如果把基带信号先调制在较高的载波频率上,比如调制到920MHz的中国超高频RFID频段上,那么天线的尺寸仅为8cm,很显然这个尺寸的天线是可以实现的,远距离的无线传输问题也就迎刃而解了。

在实际的应用中,射频信号通过频带传输的方式主要是通过正弦载波进行调制的,调制的功能如下:

使信号更适合于信道传输;

实现信道复用提高通信系统的有效性;

提高通信系统的抗干扰能力,提高通信系统的可靠性。

2.编码与译码

这里讲到的编码(Coding)和译码(Decoding),主要针对信道编码和信道译码,并非密码学里面的编码方式和译码方式(研究高频RFID部分时需要研究密码学,本书主要针对超高频RFID,加密部分相对简单不作为本书重点)。

信道编码:以提高信息传输的可靠性为目的的编码。通常通过增加信源的冗余度来实现。采用的一般方法是增大码率或带宽,也就是说一般信道编码会增加一些信息,这些信息或者进行校验或者增强可靠性。如图2-10所示为信道编码的示意图,通过编码器将信源的S集合映射为码字C集合。


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图2-10信道编码示意图

信道编码的种类很多,如霍夫曼(Huffman)编码、费诺(Fano)编码、香农-费诺-埃利斯(Shannon-Fano-Elias)编码等,这里就不赘述了。本文主要介绍RFID系统中常用一种的编码方式:曼彻斯特编码。

曼彻斯特编码(Manchester Encoding),也叫做相位编码(Phase Encode,简写PE),是一个同步时钟编码技术,被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。在曼彻斯特编码中,用电压跳变的相位不同来区分1和0,即用正的电压跳变表示1,用负的电压跳变表示0。因此,这种编码也称为相位编码,如图2-11所示。由于跳变都发生在每一个码元的中间,接收端可以方便地利用它作为位同步时钟,因此,这种编码也称为自同步编码。曼彻斯特编码将时钟和数据包含在数据流中,在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方,每位编码中有一跳变,不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2。


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图2-11曼彻斯特编码

3.调制与解调

(1)调制

调制(Modulation)就是对信号源的信息进行处理加到载波上,使其变为适合于信道传输的形式的过程,就是使载波随信号而改变的技术。一般来说,信号源的信息(也称为信源)含有直流分量和频率较低的频率分量,称为基带信号。基带信号往往不能作为传输信号,因此必须把基带信号转变为一个相对于基带频率高很多的高频率信号,以适合于信道传输。这个信号叫做已调信号,而基带信号叫做调制信号。调制是通过改变高频载波即消息的载体信号的幅度、相位或者频率,使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者(也称为信宿)处理和理解的过程。

调制的种类很多,分类方法也不一致。按调制信号的形式可分为模拟调制和数字调制:用模拟信号调制称为模拟调制;用数据或数字信号调制称为数字调制。按被调信号的种类可分为脉冲调制、正弦波调制和强度调制等。按调制的载波分为脉冲,正弦波和光波等。正弦波调制有幅度调制、频率调制和相位调制三种基本方式,后两者合称为角度调制。此外还有一些变异的调制,如单边带调幅、残留边带调幅等。脉冲调制也可以按类似的方法分类。此外还有复合调制和多重调制等,不同的调制方式有不同的特点和性能。

在通信中,我们常常采用的调制方式有模拟调制、数字调制和脉冲调制这三种。

模拟调制:用连续变化的信号去调制一个高频正弦波。主要有:1.幅度调制(调幅AM,双边带调制DSBSC,单边带调幅SSBSC,残留边带调制VSB以及独立边带ISB);2.角度调制(调频FM,调相PM)两种。因为相位的变化率就是频率,所以调相波和调频波是密切相关的。

数字调制:用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。主要有:1.振幅键控ASK;2.频率键控FSK;3.相位键控PSK。如图2-12所示为这三种数字调制的波形对比图。


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图2-12常见数字调制信号波形对比图

脉冲调制:用脉冲序列作为载波。主要有:1.脉冲幅度调制(PAM:PulseAmplitude Modulation);2.脉宽调制(PDM:Pulse DurationModulation);3.脉位调制(PPM:PulsePosition Modulation);4.脉冲编码调制(PCM:Pulse CodeModulation);

在RFID的应用场景中一般都是比较简单的调制方式,且一般采用数字调制技术,最常见的是ASK、PSK、FSK。超高频RFID使用ASK调制技术;低频RFID使用FSK调制技术;2.4GHz RFID主要使用FSK和ASK调制技术。也有一些其它通信系统使用PSK调制,如ZigBee、Wi-Fi等。

(2)解调

解调(demodulate)是从携带消息的已调信号中恢复消息的过程。在各种信息传输或处理系统中,发送端用欲传送的消息对载波进行调制,产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用,这就是解调。解调是调制的逆过程。调制方式不同,解调方法也不一样。与调制的分类相对应,解调可分为正弦波解调(有时也称为连续波解调)和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调,此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。同样,脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调和脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。

4.数字通信实例

既然我们已经了解了信号编码和调制,现在通过一个实例来加深对信号发射过程的认识。这个实例是ISO/IEC 15693-2中的内容,是关于标签向阅读器通信的调制过程。如图2-13所示,标签需要发送的信号为“0”和“1”,其数字波形如图2-13中的数据(data);编码后为图中的曼彻斯特编码(Manchester coding)数字波形;副载波(Subcarrier)的作用是提高信息传输的可靠性;最终要发出去的数字信号就变成了副载波调制(Subcarrier Modulation)的数字波形;而最终发给阅读器端的数据是一个射频信号,标签通过负载调制耦合的最终信号为13.56MHz载波的负载调制信号(Load Modulation)。


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图2-13调制示例图

图2-14为该实例的数据信号频谱图,左边为时域(Time domain),右边为频域图(Frequency domain)。从中可以看到原始信号的频谱,其;经过副载波调制后有效信号就被搬到了,其,而把原来的有效信号搬到了副载波频率上;第三张频域图是把搬移到了13.56MHz的载波上。


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图2-14数据信号频谱图

通过这个实例的分析,相信读者已经对射频识别系统中如何实现调制并发射信号有了一定的了解。


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