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RFID专题:14 EPC C1 Gen 2空中接口模拟部分

2022-01-05 10:22:00 明申科技 510

3.2.2 EPC C1 Gen 2空中接口模拟部分

Query命令的意思是询问命令,是针对多标签的快速盘点而产生的,在学习这个知识点之前,首先要了解超高频RFID协议是半双工的通信方式,且是由阅读器先主动发起通信,也就是说阅读器“说一句”,Tag“应答一句”,如此往复。

01、阅读器的调制方式与编码方式

谈到调制方式,大家一定想到ASK(振幅键控)、频率调制FSK(频移键控)和PSK(相移键控)。超高频 RFID的协议中采用的是ASK的调制方式,因为ASK是最简单的调制方式,其解调电路也相对简单。超高频 RFID电子标签是一个无源标签,通过电磁场获得的能量非常小,无法实现高功耗的ADC解码和DSP数据处理,因此其电路的解调部分要求架构简单、功耗低,采用ASK是最优的选择。

如图3-10所示,为阅读器的编码方法,PIE编码。PIE编码是一个非常简单的1比特编码:0对应的编码是一个标准长度,定义为Tari,在一个Tari周期内翻转一次;1对应的编码的长度为1.5Tari到2.0Tari之间。

为什么协议的创造者会选择这么奇怪的编码方式呢?因为标签是一个非常简单的无源器件,其内部不可能有高精度的晶振,且震荡频率不会有几十MHz那么高,那么解码和同步的时候就会存在很大的误差,但如果采用“0”和“1”使用不同的长度,标签可以通过用自身的时钟(2MHz左右)计算下一个信号的长度与Tari的区别即可判断这个信号是“0”还是“1”。当然这个PIE编码也有它的缺点,就是Tari的长度不能太短,Tari长度太短会引起标签对“0”和“1”的判断出错,从而决定了阅读器向标签的通信速率的极限值。

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图3-10 PIE编码图

Tari的要求如表3-7所示,最短长度为6.25us,最大长度为25us,其长度误差必须小于1%,且适用于所有的调制方式。1%的误差是对阅读器输出Tari精度的要求,对于一个有源大功率的阅读器来说这个数字是非常容易实现的。从这些数据可以看出超高频 RFID的整个系统无论是对标签还是阅读器都要求很低,是一个面向物流的简单通信协议。

表3- 7 Tari要求

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经常有读者会询问阅读器向标签的通信速率是多少?这里简单的做一个估算:假定用最快的速度发送的数据全是“0”,那么通信速率为1s÷6.25us=160kbps;假定用最慢的通信速率发送数据全是“1”,且符号“1”的长度为2倍Tari,那么通信速率为1s÷50us=20kbps。阅读器向标签通信过程中还有前导、校验等,实际的有效通信数据率还要略小一些,不过影响不大,姑且可以认为阅读器的通信速率为20kbps到160kbps之间。

调制方式SSB-ASK、DSB-ASK是通信教科书中常见的调制方式,而PR-ASK是一种专门为超高频RFID设计的调制方式,主要通过翻转相位来实现调制。如图3-11(a)所示为传统的ASK(SSB、DSB)波形图;图3-11(b)所示为PR-ASK的波形图,可以看出其相位反转的很快。PIE编码方式是通过高低电平的翻转时间不同实现的,配合上PR-ASK可以实现一个更加精确的“0”和“1”翻转判断。

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(a)传统ASK调制                 (b)PR-ASK调制

图3-11 ASK调制与PR-ASK调制波形对比

如图3-12所示,为普通ASK调制与PR-ASK调制在调制和解调过程中的波形对比。假设阅读器要发送的数据为010,由图可见两种调制方式的基带波形是完全相同的。阅读器调制后,调制波形变化很大,其中PR-ASK在低电平位置相位发生明显翻转。标签解调后,“0”和“1”的边界在PR-ASK更为明显。

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图3-12 DSB or SSB ASK调制与PR-ASK调制解调波形对比

从这些调制和解调波形中可以看出来PR-ASK在超高频 RFID协议中具有一定的优势。在超高频 RFID刚刚出现时,由于芯片设计不够成熟,一般优先选择PR-ASK来进行编码,以获得更好的效果。但是随着超高频 RFID标签芯片设计技术的不断进步,解码水平不断提高,使用传统的ASK或PR-ASK调制时解码的精度都不会有太大的差别。

那么在实际项目中选择使用哪个调制方式呢?要解答这个问题需要从两个方面来对比分析:1.哪种调制方式标签可以获得更强的能量;2.哪种调制方式标签可以获得更好的解调。只有标签能获得足够的能量,标签才能够正常工作。刚刚我们分析过现阶段标签解调能力很强,对于两种调制方式性能差别不大。从图3-11中可以看出PR-ASK的能量比SSB或DSB-ASK的能量略强,但是这个差别很小,只有0.1dB左右。通过理论分析SSB比DSB能量小一点,这个差别也非常小。所以读者在使用超高频RFID设备的时候不用太担心调制方式的问题,当遇到标签芯片设计有问题时,可以通过调制方式来弥补。

02、FM0 编码和Miller编码

谈到标签的编码方式,回顾2.1.4节介绍了霍夫曼(Huffman)编码、费诺(Fano)编码香农-费诺-埃利斯(Shannon-Fano-Elias)编码、曼彻斯特编码(Manchester Encoding)等多种编码方式。超高频 RFID采用了一种最简单的编码方式FM0编码,如图3-13(a)所示,“0”和“1”的判断依据为在一个时间周期内是否有高低电平翻转(时间周期到达时必须翻转一次不计算在内)。如果有翻转代表的信息为“0”,没有翻转则代表信息为“1”,如图3-13(b)所示FM0编码状态机转换图。如图3-13(c)所示,阅读器只要监测每一个上升沿和下降沿的时间就可以判断是“0”还是“1”,当然这个简单的编码的目的是方便标签的调制。FM0编码还有一个特点,每个周期结束必须做一次翻转,如图3-13(d)所示的FM0编码时序,同样可以提高系统的容错率,如果标签在系统中出现任何数据问题,阅读器可以及时发现。

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(a)FM0编码基本形式               (b)FM0编码状态机转换

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(c)FM0编码“0”和“1”            (d)FM0编码时序

图3-13 FM0编码原理图

与此同时,这个特点可以为标签的同步前导提供帮助,如图3-14所示为标签在FM0编码下的两种不同的前导(两种前导由Query中的TRext决定,作为阅读器同步使用)。其中,有一个符号“V”。这个“V”出现前的周期结束时没有进行翻转,与图3-13(b)中的状态机转换不符,从而这个“V”就成了一个标志位,标志着后面的数据开始为正式的标签数据的开端。

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图3-14标签FM0情况下的前导

超高频 RFID采用FM0编码最重要的一个原因是冲突检测,当多个标签在同一个时隙发生冲突时,阅读器可以在一个时隙内检测到多个翻转,从而判断出有多个标签发生冲突。发生冲突后将不对数据进行解调,并丢弃数据,继续对下一个时隙的数据进行检测。

在超高频 RFID的标签编码方式中还有另外的一种编码方式名为Miller编码,中文名米勒编码。Miller编码分为Miller2编码、Miller4编码和Miller8编码,其结构形式和状态机变化如图3-15所示。

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(a)结构形式 (b)状态机转换

图3-15标签Miller结构形式和状态机变化

Miller编码的时序图如图3-16所示,Miller2编码的“0”和“1”判断依据为一个周期内其相位是否翻转180°,相位不变表示“0”,相位翻转180°表示“1”;Miller4编码和Miller8编码同样是判断时隙相位是否翻转,只是重复次数不同。从阅读器解调角度,则是判断在一个时隙内,是否存在相位的180°翻转,有相位翻转为“1”,无相位翻转则为“0”。

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图3- 16 Miller编码时序图

经常有读者问,不同的Miller编码就是重复重复再重复,这不是浪费时间么,其物理意义在哪里?当然不是浪费时间,其意义在于增强抗干扰能力,提高阅读器的灵敏度。

Miller2编码对比FM0编码相当于通信了2次。在同样噪声环境中,采用Miller2编码灵敏度优于FM0编码。如图3-17所示,为FM0、Miller2、Miller4和Miller8这4种不同的编码在不同信噪比环境中阅读器的误码率。环境噪声较大时,使用不同的编码方式误码率不同。如在生产制造场景的超高频RFID现场,有大量的噪声干扰,此时的信噪比也许只有5dB,如果采用FM0编码,阅读器的误码率高达10%,系统几乎无法工作;在同样的环境中采用Miller8编码时,阅读器的误码率仅为0.2%,系统可以稳定工作。当在环境噪声很小,系统信噪比更高的环境中时(信噪比大于15dB),几种编码方式的误码率都很低,从系统稳定工作的角度分析差异不大。

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图3-17 不同编码下的信噪比与误码率

通过上述分析可以看出,当环境噪声比较小的时候,选择FM0可以获得更快的标签读取速度;而在有干扰的环境中一般使用Miller2编码Miller4编码;当环境非常恶劣的情况才会选择Miller8编码。

许多业内销售人员跟客户鼓吹自家产品性能时,表示其阅读器识别速度可以达到500标签/秒,这是一个完全没有意义的指标,因为这是他们在实验室中使用FM0编码的测试结果,在具体应用中有很少有这么好的信噪比环境。所以大家在使用超高频RFID现场实施的时候一定要了解现场的无线电干扰情况,做相应的测试。尤其是存在大量数据读取和写入的项目,一定要使用Miller4编码或Miller8编码,因为整个通信链路一旦误码,就要重新开始,会浪费更多的时间。

03、BLF标签反向链路频率

反向链路频率(Backscatter Link Frequency,BLF)是标签向阅读器通信的带宽频率,决定了标签的通信速率。如表3-8所示,为BLF的所有频率列表及其频率的容忍误差。BLF最低的通信带为40kHz,最高通信带为640kHz,且可以在40kHz到640kHz之间设置任意带宽。

表3-8 BLF频率及其容忍误差

DR: 参数TRcal1(μs+/–1%)链路频率   (kHz)频率误差容忍度(常温)频率误差容忍度(高低温)一个反向数据中频率漂移
Mar-6433.3640+ / – 15%+ / – 15%+ / – 2.5%
33.3 < TRcal < 66.7320 < LF < 640+ / – 22%+ / – 22%+ / – 2.5%
66.7320+ / – 10%+ / – 15%+ / – 2.5%
66.7 < TRcal < 83.3256 < LF < 320+ / – 12%+ / – 15%+ / – 2.5%
83.3256+ / – 10%+ / – 10%+ / – 2.5%
83.3 < TRcal < 133.3160 < LF < 256+ / – 10%+ / – 12%+ / – 2.5%
133.3 < TRcal < 200107 < LF < 160+ / – 7%+ / – 7%+ / – 2.5%
200 < TRcal < 22595 < LF < 107+ / – 5%+ / – 5%+ / – 2.5%
817.2 < TRcal < 25320 < LF < 465+ / – 19%+ / – 19%+ / – 2.5%
25320+ / – 10%+ / – 15%+ / – 2.5%
25 < TRcal < 31.25256 < LF < 320+ / – 12%+ / – 15%+ / – 2.5%
31.25256+ / – 10%+ / – 10%+ / – 2.5%
31.25 < TRcal < 50160 < LF < 256+ / – 10%+ / – 10%+ / – 2.5%
50160+ / – 7%+ / – 7%+ / – 2.5%
50 < TRcal < 75107 < LF < 160+ / – 7%+ / – 7%+ / – 2.5%
75 < TRcal < 20040 < LF < 107+ / – 4%+ / – 4%+ / – 2.5%

这里说的是反向链路频率BLF(kHz)是通信带宽并非通信数据率Data rate(kbps)。数据率是与编码方式相关的,如果选用FM0编码,其通信数据率就等于通信带宽,当选用Miller2编码时,其通信数据率为BLF的一半;同理Miller4编码和Miller8编码为BLF的四分之一和八分之一,如表3-9所示。

表3-9 数据率与编码关系图

周期副载波符号数量

调制类型

Data rate (kbps)

1

FM0

LF

2

Miller

LF/2

4

Miller

LF/4

8

Miller

LF/8

高速率的BLF与低速率的BLF对比优势是传输的数据速率高,缺点是噪声带宽较大,对阅读器灵敏度要求较高。当阅读器灵敏度较差或环境噪声较大的环境中,高速率的BLF会因为系统信噪比不足引起误码率上升,从而引起系统的识别率下降。此时调整为较低的传输速率则会有更好的识别效果。

灵敏度差异可以通过实际的传输速率的比值计算。假设两个标签A、B分别工作在:Miller 4 BLF=160kHz和FM0 BLF=640kH参数下,则两个标签的通信速率分别为:DRA=160/4=40kbps;DRB=640kbps。

13.png, 通过计算可知标签A比标签B的抗噪能力好12dB,对于阅读器有更好的适应性。

在实际应用中由于标签性能存在一致性差异,且环境干扰不可控,阅读器不会单独使用高速的BLF与编码FM0的组合。

04、协议与标签的识别特性

通过学习本节的知识,可以全面的分析标签的读取速度和效率到底与谁有关。主要与三部分相关:应用环境影响、射频链路选择及算法与逻辑层面的选择。其中:

应用环境:环境噪声、频带带宽限制、是否为多阅读器场景;

射频链路层:反向链路频率BLF,标签编码方式FM0、Miller、阅读器的编码方式及调制方式;

算法与逻辑层:多标签清点Query、选择Select-Mask、会话层Session。

实际应用中,应根据不同应用环境选择合适的射频链路参数,如表3-10所示。

环境噪声:根据环境中噪声大小选择编码方式,如FM0适合实验室,M4和M8适合嘈杂环境。

BLF选择:标签距离阅读器较远或标签尺寸较小时,对信噪比要求较高,则应选择较低的BLF以保证阅读器的灵敏度要求。

多阅读器场景:许多应用中需要多台阅读器在很靠近的环境中,就存在DRM(密集阅读器模式)模式,此时需要选择小带宽的BLF。DRM的频率选择跟频带数量有关系,如美国频带数量多达50个,DRM效率高,而欧洲只有4个频带,DRM效率低,只能用LBT方式工作,等待时间长、效率低。

表3-10 应用环境对阅读器标签通信速度的影响

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