Transcript 3 编码和调制
《RFID技术基础》 单承赣 教授 合肥工业大学 计算机与信息学院 3 编码和调制 数据和信号 数据可定义为表意的实体，分为模拟数据和数字 数据。模拟数据在某些时间间隔上取连续的值，例 如，语音、温度、压力等。 数字数据取离散值，为人们所熟悉的例子是文本 或字符串。在射频识别应答器中存放的数据是数字 数据 。 2 3 编码和调制 数据和信号 模拟信号在时域表现为连续的变化，在频域其频 谱是离散的。模拟信号用来表示模拟数据。 数字信号是一种电压脉冲序列，数据取离散值， 通常可用信号的两个稳态电平来表示，一个表示二 进制的0，另一个表示二进制的1。 3 3 编码和调制 传输介质 传输介质是数据传输系统里发送器和接收器之 间的物理通路。 无线传输 f Hz 104 105 106 125kHz 107 108 109 1010 1011 SHF EHF 869M 2.45G 433M 915M 5.8G 13.56MHz 波段 LF MF HF VHF UHF 射频识别所用的频率为<135 kHz（LF）及ISM频率的13.56 MHz（H F），433 MHz（UHF），869 MHz（UHF），915 MHz（UHF），2.45 GHz（UHF），5.8 GHz（SHF）。 4 3 编码和调制 信道的容量 对在给定条件，给定通信路径或信道上的数据传 输速率称为信道容量。 数据传输速率=码元传输速率×log2M 信道的最大容量C为 C=2BW log2M 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道最大容量 C= BW log2（1＋S/N） 5 3 编码和调制 数据编码(信源编码和信道编码 ) 信源编码是对信源信息进行加工处理，模拟数 据要经过采样、量化和编码变换为数字数据，为 降低所需要传输的数据量，在信源编码中还采用 了数据压缩技术。 信道编码是将数字数据编码成适合于在数字信 道上传输的数字信号，并具有所需的抵抗差错的 能力，即通过相应的编码方法使接收端能具有检 错或纠错能力。 6 3 编码和调制 数字基带信号波形 0 0 1 1 0 1 0 （a）NRZ 码 （b）双极性 矩形脉冲 （c）单极性 归零波形 （d）曼彻斯特码 7 3 编码和调制 数字基带信号的频谱 g(t) G(w) 2π τ 2 t 2 0 （a）单个脉冲波形 g t A 0 t 2π τ 4π τ 0 w （b）单个脉冲的频谱 2 其他 波形 G A g (t )e jt dt sin / 2 / 2 A Sa / 2 8 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 曼彻斯特（Manchester）码 数据时钟 CLK NRZ 码数据 1 0 0 1 1 0 曼彻斯特码 9 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 曼彻斯特（Manchester）码 编码控制 7486 数据 CLK PR 异 或 D Q 74HC74 7404 2CLK 1 CLK Q 输出 CL 非门 VCC 编码器电路 10 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 曼彻斯特（Manchester）码 使能（PR 端） 2CLK CLK DATA（数据） 异或输出 74HC74Q 74HC74Q （输出） 1 0 0 曼彻斯特码编码器时序波形图示例 11 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 密勒（Miller）码 密勒码编码规则 bit(i1) bit i × 1 bit i的起始位置不变化，中间位置跳变 0 0 bit i的起始位置跳变，中间位置不跳变 1 0 bit i的起始位置不跳变，中间位置不跳变 密勒码编码规则 12 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 数据 1 0 1 1 0 0 1 0 数据时钟 NRZ 倒相的 曼彻斯特码 密勒码 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 密勒码波形及与NRZ码、曼彻斯特码的波形关系 13 3 编码和调制 RFID中常用的编码方式及编解码器 密勒（Miller）码 编码控制 非门 曼彻斯特码 1 PR CLK 密勒码输出 Q 7474 D Q CL VCC 用曼彻斯特码产生密勒码的电路 14 3 编码和调制 修正密勒码编码器 假设输出数据为01 1010 编码器 b 数据 NRZ 码 输入 异 或 c a 13.56MHz 时钟 128 分频 d 计数器 修正密勒码 输出 数据时钟 e 使能 13.56MHz （a）修正密勒码编码器原理框图 a b 0 0 1 1 0 1 0 0 c d Z Z X X Y X Y Z Y e （b）波形图示例 15 3 编码和调制 修正密勒码解码 修正密勒码 输入 解码开始 脉冲形成 使能 时钟电路 数据 CLK 内部数据 产生 解码 输出 数据寄存 CLK（13.56MHz） 解码结束 结束 信号 修正密勒码解码器原理框图 16 3 编码和调制 修正密勒码解码 Pause 0 1 1 0 1 0 修正密勒码输入 通信结束 时序 y 0 起始位 使能信号 CLK （13.56MHz） 数据时钟 脉冲形成 电路输出 δ δ p δ p δ p p data-reg(0)触发器输出 （脉冲 P 置 1，数据时钟 下降沿翻转） 解码数据 （数据时钟上升沿采样） Logic-0 触发器输出 （脉冲 P 复零，识别到逻 辑零时为高） END 信号 0 0 1 1 0 1 0 时序 y 通信结束 解 码 时 序 波 形 图 示 例 仍为高 关闭 使能 17 3 编码和调制 脉冲调制 将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该 脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。 主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PS K。 18 3 编码和调制 脉冲调制 FSK 数据时钟 数据 NRZ 码 0 0 1 1 f0 f0 f1 f1 0 FSK 脉冲 FSK脉冲调制波形 19 3 编码和调制 脉冲调制 FSK调制 fc/8 射频载波 fc 分 频 器 数据 NRZ 码 门电路 1 数据 NRZ 码 fc/5 FSK 输出 门电路 2 移相π FSK实现的原理框图 20 3 编码和调制 脉冲调制 FSK解调 5V 5V D1 D2 PR D FSK 信号 PR CLK Q 7474 7474 1 Q CLK Q 非 CL 数据输出 Q D CL 1 R 非 单稳 74121 125kHz 时钟 Reset 至 MCU Q7 CLK 10 进计数器 4017 CLKen FSK解调电路原理图 21 3 编码和调制 脉冲调制 FSK解调工作原理如下： 触发器D1将输入FSK信号变为窄脉冲。触发器 D1采用74HC74，当端为高时，FSK上跳沿将Q端 置高，但由于此时为低，故CL端为低，又使Q端 回到低电平。Q端的该脉冲使十进计数器4017复零 并可重新计数。 22 3 编码和调制 脉冲调制 PSK1和PSK2 0 数据 NRZ 码 0 1 1 PP PP PSK1 P PP PP PSK2 P PP 采用PSK1调制时，若在数据位的起始处出现上升沿或下 降沿（即出现1，0或0，1交替），则相位将于位起始处跳 变180°。而PSK2调制时，相位在数据位为1时从位起始处 跳变180°，在数据位为0时则相位不变。 23 3 编码和调制 PSK调制电路 参 考 脉冲波 门电路 1 倒相器 移相π （倒相） 数据 NRZ 码 PSK 输出 门电路 2 选择相位法电路框图 24 5V 3 编码和调制 125kHz 基准信号 异或 1 5V PR CLK D2 PR Q D 7474 D3 至 MCU Q 7474 PSK解调电路 5V D CLK Q 阅读器能正确将PSK调制信号变换为NRZ码的关 CL CL PR 键。 CLK D Q 5V 5V Q 1 7474 R3 D CL 1 非 门 异 或 4 Q C3 PR 5V Q D4 CLK 7474 异 或 2 1 2 窗口 检测 电路 R1 D Q C1 CL 非门 PSK 信号 1 异或 3 C2 R2 25 3 编码和调制 设PSK信号的数据速率为fc/2（fc为射频载波频 率值125 kHz），则加至解调器的PSK信号是125 k Hz/2=62.5 kHz的方波信号。该PSK信号进入解调 器后分为两路：一路加至触发器D3的时钟输入端 （CLK），触发器D3是位值判决电路；另一路用 于形成相位差为90°的基准信号。触发器D3的D 输入端加入的是由125 kHz载波基准形成的62.5 kH z基准方波信号，这样，若触发器的D3的时钟与D 输入端两信号相位差为90°（或相位差不偏至0° 或180°附近），则触发器D3的Q端输出信号即为 NRZ码，可供微控制器MCU读入。 26 3 编码和调制 数据 0 数据 1 PSK 波形 （62.5kHz） 触发器 D2 输出 判决器 D3 输出 数据 0 （a）判决器将 PSK 信号解调为 NRZ 码的波形图 125kHz 基准方波 触发器 D1 输出 异或 1 输出 数据 1 PS K 解 调 电 路 的 相 关 波 形 触发器 D2 输出 （62.5kHz） （b）触发器 D2 移相 90°的波形图 27 3 编码和调制 副载波与副载波调制解调 TYPE A中的副载波调制 S 字节（8 位） P 字节 P …… CRC-1 P CRC-2 P E 标准帧的结构 NRZ 码 副载波 fs 曼彻斯特码 副载波 调制信号 副载波调制波形 28 3 编码和调制 副载波与副载波调制解调 TYPE B中的副载波调制 ： 位编码采用不归零NRZ编码，副载波调制采用B PSK方式，逻辑状态的转换用副载波相移180°来 表示，θ0表示逻辑1，θ0＋180°表示逻辑0，副载 波频率fs=847 kHz，数据传输速率为106 kbps。 29 3 编码和调制 副载波与副载波调制解调 TYPE B中的副载波调制 ： 1 位时间 逻辑 0 θ0 180 1 位时间 逻辑 1 θ0 副载波相位变化 数位的副载波调制加负载调制 30 3 编码和调制 TYPE A中的副载波解调 相干解调（同步解调 ） 低 通 滤波器 已调制载波 调制信号 副载波基准信号 非相干解调 ASK调制时，其包络线与基带信号成正比，因 此采用包络检波就可以复现基带信号，这种方法 无须同频同相的副载波基准信号。 31 3 编码和调制 正弦波调制 正弦振荡的载波信号 v t A cos ct A cos 2πfct 调幅 调制信号 A0 f t A0 Am cos t 产生的调幅波 设上式v(t)的相位角φ=0 vAM A0 f t v t vAM A0 Am cos t A cos ct 积化和差 vAM A0 A cos ct Am A cos c t cos c t 32 3 编码和调制 振幅调制模型 f(t) vAM 调幅波的频域 Acosωct A0 相对 振幅 载波 1 1 mA 2 0 下边频 ωC-Ω 上边频 ωC ωC+Ω ω 33 3 编码和调制 脉冲调幅波 V V T B 0 τ τ A t t 0 Tτ τ （a）数字调幅波波形 （b）mA＝1 的调幅波波形 V 0 fC 1 fC fC 1 f （c）脉冲调幅波的频谱 34 3 编码和调制 数字调制ASK方式的实现 国际标准ISO 14443的负载调制测试用的PICC电路 Rmod1 J1 Cmod1 R1 R3 1MΩ R4 1MΩ R2 1MΩ R5 1MΩ VD1 VD2 VD3 VD4 100pF R6 L CV1 C3 10nF 分布电容 VD5 Cmod1 VCC J2 Rmod1 847kHz 负载开关信号 & & 开路输出 35 3 编码和调制 数字调制ASK方式的实现 国际标准ISO 14443的负载调制测试用的PICC电路 应答器谐振回路由线圈L和电容器CV1组成，其 谐振电压经桥式整流器VD1~VD4整流，并用齐纳 二极管VD5稳压在3 V左右。副载波信号（874 kH z）可通过跳线选择Cmod1或Rmod1进行负载调制。 由曼彻斯特码或NRZ码进行ASK或BPSK副载波调 制。 36 3 编码和调制 数字调频和调相 二进制码 0 1 1 0 0 1 1 t ASK f2 f1 t FSK 0相 PSK 1 π相 t 37