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《射频识别（RFID）原理与应用》期末复习 RFID第三章编码和调制（知识点总结+习题巩固）

news 2025/6/10 8:50:01

RFID第三章编码和调制

知识点总结

一、通信基础理论

1. 信号与信道特性

概念	定义与公式	RFID应用要点
信号类型	模拟信号（连续值）/数字信号（离散值）	RFID系统主要处理数字信号
信号带宽	有效频谱宽度（如语音信号340Hz~3400Hz）	RFID信道需匹配编码方式的频谱特性
信道容量	香农公式： $C = BW \log_2(1 + S/N)$	微波频段（UHF/SHF）带宽更大，传输速率更高
传输损耗	衰减（与距离、频率正相关）、延迟畸变、噪声	无源标签需优化抗噪声能力

2. 关键性能指标

波特率 vs 比特率：
- 波特率：单位时间传输的信号波形数（Baud）
- 比特率：单位时间传输的二进制位数（bps），满足 $R_b = \text{波特率} \times \log_2 M$ $(M$ 为码元数）
误码率：错误码元占总传输码元的比例，RFID系统要求低于 $10^{-6}$

二、RFID编码技术

1. 编码目的与分类

编码类型	目标	RFID应用
信源编码	压缩数据，提高传输效率	标签ID压缩存储
信道编码	增强抗干扰能力，纠错	曼彻斯特码的自同步特性
保密编码	数据加密，保障安全	二代身份证的加密算法

2. 常用编码方法

编码方式	规则	特点与局限
反向不归零（NRZ）	遇"1"电平不变，遇"0"电平翻转	直流分量大，不适于远距离传输
单极性归零（RZ）	"1"发窄脉冲，"0"无脉冲	可直接提取时钟，但带宽需求大
曼彻斯特	位中间跳变："1"高→低，"0"低→高	自同步，抗干扰强（ISO/IEC 14443）
密勒（Miller）	"1"位中间跳变，"0"不跳变；连续"0"时在起始处跳变	频谱更集中，适合低频标签
变形密勒	"1"位中间加窄脉冲，"0"无脉冲；连续"0"时第2个"0"起始处加脉冲	功耗低（用于ISO/IEC 15693标准）

3. 编码选择关键因素

时钟提取：曼彻斯特码的自同步能力降低硬件复杂度
能量供应：连续"0"时需保证标签能量获取（如变形密勒码优化）
冲突检测：曼彻斯特码的非法组合（如"11"）可标识多标签冲突

三、调制与解调技术

1. 调制目的与类型

基带信号：原始数字信号（如NRZ码），适用于近距离传输
调制信号：将基带信号加载到载波，适应信道传输

RFID调制分类：

类型	原理	适用场景
载波调制	直接调制高频正弦载波（ASK/FSK/PSK）	读写器→标签方向
脉冲调制	用NRZ码调制脉冲串参数（FSK/PSK）	低频系统（125kHz）
副载波调制	基带信号→副载波→二次调制载波	标签→读写器方向（13.56MHz）

2. 载波调制方式

调制技术	实现方式	RFID应用
ASK	载波幅度变化："1"高振幅，"0"低振幅	主流方式（电路简单，ISO/IEC 14443）
FSK	载波频率变化：如"1"→ $f_1$ ，"0"→ $f_2$ （e5551芯片支持4种FSK模式）	低频系统（125kHz）
PSK	载波相位变化： - PSK1：数据跳变时相位翻转180° - PSK2："1"翻转，"0"不变	高频系统（抗噪性强，频带利用率高）

3. 副载波调制（标签→读写器）

流程：
基带编码 → 调制副载波（ASK/FSK/PSK）→ 负载调制载波
参数示例（13.56MHz系统）：
- 副载波频率：847kHz（载波/16）、424kHz（载波/32）
- 优势：
  - 降低标签功耗（调制管导通时间短）
  - 频谱分离，便于数据提取（能量载波与数据边带分离）

四、RFID通信协议与标准

1. 通信握手机制

优先通信：无源系统均为读写器先讲
数据同步：协调位速率（如曼彻斯特码自带时钟）
错误处理：自动重发（接收端丢弃错误数据）

2. 标准中的编码与调制

标准	编码方式	调制方式	方向
ISO/IEC 14443A	变形密勒码	ASK（100%调制深度）	读写器→标签
ISO/IEC 14443B	NRZ码	BPSK副载波	标签→读写器
ISO/IEC 15693	脉冲位置调制（PPM）	ASK（10%调制深度）	双向

3. 脉冲编码变体

PIE（脉冲间隔编码）：用下降沿时间宽度表示数据（EPC C1G2标准）
PPE（脉冲位置编码）：数据位内不同时段高电平代表"0"/“1”

五、关键问题与设计挑战

连续"0"处理：
- 问题：能量供应中断，时钟丢失
- 方案：密勒码在连续"0"起始处增加跳变
多标签冲突：
- 检测：曼彻斯特码非法组合标识冲突
- 解决：ALOHA或树形防碰撞算法
功耗优化：
- 副载波调制减少导通时间
- 低调制深度ASK（如ISO/IEC 15693用10%）

总结：
本章核心在于构建RFID系统的 数字通信链路：

编码层：通过曼彻斯特/密勒等编码实现数据可靠性与自同步；
调制层：ASK/FSK/PSK适配信道特性，副载波调制优化反向链路；
协议层：标准化的握手机制与错误处理保障通信完整性。
后续需结合具体标准（如ISO/IEC 14443）深化工程实现细节，并关注功耗与抗干扰的平衡设计。

习题练习

一、选择题

曼彻斯特编码中，二进制"0"的信号特征是？
A. 位中间从高电平跳变到低电平
B. 位中间从低电平跳变到高电平
C. 位起始处加窄脉冲
D. 电平保持不变
答案：B
解析：曼彻斯特编码规则："1"→高→低跳变（位中间），"0"→低→高跳变（位中间）。
ISO/IEC 14443A标准中，读写器到标签的调制方式是？
A. FSK
B. 100% ASK
C. BPSK副载波调制
D. 10% ASK
答案：B
解析：14443A采用100% ASK调制（载波幅度全关断表示"0"）。
副载波调制的主要优势是？
A. 提高标签发射功率
B. 降低标签功耗，便于数据提取
C. 增加传输距离
D. 简化读写器电路
答案：B
解析：副载波调制缩短导通时间，降低功耗；频谱分离使数据更易提取。
下列哪种编码在连续"0"时需在起始处增加跳变？
A. 反向不归零（NRZ）码
B. 曼彻斯特码
C. 密勒（Miller）码
D. 单极性归零码
答案：C
解析：密勒码规则：连续"0"时在数据起始处增加跳变，避免能量中断。
香农公式 $C = BW \log_2(1 + S/N)$ 中， $S / N$ 的含义是？
A. 信号与噪声的功率比
B. 信号频率
C. 噪声带宽
D. 信道容量
答案：A
解析： $S / N$ 是信噪比，决定信道最大传输速率。

二、填空题

波特率指单位时间传输的 信号波形数，单位是 Baud。
密勒码中，"1"对应的信号变化是 位中间跳变。
13.56MHz系统的典型副载波频率是 847kHz（载波/16）。
RFID信道容量的决定因素：带宽、信噪比、编码方式。
变形密勒码中，连续两个"0"时在第 2 个"0"起始处加窄脉冲。
PSK调制通过改变载波的相位传输数据。

三、判断题

曼彻斯特码具有自同步能力。（√）
解析：位中间跳变可提取时钟信号，无需外部同步源。
ASK调制适用于所有频段的RFID系统。（×）
解析：低频系统（如125kHz）常用FSK，ASK多用于HF/UHF。
副载波调制主要用于读写器到标签的数据传输。（×）
解析：副载波调制用于标签到读写器方向（如14443B标准）。
NRZ码在远距离传输中性能优异。（×）
解析：NRZ码有直流分量，不适于交流耦合的远距离传输。
ISO/IEC 15693标准采用10% ASK调制。（√）
解析：15693使用低调制深度ASK降低标签功耗。

四、简答题

简述曼彻斯特码如何检测多标签冲突。
答案：
当多个标签同时响应时，信号叠加会导致非法码型（如"11"组合）。读写器检测到非法码型即可判定冲突，触发防碰撞算法。
为什么密勒码适合无源标签？
答案：
- 连续"0"时增加跳变，避免能量供应中断；
- 跳变提供时钟同步，减少标签内部时钟电路功耗。
对比ASK与PSK调制的优缺点。
答案：

调制方式 优点缺点
ASK 电路简单，成本低抗噪声能力弱，功耗较高
PSK 抗噪性强，频带利用率高解调电路复杂，成本高
计算13.56MHz载波经32分频后的副载波频率。
解：
$f_{\text{副载波}} = \frac{13.56 \times 10^6}{32} = 424 \text{kHz}$

调制方式	优点	缺点
ASK	电路简单，成本低	抗噪声能力弱，功耗较高
PSK	抗噪性强，频带利用率高	解调电路复杂，成本高

五、综合题

绘制二进制"1010"的波形图（要求：曼彻斯特编码 vs 变形密勒编码）
答案：
曼彻斯特编码：
1: 高→低跳变（位中间）
0: 低→高跳变（位中间）
变形密勒编码：
1: 位中间窄脉冲
0: 无脉冲（连续"0"需特殊处理）
分析ISO/IEC 14443B标准中标签到读写器的数据传输流程
答案：
- 关键参数：
  - 副载波频率：847kHz
  - 数据速率：106 kbps
  - 逻辑定义：相位0°→"1"，180°→"0"