RFID標簽芯片原理與設計

——調制與編碼JianguoHuhujguo@RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第1頁RFID信號傳輸RFID理論基礎主要包含：能量傳輸理論基礎、信號傳輸理論基礎RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第2頁信號傳輸流程圖RFID標簽芯片編碼與調制數字電路執行完一條命令后產生二進制輸出信號二進制信號經過CRC編碼后形成完整發送幀格式將幀格式按比特編碼將編碼信號調制成射頻模擬信號并經過天線發送出去RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第3頁RFID標簽芯片編碼與調制人類在生活、生產和社會活動中總是伴伴隨消息（或信息）傳遞，這種傳遞消息（或信息）過程就叫做通信。通信系統是指完成通信這一過程全部設備和傳輸媒介，

普通可概括為以下列圖所表示模型：

圖1通信系統模型1、通信系統模型RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第4頁RFID標簽芯片編碼與調制信息源（簡稱信源）：把各種消息轉換成原始電信號，如麥克風。信源可分為模擬信源和數字信源。發送設備：產生適合于在信道中傳輸信號。信道：未來自發送設備信號傳送到接收端物理媒質。分為有線信道和無線信道兩大類。噪聲源：集中表示分布于通信系統中各處噪聲。接收設備：從受到減損接收信號中正確恢復出原始電信號。受信者（信宿）：把原始電信號還原成對應消息，如揚聲器等。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第5頁RFID標簽芯片編碼與調制模擬信號：代表消息信號參量取值連續，比如麥克風輸出電壓：數字信號：代表消息信號參量取值為有限個，比如電報信號、計算機輸入輸出信號：(a)話音信號(b)抽樣信號模擬信號(a)二進制信號

(b)2PSK信號數字信號RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第6頁RFID標簽芯片編碼與調制通常，按照信道中傳輸是模擬信號還是數字信號，對應地把通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統。模擬通信系統是利用模擬信號來傳遞信息通信系統。可見，在模擬通信系統中，發送設備簡化為調制器，接收設備簡化為解調器，主要是強調在模擬通信系統中調制主要作用。模擬通信系統模型2、通信系統分類RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第7頁RFID標簽芯片編碼與調制數字通信系統是利用數字信號來傳遞信息通信系統。信源編碼與譯碼目標：提升信息傳輸有效性以及完成模/數轉換；信道編碼與譯碼目標：增強抗干擾能力；加密與解密目標：確保所傳信息安全；數字調制與解調目標：形成適合在信道中傳輸帶通信號；同時目標：使收發兩端信號在時間上保持步調一致。

數字通信系統模型RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第8頁RFID標簽芯片編碼與調制RFID系統常采取數字信號。其主要特點信號完整性RFID采取非接觸技術傳遞信息，輕易碰到干擾，使信息傳輸發生改變。數字信號輕易校驗，并輕易防碰撞，能夠使信號保持完整性。信號安全性RFID系統采取無線方式傳遞信息，開放無線系統存在安全隱患。數字信號加密和解密處理比模擬信號輕易多。便于存放、處理和交換數字信號形式與計算機所用信號一致，都是二進制代碼。便于與計算機互聯網，也便于計算機對數字信息進行存放、處理和交換，可使物聯網管理和維護實現自動化、智能化。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第9頁RFID標簽芯片編碼與調制RFID系統基本通信模型按讀寫器到電子標簽數據傳輸方向，RFID系統通信模型主要由讀寫器（發送器）中信號編碼（信號處理）和調制器（載波電路），傳輸介質（信道），以及電子標簽（接收器）中解調器（載波回路）和信號譯碼（信號處理）組成。

RFID系統最終要完成功效是對數據獲取，這種在系統內數據交換有兩個方面內容：RFID讀寫器向RFID電子標簽方向數據傳輸和RFID電子標簽向RFID讀寫器方向數據傳輸。3、RFID系統基本通信模型RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第10頁RFID標簽芯片編碼與調制信號編碼系統是對要傳輸信息進行編碼，方便傳輸信號能夠盡可能最正確與信道相匹配，預防信息干擾或發生碰撞。調制器用于改變高頻載波信號，即使得載波信號振幅、頻率或相位與調制基帶信號相關。射頻識別系統信道傳輸介質為磁場（電感耦合）和電磁波（微波）。解調器用于解調獲取信號，方便再生基帶信號。信號譯碼系統是對從解調器傳來基帶信號進行譯碼，恢復成原來信息，并識別和糾正傳輸錯誤。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第11頁RFID標簽芯片編碼與調制4、信號工作方式時序系統

電子標簽和讀寫器信息傳輸是在電子標簽能量供給間歇進行，讀寫器與電子標簽不一樣時發射，這種方式可改進信號受干擾情況，提升系統工作距離。全雙工系統：電子標簽和讀寫器之間能夠在同一時刻相互傳送信息半雙工系統：電子標簽和讀寫器之間能夠雙向傳送信息，但在同一時刻只能向一個方向傳送信息發射能量，給電子標簽充電讀寫器停頓發射能量，電子標簽工作，向讀寫器發送信號RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第12頁編碼幀格式RFID標簽芯片編碼標準幀格式編碼與解碼幀格式一樣判斷起始位數據奇偶標志數據

結束位比如：HLTA命令回復RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第13頁RFID標簽芯片編碼——TypeATypeA在106K速率下采取曼徹斯特編碼每一位中間有一個跳變。位中間跳變既作為時鐘，又作為數據：從高到低跳變表示1，從低到高跳變表示0.曼徹斯特碼也是一個歸零碼。曼徹斯特編碼編碼采取副載波：頻率為fc/168個時鐘周期RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第14頁RFID標簽芯片編碼——TypeATypeA在212/424/848K速率下采取NRZ-L非歸零編碼32個副載波反相，邏輯0相位與邏輯1相位相同212/424/848K速率下1個比特周期共有4/2/1個副載波相互反相相互反相相互反相反相，邏輯0相位反相，邏輯0相位RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第15頁RFID標簽芯片編碼——TypeB閱讀器與標簽之間編碼時序關系幀格式RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第16頁RFID標簽芯片編碼——TypeB14443-B協議幀開始SOF14443-B協議幀結束RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第17頁RFID標簽芯片編碼——TypeBTypeB全部速率均采取NRZ-L非歸零編碼64個時鐘內無調制106/212/424/848K速率下1個比特周期共有8/4/2/1個副載波80個副載波時鐘定義邏輯1相位相互反相TR0TR1RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第18頁RFID標簽芯片編碼——15693響應幀格式Flag標志位定義如：查詢命令響應RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第19頁RFID標簽芯片編碼——15693使用何種數據速率是由閱讀器發送過來標志位決定，以下表所表示，可使用兩種速率，低速率和高速率。另外使用NXP定制快速防沖突Fastinventory命令時，速率是標準模式兩倍速率，只限單副載波。提醒：速率越快，功耗越大，讀寫距離越短

為了提升讀寫距離，可將速率設置成最低速率傳輸速率RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第20頁RFID標簽芯片編碼——15693使用單副載波時位編碼方式邏輯0是以頻率為fc/328個脈沖開始，接著是非調制時間256/fc（約18.88us）邏輯1是以非調制時間256/fc開始，接著是頻率為fc/328個脈沖高速率波形低速率時鐘數乘以4RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第21頁RFID標簽芯片編碼——15693使用單副載波時位編碼方式設計關鍵點：產生副載波，后半部分與低電平相與設計關鍵點：產生副載波，前半部分與低電平相與RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第22頁RFID標簽芯片編碼——15693使用雙副載波時位編碼方式邏輯0是以8個頻率為fc/32（約423.75kHZ）脈沖開始，緊跟著9個頻率為fc/28（約484.28kHZ）脈沖邏輯1是以9個頻率為fc/28（約484.28kHZ）脈沖開始，緊跟著8個頻率為頻率為fc/32（約423.75kHZ）脈沖高速率波形低速率時鐘數乘以4RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第23頁RFID標簽芯片編碼——15693使用雙副載波時位編碼方式設計關鍵點：前半部分產生8個頻率為fc/32時鐘，后半部分產生9個頻率為fc/28時鐘設計關鍵點：前半部分產生9個頻率為fc/28時鐘，后半部分產生8個頻率為fc/32時鐘，注意頻率之間切換防止出現毛刺RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第24頁RFID標簽芯片編碼——15693使用單副載波時SOF和EOFSOF由以下三部分組成：1. 非調制時間768/fc（約56.64us）；2. 24個頻率為fc/32脈沖；3. 單副載波表示邏輯1。EOF由以下三部分組成：1. 單副載波表示邏輯0；2. 24個頻率為fc/32脈沖；3. 非調制時間768/fc（約56.64us）。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第25頁RFID標簽芯片編碼——15693使用雙副載波時SOFSOF由以下三部分組成：1. 27個頻率為fc/28脈沖（約484.28kHZ）；2. 24個頻率為fc/32脈沖（約423.75kHZ）；3. 雙副載波表示邏輯1。EOF由以下三部分組成：1. 雙副載波表示邏輯0；2. 24個頻率為fc/32脈沖（約423.75kHZ）；3. 27個頻率為fc/28脈沖（約484.28kHZ）。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第26頁RFID標簽芯片編碼——15693編碼電路RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第27頁RFID標簽芯片負載調制通常基帶信號含有較低頻率分量，不宜經過無線信道傳輸。所以，在通信系統發送端需要由一個載波來運載基帶信號，也就是使載波某個參量隨基帶信號規律而改變，這一個過程稱為（載波）調制。載波受到調制以后稱為已調信號，它含有基帶信號全部特征。依據輸入調制信號不一樣，調制信號有模擬信號和數字信號之分模擬調制是指輸入調制信號為幅度連續改變模擬量；數字調制是指輸入調制信號為幅度離散數字量。

載波參數有幅度、頻率和相位，所以依據載波參數改變不一樣，調制能夠分為幅度調制、頻率調制和相位調制。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第28頁RFID標簽芯片負載調制RFID系統通常采取數字調制方式傳送消息，調制信號（包含數字基帶信號和已調脈沖）對正弦波進行調制。在RFID系統中，正弦載波除了是信息載體外，在無源電子標簽中還含有提供能量作用，這一點與其它無線通信有所不一樣。.數字調制概念用二進制（多進制）數字信號作為調制信號，去控制載波一些參量改變，這種把幾代數字信號變換成頻帶數字信號過程稱為數字調制，反之，稱為數字解調。.數字調制分類在二進制時分為：振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）。其中，ASK屬于線性調制，FSK、PSK屬于非線性調制。RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第29頁RFID標簽芯片負載調制RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第30頁RFID標簽芯片負載調制RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第31頁RFID標簽芯片負載調制RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第32頁RFID標簽芯片負載調制RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第33頁Data為電子標簽要發送數據，R1、R2為調制電阻，N1、N2為負載調制開關管。當電子標簽發送數據Data=“0”時，N1、N2管關斷，天線工作電流不變；當Data=“1”時，N1、N2管導通，R1、R2并聯到天線兩端，天線等效負載電阻降低，天線電流增大、感應電壓降低，閱讀器天線感應電壓升高。在負載調制時，天線限幅電路配合調制信號工作。當Dout=“1”時，天線限幅部分將在更低處開始限壓。RFID標簽芯片負載調制——ASK設計負載調制電路RFID標簽芯片原理與設計調制與編碼第34頁當負載調制電路開始工作時，M-cl信號觸發P6打開，相當于將R4和P1短路掉，使得限幅電路限幅電壓值降低，深入形成負載調制。限幅電路電路圖RFID標簽芯片負載調