技術(shù)
導(dǎo)讀:甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功,撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布,本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述,干貨滿滿!RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán),在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄,陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。
RFID干貨專欄概述
經(jīng)過(guò)20多年的努力發(fā)展,超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一,每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過(guò)程中,中國(guó)逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國(guó),在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下,行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而,至今國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。
為了填補(bǔ)這方面的空缺,甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功,撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布,本書對(duì)UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述,干貨滿滿!RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán),在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄,陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。
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2.1.3 射頻傳播的基本特征
1.衰減
在射頻傳播中無(wú)法避免的就是衰減,從字面上的理解,衰減就是降低RF信號(hào)的強(qiáng)度。準(zhǔn)確的說(shuō)就是:信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播時(shí),將會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)化成熱能或者被傳輸介質(zhì)吸收,從而造成信號(hào)強(qiáng)度不斷減弱,這種現(xiàn)象稱為衰減。如圖2-3所示,超高頻RFID閱讀器的信號(hào)通過(guò)水介質(zhì)后振幅減小的現(xiàn)象就是衰減。一般衰減用L(Loss)表示:
其中Po表示衰減后的功率;Pi表示衰減前的功率。在衰減情況下L的dB為負(fù)值,且Po小于Pi。
圖2-3信號(hào)衰減示意圖
射頻傳播中衰減存在的地方:
電纜中:電纜與接頭之間的電阻使RF轉(zhuǎn)化為熱能。
空氣中:路徑造成的能量擴(kuò)散是衰減的最大因素,空氣中的灰塵、雨霧均會(huì)造成衰減。
系統(tǒng)中無(wú)源器件發(fā)熱造成RF信號(hào)衰減。
人為在系統(tǒng)中加入的衰減器(有益的)。
特別強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是,衰減并不一定是壞事,有很多時(shí)候?yàn)榱吮Wo(hù)電路,在電路的前端進(jìn)行衰減,或?yàn)榱丝刂戚椛浞秶谔炀€輸出之前進(jìn)行衰減,都是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有正向意義的事情。
2.增益
(1)射頻增益
增益是與衰減相反的一個(gè)特性,其結(jié)果是增加RF信號(hào)強(qiáng)度。射頻的增益(非天線增益)都是通過(guò)有源器件產(chǎn)生的。可以理解為,要把一個(gè)信號(hào)放大,一定要給它對(duì)應(yīng)的能量才可以。一般增益用Gain表示:
其中Po表示輸出功率;Pi表示輸入功率。在衰減情況下Gain的dB為負(fù)值,且Po小于Pi;在增益情況下Gain的dB為正值,且Po大于Pi。如果實(shí)現(xiàn)正的增益,需要引入外部能量,提供給放大器件從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。
如圖2-4所示,為衰減與增益的示意圖,其中信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)源器件衰減后振幅降低并產(chǎn)生熱量損耗;通過(guò)有源器件提供的能量增益后振幅加強(qiáng)。需要注意的一點(diǎn)是無(wú)論增益還是衰減,信號(hào)的工作頻率與原來(lái)保持一致。
圖2-4衰減與增益示意圖
(2)天線增益
講到天線增益時(shí),需要與射頻增益進(jìn)行區(qū)分,天線的增益與射頻的傳輸增益是完全不同的。天線的增益是增加在特定方向上的能量強(qiáng)度而不是增加其總能量。天線一般是無(wú)源器件,無(wú)法提供額外的能量增強(qiáng)RF信號(hào)。如圖2-5所示,為一個(gè)鍋形微波天線輻射示意圖,天線的發(fā)射和接收是把所有能量匯聚在了主波瓣上,并沒(méi)有新的能量增加。
(a)實(shí)物圖 (b)輻射圖
圖2-5鍋形微波天線輻射示意圖
3.反射、折射與散射
(1)反射(Reflection)
許多物體都會(huì)對(duì)RF信號(hào)造成反射,如圖2-6所示入射波遇到反射面時(shí)會(huì)發(fā)生反射,反射的大小與RF信號(hào)的頻率和物體的材料有關(guān)。如:混凝土對(duì)RF信號(hào)有一定的反射;而金屬幾乎完全反射RF信號(hào);電離層對(duì)長(zhǎng)波有吸收作用,但是對(duì)短波、超短波卻吸收較少,反射較多。
圖2-6波的反射示意圖
反射的直接結(jié)果是造成多徑(Multipath)效應(yīng),接收端將收到來(lái)自不同路徑的同一個(gè)信號(hào)。多徑信號(hào)會(huì)破壞或抵消直接信號(hào),在信號(hào)覆蓋區(qū)造成空洞或盲點(diǎn),影響通信質(zhì)量。這個(gè)就是影響RFID在倉(cāng)庫(kù)等應(yīng)用的識(shí)別率的問(wèn)題根源(6.1.3節(jié)有關(guān)于多徑效應(yīng)影響的詳細(xì)解釋)。
(2)折射(Refraction)
折射是當(dāng)RF信號(hào)經(jīng)過(guò)不同密度的物體時(shí)所發(fā)生的傳輸方向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,如圖2-7所示。如冷空氣、霧都會(huì)使RF發(fā)生折射。在兩種物體的交界面上,RF除了反射,也會(huì)發(fā)折射而進(jìn)入物體。在長(zhǎng)距離通信時(shí),折射會(huì)造成嚴(yán)重的問(wèn)題。如:當(dāng)大氣層發(fā)生變化時(shí),RF將改變方向而偏離目的地,使通信無(wú)法進(jìn)行。
圖2-7波的折射示意圖
(3)散射(Scattering)
散射是反射的一種表現(xiàn)形式,RF信號(hào)被不均勻的反射物打散的現(xiàn)象,稱作散射,如圖2-7所示。沙塵、霧、樹葉、不規(guī)則巖石等都可造成散射。超高頻RFID標(biāo)簽就是利用反向散射的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與閱讀器的通信的。
圖2-8波的散射示意圖
2.1.4數(shù)字通信系統(tǒng)
一個(gè)無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng),包括以下過(guò)程:基帶數(shù)據(jù)通過(guò)編碼調(diào)制成為射頻信號(hào),通過(guò)發(fā)射天線輻射到環(huán)境中,再由接收天線接收,通過(guò)解調(diào)和譯碼后還原之前傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)。RFID系統(tǒng)就是一種數(shù)字通信系統(tǒng)。本節(jié)主要講述一些原理性的知識(shí),更詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)和硬件設(shè)施會(huì)在本書的第4章和第5章講解。
1.數(shù)字調(diào)制概念
信號(hào)(Signal)分模擬(Analog)信號(hào)和數(shù)字(Digital)信號(hào)。如圖2-9所示,為最常見(jiàn)模擬調(diào)制方式模擬調(diào)頻(FM)和最常見(jiàn)的數(shù)字調(diào)制模式數(shù)字調(diào)頻(FSK),其中FM常用于無(wú)線廣播,而FSK常用于短距離無(wú)線通信。雖然兩種調(diào)制都是對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)制,但是其傳輸?shù)男盘?hào)不同,時(shí)域信號(hào)和頻率信號(hào)也不同。隨著科技的進(jìn)步,現(xiàn)在主流的通信技術(shù)都采用數(shù)字無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
圖2-9含有信息的模擬信號(hào)
數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)換成適合信道特性波形的過(guò)程?;鶐д{(diào)制中這些波形通常具有整形脈沖的形式,而在帶通調(diào)制(Bandpass Modulation)中則利用整形脈沖去調(diào)制正弦信號(hào),此正弦信號(hào)稱為載波波形(Carrier Wave),將載波轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)(Electromagnetic,EM)傳播到指定的地點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。那么為什么一定要通過(guò)載波來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的無(wú)線傳輸呢?這是因?yàn)?,電磁?chǎng)必須利用天線才能在空間傳輸,天線的尺寸主要取決于波長(zhǎng)λ及應(yīng)用的場(chǎng)合。對(duì)超高頻RFID應(yīng)用來(lái)說(shuō),天線長(zhǎng)度一般為λ/4(針對(duì)于標(biāo)簽和小型閱讀器天線的尺寸一般為λ/4到λ/2之間),式中波長(zhǎng)等于c/f,c是光速3*10^8m/s。
假設(shè)發(fā)送一段超高頻RFID基帶有效信號(hào)(f=40kHz),如果不通過(guò)載波而直接耦合到天線發(fā)送,計(jì)算一下天線有多長(zhǎng)?采用四分之一波長(zhǎng)作為天線的尺寸,對(duì)于40kHz的基帶信號(hào),其尺寸為λ/4=1875m。為了在空間中傳輸40kHz的信號(hào),不用載波進(jìn)行調(diào)制,需要尺寸為1875m的天線。當(dāng)然我們知道這么長(zhǎng)的天線是完全不可行的,實(shí)際應(yīng)用中很可能這個(gè)超高頻RFID系統(tǒng)的工作距離只有5米,而天線超過(guò)1km,所以我們必須通過(guò)其他的方法將數(shù)據(jù)傳出去。而如果把基帶信號(hào)先調(diào)制在較高的載波頻率上,比如調(diào)制到920MHz的中國(guó)超高頻RFID頻段上,那么天線的尺寸僅為8cm,很顯然這個(gè)尺寸的天線是可以實(shí)現(xiàn)的,遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸問(wèn)題也就迎刃而解了。
在實(shí)際的應(yīng)用中,射頻信號(hào)通過(guò)頻帶傳輸?shù)姆绞街饕峭ㄟ^(guò)正弦載波進(jìn)行調(diào)制的,調(diào)制的功能如下:
使信號(hào)更適合于信道傳輸;
實(shí)現(xiàn)信道復(fù)用提高通信系統(tǒng)的有效性;
提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力,提高通信系統(tǒng)的可靠性。
2.編碼與譯碼
這里講到的編碼(Coding)和譯碼(Decoding),主要針對(duì)信道編碼和信道譯碼,并非密碼學(xué)里面的編碼方式和譯碼方式(研究高頻RFID部分時(shí)需要研究密碼學(xué),本書主要針對(duì)超高頻RFID,加密部分相對(duì)簡(jiǎn)單不作為本書重點(diǎn))。
信道編碼:以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a。通常通過(guò)增加信源的冗余度來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用的一般方法是增大碼率或帶寬,也就是說(shuō)一般信道編碼會(huì)增加一些信息,這些信息或者進(jìn)行校驗(yàn)或者增強(qiáng)可靠性。如圖2-10所示為信道編碼的示意圖,通過(guò)編碼器將信源的S集合映射為碼字C集合。
圖2-10信道編碼示意圖
信道編碼的種類很多,如霍夫曼(Huffman)編碼、費(fèi)諾(Fano)編碼、香農(nóng)-費(fèi)諾-埃利斯(Shannon-Fano-Elias)編碼等,這里就不贅述了。本文主要介紹RFID系統(tǒng)中常用一種的編碼方式:曼徹斯特編碼。
曼徹斯特編碼(Manchester Encoding),也叫做相位編碼(Phase Encode,簡(jiǎn)寫PE),是一個(gè)同步時(shí)鐘編碼技術(shù),被物理層使用來(lái)編碼一個(gè)同步位流的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。在曼徹斯特編碼中,用電壓跳變的相位不同來(lái)區(qū)分1和0,即用正的電壓跳變表示1,用負(fù)的電壓跳變表示0。因此,這種編碼也稱為相位編碼,如圖2-11所示。由于跳變都發(fā)生在每一個(gè)碼元的中間,接收端可以方便地利用它作為位同步時(shí)鐘,因此,這種編碼也稱為自同步編碼。曼徹斯特編碼將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中,在傳輸代碼信息的同時(shí),也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方,每位編碼中有一跳變,不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)電平,所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。
圖2-11曼徹斯特編碼
3.調(diào)制與解調(diào)
(1)調(diào)制
調(diào)制(Modulation)就是對(duì)信號(hào)源的信息進(jìn)行處理加到載波上,使其變?yōu)檫m合于信道傳輸?shù)男问降倪^(guò)程,就是使載波隨信號(hào)而改變的技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),信號(hào)源的信息(也稱為信源)含有直流分量和頻率較低的頻率分量,稱為基帶信號(hào)?;鶐盘?hào)往往不能作為傳輸信號(hào),因此必須把基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)于基帶頻率高很多的高頻率信號(hào),以適合于信道傳輸。這個(gè)信號(hào)叫做已調(diào)信號(hào),而基帶信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)。調(diào)制是通過(guò)改變高頻載波即消息的載體信號(hào)的幅度、相位或者頻率,使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而解調(diào)則是將基帶信號(hào)從載波中提取出來(lái)以便預(yù)定的接收者(也稱為信宿)處理和理解的過(guò)程。
調(diào)制的種類很多,分類方法也不一致。按調(diào)制信號(hào)的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制:用模擬信號(hào)調(diào)制稱為模擬調(diào)制;用數(shù)據(jù)或數(shù)字信號(hào)調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)信號(hào)的種類可分為脈沖調(diào)制、正弦波調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制等。按調(diào)制的載波分為脈沖,正弦波和光波等。正弦波調(diào)制有幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制三種基本方式,后兩者合稱為角度調(diào)制。此外還有一些變異的調(diào)制,如單邊帶調(diào)幅、殘留邊帶調(diào)幅等。脈沖調(diào)制也可以按類似的方法分類。此外還有復(fù)合調(diào)制和多重調(diào)制等,不同的調(diào)制方式有不同的特點(diǎn)和性能。
在通信中,我們常常采用的調(diào)制方式有模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制和脈沖調(diào)制這三種。
模擬調(diào)制:用連續(xù)變化的信號(hào)去調(diào)制一個(gè)高頻正弦波。主要有:1.幅度調(diào)制(調(diào)幅AM,雙邊帶調(diào)制DSBSC,單邊帶調(diào)幅SSBSC,殘留邊帶調(diào)制VSB以及獨(dú)立邊帶ISB);2.角度調(diào)制(調(diào)頻FM,調(diào)相PM)兩種。因?yàn)橄辔坏淖兓示褪穷l率,所以調(diào)相波和調(diào)頻波是密切相關(guān)的。
數(shù)字調(diào)制:用數(shù)字信號(hào)對(duì)正弦或余弦高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制。主要有:1.振幅鍵控ASK;2.頻率鍵控FSK;3.相位鍵控PSK。如圖2-12所示為這三種數(shù)字調(diào)制的波形對(duì)比圖。
圖2-12常見(jiàn)數(shù)字調(diào)制信號(hào)波形對(duì)比圖
脈沖調(diào)制:用脈沖序列作為載波。主要有:1.脈沖幅度調(diào)制(PAM:PulseAmplitude Modulation);2.脈寬調(diào)制(PDM:Pulse DurationModulation);3.脈位調(diào)制(PPM:PulsePosition Modulation);4.脈沖編碼調(diào)制(PCM:Pulse CodeModulation);
在RFID的應(yīng)用場(chǎng)景中一般都是比較簡(jiǎn)單的調(diào)制方式,且一般采用數(shù)字調(diào)制技術(shù),最常見(jiàn)的是ASK、PSK、FSK。超高頻RFID使用ASK調(diào)制技術(shù);低頻RFID使用FSK調(diào)制技術(shù);2.4GHz RFID主要使用FSK和ASK調(diào)制技術(shù)。也有一些其它通信系統(tǒng)使用PSK調(diào)制,如ZigBee、Wi-Fi等。
(2)解調(diào)
解調(diào)(demodulate)是從攜帶消息的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)消息的過(guò)程。在各種信息傳輸或處理系統(tǒng)中,發(fā)送端用欲傳送的消息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,產(chǎn)生攜帶這一消息的信號(hào)。接收端必須恢復(fù)所傳送的消息才能加以利用,這就是解調(diào)。解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程。調(diào)制方式不同,解調(diào)方法也不一樣。與調(diào)制的分類相對(duì)應(yīng),解調(diào)可分為正弦波解調(diào)(有時(shí)也稱為連續(xù)波解調(diào))和脈沖波解調(diào)。正弦波解調(diào)還可再分為幅度解調(diào)、頻率解調(diào)和相位解調(diào),此外還有一些變種如單邊帶信號(hào)解調(diào)、殘留邊帶信號(hào)解調(diào)等。同樣,脈沖波解調(diào)也可分為脈沖幅度解調(diào)、脈沖相位解調(diào)、脈沖寬度解調(diào)和脈沖編碼解調(diào)等。對(duì)于多重調(diào)制需要配以多重解調(diào)。
4.數(shù)字通信實(shí)例
既然我們已經(jīng)了解了信號(hào)編碼和調(diào)制,現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)實(shí)例來(lái)加深對(duì)信號(hào)發(fā)射過(guò)程的認(rèn)識(shí)。這個(gè)實(shí)例是ISO/IEC 15693-2中的內(nèi)容,是關(guān)于標(biāo)簽向閱讀器通信的調(diào)制過(guò)程。如圖2-13所示,標(biāo)簽需要發(fā)送的信號(hào)為“0”和“1”,其數(shù)字波形如圖2-13中的數(shù)據(jù)(data);編碼后為圖中的曼徹斯特編碼(Manchester coding)數(shù)字波形;副載波(Subcarrier)的作用是提高信息傳輸?shù)目煽啃?;最終要發(fā)出去的數(shù)字信號(hào)就變成了副載波調(diào)制(Subcarrier Modulation)的數(shù)字波形;而最終發(fā)給閱讀器端的數(shù)據(jù)是一個(gè)射頻信號(hào),標(biāo)簽通過(guò)負(fù)載調(diào)制耦合的最終信號(hào)為13.56MHz載波的負(fù)載調(diào)制信號(hào)(Load Modulation)。
圖2-13調(diào)制示例圖
圖2-14為該實(shí)例的數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜圖,左邊為時(shí)域(Time domain),右邊為頻域圖(Frequency domain)。從中可以看到原始信號(hào)的頻譜,其;經(jīng)過(guò)副載波調(diào)制后有效信號(hào)就被搬到了,其,而把原來(lái)的有效信號(hào)搬到了副載波頻率上;第三張頻域圖是把搬移到了13.56MHz的載波上。
圖2-14數(shù)據(jù)信號(hào)頻譜圖
通過(guò)這個(gè)實(shí)例的分析,相信讀者已經(jīng)對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)調(diào)制并發(fā)射信號(hào)有了一定的了解。
本文來(lái)源:RFID世界網(wǎng)
作者:甘泉