RFID干貨專欄概述

　　經(jīng)過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200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒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UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(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

　　在射頻傳播中無法避免的就是衰減，從字面上的理解，衰減就是降低RF信號的強(qiáng)度。準(zhǔn)確的說就是：信號在傳輸介質(zhì)中傳播時，將會有一部分能量轉(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閱讀器的信號通過水介質(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、雨霧均會造成衰減。

　　系統(tǒng)中無源器件發(fā)熱造成RF信號衰減。

　　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，都是對整個系統(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特性，其結(jié)果是增加RF信號強(qiáng)度。射頻的增益（非天線增益）都是通過有源器件產(chǎn)生的。可以理解為，要把一個信號放大，一定要給它對應(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)信號放大。

　　如圖2-4所示，為衰減與增益的示意圖，其中信號經(jīng)過無源器件衰減后振幅降低并產(chǎn)生熱量損耗；通過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)是無論增益還是衰減，信號的工作頻率與原來保持一致。

　　圖2-4衰減與增益示意圖

　　（2）天線增益

　　講到天線增益時，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。天線一般是無源器件，無法提供額外的能量增強(qiáng)RF信號。如圖2-5所示，為一個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）

　　許多物體都會對RF信號造成反射，如圖2-6所示入射波遇到反射面時會發(fā)生反射，反射的大小與RF信號的頻率和物體的材料有關(guān)。如：混凝土對RF信號有一定的反射；而金屬幾乎完全反射RF信號；電離層對長波有吸收作用，但是對短波、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)，接收端將收到來自不同路徑的同一個信號。多徑信號會破壞或抵消直接信號，在信號覆蓋區(qū)造成空洞或盲點(diǎn)，影響通信質(zhì)量。這個就是影響RFID在倉庫等應(yīng)用的識別率的問題根源（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信號經(jīng)過不同密度的物體時所發(fā)生的傳輸方向偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖2-7所示。如冷空氣、霧都會使RF發(fā)生折射。在兩種物體的交界面上，RF除了反射，也會發(fā)折射而進(jìn)入物體。在長距離通信時，折射會造成嚴(yán)重的問題。如：當(dāng)大氣層發(fā)生變化時，RF將改變方向而偏離目的地，使通信無法進(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)

　　一個無線數(shù)字通信系統(tǒng)，包括以下過程:基帶數(shù)據(jù)通過編碼調(diào)制成為射頻信號，通過發(fā)射天線輻射到環(huán)境中，再由接收天線接收，通過解調(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，更詳細(xì)的技術(shù)指標(biāo)和硬件設(shè)施會在本書的第4章和第5章講解。

　　1.數(shù)字調(diào)制概念

　　信號（Signal）分模擬（Analog）信號和數(shù)字（Digital）信號。如圖2-9所示，為最常見模擬調(diào)制方式模擬調(diào)頻（FM）和最常見的數(shù)字調(diào)制模式數(shù)字調(diào)頻（FSK），其中FM常用于無線廣播，而FSK常用于短距離無線通信。雖然兩種調(diào)制都是對頻率進(jìn)行調(diào)制，但是其傳輸?shù)男盘柌煌?，時域信號和頻率信號也不同。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在主流的通信技術(shù)都采用數(shù)字無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

　　圖2-9含有信息的模擬信號

　　數(shù)字調(diào)制是將數(shù)字符號轉(zhuǎn)換成適合信道特性波形的過程。基帶調(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，此正弦信號稱為載波波形（Carrier Wave），將載波轉(zhuǎn)換成電磁場（Electromagnetic，EM）傳播到指定的地點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸。那么為什么一定要通過載波來實(shí)現(xiàn)基帶信號的無線傳輸呢？這是因?yàn)?，電磁場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λ及應(yīng)用的場合。對超高頻RFID應(yīng)用來說，天線長度一般為λ/4（針對于標(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（f=40kHz），如果不通過載波而直接耦合到天線發(fā)送，計(jì)算一下天線有多長？采用四分之一波長作為天線的尺寸，對于40kHz的基帶信號，其尺寸為λ/4=1875m。為了在空間中傳輸40kHz的信號，不用載波進(jìn)行調(diào)制，需要尺寸為1875m的天線。當(dāng)然我們知道這么長的天線是完全不可行的，實(shí)際應(yīng)用中很可能這個超高頻RFID系統(tǒng)的工作距離只有5米，而天線超過1km，所以我們必須通過其他的方法將數(shù)據(jù)傳出去。而如果把基帶信號先調(diào)制在較高的載波頻率上，比如調(diào)制到920MHz的中國超高頻RFID頻段上，那么天線的尺寸僅為8cm，很顯然這個尺寸的天線是可以實(shí)現(xiàn)的，遠(yuǎn)距離的無線傳輸問題也就迎刃而解了。

　　在實(shí)際的應(yīng)用中，射頻信號通過頻帶傳輸?shù)姆绞街饕峭ㄟ^正弦載波進(jìn)行調(diào)制的，調(diào)制的功能如下：

　　使信號更適合于信道傳輸；

　　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部分時需要研究密碼學(xué)，本書主要針對超高頻RFID，加密部分相對簡單不作為本書重點(diǎn)）。

　　信道編碼：以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a。通常通過增加信源的冗余度來實(shí)現(xiàn)。采用的一般方法是增大碼率或帶寬，也就是說一般信道編碼會增加一些信息，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，簡寫PE），是一個同步時鐘編碼技術(shù)，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數(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)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時鐘，因此，這種編碼也稱為自同步編碼。曼徹斯特編碼將時鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸?shù)綄Ψ?，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。但每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，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）就是對信號源的信息進(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^程，就是使載波隨信號而改變的技術(shù)。一般來說，信號源的信息（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?；鶐盘柾荒茏鳛閭鬏斝盘枺虼吮仨毎鸦鶐盘栟D(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對于基帶頻率高很多的高頻率信號，以適合于信道傳輸。這個信號叫做已調(diào)信號，而基帶信號叫做調(diào)制信號。調(diào)制是通過改變高頻載波即消息的載體信號的幅度、相位或者頻率，使其隨著基帶信號幅度的變化而變化來實(shí)現(xiàn)的。而解調(diào)則是將基帶信號從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。

　　調(diào)制的種類很多，分類方法也不一致。按調(diào)制信號的形式可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制：用模擬信號調(diào)制稱為模擬調(diào)制；用數(shù)據(jù)或數(shù)字信號調(diào)制稱為數(shù)字調(diào)制。按被調(diào)信號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)變化的信號去調(diào)制一個高頻正弦波。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)字信號對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)制的波形對比圖。

　　圖2-12常見數(shù)字調(diào)制信號波形對比圖

　　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)用場景中一般都是比較簡單的調(diào)制方式，且一般采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，最常見的是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)信號中恢復(fù)消息的過程。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載波進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生攜帶這一消息的信號。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)制的分類相對應(yīng)，解調(diào)可分為正弦波解調(diào)（有時也稱為連續(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解調(diào)、殘留邊帶信號解調(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)了解了信號編碼和調(diào)制，現(xiàn)在通過一個實(shí)例來加深對信號發(fā)射過程的認(rèn)識。這個實(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)制過程。如圖2-13所示，標(biāo)簽需要發(fā)送的信號為“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)是一個射頻信號，標(biāo)簽通過負(fù)載調(diào)制耦合的最終信號為13.56MHz載波的負(fù)載調(diào)制信號（Load Modulation）。

　　圖2-13調(diào)制示例圖

　　圖2-14為該實(shí)例的數(shù)據(jù)信號頻譜圖，左邊為時域（Time domain），右邊為頻域圖（Frequency domain）。從中可以看到原始信號的頻譜，其；經(jīng)過副載波調(diào)制后有效信號就被搬到了，其，而把原來的有效信號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)信號頻譜圖

　　通過這個實(shí)例的分析，相信讀者已經(jīng)對射頻識別系統(tǒng)中如何實(shí)現(xiàn)調(diào)制并發(fā)射信號有了一定的了解。

　　本文來源：RFID世界網(wǎng)

　　作者：甘泉