RFID干貨專欄概述

　　經過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國，在國家對物聯網發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

　　為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數年之功，撰寫的新書《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網得到了甘泉老師獨家授權，在RFID世界網公眾號特設專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內容。

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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信號的強度。準確的說就是：信號在傳輸介質中傳播時，將會有一部分能量轉化成熱能或者被傳輸介質吸收，從而造成信號強度不斷減弱，這種現象稱為衰減。如圖2-3所示，超高頻RFID閱讀器的信號通過水介質后振幅減小的現象就是衰減。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轉化為熱能。

　　空氣中：路徑造成的能量擴散是衰減的最大因素，空氣中的灰塵、雨霧均會造成衰減。

　　系統中無源器件發(fā)熱造成RF信號衰減。

　　人為在系統中加入的衰減器（有益的）。

　　特別強調的一點是，衰減并不一定是壞事，有很多時候為了保護電路，在電路的前端進行衰減，或為了控制輻射范圍在天線輸出之前進行衰減，都是對整個系統有正向意義的事情。

　　2.增益

　　（1）射頻增益

　　增益是與衰減相反的一個特性，其結果是增加RF信號強度。射頻的增益（非天線增益）都是通過有源器件產生的?？梢岳斫鉃?，要把一個信號放大，一定要給它對應的能量才可以。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。如果實現正的增益，需要引入外部能量，提供給放大器件從而實現信號放大。

　　如圖2-4所示，為衰減與增益的示意圖，其中信號經過無源器件衰減后振幅降低并產生熱量損耗；通過有源器件提供的能量增益后振幅加強。需要注意的一點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。

　?。╝）實物圖         （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。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

　　反射的直接結果是造成多徑（Multipath）效應，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，影響通信質量。這個就是影響RFID在倉庫等應用的識別率的問題根源（6.1.3節(jié)有關于多徑效應影響的詳細解釋）。

　　（2）折射（Refraction）

　　折射是當RF信號經過不同密度的物體時所發(fā)生的傳輸方向偏轉現象，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)折射而進入物體。在長距離通信時，折射會造成嚴重的問題。如：當大氣層發(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形式，RF信號被不均勻的反射物打散的現象，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標簽就是利用反向散射的技術來實現與閱讀器的通信的。

　　圖2-8波的散射示意圖

　　2.1.4數字通信系統

　　一個無線數字通信系統，包括以下過程:基帶數據通過編碼調制成為射頻信號，通過發(fā)射天線輻射到環(huán)境中，再由接收天線接收，通過解調和譯碼后還原之前傳輸的基帶數據。RFID系統就是一種數字通信系統。本節(jié)主要講述一些原理性的知識，更詳細的技術指標和硬件設施會在本書的第4章和第5章講解。

　　1.數字調制概念

　　信號（Signal）分模擬（Analog）信號和數字（Digital）信號。如圖2-9所示，為最常見模擬調制方式模擬調頻（FM）和最常見的數字調制模式數字調頻（FSK），其中FM常用于無線廣播，而FSK常用于短距離無線通信。雖然兩種調制都是對頻率進行調制，但是其傳輸的信號不同，時域信號和頻率信號也不同。隨著科技的進步，現在主流的通信技術都采用數字無線通信技術實現。

　　圖2-9含有信息的模擬信號

　　數字調制是將數字符號轉換成適合信道特性波形的過程?；鶐д{制中這些波形通常具有整形脈沖的形式，而在帶通調制（Bandpass Modulation）中則利用整形脈沖去調制正弦信號，此正弦信號稱為載波波形（Carrier Wave），將載波轉換成電磁場（Electromagnetic，EM）傳播到指定的地點就可以實現無線傳輸。那么為什么一定要通過載波來實現基帶信號的無線傳輸呢？這是因為，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及應用的場合。對超高頻RFID應用來說，天線長度一般為λ/4（針對于標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，不用載波進行調制，需要尺寸為1875m的天線。當然我們知道這么長的天線是完全不可行的，實際應用中很可能這個超高頻RFID系統的工作距離只有5米，而天線超過1km，所以我們必須通過其他的方法將數據傳出去。而如果把基帶信號先調制在較高的載波頻率上，比如調制到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現的，遠距離的無線傳輸問題也就迎刃而解了。

　　在實際的應用中，射頻信號通過頻帶傳輸的方式主要是通過正弦載波進行調制的，調制的功能如下：

　　使信號更適合于信道傳輸；

　　實現信道復用提高通信系統的有效性；

　　提高通信系統的抗干擾能力，提高通信系統的可靠性。

　　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，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）。

　　信道編碼：以提高信息傳輸的可靠性為目的的編碼。通常通過增加信源的冗余度來實現。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，這些信息或者進行校驗或者增強可靠性。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、費諾（Fano）編碼、香農-費諾-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，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數據。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據包含在數據流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸到對方，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。但每一個碼元都被調成兩個電平，所以數據傳輸速率只有調制速率的1/2。

　　圖2-11曼徹斯特編碼

　　3.調制與解調

　　（1）調制

　　調制（Modulation）就是對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸的形式的過程，就是使載波隨信號而改變的技術。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。這個信號叫做已調信號，而基帶信號叫做調制信號。調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現的。而解調則是將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接收者（也稱為信宿）處理和理解的過程。

　　調制的種類很多，分類方法也不一致。按調制信號的形式可分為模擬調制和數字調制：用模擬信號調制稱為模擬調制；用數據或數字信號調制稱為數字調制。按被調信號的種類可分為脈沖調制、正弦波調制和強度調制等。按調制的載波分為脈沖，正弦波和光波等。正弦波調制有幅度調制、頻率調制和相位調制三種基本方式，后兩者合稱為角度調制。此外還有一些變異的調制，如單邊帶調幅、殘留邊帶調幅等。脈沖調制也可以按類似的方法分類。此外還有復合調制和多重調制等，不同的調制方式有不同的特點和性能。

　　在通信中，我們常常采用的調制方式有模擬調制、數字調制和脈沖調制這三種。

　　模擬調制：用連續(xù)變化的信號去調制一個高頻正弦波。主要有：1.幅度調制（調幅AM，雙邊帶調制DSBSC，單邊帶調幅SSBSC，殘留邊帶調制VSB以及獨立邊帶ISB）；2.角度調制（調頻FM，調相PM）兩種。因為相位的變化率就是頻率，所以調相波和調頻波是密切相關的。

　　數字調制：用數字信號對正弦或余弦高頻振蕩進行調制。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所示為這三種數字調制的波形對比圖。

　　圖2-12常見數字調制信號波形對比圖

　　脈沖調制：用脈沖序列作為載波。主要有：1.脈沖幅度調制（PAM：PulseAmplitude Modulation）；2.脈寬調制（PDM：Pulse DurationModulation）；3.脈位調制（PPM：PulsePosition Modulation）；4.脈沖編碼調制（PCM：Pulse CodeModulation)；

　　在RFID的應用場景中一般都是比較簡單的調制方式，且一般采用數字調制技術，最常見的是ASK、PSK、FSK。超高頻RFID使用ASK調制技術；低頻RFID使用FSK調制技術；2.4GHz RFID主要使用FSK和ASK調制技術。也有一些其它通信系統使用PSK調制，如ZigBee、Wi-Fi等。

　　（2）解調

　　解調（demodulate）是從攜帶消息的已調信號中恢復消息的過程。在各種信息傳輸或處理系統中，發(fā)送端用欲傳送的消息對載波進行調制，產生攜帶這一消息的信號。接收端必須恢復所傳送的消息才能加以利用，這就是解調。解調是調制的逆過程。調制方式不同，解調方法也不一樣。與調制的分類相對應，解調可分為正弦波解調（有時也稱為連續(xù)波解調）和脈沖波解調。正弦波解調還可再分為幅度解調、頻率解調和相位解調，此外還有一些變種如單邊帶信號解調、殘留邊帶信號解調等。同樣，脈沖波解調也可分為脈沖幅度解調、脈沖相位解調、脈沖寬度解調和脈沖編碼解調等。對于多重調制需要配以多重解調。

　　4.數字通信實例

　　既然我們已經了解了信號編碼和調制，現在通過一個實例來加深對信號發(fā)射過程的認識。這個實例是ISO/IEC 15693-2中的內容，是關于標簽向閱讀器通信的調制過程。如圖2-13所示，標簽需要發(fā)送的信號為“0”和“1”，其數字波形如圖2-13中的數據（data）；編碼后為圖中的曼徹斯特編碼（Manchester coding）數字波形；副載波（Subcarrier）的作用是提高信息傳輸的可靠性；最終要發(fā)出去的數字信號就變成了副載波調制（Subcarrier Modulation）的數字波形；而最終發(fā)給閱讀器端的數據是一個射頻信號，標簽通過負載調制耦合的最終信號為13.56MHz載波的負載調制信號（Load Modulation）。

　　圖2-13調制示例圖

　　圖2-14為該實例的數據信號頻譜圖，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；經過副載波調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數據信號頻譜圖

　　通過這個實例的分析，相信讀者已經對射頻識別系統中如何實現調制并發(fā)射信號有了一定的了解。

　　本文來源：RFID世界網

　　作者：甘泉