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1、第二章 RFID技术原理单元1 电磁波传输物理学原理单元2 天线技术单元3 RFID技术数据传输原理单元4 RFID抗干扰数据传输与安全管理目录目录单元一 无线电磁波传输原理无线电磁波无线电波的波长、频率和传播速度的关系无线电磁波的传播无线电磁波的多径传播目录目录PART 1无线电磁波1.无线电磁波什么叫无线电磁波？无线电磁波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。1.无线电磁波无线电磁波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱无线电磁波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用公里秒表示无线电磁波在
2、空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。PART 2无线电磁波的波长、频率和传播速度的关系2.1无线电磁波的波长、频率和传播速度的关系可用式 / 表示。式中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米。 波长2.1无线电磁波的波长、频率和传播速度的关系由上述关系式不难看出，同一频率的无线电磁波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数约为2.1，因此，/1.44 ，/1.44 波长2.2无线电磁波的极化无线电磁波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电磁波的极化。无线电
3、磁波的电场方向称为电磁波的极化方向。如果电磁波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电磁波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。2.3 天线的极化垂直极化水平极化+ 45度倾斜的极化- 45度倾斜的极化2.3圆极化波如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失。2.4双极化天线两个天线为一个整体，传输两个独立的波V/H (垂直/水平)倾斜 (+
4、/- 45)2.5 极化损失00当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量2.6 (极化)隔离隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例 1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW) = 30dB1000mW (即1W)PART 3无线电磁波的传播3.1 无线电磁波的传播无线电磁波的波长不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波段，其高端属于微波。3.2 超短
5、波和微波的视距传播 超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。PART 4电波的多径传播4.1 电波的多径传播电波除了直接传播外，遇到障碍物，例如，山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，还会产生反射因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径因此，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。传输。4. 1电波的多径传播由于多途径传播使
6、得信号场强分布相当复杂，波动很大；也由于多径传输的影响，会使电波的极化方向发生变化，因此，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波的反射能力比砖墙强。我们应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取空间分集或极化分集的措施加以对应。4.1 电波的多径传播4.1 电波的多径传播4.2电波的绕射传播电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度不仅和接收天线距建筑物的距离及建筑物的高度有关，还和频率有关架设天线选择
7、基站场地时，必须按上述原则来考虑对绕射传播可能产生的各种不利因素，并努力加以避免频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮、越远，影响越小4.2电波的绕射传播单元二 天线技术知识目 录天线辐射电磁波的基本原理1天线的工作频率范围(带宽)2天线辐射的方向性3RFID天线4关于传输线的几个基本概念5PART 1天线辐射电磁波的基本原理1. 1 天线辐射电磁波的基本原理导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导
8、线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度 L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. 1. 1 天线辐射电磁波的基本原理当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。1.2 对称振子两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。PART 2天线的工作频率范围(带宽)2.1 天线的工作频率范围(带宽)无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率
9、时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。2.1 天线的工作频率范围(带宽)几种不同的定义：1.指天线增益下降三分贝时的频带宽度；2.指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。 在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比1.5时，天线的工作带宽。PART 3天线辐射的方向性天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。 3.1 天线辐射的方向性3.2 方向图在地平面上，为了把信号集中到
10、所需要的地方，要求把”面包圈” 压成扁平的一个单一的对称振子具有“面包圈” 形的方向图3.3 对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈” 更加集中的信号在阵中有4个对称振子 在接收机中就有4 mW功率一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率 在这儿增益= 10log(4mW/1mW) = 6dBd3.4 典型的方向图形PART 4RFID天线1.用来辐射接收无线电波的装置和称为天线。2.天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收。4.1 RFID天线以下是一些常用的RFID天线，带状天线，线圈天线等4.1 RFI
11、D天线 4.2 RFID上线圈天线的工作原理发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流；当RFD的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中，RFID天线与读写器天线之间相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈由RFID的线圈天线形成的谐振回路1.磁场耦合式天线是低频和高频RFID应用中广泛采用的天线形式,其基本形式是由线圈绕制而成。当交变电流在线圈中流动时，就会在线圈周围产生较大的磁场，磁场穿过线圈的横截面和线圈周围空间，可以把读写器与传感器之间的电磁场简化为交变磁场来研究。4.3 RFID常用天线PART 5关于传输线的几个基本概念连接天线和发射（或接
12、收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 关于传输线的几个基本概念因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。关于传输线的几个基本概念当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。关于传输线的几个基本概念 单元三 RFID技术数据传输原理目 录RFIDRFID技术数据传输流程技术数据传输流程1编码与解码编码与解码2调制与解调调制与解调3RFIDRFID数据差错控制原理数据差错控制原理4
13、RFIDRFID技术数据信息完整性技术数据信息完整性5PART 1RFID无线通信存在的干扰要素1. RFID技术数据传输流程射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似。读写器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能块，按读写器到电子标签的数据传输方向，是读写器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波电路），传输介质（信道），以及电子标签（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。 1. RFID技术数据传输流程PART 2编码与解码2. 编码与解码 编码与解码是数字通信中应用的主要技术之一。编码是指用二进制的数字代码来表示信息。在数字通信中，编码是指用一组组二进制的数
14、字代码来表示一个个模拟信号抽样值的过程。所以简言之，编码就是把模拟信号转化为数字代码的过程。2. 编码与解码RFID数据传输常用编码格式RFID的编码可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种：射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种：反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零（UnipolarHZ）编码、差动双相（DBP）编码、差动编码。2. 编码与解码1. 1. 单极性不归零信号（单极性不归零信号（NRZNRZ）在一个码元周期Tb内电位维持不变，用高电位代表“1”码，低电位代表“0”码。如图（a）2.2.单极性
15、归零信号（单极性归零信号（RZRZ）“1”码在一个码元周期Tb内，高电位只维持一段时间，即“1”码元脉冲宽度为就返回零位如图（b）2. 编码与解码3. 3. 双极性不归零信号双极性不归零信号双极性是指用正、负两个极性来表示数据信号的“1”或“0”。如图（c）4. 4. 双极性归零信号双极性归零信号 “1”码和“0”码在一个码元周期Tb内，高电位只维持一段时间就返回零位。如图（d）2. 编码与解码2. 编码与解码5. 5. 伪三元信号伪三元信号即原信号中的“0”在伪三进信号中用零来表示，原信号中的“1”在伪三进信号中用正、负交替的归零脉冲来表示，其直流分量为零。如图（e）2. 编码与解码6. 6
16、. 差分信号（差分码）差分信号（差分码）所谓差分码，是用差分序列的前后码元电位是否相同来代表要传送的原信号码元，例如用差分码的电位变化来代表原信号码的“1”，电位不变来代表原信号码的“0”。如图（f）PART 3调制与解调3调制与解调调制就是使一个信号的某些参数按照另一个欲传输的信号的特点变化的过程。按照被调制信号参数的不同，调制的方式也不同。 如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称调幅；如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称调幅如果被控制的参数是高频振荡的幅度，则称这种调制方式为幅度调制，简称调幅如果被控制的参数是高频振荡的频率，则称这种调制方式为频率调制或相位调制，简称调频。3.1RFID技术数据传输原理 RFID系统通常采用数字调制方式传送消息，调制信号（包括数字基带信号和已调脉冲）对正弦波进行调制。1. 振幅键控振幅键控（Amplitude Shift Keying，缩写为ASK）是载波的振幅随着数字基带信号而变化的数字调制。当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控（2ASK）。2. 频移键控频移键控英文缩写FSK。频
