第4章采样编码与调制ppt课件.pptx

,物联网射频识别（RFID）技术与应用,第4章 编码与调制,点击此处结束放映,RFID是一种系统，一种射频识别系统。典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成，一般我们把中间件和应用软件统称为应用系统。,RFID系统构架,图4-2 RFID的系统结构,在实际RFID解决方案中，不论是简单的RFID系统还是复杂的RFID系统都包含一些基本组件。组件分为硬件组件和软件组件。,RFID系统构架,图4-3 射频识别系统基本组成,若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图4-3示。这种观点同现代信息技术观点相吻合。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。,1、电子标签,二、 RFID系统构架,图4-4 RFID系统构件标签,电子标签（Electronic Tag）也称也称应答器或智能标签（Smart Label），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。,电压调节器：把由标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源；调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器；解调器：把载波去除以取出真正的调制信号；逻辑控制单元：用来译码阅读器送来的信号，并依其要求回送数据给阅读器；存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。,2、读写器,二、 RFID系统构架,图4-6 读写器组成示意图,读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器。,读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器，报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成，如图4-6所示。,3、控制器,二、 RFID系统构架,控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器与电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作。,通常，按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。模拟通信系统是利用模拟信号来传递信息的通信系统。可见，在模拟通信系统中，发送设备简化为调制器，接收设备简化为解调器，主要是强调在模拟通信系统中调制的重要作用。,图4 模拟通信系统模型,2、通信系统分类,数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。信源编码与译码目的：提高信息传输的有效性以及完成模/数转换 ；信道编码与译码目的：增强抗干扰能力；加密与解密目的：保证所传信息的安全；数字调制与解调目的：形成适合在信道中传输的带通信号 ；同步目的：使收发两端的信号在时间上保持步调一致 。,图5 数字通信系统模型,RFID系统常采用数字信号。其主要特点信号的完整性RFID采用非接触技术传递信息，容易遇到干扰，使信息传输发生改变。数字信号容易校验，并容易防碰撞，可以使信号保持完整性。信号的安全性RFID系统采用无线方式传递信息，开放的无线系统存在安全隐患。数字信号的加密和解密处理比模拟信号容易的多。便于存储、处理和交换数字信号的形式与计算机所用的信号一致，都是二进制代码。便于与计算机互联网，也便于计算机对数字信息进行存储、处理和交换，可使物联网的管理和维护实现自动化、智能化。,RFID系统的基本通信模型,按读写器到电子标签的数据传输方向，RFID系统的通信模型主要由读写器（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）组成。 RFID系统最终要完成的功能是对数据的获取，这种在系统内的数据交换有两个方面的内容：RFID读写器向RFID电子标签方向的数据传输和RFID电子标签向RFID读写器方向的数据传输。,3、RFID系统的基本通信模型,信号编码系统是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能够尽可能最佳的与信道相匹配，防止信息干扰或发生碰撞。调制器用于改变高频载波信号，即使得载波信号的振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。射频识别系统信道的传输介质为磁场（电感耦合）和电磁波（微波）。解调器用于解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码系统是对从解调器传来的基带信号进行译码，恢复成原来的信息，并识别和纠正传输错误。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,读写器与电子标签之间消息的传递是通过电信号实现的。原始的电信号通常称为基带信号，有些信道可以直接传输基带信号，但以自由空间作为信道的无线电传输却无法直接传递基带信号。将基带信号编码，然后变换成适合在信道中传输的信号，这个过程称为编码与调制；在接收端进行反变换，然后进行解码，这个过程称为解调与解码。调制以后的信号称为已调信号，它具有两个基本特征，一个是携带有信息，一个是适合在信道中传输。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,身份证号码：6 5 4 1 2 5 19940108 1811,把用来表示信息的符号组合叫做信息的代码。,什么是信息的代码？,电话号码：0898 5035000,新疆,伊犁地区,新源县,出生年月日,序列号,区号,电话号码,信息编码就是采用某种原则或方法编制代码来表示信息； 信息编码的根本目的是为了能对信息进行有效的处理，有时也是为了对信息加密，使其不为局外人所知。 不同领域有着不同的信息编码原则和方法,信息编码的定义和目的,计算机处理信息的原则,计算机必须将所有信息数字化即转化成由“0”、“1”两个符号组成的二进制代码用二进制记数法对数值数据进行编码，这种方法在计算机中信息的存储效率较高。例如： 1、计算简单，只有0和1两个数字。采 用逢二进一的进位规则 2、“0”和“1”刚好代表电路中的关开。,著名科学家冯诺依曼计算机内的数据和程序采用二进制代码表示。电子计算机将所有输入的信息（数据、程序等）都转化为机器能识别和处理的二进制数字代码，由“0”、“1”组成的代码叫二进制代码。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.1 信号信号是消息的载体，在通信系统中消息以信号的形式从一点传送到另一点。信号分为模拟信号和数字信号，RFID系统主要处理的是数字信号。信号可以从时域和频域两个角度来分析，在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.模拟信号和数字信号模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。数字信号是指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。EPC码（二进制码）就是一种数字信号。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,数字信号较模拟信号有许多优点，RFID系统常采用数字信号。RFID系统数字信号的主要特点如下。 （1）信号的完整性（2）信号的安全性（3）便于存储、处理和交换（4）设备便于集成化、微型化（5）便于构成物联网,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.时域和频域时域的自变量是时间，时域表达信号随时间的变化。频域的自变量是频率，频域表达信号随频率的变化。在RFID传输技术中，对信号频域的研究比对信号时域的研究更重要。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.信号工作方式 （1）时序系统在时序系统中，从电子标签到读写器的信息传输是在电子标签能量供应间歇进行的，读写器与电子标签不同时发射，这种方式可以改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。（2）全双工系统（3）半双工系统,点击此处结束放映,4、信号工作方式,时序系统 电子标签和读写器的信息传输是在电子标签能量供应间歇进行的，读写器与电子标签不同时发射，这种方式可改善信号受干扰的状况，提高系统的工作距离。全双工系统 电子标签和读写器之间可以在同一时刻互相传送信息半双工系统 电子标签和读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息,发射能量，给电子标签充电,读写器停止发射能量，电子标签工作，向读写器发送信号,下传：从读写器到标签的数据传输上传：从标签到读写器的数据传输,1,time,25,全双工（FDX）半双工（HDX）时序（SEQ）,RFID系统的工作方式,信道的定义和分类,信道：以传输媒质为基础的信号通道。狭义信道：仅指传输媒质。分为有线信道（明线、对称电缆、同轴电缆及光纤）和无线信道（地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、卫星中继、散射及移动无线电信道）。,无线的频谱环境,长波30300 KHz10-1km中波0.3-1.5 MHz1000-200m短波1.5-30 MHz100-10m超短波: 米波30-300 MHz10-1m微波： 分米波0.33 GHz 100-10cm 厘米波3-30 GHz 10-1cm 毫米波30-300 GHz 10-1mm 亚毫米波300-3000 GHz1-0.1mm光波： 红外光3103-3105 GHz 100-1m 可见光3105-3106 GHz 0.8-0.4m无线传播环境的复杂性：天波（电离层、对流层）、地波（直射、反射、绕射）,无线信道无线信道电磁波的频率 受天线尺寸限制地球大气层的结构对流层：地面上 0 10 km平流层：约10 60 km电离层：约60 400 km,电离层对于传播的影响反射散射大气层对于传播的影响散射吸收,电磁波的分类：地波频率 2 MHz有绕射能力距离：数百或数千千米 天波频率：2 30 MHz特点：被电离层反射一次反射距离： 4000 km寂静区：,视线传播：频率 30 MHz距离: 和天线高度有关 式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D = 50 km，则增大视线传播距离的其他途径中继通信：卫星通信：静止卫星、移动卫星平流层通信：,m,散射传播电离层散射机理 由电离层不均匀性引起频率 30 60 MHz距离 1000 km以上对流层散射机理 由对流层不均匀性（湍流）引起频率 100 4000 MHz最大距离 600 km,流星流星余迹散射流星余迹特点 高度80 120 km，长度15 40 km 存留时间：小于1秒至几分钟频率 30 100 MHz距离 1000 km以上特点 低速存储、高速突发、断续传输,无线的应用概况,短波/超短波通信 天波（电离层）：数据/电话、单边带 地波：小型接力机、单双工电台、对讲机微波通信 微波接力（模拟、数字）、散射、点对多点微波 电视、电话、数据卫星通信 高轨道（同步静止）、中轨道、低轨道 电视、电话、数据移动通信 蜂窝电话、无绳电话、无线数据、集群系统、寻呼系统 卫星移动系统,有线信道明线,对称电缆：由许多对双绞线组成同轴电缆,光纤结构纤芯包层按折射率分类阶跃型梯度型按模式分类多模光纤单模光纤,损耗与波长关系损耗最小点：1.31与1.55 m,广义信道：除包含传输媒质外，还包括发送设备、接收设备、馈线与天线、调制/解调器等。其可分为调制信道和编码信道。,信道的定义和分类,信道的定义和分类,调制信道是为研究调制与解调问题而定义的广义信道。它可分为恒参信道和随参信道。编码信道是为研究数字通信系统中的编码和译码问题而定义的广义信道。它是一种数字信道或离散信道。,明线、双绞线、同轴电缆、无线光通信（FSO）等信道,恒参信道举例,随参信道举例,短波电离层反射信道和超短波及微波对流层散射,离地面60600公里的大气层,离地面1012公里以下的大气层,典型代表：移动通信系统的基站与移动终端间的无线信道,均衡多径衰落,1 信道容量的概念信道容量是指信道中信息无差错传输的最大速率。离散信道和连续信道的信道容量表征方式不同。调制信道连续信道 编码信道离散信道2 离散信道的信道容量,信道容量及香农公式,无噪声信道,有噪声信道,离散信道的信道容量,对于给定的信道，信道的转移概率可认为是一定的，当单位时间传送的符号数目r确定时，R仅与信息源的概率分布有关其最大值定义了信道可以达到的信息传输速率即信道容量。,r为单位时间发送的符号数,连续信道容量,设噪声单边功率谱密度为n0，则N = n0B,连续信道的容量Ct和信道带宽B、信号功率S及噪声功率谱密度n0三个因素有关,香农公式,当S ，或n0 0时，Ct ,当B 时，Ct将趋向何值,x = S / n0B,连续信道容量,当给定S / n0时，若带宽B趋于无穷大，信道容量不会趋于无限大，而只是S / n0的1.44倍。这是因为当带宽B增大时，噪声功率也随之增大。,连续信道容量,改写成如下形式,Eb 每比特能量；Tb = 1/B 每比特持续时间,为了得到给定的信道容量Ct，可以增大带宽B以换取Eb的减小；另一方面，在接收功率受限的情况下，由于Eb = STb，可以增大Tb以减小S来保持Eb和Ct不变。,连续信道容量,S= Eb /Tb,无线通信：带宽受限信道和功率受限信道,带宽受限信道Eb/n0 C/B B功率可以换取带宽功率受限信道B C/B Eb/n0 有限当B ，Eb/n0 -1.6dB，即为香农极限，带宽不能无限制地换取功率,信道容量曲线,Eb/N0dB,C/Bb/sHz,-1.6dB,CBlog2(1+S/N) = B log21+(Eb/Tb)/(n0B) b/s香农公式就可以写成：Eb/n0=(2C/B - 1),物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.1.2信道信道可以分为两大类，一类是电磁波在空间传播的渠道，如短波信道、微波信道等；另一类是电磁波的导引传播渠道，如电缆信道、波导信道等。RFID的信道是具有各种传播特性的空间，所以RFID采用无线信道。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.信道带宽信号所拥有的频率范围叫做信号的频带宽度，简称为带宽。（5.1）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.信道传输速率信道传输速率就是数据在传输介质（信道）上的传输速率。数据传输速率的单位为比特/秒，记做bps或b/s。1kbps=103bps1Mbps=103kbps1Gbps=103Mbps,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3.波特率与比特率 （1）波特率（2）比特率（3）波特率与比特率的关系 比特率=波特率 （5.2）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.信道容量 （1）具有理想低通矩形特性的信道这种信道的最高数据传输速率为（5.4）（2）带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道这种情况的信道容量为（5.5）,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,点击此处结束放映,计算机中的编码,字符编码,0 1 1 0 0 0 0 1,信息和编码,0 1 1 0 0 0 0 1,存储单位换算1字节（B）8位（bit）1KB1024B 1MB1024KB1GB1024MB 1TB1024GB,英文、数字等字符的编码,英文数字等字符的编码: ASCII码(美国信息交换标准码)ASCII码采用7个二进制位来编码,在计算机中存储时占一个字节（Byte），字节的最左位用“0”填充思考：用7个位能编出多少个字符呢？ 27=128总结: N个二进制位能表示出2n种信息.,汉字编码,1、怎样将汉字输入计算机？2、在计算机内部怎样处理汉字？3、计算机怎样实现汉字信息的输出（显示）？,汉字编码,计算机系统B,交换码,输入码（外码）,译码,处理码（内码）,字形码,汉字显示,操作系统的汉字服务程序,计算机系统A,1、输入码（外码）:拼音(音码)、五笔字型（ 形码）2、交换码：区位码（交换）3、处理码（机内码）：内码（存储）4、字形码：点阵方式、矢量方式（输出）,汉字编码（2个字节）,汉字的编码,输入码,又叫“外码”，按照汉字的读音进行编码，例如：双拼、智能ABC、微软拼音输入法、紫光拼音输入法；按照形状进行编码，例如：五笔、二笔、郑码、表形码；,机内码,又叫处理码，用于存储汉字的编码GB2312-80简称GB码，由两个字节组成（16位二进制数），即存储一个汉字2个字节，如：11010100 11000110云11000100 11001111南含6763个汉字。港台地区的BIG5码繁体字。近来我国用的GB1300编码，含20902个汉字。,字形码,又叫输出码或字模，是描述每个汉字形状的编码，即汉字显示的代码，如：点阵法和矢量法16*16，24*24，32*32，48*48点阵,汉字编码区位码,如：饼(1793) 区号：17 位号：93，为了处理与存储的方便，每个汉字的区号和位号在计算机内部分别用一个字节来表示。,17对应的二进制代码为：10001，93对应的二进制为101110100010001+10100000=1011000101011101+10100000=11111101,饼的机内码,如：一个16 16点阵的字形需要多少字节来存储？,16 16832(B),多媒体编码,声音编码,声音是一种连续的波，称为声波。要把声音信号存储到计算机之中去，必须把连续变化的波形信号（称为模拟信号）转换成为数字信号，因为计算机中只能存储数字信号. 常用声音编码方法要经过采样、量化与编码两个步骤,采样频率(Hz)（奈魁斯特采样定理：采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音）,声音的数字化,步骤：1）采样2）量化和编码,1、声音数字化,采样,5,2,5,10,10,7,9,14,采样-就是采集声音模拟信号的样本，量化-再转换成数字信号 .电脑中的声音文件是用数字0和1来表示的。所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换成数字信号。反之，在播放时则是把数字信号还原成模拟声音信号输出。,图像编码,由矢量图和位图组成矢量图-用直线和曲线描述图形. 数据量小, 图形放大和缩小不会失真.但色彩不丰富.位图-图形是由许多像素点组成的. 数据量大, 图形放大会失真.但色彩丰富, 用于对图象要求很高的领域.,观察bmp图像,（1）、单色图像（黑白）,单色图像中，一个像素点只需要一个二进制位（1bit）来记录，可以表示出两种颜色，黑像素用“0”表示，白像素用“1”表示。,（2）、灰度图像,每个像素用一个字节来表示，一字节可以表示256种不同的灰度。,彩色图像即RGB模式：真彩色模式，以红绿蓝为基本颜色，每个分量由8位二进制数表示。可以用3个字节来表示，每个字节分别表示此像素中的红、绿、蓝成分。,（3）、彩色图像,声音、图像和视频的数字化信息一般都要采用压缩(compress)技术。MP3是音乐信息压缩标准JPG是静态图像信息的压缩标准MPEG和RM是视频信息的压缩标准等。MPEG-1是VCD标准,MPEG-2是DVD标准,1.2.5 信息的压缩,无损压缩：能够完全还原为原来的数据。（Winzip winrar等压缩文件）有损压缩：还原的数据没有原来的精确，质量有所损失，但在可接受的限度之内。这种方法主要用于音频和视频数据。,1、 RFID编码,三、RFID编码、调制与数据校验,射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足了通信功能的基本要求。读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构。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，如图4-8所示。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）。,图4-8射频识别系统的基本通信结构框图,PSK原理介绍,1、二进制数字调制技术原理 数字调制技术的两种方法： 利用模拟调制的方法去实现数字式调制，即把数字调制看成是模拟调制的一个特例，把数字基带信号当做模拟信号的特殊情况处理利用数字信号的离散取值特点通过开关键控载波，从而实现数字调制 这种方法通常称为键控法，比如对载波的振幅、频率和相位进行键控，便可获得振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）三种基本的调制方式。,相应的信号波形如图1所示：,图1 正弦载波的三种键控波形,三种键控的比较： 在大多数情况下，数字调制是利用数字信号的离散值去键控载波。对载波的幅度、频率或相位进行键控，便可获ASK、FSK、PSK等。这三种数字调制方式在抗干扰噪声能力和信号频谱利用率等方面，以相干PSK的性能最好，目前已在中、高速传输数据时得到广泛应用。,2）、 RFID调制,三、RFID编码、调制与数据校验,脉冲调制是指将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。,图4-12FSK脉冲调制波形,（1）FSK调制 FSK是指对已调脉冲波形的频率进行控制，FSK调制方式用于频率低于135kHz(射频载波频率为125kHz)的情况，图4-12所示为FSK方式一例，数据传输速率为fc/40,fc为射频载波频率。FSK调制时对应数据1的脉冲频率f1=fc/5,对应数据0的脉冲频率f0=fc/8。,物联网射频识别（RFID）技术与应用,图5.2 数字通信系统的模型,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.1编码与解码1. 信源编码与解码（1）提高信息传输的有效性（2）完成模/数转换,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2. 信道编码与解码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠性而进行的编码。信道解码是信道编码的逆过程。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,3. 保密编码与解码保密编码是对信号进行再变换，即为了使信息在传输过程中不易被人窃译而进行的编码。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,4.2.2 调制与解调调制的目的是把传输的模拟信号或数字信号，变换成适合信道传输的信号，这就意味着要把信源的基带信号，转变为一个相对基带频率而言非常高的频带信号。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,1.信号需要调制的原因为了有效地传输信息，无线通信系统需要采用较高频率的信号。,点击此处结束放映,物联网射频识别（RFID）技术与应用,2.信号调制的方法在无线通信中，调制是指载波调制。载波调制，就是用调制信号去控制载波参数的过程。（1）调幅（2）调频（3）调相,点击此处结束放映,1）、 RFID数据传输常用编码格式,三、RFID编码、调制与数据校验,数字基带信号波形，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：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、米勒（Miller）编码利差动编码。 最常用的数字信号波形为矩形脉冲，矩形脉冲易于产生和变换。以下用矩形脉冲为例来介绍几种常用的脉冲波形和传输码型。图4-9所示为4种数字矩形码的脉冲波形。,图4-9数据矩形码的脉冲波形,