射频通信技术在数字通信系统中的应用

射频通信技术在数字通信系统中的应用内容摘要：

为射频通信的一项技术，其重要作用不言而喻。 但是 RFID 在实际应用中不能“包医百病”，在我们研究和进行库存管理的时候，发现 RFID 可以辅助人们在入出库的时候自动进行记录。 但是仅凭 RFID 很难断定货物在仓库中的位置。 只有当人们对所管理的物品的所在位置加以记录和登记，这才能判断物品的所在点。 所以 RFID 仅仅是读取物品信息的手段，在位置管理上起不到多大的作用。 ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 这一名称来源于蜜蜂的八字舞，通过一边吱吱振动翅膀，一边爬行和扭动身体来传递 花粉源的信息。 ZigBee 的特点是近距离、低技术复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。 主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 但是我们知道 ZigBee 已经不像 RFID 那样仅仅是一个点。 而是由许多节点组成的网络，各个节点不仅有自己的位置，而且各个节点都有明确的相互位置关系。 如果使每个节点去标识仓库中的一件货或一批货，那么仓库中所有货品的数量和位置不就一目了然了吗。 这就像一队伞兵跳伞前谁都不知道落地后自己与队友的位置关系，但是当每人都持有 ZigBee 装置时，落地后大家的相互位置就一目了然。 这说明了 ZiBee 可以发挥它对于 RFID 功能进行补充的作用。 无线传感网络 WSN（ Wireless Sensor Network）与 ZigBee 类似，也是由很多节点组成的无线通信网络，不过在每个节点上还配备有传感器。 可以检测节点位置附近的温度、湿度、压力、震动、声音等物理量。 利用 WSN 时不但可以知道各个节点的状态，而且可以随时通过计算得知某个能够被检测到的对象物在网络覆盖范围内的动态变化。 例如一名狙击手在某点开枪，通过声波在各节点的变动可以断定狙山东商业职业技术学院毕业设计 （论文） 8 击手的准确位置。 Bluetooth 无线技术是在两个设备间进行无 线短距离通信的最简单、最便捷的方法。 它广泛应用于无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、 MP3 播放器等多种设备。 WiFi 是 WirelessFidelity 的缩写，意义是无线保真。 与蓝牙类似，属于在办公室和家庭中使用的短距离无线通信技术。 WiFi的突出优势有： （ 1）无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有 15 米左右，而 WiFi 的半径则可达 100 米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。 （ 2）虽然由 WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，数据 安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到 11mbps，符合个人和社会信息化的需求。 综上所述，射频通信技术已经活跃在日常生活、办公环境以及生产的各项应用中。 这些应用早已“无处不在”。 数字通信系统简介 数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统， 数字通信涉及的技术问题很多，其中主要有信源编码 /译码、信道编码 /译码、数字调制 /解调、数字复接、 同步以及加密等。 下面对这些技术作简要介绍。 1) 信源编码与译码 信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率 ，即通常所说的数据压缩。 码元速率将直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性。 作用之二是，当信息源给出的是模拟语音信号时，信源编码器将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。 2） 信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。 为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。 接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。 山东商业职业技术学院毕业设计 （论文） 9 3） 加密与解密 在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全， 人为将被传输的数字序列扰乱， 即加上密码，这种处理过程叫加密。 在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列进行解密，恢复原来信息，叫解密。 4） 数字调制与解调 数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处， 形成适合在信道中传输的频带信号。 基本的数字调制方式有振幅键控 ASK、频移键控 FSK、绝对相移键控 PSK、相对（差分）相移键控 DPSK。 对这些信号可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。 对高斯噪声下的信号检测，一般用相 关器接收机或匹配滤波器实现。 5） 同步与数字复接 同步是保证数字通信系统有序、准确、可靠工作的不可缺少的前提条件。 同步是使收、发两端的信号在时间上保持步调一致。 数字复接就是依据时分复用基本原理把若干个低速数字信号合并成一个高速的数字信号，以扩大传输容量和提高传输效率。 图 是数字通信系统的一般化模型。 如在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时， 数字基带信号无需调制，可以直接传送，称之为数字信号的基带传输，其模型中就不包括调制与解调环节，应该指出的是，模拟信号经过数字 编码后可以在数字通信系统中传输，数字电话系统就是以数字方式传输模拟语音信号的例子。 图 数字通信系统模型 当然，数字信号也可以在模拟通信系统中传输，如计算机数据可以通过模拟电信息源信源编码器信道编码器数字调制器信道数字解调器信道译码器信源译码器受信者噪声源山东商业职业技术学院毕业设计 （论文） 10 话线路传输，但这时必须使用调制解调器（ Modem）将数字基带信号进行正弦调制，以适应模拟信道的传输特性。 可见，模拟通信与数字通信的区别仅在于信道中传输的信号种类。 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。 但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代通信技术的 主流。 与模拟通信相比，数字通信更能适应现代社会对通信技术越来越高的要求， 其特点是： （ 1） 抗干扰能力强。 以二进制为例，信号的取值只有两个，这样接收端只需判别两种状态。 信号在传输过程中受到噪声的干扰，必然会发生波形畸变，接收端对其进行抽样判决，以辨别是两个状态中的哪一个。 只要噪声的大小不足以影响判决的正确，就能正确接收。 而模拟通信系统中传输的是连续变化的模拟信号，它要求接收机能够高度保真地重现信号波形，如果模拟信号叠加上噪声后，即使噪声很小，也很难消除它。 此外，在远距离传输，如微波中继通信时，各中继站可 利用数字通信特有的判决再生接收方式，对数字信号波形进行整形再生而消除噪声积累。 （ 2） 差错可控。 可以采用信道编码技术使误码率降低， 提高传输的可靠性。 （ 3） 易于与各种数字终端接口，用现代计算技术对信号进行处理、加工、变换、存储，从而形成智能网。 （ 4） 易于集成化， 从而使通信设备微型化。 （ 5） 易于加密处理， 且保密强度高。 但是， 数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的系统频带为代价而换取的。 以电话为例，一路模拟电话通常只占据 4kHz 带宽，但一路接近同样话音质量的数字电话 可能要占据 20～ 60kHz 的带宽，因此数字通信的频带利用率不高。 另外，由于数字通信对同步要求高，因而系统设备比较复杂。 不过，随着新的宽带传输信道（如光导纤维）的采用、 窄带调制技术和超大规模集成电路的发展，数字通信的这些缺点已经弱化。 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展和广泛应用，数字通信在今后的通信方式中必将逐步取代模拟通信而占主导地位。 山东商业职业技术学院毕业设计 （论文） 11 第 二 章 射频通信技术的工作原理 RFID 的工作原理 RFID 是射频识别技术的英文 (Radio Frequency Identification)的缩写， 射频识别技术是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合 (交变磁场或电磁场 )实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。 无线射频识别技术 (RFID)已经成为一个很热门的话题。 据业内人士预测， RFID技术市场将在未来五年内在新的产品与服务上带来 30至 100 亿美金的商机，随之而来的还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他电脑基础建设的庞大需求。 或许这些预测过于乐观，但 RFID 将会成为未来的一个巨大市场是毫无疑问的。 许多高 科技公司正在加紧开发 RFID 专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔、微软、甲骨文、 SAP 和 SUN，而最近全球最大的零售商沃尔玛的一项 要求其前 100 家供应商在 2020 年 1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用 RFID 技术， 2020 年 1 月前在单件商品中使用这项技术 的决议，把 RFID 再次推到了聚光灯下。 因此可以说无线射频识别技术 (RFID)正在成为全球热门新科技。 工作原理： 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过 卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。 在耦合方式 (电感 电磁 )、通信流程 (FDX、 HDX、 SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法 (负载调制、反向散射、高次谐波 )以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相 似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。 高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高山东商业职业技术学院毕业设计 （论文） 12 频信号。 阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程 (主 从原则 )；信号的编解码。 对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。 射频识别系统 的读写距离是一个很关键的参数。 目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。 影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的 RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。 标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 (即 Passive Tag，无源标签或被动标签 )，或者主动发送某一频率的信号 (即 Active Tag，有源标签或主动标签 )，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 RFID 技术由 AutoID中心开发，其应用形式为标记 (tag)、卡和标签 (label)设备。 标记设备由 RFID 芯片和天线组成，标记类型分为三种：自动式，半被动式和被动式。 现在市场上开发的基本上是被动式 RFID 标记，因为这类设备造价较低，且易于配置。 被动标记设备运用无。