RFID
Content
6. Codificare şi Modulare
Diagrama bloc din Figura 6.1 descrie un sistem de comunicare digitală. În mod similar, transferul de date între cititor şi transponder într-un sistem RFID necesită trei blocuri funcţionale principale. De la cititor la transponder - direcţia de transfer de date aceste sunt: semnalul de codificare (de procesare a semnalului) şi modulatorul (circuitul de transport) în cititor (emiţător), mediu de transmisie (canal), şi demodulator (circuit de transport) şi semnalul de demodulaţie digitală (de procesare a semnalului) în transponder (receptor). Un sistem de codificare semnal ia mesajul care urmează să fie transmis şi a reprezentarea lui ca semnal şi il potriveste optim la caracteristicile canalului de transmisie. Acest proces implică furnizarea mesajului cu un anumit grad de protecţie împotriva interferenţelor sau coliziunilor şi împotriva modificărilor intenţionate a anumitor caracteristici de semnal (Herter şi L ¨ ORCHER, 1987). Modulaţia digitală de semnal nu ar trebui să fie confundată cu modularea propriu-zisă, şi prin urmare, este menţionată ca fiind codificare în banda de bază. Modularea este procesul de modificare a parametrilor de semnal de înaltă frecvenţă a purtătoarei, de ex. amplitudinea sa, frecvenţa sau faza, în legătură cu un semnal modulat, semnalul benzii de bază. Mediu de transmisie transmite mesajul pe o distanţă prestabilită. Singurul mediu de transport utilizat în sistemele RFID sunt câmpuri magnetice (cuplaj inductiv) şi undele electromagnetice (microunde).
Figura 6.1 Fluxul de semnal şi de date într-un sistem de comunicaţii digitale (Couch, 1997) Demodularea este o procedură de modulare suplimentară pentru refacerea semnalului în banda de bază. Cum adesea este o sursă de informaţie (intrare) atât în transponder cât şi în cititor, şi informaţia este prin urmare transmisă alternat în ambele direcţii, aceste componente conţin şi un modulator şi un demodulator. Acest lucru este cunoscut prin urmare sub termenul de modem (Modulator - Demodulator), un termen ce descrie configuraţia normală. Sarcina de demodulaţie digitală a semnalului este de a reconstrui mesajul original din banda de bază codificat ca semnal primit şi de a recunoaştere a eventualelor erori de transmisie şi de marcare a lor ca atare.
6.1 Codificare în Banda de bază
Cifrele binare unu şi zero pot fi reprezentate în coduri de linie diferite. Sistemele RFID în mod normal utilizează una dintre următoarele proceduri de codificare: NRZ, Manchester, unipolar RZ, DBP (diferenţial bi-fază), Miller, codificare diferenţială la codificarea PP (Figura 6.2). Codul NRZ 1 binar este reprezentat de un semnal "înalt" şi 0 binar este reprezentat printr-un semnal "scăzut". Codul NRZ este folosit aproape exclusiv cu modulare FSK sau PSK. Codul Manchester 1 binar este reprezentat de o tranziţie negativă în a doua jumătate a perioadei de biţi şi un 0 binar este reprezentat de o tranziţie pozitivă. Codul Manchester prin urmare, este, de asemenea, cunoscut sub numele de codificare de fazădivizată (Couch, 1997). Codul Manchester este adesea folosit pentru transmiterea datelor de la transponder la cititor în funcţie de modularea de încărcare folosind o subpurtătoare.
Figura 6.2 Codificare de semnal prin schimbarea frecventă a liniilor de cod în sistemele RFID
Codul RZ unipolar 1 binar este reprezentat de un semnal "înalt" în prima jumătate a perioadei de biţi, iar 0 binar este reprezentat printr-un semnal "scăzut"care se menţine pentru întreaga durată a bitului. Cod DBP 0 binar este codat printr-o tranziţie de oricare tip, în jumătate din perioada de biţi, 1 binar este codat prin lipsa de o tranziţie. În plus, nivelul este inversat la începutul fiecărei perioade de biţi, astfel încât pulsul de biţi poate fi mai uşor reconstruit în receptor (dacă este necesar). Codul Miller modificat În această variantă a codului Miller fiecare tranziţie se înlocuieşte de către un puls negativ. Codul Miller modificat este potrivit mai ales pentru utilizarea în sisteme RFID cuplate inductiv pentru transferul de date de la cititor la transponder. Având în vedere duratele foarte scurte ale impulsului (timpuls << Tbit), este posibil să se asigure o sursă de alimentare continuă către transponder din câmpul de ÎF al cititorului chiar şi în timpul transferului de date. Codificare Diferenţială În modulaţie digitală diferenţială fiecare 1 binar ce se transmite produce o modificare (comută) în nivelul de semnal, întrucât nivelul semnalului rămâne neschimbat pentru 0 binar. Modulaţia digitală diferenţială poate fi generată foarte simplu dintr-un semnal NRZ utilizând o poartă XOR si un bistabil D. Figura 6.3 prezintă un circuit pentru a realizarea acestui lucru. Modulaţie digitală Puls-pauză În codificarea impuls-pauză (PPC) 1 binar este reprezentat de o pauză de durată t, înainte de următorul impuls; un 0 binar este reprezentat de o pauză de durată 2t a impulsului înainte de următorul impuls (Figura 6.4). Această procedură de codificare este des folosită în sistemele RFID cuplate inductiv pentru transferul de date de la cititor la transponder. Având în vedere duratele foarte scurte ale impulsului (timpuls << Tbit), este posibil să se asigure o sursă de alimentare continuă la transponder din câmpul de ÎF al cititorului chiar şi în timpul transferului de date.
Figura 6.3 Generarea de modulaţie diferenţială prin codare NRZ Diferite condiţii de frontieră ar trebui să fie luate în considerare la selectarea unui sistem de modulare digitală a semnalului adecvat pentru un sistem RFID. Cel mai important de luat în considerare este spectrul semnalului după modulare (Couch, 1997; M · AUSL, 1985) şi sensibilitate a erorilor de transmisie. În plus, în cazul transponderelor pasive (alimentarea transponderului îşi are ca sursă energia din domeniul de ÎF a cititorului) sursa de alimentare nu trebuie să fie întreruptă de o combinaţie necorespunzătoare a semnalului de modulaţie digitală şi a procedurilor de modulare.
6.2 Proceduri De Modulaţie Digitală
Energia este radiată de la o antenă în zona înconjurătoare, în formă de valuri electromagnetice. Prin influenţarea cu atenţie unuia din cei trei parametri ai semnalului - putere, frecvenţă, poziţie fază - de o undă electromagnetică, mesajele pot fi codificate şi transmise la orice punct în interiorul zonei. Procedura de influenţare a undelor electromagnetice prin mesaje (de date) se numeşte modulare, precum şi o undă electromagnetică nemodulată se numeşte purtătoare. Prin analizarea caracteristicilor unei unde electromagnetice în orice punct din zonă, putem reconstitui mesajul prin măsurarea schimbărilor în recepţia de putere, frecvenţă sau poziţia fazei undei. Această procedură este cunoscută sub numele de demodulare. Tehnologia radio clasică se preocupă în mare măsură cu procedurile de modulare analogică. Putem diferenţia între modularea amplitudinii, modulaţie de frecvenţă şi
modulare de fază, acestea fiind cele trei variabile principale ale unei unde electromagnetice. Toate celelalte proceduri modulare provin din una dintre aceste trei tipuri. Procedurile utilizate în sistemele RFID sunt procedurile modulate digital ASK (modulaţie digitală în amplitudine), FSK (modulaţie digitală în frecvenţă) şi PSK (modulaţie digitală în fază) (Figura 6.5). În fiecare procedură de modulare produse de modulare simetrice - aşa-numitele benzi laterale - sunt generate în jurul purtătoarei. Spectrul şi amplitudinea benzilor laterale sunt influenţate de spectrul de frecvenţe ale codului semnalului în banda de bază şi prin procedura de modulare. Facem distincţie între partea superioară şi inferioară a benzii laterale.
6.2.1. Modulaţie digitală în amplitudine (ASK)
În modulaţie digitală în amplitudine, amplitudinea de o oscilaţie a purtătoarei este pornită între două stări u0 şi u1 (modulaţie digitală) printr-un semnal de cod binar. U1 poate lua valori între u0 şi 0. Raportul dintre u0 şi u1 este cunoscut ca factor de sarcină m.
Figura 6.5 Fiecare modulaţie de semnal sinusoidal - purtătorul - generează aşanumitele benzi laterale (de modulaţie) Pentru a găsi factorul de sarcină m se calculează media aritmetică a amplitudinii codate şi necodate a semnalului purtătoarei:
Factorul de sarcină este acum calculat din raportul de schimbare a amplitudinii u0
– um la valoarea medie um:
În 100% ASK amplitudinea de oscilaţie a purtătoarei este schimbată între valorile amplitudinii purtătoarei 2um şi 0 (modulaţie digitală On-Off; Figura 6.6). În modularea amplitudinii cu ajutorul unui semnal analogic (de oscilaţie sinusoidală) acest lucru ar corespunde, de asemenea, cu factorul de modulare de m = 1 (sau 100%) (M · AUSL, 1985).
Figura 6.6 În modulaţie ASK amplitudinea purtătorului este comutată între două stări de către un semnal de cod binar
Procedura descrisă pentru calcularea factorului de sarcină, aşadar, aceeaşi ca şi pentru calculul factorului de modulaţie pentru modularea amplitudinii folosind semnale analogice (de oscilaţie sinusoidală). Cu toate acestea, există o diferenţă semnificativă între modulaţie digitală şi modulare analogică. În modulaţie digitală, o purtătoare ia în calcul amplitudinea u0 în stare nemodulată, întrucât în modularea semnalului analogic purtătoarea preia amplitudine um în stare nemodulată. În literatura de specialitate factorul de sarcină este uneori menţionat ca reducere procentuală a purtătoarei m în timpul codării:
De exemplu, în Figura 6.7 factorul de sarcină ar fi m’ = 0,66 (= 66%). În caz de factori de sarcină <15% şi a factorilor de sarcină > 85% diferenţele dintre cele două metode de calcul pot fi ignorate. Semnalul codul binar constă într-o secvenţă de stări de 1 şi 0, cu o durată a perioadei T şi o durată de bit τ. Din punct de vedere matematic, modularea ASK
se realizează prin înmulţirea acest cod de semnal ucode (t) de către oscilaţia purtătoarei de uCr (t). Pentru factorii de sarcină m <1 vom introduce o constantă suplimentară (1 - m), aşa că pentru acest caz putem multiplica încă uHF (t) cu 1 în stare necodată:
Spectrul de semnale ASK, prin urmare, este găsit prin amestecul spectrului de modulaţie digitală a semnalului cu purtătoare de frecvenţe fCr sau prin înmulţirea extinderii Fourier a codul semnalului de către oscilaţia purtătoarei. Acesta conţine spectrul codului de semnal în partea superioară şi inferioară a benzii laterale, simetric faţă de purtătoare (M · AUSL, 1985). Un regulat, semnal în formă de impuls de durata perioadei T şi durata bit τ uneşte spectrului din Tabelul 6.1 (a se vedea, de asemenea, Figura 6.8).
Figura 6.7 Generare de modulaţie digitală 100% ASK prin saltul purtătorului sinusoidal de semnal de la un generator de HF într-un modulator ASK folosind un semnal de cod binar
Figura 6.8 Reprezentarea duratei perioadei T şi durata biţilor τ a unui semnal de cod binar
Figura 6.9 Generarea de modulaţie digitală 2 FSK prin comutarea între două frecvenţe f1 şi f2 în timp cu un semnal de cod binar
6.2.2 2 FSK
În modulaţie digitală în frecvenţă, frecvenţa unei oscilaţii a purtătoarei este schimbată între două frecvenţe f1 şi f2 printr-un semnal de cod binar (Figura 6.9). Frecvenţa purtătoarei fCr este definită ca media aritmetică a celor două frecvenţe caracteristice f1 şi f2. Diferenţa între frecvenţa purtătoarei şi frecvenţele caracteristică este denumită abaterii de frecvenţă ΔfCr:
Din punctul de vedere al funcţiei de timp, semnalul 2 FSK poate fi considerat ca structură a două semnale de modulaţie digitală în amplitudine a frecvenţelor f1 şi f2. Spectrul unui semnal 2 FSK este, prin urmare, obţinut prin suprapunerea spectrelor oscilaţiilor de modulaţie digitală în amplitudinea (Figura 6.10). Modulaţie digitală în banda de bază utilizată în sistemele RFID produce o asimetrie a codării în frecvenţă:
În aceste cazuri există, de asemenea, o distribuţie asimetrică a spectrelor în ceea ce priveşte frecvenţa medie ΔfCr (MA¨ USL, 1985).
6.2.3 2 PSK
În modulaţie digitală în fază stările binare '0 'şi '1' a unui cod de semnal sunt convertite în stările corespunzătoare fază de oscilaţia purtătoarei, în legătură cu o fază de referinţă. În 2 PSK semnalul este comutat între stările fazei la 0° si 180°. Matematic vorbind, modulaţie digitală în poziţia de fază între 0° şi 180° corespunde cu multiplicarea oscilaţiei purtătoarei cu 1 şi -1. Spectrul de putere a unui PSK 2 poate fi calculat după cum urmează pentru o rată de majorare spaţiu τ / T de 50% (Mansukhani, 1996):
unde P este puterea emiţătorului, Ts este durata de bit (= τ), f este frecvenţa centrală, şi sin c (x) = (sin (x) / x).
Figura 6.10 Spectrul de modulaţie 2 FSK se obţine prin adăugarea spectrelor individuale ale celor două oscilaţii modulate în amplitudine ale frecvenţelor f1 şi f2
Pachetul de două benzi laterale din jurul f0 frecvenţei purtătoare f0 urmează funcţia (sin (x) / x) 2. Acesta uneşte poziţiile start la frecvenţele f0 ± 1/Ts, f0 ±2/TS, f0 ± n / TS. În gama de frecvenţe f0 ± 1/TS, 90% din puterea emiţătorului este transmisă. A se vedea Figura 6.11.
Figura 6.11 Generarea modulaţiei 2 PSK prin inversarea unui semnal de purtător sinusoidal în timp cu un semnal de cod binar
6.2.4 Procedurile de modulaţie cu subpurtătoare
Utilizarea unui subpurtătoare modulate este larg răspândită în tehnologie radio. În VHF de radiodifuziune, o subpurtătoare stereo, cu o frecvenţă de 38 kHz este transmis, împreună cu banda ton canal. Banda conţine doar semnalul monoton diferenţial "L-R" necesar pentru a obţine "L" şi "R" canale sunet şi poate fi transmis "în tăcere", de modulare a subpurtătoare stereo. Utilizarea unui subpurtătoare, prin urmare, reprezintă o modulaţie pe mai multe niveluri. Astfel, în exemplul nostru, este primul subpurtătoare modulate cu semnalul diferenţial, în scopul de a modula în cele din urmă transmitator VHF o dată pe din nou cu semnalul de subpurtătoare modulate (Figura 6.12). În sisteme RFID, procedurile de modulare cu ajutorul unui subpurtătoare sunt în principal utilizate în sistemele cu cuplaj inductiv, în benzile de frecvenţă 6.78MHz, 13.56MHz sau 27.125MHz şi a modulării de încărcare pentru transferul de date de la transponder la cititor. Modularea de încărcare a unui sistem RFID cuplat inductiv are un efect similar la modularea ASK a tensiunii de ÎF la antena a cititorului. În loc să comute rezistenţa de sarcină de pornire şi de oprire în timp, cu un semnal codat în banda de bază, o subpurtătoare cu frecvenţă redusă este mai întâi modulată de un semnal de date în banda de bază. Modularea ASK, FSK sau PSK poate fi selectată ca procedura de modulare pentru subpurtătoare. Frecvenţa subpurtătoare în sine este în mod normal, obţinută prin diviziunea
binară a frecvenţei de funcţionare. Pentru sistemele de 13.56MHz, frecvenţele subpurtătoare 847 kHz (13.56MHz ÷ 16), 424 kHz (13,56 MHz ÷ 32) kHz sau 212 (13.56MHz ÷ 64) sunt utilizate de obicei. Semnalul subpurtătoarei modulate este acum folosit pentru a comuta rezistenţa de sarcină pe poziţia pornit şi oprit.
Figura 6.12 Generare pas-cu-pas de modulaţie multiplă, prin modulare de încărcare cu subpurtătoare modulată ASK Marele avantaj de a folosi numai o subpurtătoare devine limpede atunci când luăm în considerare spectrul de frecvenţe generate. Modularea de încărcare cu o subpurtătoare generează iniţial două linii spectrale la o distanţă ± frecvenţa subpurtătoare fH în jurul valorii frecvenţei de funcţionare (Figura 6.12). Informaţiile reale sunt acum transmise în benzile laterale din cele două linii de subpurtătoare, în funcţie de modularea cu subpurtătoare în banda de bază codificate cu fluxul de date. Dacă a fost folosită modularea de încărcare în banda de bază, pe de altă parte de altă parte, benzile laterale ale fluxului de date ar induce în eroare în mod direct în vecinătatea semnalului purtătoarei la frecvenţa de funcţionare.
Figura 6.13 Produse de modulaţie obţinute prin modulaţie de sarcină cu o subpurtătoare În sistemele transponder foarte fragil cuplate diferenţa dintre semnalul de purtătoare ale cititorului fT şi benzile laterale ale modulărilor primite din modularea de încărcare, variază în intervalul 80-90 dB (Figura 6.13). Una dintre cele două produse modulare subpurtătoare pot fi filtrate şi demodulate prin schimbarea frecvenţei a modulării benzilor laterale din fluxul de date. Este irelevant aici dacă frecvenţele fT + fH sau fT - fH sunt folosite, deoarece informaţiile sunt cuprinse în toate benzi laterale.
Diagrama bloc din Figura 6.1 descrie un sistem de comunicare digitală. În mod similar, transferul de date între cititor şi transponder într-un sistem RFID necesită trei blocuri funcţionale principale. De la cititor la transponder - direcţia de transfer de date aceste sunt: semnalul de codificare (de procesare a semnalului) şi modulatorul (circuitul de transport) în cititor (emiţător), mediu de transmisie (canal), şi demodulator (circuit de transport) şi semnalul de demodulaţie digitală (de procesare a semnalului) în transponder (receptor). Un sistem de codificare semnal ia mesajul care urmează să fie transmis şi a reprezentarea lui ca semnal şi il potriveste optim la caracteristicile canalului de transmisie. Acest proces implică furnizarea mesajului cu un anumit grad de protecţie împotriva interferenţelor sau coliziunilor şi împotriva modificărilor intenţionate a anumitor caracteristici de semnal (Herter şi L ¨ ORCHER, 1987). Modulaţia digitală de semnal nu ar trebui să fie confundată cu modularea propriu-zisă, şi prin urmare, este menţionată ca fiind codificare în banda de bază. Modularea este procesul de modificare a parametrilor de semnal de înaltă frecvenţă a purtătoarei, de ex. amplitudinea sa, frecvenţa sau faza, în legătură cu un semnal modulat, semnalul benzii de bază. Mediu de transmisie transmite mesajul pe o distanţă prestabilită. Singurul mediu de transport utilizat în sistemele RFID sunt câmpuri magnetice (cuplaj inductiv) şi undele electromagnetice (microunde).
Figura 6.1 Fluxul de semnal şi de date într-un sistem de comunicaţii digitale (Couch, 1997) Demodularea este o procedură de modulare suplimentară pentru refacerea semnalului în banda de bază. Cum adesea este o sursă de informaţie (intrare) atât în transponder cât şi în cititor, şi informaţia este prin urmare transmisă alternat în ambele direcţii, aceste componente conţin şi un modulator şi un demodulator. Acest lucru este cunoscut prin urmare sub termenul de modem (Modulator - Demodulator), un termen ce descrie configuraţia normală. Sarcina de demodulaţie digitală a semnalului este de a reconstrui mesajul original din banda de bază codificat ca semnal primit şi de a recunoaştere a eventualelor erori de transmisie şi de marcare a lor ca atare.
6.1 Codificare în Banda de bază
Cifrele binare unu şi zero pot fi reprezentate în coduri de linie diferite. Sistemele RFID în mod normal utilizează una dintre următoarele proceduri de codificare: NRZ, Manchester, unipolar RZ, DBP (diferenţial bi-fază), Miller, codificare diferenţială la codificarea PP (Figura 6.2). Codul NRZ 1 binar este reprezentat de un semnal "înalt" şi 0 binar este reprezentat printr-un semnal "scăzut". Codul NRZ este folosit aproape exclusiv cu modulare FSK sau PSK. Codul Manchester 1 binar este reprezentat de o tranziţie negativă în a doua jumătate a perioadei de biţi şi un 0 binar este reprezentat de o tranziţie pozitivă. Codul Manchester prin urmare, este, de asemenea, cunoscut sub numele de codificare de fazădivizată (Couch, 1997). Codul Manchester este adesea folosit pentru transmiterea datelor de la transponder la cititor în funcţie de modularea de încărcare folosind o subpurtătoare.
Figura 6.2 Codificare de semnal prin schimbarea frecventă a liniilor de cod în sistemele RFID
Codul RZ unipolar 1 binar este reprezentat de un semnal "înalt" în prima jumătate a perioadei de biţi, iar 0 binar este reprezentat printr-un semnal "scăzut"care se menţine pentru întreaga durată a bitului. Cod DBP 0 binar este codat printr-o tranziţie de oricare tip, în jumătate din perioada de biţi, 1 binar este codat prin lipsa de o tranziţie. În plus, nivelul este inversat la începutul fiecărei perioade de biţi, astfel încât pulsul de biţi poate fi mai uşor reconstruit în receptor (dacă este necesar). Codul Miller modificat În această variantă a codului Miller fiecare tranziţie se înlocuieşte de către un puls negativ. Codul Miller modificat este potrivit mai ales pentru utilizarea în sisteme RFID cuplate inductiv pentru transferul de date de la cititor la transponder. Având în vedere duratele foarte scurte ale impulsului (timpuls << Tbit), este posibil să se asigure o sursă de alimentare continuă către transponder din câmpul de ÎF al cititorului chiar şi în timpul transferului de date. Codificare Diferenţială În modulaţie digitală diferenţială fiecare 1 binar ce se transmite produce o modificare (comută) în nivelul de semnal, întrucât nivelul semnalului rămâne neschimbat pentru 0 binar. Modulaţia digitală diferenţială poate fi generată foarte simplu dintr-un semnal NRZ utilizând o poartă XOR si un bistabil D. Figura 6.3 prezintă un circuit pentru a realizarea acestui lucru. Modulaţie digitală Puls-pauză În codificarea impuls-pauză (PPC) 1 binar este reprezentat de o pauză de durată t, înainte de următorul impuls; un 0 binar este reprezentat de o pauză de durată 2t a impulsului înainte de următorul impuls (Figura 6.4). Această procedură de codificare este des folosită în sistemele RFID cuplate inductiv pentru transferul de date de la cititor la transponder. Având în vedere duratele foarte scurte ale impulsului (timpuls << Tbit), este posibil să se asigure o sursă de alimentare continuă la transponder din câmpul de ÎF al cititorului chiar şi în timpul transferului de date.
Figura 6.3 Generarea de modulaţie diferenţială prin codare NRZ Diferite condiţii de frontieră ar trebui să fie luate în considerare la selectarea unui sistem de modulare digitală a semnalului adecvat pentru un sistem RFID. Cel mai important de luat în considerare este spectrul semnalului după modulare (Couch, 1997; M · AUSL, 1985) şi sensibilitate a erorilor de transmisie. În plus, în cazul transponderelor pasive (alimentarea transponderului îşi are ca sursă energia din domeniul de ÎF a cititorului) sursa de alimentare nu trebuie să fie întreruptă de o combinaţie necorespunzătoare a semnalului de modulaţie digitală şi a procedurilor de modulare.
6.2 Proceduri De Modulaţie Digitală
Energia este radiată de la o antenă în zona înconjurătoare, în formă de valuri electromagnetice. Prin influenţarea cu atenţie unuia din cei trei parametri ai semnalului - putere, frecvenţă, poziţie fază - de o undă electromagnetică, mesajele pot fi codificate şi transmise la orice punct în interiorul zonei. Procedura de influenţare a undelor electromagnetice prin mesaje (de date) se numeşte modulare, precum şi o undă electromagnetică nemodulată se numeşte purtătoare. Prin analizarea caracteristicilor unei unde electromagnetice în orice punct din zonă, putem reconstitui mesajul prin măsurarea schimbărilor în recepţia de putere, frecvenţă sau poziţia fazei undei. Această procedură este cunoscută sub numele de demodulare. Tehnologia radio clasică se preocupă în mare măsură cu procedurile de modulare analogică. Putem diferenţia între modularea amplitudinii, modulaţie de frecvenţă şi
modulare de fază, acestea fiind cele trei variabile principale ale unei unde electromagnetice. Toate celelalte proceduri modulare provin din una dintre aceste trei tipuri. Procedurile utilizate în sistemele RFID sunt procedurile modulate digital ASK (modulaţie digitală în amplitudine), FSK (modulaţie digitală în frecvenţă) şi PSK (modulaţie digitală în fază) (Figura 6.5). În fiecare procedură de modulare produse de modulare simetrice - aşa-numitele benzi laterale - sunt generate în jurul purtătoarei. Spectrul şi amplitudinea benzilor laterale sunt influenţate de spectrul de frecvenţe ale codului semnalului în banda de bază şi prin procedura de modulare. Facem distincţie între partea superioară şi inferioară a benzii laterale.
6.2.1. Modulaţie digitală în amplitudine (ASK)
În modulaţie digitală în amplitudine, amplitudinea de o oscilaţie a purtătoarei este pornită între două stări u0 şi u1 (modulaţie digitală) printr-un semnal de cod binar. U1 poate lua valori între u0 şi 0. Raportul dintre u0 şi u1 este cunoscut ca factor de sarcină m.
Figura 6.5 Fiecare modulaţie de semnal sinusoidal - purtătorul - generează aşanumitele benzi laterale (de modulaţie) Pentru a găsi factorul de sarcină m se calculează media aritmetică a amplitudinii codate şi necodate a semnalului purtătoarei:
Factorul de sarcină este acum calculat din raportul de schimbare a amplitudinii u0
– um la valoarea medie um:
În 100% ASK amplitudinea de oscilaţie a purtătoarei este schimbată între valorile amplitudinii purtătoarei 2um şi 0 (modulaţie digitală On-Off; Figura 6.6). În modularea amplitudinii cu ajutorul unui semnal analogic (de oscilaţie sinusoidală) acest lucru ar corespunde, de asemenea, cu factorul de modulare de m = 1 (sau 100%) (M · AUSL, 1985).
Figura 6.6 În modulaţie ASK amplitudinea purtătorului este comutată între două stări de către un semnal de cod binar
Procedura descrisă pentru calcularea factorului de sarcină, aşadar, aceeaşi ca şi pentru calculul factorului de modulaţie pentru modularea amplitudinii folosind semnale analogice (de oscilaţie sinusoidală). Cu toate acestea, există o diferenţă semnificativă între modulaţie digitală şi modulare analogică. În modulaţie digitală, o purtătoare ia în calcul amplitudinea u0 în stare nemodulată, întrucât în modularea semnalului analogic purtătoarea preia amplitudine um în stare nemodulată. În literatura de specialitate factorul de sarcină este uneori menţionat ca reducere procentuală a purtătoarei m în timpul codării:
De exemplu, în Figura 6.7 factorul de sarcină ar fi m’ = 0,66 (= 66%). În caz de factori de sarcină <15% şi a factorilor de sarcină > 85% diferenţele dintre cele două metode de calcul pot fi ignorate. Semnalul codul binar constă într-o secvenţă de stări de 1 şi 0, cu o durată a perioadei T şi o durată de bit τ. Din punct de vedere matematic, modularea ASK
se realizează prin înmulţirea acest cod de semnal ucode (t) de către oscilaţia purtătoarei de uCr (t). Pentru factorii de sarcină m <1 vom introduce o constantă suplimentară (1 - m), aşa că pentru acest caz putem multiplica încă uHF (t) cu 1 în stare necodată:
Spectrul de semnale ASK, prin urmare, este găsit prin amestecul spectrului de modulaţie digitală a semnalului cu purtătoare de frecvenţe fCr sau prin înmulţirea extinderii Fourier a codul semnalului de către oscilaţia purtătoarei. Acesta conţine spectrul codului de semnal în partea superioară şi inferioară a benzii laterale, simetric faţă de purtătoare (M · AUSL, 1985). Un regulat, semnal în formă de impuls de durata perioadei T şi durata bit τ uneşte spectrului din Tabelul 6.1 (a se vedea, de asemenea, Figura 6.8).
Figura 6.7 Generare de modulaţie digitală 100% ASK prin saltul purtătorului sinusoidal de semnal de la un generator de HF într-un modulator ASK folosind un semnal de cod binar
Figura 6.8 Reprezentarea duratei perioadei T şi durata biţilor τ a unui semnal de cod binar
Figura 6.9 Generarea de modulaţie digitală 2 FSK prin comutarea între două frecvenţe f1 şi f2 în timp cu un semnal de cod binar
6.2.2 2 FSK
În modulaţie digitală în frecvenţă, frecvenţa unei oscilaţii a purtătoarei este schimbată între două frecvenţe f1 şi f2 printr-un semnal de cod binar (Figura 6.9). Frecvenţa purtătoarei fCr este definită ca media aritmetică a celor două frecvenţe caracteristice f1 şi f2. Diferenţa între frecvenţa purtătoarei şi frecvenţele caracteristică este denumită abaterii de frecvenţă ΔfCr:
Din punctul de vedere al funcţiei de timp, semnalul 2 FSK poate fi considerat ca structură a două semnale de modulaţie digitală în amplitudine a frecvenţelor f1 şi f2. Spectrul unui semnal 2 FSK este, prin urmare, obţinut prin suprapunerea spectrelor oscilaţiilor de modulaţie digitală în amplitudinea (Figura 6.10). Modulaţie digitală în banda de bază utilizată în sistemele RFID produce o asimetrie a codării în frecvenţă:
În aceste cazuri există, de asemenea, o distribuţie asimetrică a spectrelor în ceea ce priveşte frecvenţa medie ΔfCr (MA¨ USL, 1985).
6.2.3 2 PSK
În modulaţie digitală în fază stările binare '0 'şi '1' a unui cod de semnal sunt convertite în stările corespunzătoare fază de oscilaţia purtătoarei, în legătură cu o fază de referinţă. În 2 PSK semnalul este comutat între stările fazei la 0° si 180°. Matematic vorbind, modulaţie digitală în poziţia de fază între 0° şi 180° corespunde cu multiplicarea oscilaţiei purtătoarei cu 1 şi -1. Spectrul de putere a unui PSK 2 poate fi calculat după cum urmează pentru o rată de majorare spaţiu τ / T de 50% (Mansukhani, 1996):
unde P este puterea emiţătorului, Ts este durata de bit (= τ), f este frecvenţa centrală, şi sin c (x) = (sin (x) / x).
Figura 6.10 Spectrul de modulaţie 2 FSK se obţine prin adăugarea spectrelor individuale ale celor două oscilaţii modulate în amplitudine ale frecvenţelor f1 şi f2
Pachetul de două benzi laterale din jurul f0 frecvenţei purtătoare f0 urmează funcţia (sin (x) / x) 2. Acesta uneşte poziţiile start la frecvenţele f0 ± 1/Ts, f0 ±2/TS, f0 ± n / TS. În gama de frecvenţe f0 ± 1/TS, 90% din puterea emiţătorului este transmisă. A se vedea Figura 6.11.
Figura 6.11 Generarea modulaţiei 2 PSK prin inversarea unui semnal de purtător sinusoidal în timp cu un semnal de cod binar
6.2.4 Procedurile de modulaţie cu subpurtătoare
Utilizarea unui subpurtătoare modulate este larg răspândită în tehnologie radio. În VHF de radiodifuziune, o subpurtătoare stereo, cu o frecvenţă de 38 kHz este transmis, împreună cu banda ton canal. Banda conţine doar semnalul monoton diferenţial "L-R" necesar pentru a obţine "L" şi "R" canale sunet şi poate fi transmis "în tăcere", de modulare a subpurtătoare stereo. Utilizarea unui subpurtătoare, prin urmare, reprezintă o modulaţie pe mai multe niveluri. Astfel, în exemplul nostru, este primul subpurtătoare modulate cu semnalul diferenţial, în scopul de a modula în cele din urmă transmitator VHF o dată pe din nou cu semnalul de subpurtătoare modulate (Figura 6.12). În sisteme RFID, procedurile de modulare cu ajutorul unui subpurtătoare sunt în principal utilizate în sistemele cu cuplaj inductiv, în benzile de frecvenţă 6.78MHz, 13.56MHz sau 27.125MHz şi a modulării de încărcare pentru transferul de date de la transponder la cititor. Modularea de încărcare a unui sistem RFID cuplat inductiv are un efect similar la modularea ASK a tensiunii de ÎF la antena a cititorului. În loc să comute rezistenţa de sarcină de pornire şi de oprire în timp, cu un semnal codat în banda de bază, o subpurtătoare cu frecvenţă redusă este mai întâi modulată de un semnal de date în banda de bază. Modularea ASK, FSK sau PSK poate fi selectată ca procedura de modulare pentru subpurtătoare. Frecvenţa subpurtătoare în sine este în mod normal, obţinută prin diviziunea
binară a frecvenţei de funcţionare. Pentru sistemele de 13.56MHz, frecvenţele subpurtătoare 847 kHz (13.56MHz ÷ 16), 424 kHz (13,56 MHz ÷ 32) kHz sau 212 (13.56MHz ÷ 64) sunt utilizate de obicei. Semnalul subpurtătoarei modulate este acum folosit pentru a comuta rezistenţa de sarcină pe poziţia pornit şi oprit.
Figura 6.12 Generare pas-cu-pas de modulaţie multiplă, prin modulare de încărcare cu subpurtătoare modulată ASK Marele avantaj de a folosi numai o subpurtătoare devine limpede atunci când luăm în considerare spectrul de frecvenţe generate. Modularea de încărcare cu o subpurtătoare generează iniţial două linii spectrale la o distanţă ± frecvenţa subpurtătoare fH în jurul valorii frecvenţei de funcţionare (Figura 6.12). Informaţiile reale sunt acum transmise în benzile laterale din cele două linii de subpurtătoare, în funcţie de modularea cu subpurtătoare în banda de bază codificate cu fluxul de date. Dacă a fost folosită modularea de încărcare în banda de bază, pe de altă parte de altă parte, benzile laterale ale fluxului de date ar induce în eroare în mod direct în vecinătatea semnalului purtătoarei la frecvenţa de funcţionare.
Figura 6.13 Produse de modulaţie obţinute prin modulaţie de sarcină cu o subpurtătoare În sistemele transponder foarte fragil cuplate diferenţa dintre semnalul de purtătoare ale cititorului fT şi benzile laterale ale modulărilor primite din modularea de încărcare, variază în intervalul 80-90 dB (Figura 6.13). Una dintre cele două produse modulare subpurtătoare pot fi filtrate şi demodulate prin schimbarea frecvenţei a modulării benzilor laterale din fluxul de date. Este irelevant aici dacă frecvenţele fT + fH sau fT - fH sunt folosite, deoarece informaţiile sunt cuprinse în toate benzi laterale.
