RFID干貨專欄概述

經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)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(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

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3.2.2 EPC C1 Gen 2空中接口模擬部分

Query命令的意思是詢問命令，是針對多標簽的快速盤點而產(chǎn)生的，在學習這個知識點之前，首先要了解超高頻RFID協(xié)議是半雙工的通信方式，且是由閱讀器先主動發(fā)起通信，也就是說閱讀器“說一句”，Tag“應(yīng)答一句”，如此往復(fù)。

01、閱讀器的調(diào)制方式與編碼方式

談到調(diào)制方式，大家一定想到ASK（振幅鍵控）、頻率調(diào)制FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控）。超高頻 RFID的協(xié)議中采用的是ASK的調(diào)制方式，因為ASK是最簡單的調(diào)制方式，其解調(diào)電路也相對簡單。超高頻 RFID的電子標簽是一個無源標簽，通過電磁場獲得的能量非常小，無法實現(xiàn)高功耗的ADC解碼和DSP數(shù)據(jù)處理，因此其電路的解調(diào)部分要求架構(gòu)簡單、功耗低，采用ASK是最優(yōu)的選擇。

如圖3-10所示，為閱讀器的編碼方法，PIE編碼。PIE編碼是一個非常簡單的1比特編碼：0對應(yīng)的編碼是一個標準長度，定義為Tari，在一個Tari周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)一次；1對應(yīng)的編碼的長度為1.5Tari到2.0Tari之間。

為什么協(xié)議的創(chuàng)造者會選擇這么奇怪的編碼方式呢？因為標簽是一個非常簡單的無源器件，其內(nèi)部不可能有高精度的晶振，且震蕩頻率不會有幾十MHz那么高，那么解碼和同步的時候就會存在很大的誤差，但如果采用“0”和“1”使用不同的長度，標簽可以通過用自身的時鐘（2MHz左右）計算下一個信號的長度與Tari的區(qū)別即可判斷這個信號是“0”還是“1”。當然這個PIE編碼也有它的缺點，就是Tari的長度不能太短，Tari長度太短會引起標簽對“0”和“1”的判斷出錯，從而決定了閱讀器向標簽的通信速率的極限值。

圖3-10 PIE編碼圖

Tari的要求如表3-7所示，最短長度為6.25us，最大長度為25us，其長度誤差必須小于1%，且適用于所有的調(diào)制方式。1%的誤差是對閱讀器輸出Tari精度的要求，對于一個有源大功率的閱讀器來說這個數(shù)字是非常容易實現(xiàn)的。從這些數(shù)據(jù)可以看出超高頻 RFID的整個系統(tǒng)無論是對標簽還是閱讀器都要求很低，是一個面向物流的簡單通信協(xié)議。

表3- 7 Tari要求

經(jīng)常有讀者會詢問閱讀器向標簽的通信速率是多少？這里簡單的做一個估算：假定用最快的速度發(fā)送的數(shù)據(jù)全是“0”，那么通信速率為1s÷6.25us=160kbps；假定用最慢的通信速率發(fā)送數(shù)據(jù)全是“1”，且符號“1”的長度為2倍Tari，那么通信速率為1s÷50us=20kbps。閱讀器向標簽通信過程中還有前導(dǎo)、校驗等，實際的有效通信數(shù)據(jù)率還要略小一些，不過影響不大，姑且可以認為閱讀器的通信速率為20kbps到160kbps之間。

調(diào)制方式SSB-ASK、DSB-ASK是通信教科書中常見的調(diào)制方式，而PR-ASK是一種專門為超高頻RFID設(shè)計的調(diào)制方式，主要通過翻轉(zhuǎn)相位來實現(xiàn)調(diào)制。如圖3-11（a）所示為傳統(tǒng)的ASK（SSB、DSB）波形圖；圖3-11（b）所示為PR-ASK的波形圖，可以看出其相位反轉(zhuǎn)的很快。PIE編碼方式是通過高低電平的翻轉(zhuǎn)時間不同實現(xiàn)的，配合上PR-ASK可以實現(xiàn)一個更加精確的“0”和“1”翻轉(zhuǎn)判斷。

（a）傳統(tǒng)ASK調(diào)制                 （b）PR-ASK調(diào)制

圖3-11 ASK調(diào)制與PR-ASK調(diào)制波形對比

如圖3-12所示，為普通ASK調(diào)制與PR-ASK調(diào)制在調(diào)制和解調(diào)過程中的波形對比。假設(shè)閱讀器要發(fā)送的數(shù)據(jù)為010，由圖可見兩種調(diào)制方式的基帶波形是完全相同的。閱讀器調(diào)制后，調(diào)制波形變化很大，其中PR-ASK在低電平位置相位發(fā)生明顯翻轉(zhuǎn)。標簽解調(diào)后，“0”和“1”的邊界在PR-ASK更為明顯。

圖3-12 DSB or SSB ASK調(diào)制與PR-ASK調(diào)制解調(diào)波形對比

從這些調(diào)制和解調(diào)波形中可以看出來PR-ASK在超高頻 RFID協(xié)議中具有一定的優(yōu)勢。在超高頻 RFID剛剛出現(xiàn)時，由于芯片設(shè)計不夠成熟，一般優(yōu)先選擇PR-ASK來進行編碼，以獲得更好的效果。但是隨著超高頻 RFID標簽芯片設(shè)計技術(shù)的不斷進步，解碼水平不斷提高，使用傳統(tǒng)的ASK或PR-ASK調(diào)制時解碼的精度都不會有太大的差別。

那么在實際項目中選擇使用哪個調(diào)制方式呢？要解答這個問題需要從兩個方面來對比分析：1.哪種調(diào)制方式標簽可以獲得更強的能量；2.哪種調(diào)制方式標簽可以獲得更好的解調(diào)。只有標簽?zāi)塬@得足夠的能量，標簽才能夠正常工作。剛剛我們分析過現(xiàn)階段標簽解調(diào)能力很強，對于兩種調(diào)制方式性能差別不大。從圖3-11中可以看出PR-ASK的能量比SSB或DSB-ASK的能量略強，但是這個差別很小，只有0.1dB左右。通過理論分析SSB比DSB能量小一點，這個差別也非常小。所以讀者在使用超高頻RFID設(shè)備的時候不用太擔心調(diào)制方式的問題，當遇到標簽芯片設(shè)計有問題時，可以通過調(diào)制方式來彌補。

02

FM0 編碼和Miller編碼

談到標簽的編碼方式，回顧2.1.4節(jié)介紹了霍夫曼（Huffman）編碼、費諾（Fano）編碼香農(nóng)-費諾-埃利斯(Shannon-Fano-Elias)編碼、曼徹斯特編碼（Manchester Encoding）等多種編碼方式。超高頻 RFID采用了一種最簡單的編碼方式FM0編碼，如圖3-13（a）所示，“0”和“1”的判斷依據(jù)為在一個時間周期內(nèi)是否有高低電平翻轉(zhuǎn)（時間周期到達時必須翻轉(zhuǎn)一次不計算在內(nèi)）。如果有翻轉(zhuǎn)代表的信息為“0”，沒有翻轉(zhuǎn)則代表信息為“1”，如圖3-13（b）所示FM0編碼狀態(tài)機轉(zhuǎn)換圖。如圖3-13（c）所示，閱讀器只要監(jiān)測每一個上升沿和下降沿的時間就可以判斷是“0”還是“1”，當然這個簡單的編碼的目的是方便標簽的調(diào)制。FM0編碼還有一個特點，每個周期結(jié)束必須做一次翻轉(zhuǎn)，如圖3-13（d）所示的FM0編碼時序，同樣可以提高系統(tǒng)的容錯率，如果標簽在系統(tǒng)中出現(xiàn)任何數(shù)據(jù)問題，閱讀器可以及時發(fā)現(xiàn)。

（a）FM0編碼基本形式               （b）FM0編碼狀態(tài)機轉(zhuǎn)換

（c）FM0編碼“0”和“1”            （d）FM0編碼時序

圖3-13 FM0編碼原理圖

與此同時，這個特點可以為標簽的同步前導(dǎo)提供幫助，如圖3-14所示為標簽在FM0編碼下的兩種不同的前導(dǎo)（兩種前導(dǎo)由Query中的TRext決定，作為閱讀器同步使用）。其中，有一個符號“V”。這個“V”出現(xiàn)前的周期結(jié)束時沒有進行翻轉(zhuǎn)，與圖3-13（b）中的狀態(tài)機轉(zhuǎn)換不符，從而這個“V”就成了一個標志位，標志著后面的數(shù)據(jù)開始為正式的標簽數(shù)據(jù)的開端。

圖3-14標簽FM0情況下的前導(dǎo)

超高頻 RFID采用FM0編碼最重要的一個原因是沖突檢測，當多個標簽在同一個時隙發(fā)生沖突時，閱讀器可以在一個時隙內(nèi)檢測到多個翻轉(zhuǎn)，從而判斷出有多個標簽發(fā)生沖突。發(fā)生沖突后將不對數(shù)據(jù)進行解調(diào)，并丟棄數(shù)據(jù)，繼續(xù)對下一個時隙的數(shù)據(jù)進行檢測。

在超高頻 RFID的標簽編碼方式中還有另外的一種編碼方式名為Miller編碼，中文名米勒編碼。Miller編碼分為Miller2編碼、Miller4編碼和Miller8編碼，其結(jié)構(gòu)形式和狀態(tài)機變化如圖3-15所示。

（a）結(jié)構(gòu)形式 （b）狀態(tài)機轉(zhuǎn)換

圖3-15標簽Miller結(jié)構(gòu)形式和狀態(tài)機變化

Miller編碼的時序圖如圖3-16所示，Miller2編碼的“0”和“1”判斷依據(jù)為一個周期內(nèi)其相位是否翻轉(zhuǎn)180°，相位不變表示“0”，相位翻轉(zhuǎn)180°表示“1”；Miller4編碼和Miller8編碼同樣是判斷時隙相位是否翻轉(zhuǎn)，只是重復(fù)次數(shù)不同。從閱讀器解調(diào)角度，則是判斷在一個時隙內(nèi)，是否存在相位的180°翻轉(zhuǎn)，有相位翻轉(zhuǎn)為“1”，無相位翻轉(zhuǎn)則為“0”。

圖3- 16 Miller編碼時序圖

經(jīng)常有讀者問，不同的Miller編碼就是重復(fù)重復(fù)再重復(fù)，這不是浪費時間么，其物理意義在哪里？當然不是浪費時間，其意義在于增強抗干擾能力，提高閱讀器的靈敏度。

Miller2編碼對比FM0編碼相當于通信了2次。在同樣噪聲環(huán)境中，采用Miller2編碼靈敏度優(yōu)于FM0編碼。如圖3-17所示，為FM0、Miller2、Miller4和Miller8這4種不同的編碼在不同信噪比環(huán)境中閱讀器的誤碼率。環(huán)境噪聲較大時，使用不同的編碼方式誤碼率不同。如在生產(chǎn)制造場景的超高頻RFID現(xiàn)場，有大量的噪聲干擾，此時的信噪比也許只有5dB，如果采用FM0編碼，閱讀器的誤碼率高達10%，系統(tǒng)幾乎無法工作；在同樣的環(huán)境中采用Miller8編碼時，閱讀器的誤碼率僅為0.2%，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。當在環(huán)境噪聲很小，系統(tǒng)信噪比更高的環(huán)境中時（信噪比大于15dB），幾種編碼方式的誤碼率都很低，從系統(tǒng)穩(wěn)定工作的角度分析差異不大。

圖3-17 不同編碼下的信噪比與誤碼率

通過上述分析可以看出，當環(huán)境噪聲比較小的時候，選擇FM0可以獲得更快的標簽讀取速度；而在有干擾的環(huán)境中一般使用Miller2編碼Miller4編碼；當環(huán)境非常惡劣的情況才會選擇Miller8編碼。

許多業(yè)內(nèi)銷售人員跟客戶鼓吹自家產(chǎn)品性能時，表示其閱讀器識別速度可以達到500標簽/秒，這是一個完全沒有意義的指標，因為這是他們在實驗室中使用FM0編碼的測試結(jié)果，在具體應(yīng)用中有很少有這么好的信噪比環(huán)境。所以大家在使用超高頻RFID現(xiàn)場實施的時候一定要了解現(xiàn)場的無線電干擾情況，做相應(yīng)的測試。尤其是存在大量數(shù)據(jù)讀取和寫入的項目，一定要使用Miller4編碼或Miller8編碼，因為整個通信鏈路一旦誤碼，就要重新開始，會浪費更多的時間。

03

BLF標簽反向鏈路頻率

反向鏈路頻率（Backscatter Link Frequency，BLF）是標簽向閱讀器通信的帶寬頻率，決定了標簽的通信速率。如表3-8所示，為BLF的所有頻率列表及其頻率的容忍誤差。BLF最低的通信帶為40kHz，最高通信帶為640kHz，且可以在40kHz到640kHz之間設(shè)置任意帶寬。

表3-8 BLF頻率及其容忍誤差

這里說的是反向鏈路頻率BLF（kHz）是通信帶寬并非通信數(shù)據(jù)率Data rate（kbps）。數(shù)據(jù)率是與編碼方式相關(guān)的，如果選用FM0編碼，其通信數(shù)據(jù)率就等于通信帶寬，當選用Miller2編碼時，其通信數(shù)據(jù)率為BLF的一半；同理Miller4編碼和Miller8編碼為BLF的四分之一和八分之一，如表3-9所示。

表3-9 數(shù)據(jù)率與編碼關(guān)系圖

高速率的BLF與低速率的BLF對比優(yōu)勢是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率高，缺點是噪聲帶寬較大，對閱讀器靈敏度要求較高。當閱讀器靈敏度較差或環(huán)境噪聲較大的環(huán)境中，高速率的BLF會因為系統(tǒng)信噪比不足引起誤碼率上升，從而引起系統(tǒng)的識別率下降。此時調(diào)整為較低的傳輸速率則會有更好的識別效果。

靈敏度差異可以通過實際的傳輸速率的比值計算。假設(shè)兩個標簽A、B分別工作在：Miller 4 BLF=160kHz和FM0 BLF=640kH參數(shù)下，則兩個標簽的通信速率分別為：DRA=160/4=40kbps；DRB=640kbps。

, 通過計算可知標簽A比標簽B的抗噪能力好12dB，對于閱讀器有更好的適應(yīng)性。

在實際應(yīng)用中由于標簽性能存在一致性差異，且環(huán)境干擾不可控，閱讀器不會單獨使用高速的BLF與編碼FM0的組合。

04、協(xié)議與標簽的識別特性

通過學習本節(jié)的知識，可以全面的分析標簽的讀取速度和效率到底與誰有關(guān)。主要與三部分相關(guān)：應(yīng)用環(huán)境影響、射頻鏈路選擇及算法與邏輯層面的選擇。其中：

應(yīng)用環(huán)境：環(huán)境噪聲、頻帶帶寬限制、是否為多閱讀器場景；

射頻鏈路層：反向鏈路頻率BLF，標簽編碼方式FM0、Miller、閱讀器的編碼方式及調(diào)制方式；

算法與邏輯層：多標簽清點Query、選擇Select-Mask、會話層Session。

實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境選擇合適的射頻鏈路參數(shù)，如表3-10所示。

環(huán)境噪聲：根據(jù)環(huán)境中噪聲大小選擇編碼方式，如FM0適合實驗室，M4和M8適合嘈雜環(huán)境。

BLF選擇：標簽距離閱讀器較遠或標簽尺寸較小時，對信噪比要求較高，則應(yīng)選擇較低的BLF以保證閱讀器的靈敏度要求。

多閱讀器場景：許多應(yīng)用中需要多臺閱讀器在很靠近的環(huán)境中，就存在DRM（密集閱讀器模式）模式，此時需要選擇小帶寬的BLF。DRM的頻率選擇跟頻帶數(shù)量有關(guān)系，如美國頻帶數(shù)量多達50個，DRM效率高，而歐洲只有4個頻帶，DRM效率低，只能用LBT方式工作，等待時間長、效率低。

表3-10 應(yīng)用環(huán)境對閱讀器標簽通信速度的影響