Bài tập lớn công nghệ không dây - Chương 6: Mã hóa và Điều biến | Môn Công nghệ không dây - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58583460
6. Mã hóa và điều biến
Sơ đồ khối trong Hình 6.1 mô tả một hệ thống truyền thông kỹ thuật số. Tương tự, việc
truyền dữ liệu giữa đầu đọc và bộ phát đáp trong hệ thống RFID yêu cầu ba khối chức năng
chính. Từ đầu đọc đến bộ phát đáp – hướng truyền dữ liệu – đó là: mã hóa tín hiệu
(tín hiệu xử lý) và bộ điều biến (mạch sóng mang) trong đầu đọc (máy phát), môi trường truyền
dẫn (kênh) và bộ giải điều chế (mạch sóng mang) và giải mã tín hiệu (xử lý tín hiệu) trong bộ phát đáp (máy thu).
Một hệ thống mã hóa tín hiệu lấy thông điệp được truyền đi và biểu diễn tín hiệu của nó,
và phù hợp tối ưu với các đặc tính của kênh truyền. Quá trình này liên quan đến việc cung
cấp thông điệp với một số mức độ bảo vệ chống lại sự can thiệp hoặc xung đột và chống
lại cố ý sửa đổi các đặc điểm tín hiệu nhất định (Herter và Lorcher, 1987). Mã hóa tín hiệu
không nên nhầm lẫn với điều chế, và do đó nó được gọi là mã hóa trong băng gốc.
Điều chế là quá trình thay đổi các tham số tín hiệu của sóng mang tần số cao, tức là biên
độ, tần số hoặc pha, liên quan đến tín hiệu được điều chế, tín hiệu băng cơ sở.
Phương tiện truyền dẫn truyền tin nhắn trên một khoảng cách xác định trước. Phương tiện
truyền dẫn duy nhất được sử dụng trong hệ thống RFID là từ trường (khớp cảm ứng) và
điện từ. sóng (vi sóng). Giải điều chế là một thủ tục điều chế bổ sung để lấy lại tín hiệu
trong băng cơ sở. Bình thường có một nguồn thông tin (đầu vào) trong cả bộ phát đáp và
đầu đọc, và thông tin do đó được truyền luân phiên theo cả hai hướng, các thành phần này
chứa cả bộ điều biến và bộ giải điều chế. Do đó nó được gọi là modem (bộ điều biến – bộ
giải điều chế), một thuật ngữ mô tả cấu hình bình thường (Herter và Lorcher, 1987). ¨
Nhiệm vụ của việc giải mã tín hiệu là tái tạo lại bản tin gốc từ mã hóa băng cơ sở tín hiệu
nhận được và nhận ra bất kỳ lỗi truyền nào và gắn cờ cho chúng.
6.1. Mã hóa trong băng cơ sở
Số nhị phân và số 0 có thể được biểu diễn bằng nhiều mã dòng khác nhau. Các hệ thống
RFID thường sử dụng một trong các quy trình mã hóa sau: NRZ, Manchester, RZ đơn cực,
DBP (vi sai hai pha), Miller, mã hóa vi sai trên mã hóa PP (tạm dừng xung). lOMoAR cPSD| 58583460
Các điều kiện biên khác nhau cần được xem xét khi lựa chọn hệ thống mã hóa tín hiệu phù
hợp cho hệ thống RFID. Điều quan trọng nhất cần cân nhắc là phổ tín hiệu sau khi điều chế
(Couch, 1997; Mausl, 1985) và tính nhạy cảm với các lỗi truyền dẫn. Hơn nữa, trong trường
hợp bộ phát đáp thụ động (trong đó nguồn điện của bộ phát đáp được lấy từ trường RF của
đầu đọc), nguồn điện không được bị gián đoạn do sự kết hợp không thích hợp giữa mã hóa
tín hiệu và quy trình điều chế. Thu thập Bô điều khiển n (t ) Bô thu Thông tin thông tin nguồn m ( Mạch vâ n Mạch vâ n người ( t ) Xử lý tín chuyển s (t ) r dùng) chuyển Xử lý tín m (t ) Kênh hiê u ( t ) hiệu Nhiễu
Hình 6.1. Luồng tín hiệu và dữ liệu trong hệ thống truyền thông kỹ thuật số (Couch, 1997)
Hình 6.2. Mã hóa tín hiệu bằng các định dạng nối tiếp hoặc mã dòng thường được sử
dụng trong hệ thống RFID lOMoAR cPSD| 58583460
6.1. Quy trình điều biến kỹ thuât sô ̣́
Năng lượng được bức xạ từ ăng-ten ra khu vực xung quanh dưới dạng sóng điện từ. Bằng
cách tác động cẩn thận đến một trong ba tham số tín hiệu – công suất, tần số, vị trí pha – của tín hiệu
Bàng 6.1 Tín hiệu mã hóa TRONG các băng cơ sở -
Mã NRZ: Số nhị phân 1 được biểu thị bằng tín hiệu 'cao' và số nhị phân 0 được biểu
thịbằng tín hiệu 'thấp'. Mã NRZ hầu như chỉ được sử dụng với điều chế FSK hoặc PSK. -
Mã Manchester: Số nhị phân 1 được biểu thị bằng chuyển đổi âm trong chu kỳ nửa bit và
số nhị phân 0 được biểu thị bằng chuyển đổi dương. Do đó, mã Manchester còn được gọi
là mã hóa phân pha (Couch, 1997). Mã này thường được sử dụng để truyền dữ liệu từ bộ
phát đáp đến đầu đọc, dựa trên việc điều chế tải bằng sóng mang phụ. -
Mã Đơn cực RZ: Số nhị phân 1 được biểu thị bằng tín hiệu 'cao' trong khoảng thời
giannửa bit đầu tiên, số nhị phân 0 được biểu thị bằng tín hiệu 'thấp' kéo dài trong toàn bộ thời lượng của bit -
Mã DBP : Số nhị phân 0 được mã hóa bằng cách chuyển đổi một trong hai loại
trongchu kỳ nửa bit, số nhị phân 1 được mã hóa do thiếu chuyển đổi. Hơn nữa, mức này
được đảo ngược khi bắt đầu mỗi chu kỳ bit, do đó xung bit có thể được tái tạo dễ dàng hơn
trong máy thu. (Nếu cần). -
Mã Miller: Số nhị phân 1 được biểu thị bằng sự chuyển đổi của một trong hai loại
trongchu kỳ nửa bit, số nhị phân 0 được biểu thị bằng sự tiếp tục của mức 1 trong khoảng
thời gian bit tiếp theo. Một chuỗi các số 0 tạo ra sự chuyển tiếp khi bắt đầu chu kỳ bit, do
đó xung bit có thể được tái tạo dễ dàng hơn trong máy thu (nếu cần) -
Mã Miller đã mã hóa: Trong biến thể này của mã Miller, mỗi lần chuyển đổi được
thaythế bằng xung 'âm'. Mã Miller được sửa đổi rất phù hợp để sử dụng trong các hệ thống
RFID kết hợp cảm ứng để truyền dữ liệu từ đầu đọc đến bộ phát đáp. Do thời lượng xung
rất (t xung <của đầu đọc ngay cả khi truyền dữ liệu. -
Mã hóa vi sai: Mỗi số nhị phân 1 được truyền sẽ gây ra sự thay đổi (chuyển đổi)
mứctín hiệu, trong khi đó mức tín hiệu không thay đổi đối với số 0 nhị phân. Mã hóa vi sai lOMoAR cPSD| 58583460
có thể được tạo ra rất đơn giản từ tín hiệu NRZ bằng cách sử dụng cổng XOR và flip-flop
D. Hình 6.4 cho thấy một mạch để đạt được điều này.. -
Mã hóa xung tạm dừng: Trong mã hóa tạm dừng xung (PPC), số nhị phân 1 được
biểuthị bằng khoảng thời gian tạm dừng t trước xung tiếp theo; số nhị phân 0 được biểu thị
bằng khoảng thời gian tạm dừng 2t trước xung tiếp theo (Hình 6.4). Quy trình mã hóa này
phổ biến trong các hệ thống RFID kết hợp cảm ứng để truyền dữ liệu từ đầu đọc đến bộ
phát đáp. Do thời lượng xung rất ngắn (t xung <tục cho bộ phát đáp từ trường RF của đầu đọc ngay cả khi truyền dữ liệu.
Hình 6.3. Đường dẫn tín hiệu trong quá trình mã hoá xung
sóng điện từ, thông tin có thể được mã hóa và truyền đến bất kỳ điểm nào trong khu vực.
Quy trình tác động đến sóng điện từ bằng thông tin (dữ liệu) được gọi là điều chế và sóng
điện từ không điều chế được gọi là sóng mang .
Bằng cách phân tích các đặc tính của sóng điện từ tại bất kỳ điểm nào trong khu vực, chúng
ta có thể tái tạo lại thông điệp bằng cách đo sự thay đổi về công suất thu, tần số hoặc vị trí
pha của sóng. Quá trình này được gọi là giải điều chế..
Công nghệ vô tuyến cổ điển chủ yếu liên quan đến các thủ tục điều chế tín hiệu tương tự.
Chúng ta có thể phân biệt giữa điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha, đây là ba
biến chính của sóng điện từ. Tất cả các quá trình điều chế khác đều bắt nguồn từ một trong
ba loại này. Các quá trình được sử dụng trong các hệ thống RFID là các thủ tục điều chế
kỹ thuật số ASK (khóa dịch chuyển biên độ), FSK (khóa dịch chuyển tần số) và PSK (khóa dịch pha) lOMoAR cPSD| 58583460 .
Hình 6.4. sự khác biệt mã hóa từ mã hóa NRZ
Hình 6.5. Mỗi điều chế của Một hình sin tín hiệu – các vận chuyển – tạo ra cái gọi là (điều chế) dải bên
Trong mọi quy trình điều chế, các sản phẩm điều chế đối xứng – còn gọi là dải biên – được
tạo ra xung quanh sóng mang. Phổ và biên độ của các dải biên bị ảnh hưởng bởi phổ của
tín hiệu mã trong dải cơ sở và bởi thủ tục điều chế. Chúng Ta phân biệt giữa dải bên trên và dải dưới.
6.2.1. Khóa dịch chuyển biên độ (ASK)
Trong khóa dịch chuyển biên độ, biên độ của dao động sóng mang được chuyển đổi giữa
hai trạng thái u_0 và u_1 (khóa) bằng tín hiệu mã nhị phân. u_1 có thể nhận các giá trị lOMoAR cPSD| 58583460
trong khoảng từ u_0 đến 0. Tỷ số giữa u_0 và u_1 được gọi là hệ số nhiệm vụ m. Để tìm
hệ số nhiệm vụ m, chúng ta tính giá trị trung bình số học của biên độ có khóa và không có
khóa của tín hiệu sóng mang:
Hệ số nhiệm vụ hiện được tính từ tỷ số của sự thay đổi biên độ u 0 - u m với giá trị trung ̂ ̂ bình u m: ̂
Trong 100% ASK, biên độ dao động sóng mang được chuyển đổi giữa các giá trị biên độ
sóng mang 2u _mvà 0 (khóa on - off; Hình 6.6). Trong điều chế biên độ sử dụng tín hiệu ̂
tương tự (dao động hình sin), điều này cũng tương ứng với hệ số điều chế m = 1 (hoặc 100%) (Mausl, 1985).
Do đó, quy trình được mô tả để tính hệ số nhiệm vụ cũng giống như quy trình tính hệ số
điều chế để điều chế biên độ sử dụng tín hiệu tương tự (dao động hình sin). Tuy nhiên, có
một sự khác biệt đáng kể giữa điều chế khóa và điều chế tương tự. Trong khóa, sóng mang
có biên độ u 0 ở trạng thái không điều chế, trong khi ở điều chế tương tự, tín hiệu ̂ sóng
mang có biên độ u m ở trạng thái không điều chế. ̂
Trong tài liệu, hệ số nhiệm vụ đôi khi được gọi là phần trăm giảm sóng mang m' trong quá trình khóa:
Đối với ví dụ trong Hình 6.7, hệ số nhiệm vụ sẽ là m′ = 0,66 (= 66%). Trong trường hợp
hệ số thuế vụ <15% và hệ số thuế >85%, có thể bỏ qua sự khác biệt giữa hai phương pháp tính toán.
Tín hiệu mã nhị phân bao gồm một chuỗi trạng thái 1 và 0, có độ dài chu kỳ T và độ dài bit
τ. Từ quan điểm toán học, điều chế ASK đạt được bằng cách nhân tín hiệu mã u_code(t)
này với dao động sóng mang uCr(t). Đối với hệ số nhiệm vụ m < 1, chúng tôi đưa ra một lOMoAR cPSD| 58583460
hằng số bổ sung (1 - m), vì vậy trong trường hợp này, chúng tôi vẫn có thể nhân uRF(t) với
1 ở trạng thái không khóa:
Các nhị phân mã số tín hiệu bao gồm của Một sự liên tiếp của 1 Và 0 Những trạng thái, với
Một Giai đoạn khoảng thời gian T và một chút thời lượng τ. Từ quan điểm toán học, điều
chế ASK đạt được bằng cách nhân giá trị này mã số báo hiệu mã bạn (t) bởi dao động sóng
mang u Cr (t). Đối với hệ số nhiệm vụ m < 1 chúng tôi giới thiệu thêm không thay đổi (1
− m), vậy vì cái này trường hợp chúng tôi có thể còn nhân u RF (t) qua 1 trong các đã mở khóa tình trạng:
Hình 6.6 Trong điều chế ASK, biên độ của sóng mang được chuyển đổi giữa hai trạng thái
bằng tín hiệu mã nhị phân lOMoAR cPSD| 58583460
Hình 6.7 Việc tạo điều chế ASK 100% bằng cách khóa tín hiệu sóng mang hình sin từ máy
phát RF sang bộ điều chế ASK sử dụng tín hiệu mã nhị phân
Hình 6.8. Biểu diễn khoảng thời gian T và thời lượng bit τ của tín hiệu mã nhị phân Do đó,
phổ của tín hiệu ASK được tìm thấy bằng cách tích chập phổ tín hiệu mã với tần số sóng
mang fCr hoặc bằng cách nhân độ mở rộng Fourier của tín hiệu mã với dao động sóng
mang. Nó chứa phổ của tín hiệu mã ở dải biên trên và dải biên dưới, đối xứng với sóng mang (Mausl, 1985).
Tín hiệu dạng xung đều đặn có thời lượng chu kỳ T và thời lượng bit τ mang lại phổ quy định trong Bảng 6.2.
Bảng 6.2. Thuộc tính phổ biến vì Một cấu hình xung quanh chế độ chuyển động lOMoAR cPSD| 58583460 6.2.2. 2 FSK
Trong khóa dịch chuyển 2 tần số (2 FSK), tần số dao động sóng mang được chuyển đổi
giữa hai tần số f1 và f2 bằng tín hiệu mã nhị phân (Hình 6.9).
Tần số sóng mang f CR được định nghĩa là giá trị trung bình số học của hai tần số đặc trưng
f1 và f2. Sự khác biệt giữa tần số sóng mang và tần số đặc trưng được gọi là độ lệch tần số ∆f CR:
Từ quan điểm của hàm thời gian, 2 tín hiệu FSK có thể được coi là thành phần của biên độ
hai thay đổi có tín hiệu khóa của tần f 1 Và f 2. Phổ biến của Một 2 tín hiệu FSK là Vì vậy,
nó được chồng lên nhau các phổ biến của các biên độ hai mức thay đổi có dao động khóa.
Các băng cơ sở mã hóa đã được sử dụng trong hệ thống sản xuất RFID MỘT bất đối xứng
Tính thường xuyên xuyên qua việc thay đổi bàn phím:
Trong những trường hợp này cũng có sự phân bố quang phổ không đối xứng so với tần số
trung bình ∆f CR (Mausl, 1985). 6.2.3. 2 PSK
Trong khóa dịch pha, các trạng thái nhị phân '0' và '1' của tín hiệu mã được chuyển đổi
thành trạng thái pha tương ứng của dao động sóng mang, liên quan đến pha tham chiếu.
Trong 2 PSK, tín hiệu được chuyển giữa trạng thái pha 0o và 180o.
Nói về mặt toán học, độ dịch chuyển của vị trí pha trong khoảng từ 0o đến 180o tương ứng
với phép nhân dao động sóng mang với 1 và – 1. lOMoAR cPSD| 58583460
Hình 6.9 Tạo điều chế 2 FSK bằng cách chuyển đổi giữa hai tần số f1 Và f2 kịp thời bằng tín hiệu mã nhị phân
Hình 6.10 Các quang phổ của một 2 FSK điều chế thu được qua các phép cộng của các cá
nhân quang phổ của hai biên độ sự thay đổi có khóa dao động của tần số f1 Và f2 lOMoAR cPSD| 58583460
Hình 6.11 Phổ của điều chế 2 FSK thu được bằng cách cộng phổ riêng của hai dao động có
khóa dịch chuyển biên độ có tần số f1 Và f2.
Các quyền lực quang phổ của Một 2 PSK Có thể là tính toán theo sau vì một dấu cách tỉ lệ
τ/T là 50% (Mansukhani, 1996):
Ở đây P là hệ thống điều khiển chủ đạo, Ts là chút khoảng thời gian (= τ), f0 là trung tâm
Tính thường xuyên, Và sinc(x) = (sin (x)/x).
Đường bao của hai dải biên xung quanh tần số sóng mang f0 tuân theo hàm số (sin (x)/x)
2. Cái này sản lượng số không vị trí ở tần số f 0 ± 1 / Ts, f 0 ± 2 /TS, f 0 ± n/ TS. Ở tần số
phạm vi f 0 ± 1 /TS, 90% của các hệ thống điều khiển quyền lực được truyền đi.
6.2.4 Thủ tục điều chế với sóng mang phụ
Việc sử dụng sóng mang con được điều chế rất phổ biến trong công nghệ vô tuyến. Trong
phát sóng VHF, một sóng mang con âm thanh nổi có tần số 38 kHz được truyền cùng với kênh âm dải cơ sở.
Dải cơ sở chỉ chứa tín hiệu đơn âm. Tín hiệu vi sai 'L–R' cần thiết để các kênh âm thanh
trái và phải có thể được truyền đi 'âm thầm' bằng cách điều chế sóng mang phụ âm thanh
nổi. Do đó, việc sử dụng sóng mang phụ thể hiện sự điều chế đa mức. Vì vậy, trong bài biết
này của chúng tôi Ví dụ, sóng mang con đầu tiên được điều chế bằng tín hiệu vi sai, để lOMoAR cPSD| 58583460
cuối cùng được điều chế máy phát VHF một lần nữa với tín hiệu sóng mang phụ đã được điều chế (Hình 6.12).
Trong các hệ thống RFID, các thủ tục điều chế sử dụng sóng mang phụ chủ yếu được sử
dụng trong phương pháp cảm ứng. các hệ thống ghép nối trong dải tần 6,78, 13,56 hoặc
27,125 MHz và trong điều chế tải cho dữ liệu truyền từ bộ phát đáp tới đầu đọc. Điều chế
tải của RFID ghép cảm ứng hệ thống có tác dụng tương tự như điều chế ASK điện áp RF
ở ăng-ten của đầu đọc. Thay vì bật và tắt điện trở tải kịp thời bằng tín hiệu được mã hóa
băng cơ sở, tần số thấp sóng mang con đầu tiên được điều chế bằng tín hiệu dữ liệu được
mã hóa băng cơ sở. Điều chế ASK, FSK hoặc PSK có thể được chọn làm thủ tục điều chế
cho sóng mang phụ. Bản thân tần số sóng mang phụ thường thu được bằng phép chia nhị
phân của tần số hoạt động. Đối với hệ thống 13,56 MHz, tần số sóng mang phụ 847 kHz
(13,56 MHz ữ 16), 424 kHz (13,56 MHz 32) hoặc 212 kHz (13,56 MHz 64) thường được
sử dụng. Tín hiệu sóng mang phụ đã được điều chế bây giờ được sử dụng để chuyển mạch
tải điện trở bật và tắt.
Ưu điểm lớn của việc sử dụng sóng mang phụ chỉ trở nên rõ ràng khi chúng ta xem xét tần
số quang phổ được tạo ra. Điều chế tải với sóng mang phụ ban đầu tạo ra hai vạch phổ tại
khoảng cách ± tần số sóng mang con fH xung quanh tần số hoạt động (xem Hình 3.17).
Các thông tin thực tế bây giờ được truyền đi trong các dải biên của hai đường sóng mang
phụ, tùy thuộc vào điều chế sóng mang phụ với luồng dữ liệu được mã hóa băng cơ sở.
Mặt khác , Nếu điều chế tải trong dải tần cơ sở đã được sử dụng, các dải biên của luồng dữ
liệu sẽ nằm ngay bên cạnh tín hiệu sóng mang ở tần số hoạt động.
Trong các hệ thống phát đáp được ghép nối rất lỏng lẻo, sự khác biệt giữa tín hiệu sóng
mang của đầu đọc fT và các dải biên điều chế thu được của điều chế tải thay đổi trong
phạm vi 80–90 dB. Một trong hai sản phẩm điều chế sóng mang con có thể được lọc ra và
giải điều chế bằng thay đổi tần số của các dải biên điều chế của luồng dữ liệu. Ở đây không
liên quan dù tần số fT + fH hoặc fT − fH được sử dụng vì thông tin được chứa trong tất cả các dải biên. lOMoAR cPSD| 58583460
Hình 6.12. Từng bước một thế hệ của Một nhiều điều chế, qua trọng tải điều chế với HỎI
điều chế sóng mang phụ