碩士學(xué)位論文RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式及其仿真研究

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1、西北大學(xué)碩士研究生論文 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表和撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得——或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所作的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 摘要 RFID是九十年代興起的、目前在理論和應(yīng)用研究方面都十分引人注目的

2、一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它具有數(shù)據(jù)量大，保密性高，抗干擾能力強(qiáng)，識(shí)別時(shí)間短，費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。本文首先研究了用于RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕纠碚?，包括信道編碼、校驗(yàn)和糾錯(cuò)碼原理及應(yīng)用等對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，然后利用功能強(qiáng)大的Simulink仿真軟件，通過(guò)設(shè)計(jì)封裝仿真需要的信道編碼解碼模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、OOK調(diào)制解調(diào)等共12個(gè)模塊，仿真研究了射頻識(shí)別數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能、不同的數(shù)據(jù)傳輸格式對(duì)信道的適應(yīng)能力等方面的相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)仿真，給出了不同編碼方式與系統(tǒng)誤碼率的關(guān)系以及與信道信噪比的關(guān)系。本文所采用的研究方法和所得到的研究結(jié)果可以為實(shí)際的RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。 關(guān)鍵字

3、：RFID、信道編碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、CRC、仿真分析 ABSTRACT RFID is a kind of auto-identify technique risen in 90’th. It is very hot in theory and application research. It has many advantages，such as abundance of data information，high security of data，great ability of anti-EMI(Electro Magnetic Interfer

4、ence)，short recognizing time and low cost,and it has a promising future. In this paper I first studied basic theory used in data transfer used in RFID application, including the principle of channel coding、checkout and anti-error coding, Then I used Simulink, a powerful simulation software, designe

5、d and packed 12 models used in simulation, including channel coding、CRC、OOK etc. Then simulation and studied such topics as capability of data transfer of RFID system、channel fit ability of different channel coding etc. The research technique and research result used in this paper will offer referen

6、ce for the design and application of practice application of RFID system. Keyword: RFID, channel coding, data checkout, simulation and analysis 目錄 第一章 引言……………………………………………………………………6 1.1射頻識(shí)別系統(tǒng)概述……………………………………………………6 1.2 RFID系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………..9 1.3論文選題

7、的意義及主要研究?jī)?nèi)容……………………………………10 1.4論文的主要貢獻(xiàn)……………………………………………………….10 第二章 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式及其仿真研究………………………………..12 2.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具matlab/simulink…………………………………..12 2.1.1 matlab/simulink仿真工具簡(jiǎn)介……………………………...12 2.1.2 matlab/simulink使用簡(jiǎn)介…………………………………...12 2.2 RFID數(shù)據(jù)傳輸常用編碼格式……………………………………....14 2.3 常用編碼模塊的sim

8、ulink模塊封裝………………………………….10 2.3.1 利用已有模塊組合實(shí)現(xiàn)模塊封裝………………………......15 2.3.2 利用s函數(shù)實(shí)現(xiàn)自編模塊…………………………………...18 2.4 信道編碼抗干擾能力仿真分析…………………………………...….23 2.4.1二進(jìn)制對(duì)稱信道………………………………...…………….23 2.4.2 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼方式檢錯(cuò)能力仿真………...………….24 2.4.3 選擇編碼方式的其他考慮因素…………..………………...25 第三章 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式及其仿真研究…………….

9、.……………27 3.1 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)與校驗(yàn)…………………………………..…27 3.2 差錯(cuò)控制編碼………………………………………………………27 3.2.1差錯(cuò)控制的基本方式………………………………….……27 3.2.2漢明碼距與編碼糾錯(cuò)能力的關(guān)系…………………….……28 3.3 常用的差錯(cuò)控制編碼………………………………………………29 3.3.1 奇偶監(jiān)督碼…………………………………………………29 3.3.2 漢明編碼……………………………………………………30 3.4 CRC循環(huán)冗余校

10、驗(yàn)………………………………………………...31 3.5 CRC校驗(yàn)?zāi)芰Ψ抡妗?..32 3.5.1仿真模型…………………………………………………..…32 3.5.2 CRC校驗(yàn)編碼模塊和解碼模塊的封裝…………………..33 3.5.2 CRC校驗(yàn)?zāi)芰Ψ抡娣治觥?.…………...34 第四章 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸綜合仿真分析…………………………..……....36 4.1 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程 …………………………………..…....36 4.2 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸綜合仿真……………………

11、…………..……...36 4.2.1 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸仿真模型……………………..……...36 4.2.2 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸仿真模型中的子模塊構(gòu)建…..………38 4.2.3 RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸綜合仿真……………………..………39 第五章 總結(jié)…………………………………………………………..………..43 致謝……………….……………………………………………………..………..44 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………….45 第一章 緒論 1.1射頻識(shí)別系統(tǒng)概述

12、 射頻識(shí)別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是從八十年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無(wú)接觸的方式自動(dòng)的從目標(biāo)中讀取信息。伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，射頻識(shí)別系統(tǒng)的體積大大縮小，射頻識(shí)別技術(shù)也進(jìn)入實(shí)用化的階段。射頻識(shí)別系統(tǒng)利用射頻的方式進(jìn)行非接觸的雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。它和同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間不用接觸就可完成識(shí)別。因此它可在更廣泛的場(chǎng)合中應(yīng)用。 　　典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)包括兩部分：標(biāo)簽和讀寫(xiě)器。 　　標(biāo)簽的幾個(gè)主要模塊集成到一塊芯片中，完成與讀寫(xiě)器通信。芯片上的內(nèi)存部分用來(lái)儲(chǔ)存

13、識(shí)別號(hào)碼或其它數(shù)據(jù)：內(nèi)存容量從幾個(gè)比特到幾十K比特； 芯片外圍連接天線，可以作為人員的身份識(shí)別卡或貨物的標(biāo)識(shí)卡。卡封裝可以有不同形式，如常見(jiàn)的信用卡的形式及小圓片的形式等。和條碼、磁卡、IC卡相比，標(biāo)簽具有非接觸、工作距離長(zhǎng)、適于惡劣環(huán)境、可識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。 　　在多數(shù)RFID系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射能量形成電磁場(chǎng)，區(qū)域大小取決于工作頻率和天線尺寸。標(biāo)簽經(jīng)過(guò)這個(gè)區(qū)域時(shí)檢測(cè)到讀寫(xiě)器的信號(hào)就開(kāi)始發(fā)送儲(chǔ)存的信息及數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器發(fā)送的信號(hào)通常提供時(shí)鐘信號(hào)及標(biāo)簽工作所需要的足夠能量，其中的時(shí)鐘信號(hào)使數(shù)據(jù)同步，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來(lái)決定數(shù)據(jù)的有效

14、性，然后通過(guò)RS232、RS422、RS485或無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)單的RFID產(chǎn)品就是一種非接觸的IC卡、而復(fù)雜的RFID產(chǎn)品能和外部傳感器連接來(lái)測(cè)量、記錄不同的參數(shù)，甚至與GPS系統(tǒng)連接來(lái)跟蹤物體。 　　應(yīng)該說(shuō)條碼、磁卡、IC卡、標(biāo)簽等識(shí)別技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適于應(yīng)用的場(chǎng)合。 表1.1顯示了這幾種識(shí)別技術(shù)的區(qū)別。 條碼成本最低、適于大量需求且數(shù)據(jù)不必更改的場(chǎng)合，例如商品包裝上就很適宜，但是條碼比較容易磨損、而且數(shù)據(jù)量很小。磁卡的價(jià)格也很便宜，但是很容易磨損，數(shù)據(jù)量小。IC卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量很大，數(shù)據(jù)安全性好、但是價(jià)格稍高。且由于它的觸點(diǎn)暴露在外面，有可能因靜電或人為的原

15、因損壞。射頻標(biāo)簽最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，因此完成識(shí)別工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且不易損壞，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便，標(biāo)簽不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，短距離的標(biāo)簽可以在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體；長(zhǎng)距離的產(chǎn)品多用于交通上，可達(dá)幾十米，如鐵路車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別、汽車自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份。 表1.1 各種自動(dòng)識(shí)別方式比較 系統(tǒng) 參數(shù) 條形碼 光學(xué)符號(hào)識(shí)別 語(yǔ)音識(shí)別 生物計(jì)數(shù)測(cè)量法 IC卡 射頻識(shí)別系統(tǒng) 典型的數(shù)據(jù)量/字節(jié) 1-100 1-100 - - 數(shù)據(jù)密度 小 小 高 高 很高

16、 很高 機(jī)器閱讀的可讀性 好 好 費(fèi)時(shí)間 費(fèi)時(shí)間 好 好 個(gè)人閱讀的可讀性 受制約 簡(jiǎn)單容易 簡(jiǎn)單容易 困難 不可能 不可能 受污染/潮濕影響 很嚴(yán)重 很嚴(yán)重 - - 可能 （接觸） 沒(méi)有影響 受光遮蓋影響 全部失效 全部失效 - 可能 - 沒(méi)有影響 受方向和位置影響 很小 很小 - - 一個(gè)插入方向 沒(méi)有影響 用壞/磨損 有條件 有條件的 - - 接觸 沒(méi)有影響 購(gòu)置費(fèi)/電子閱讀設(shè)備 很少 一般 很高 很高 很少 一般 工作費(fèi)用 （例如：打印機(jī)） 很少 很少 無(wú) 無(wú) 一般 （

17、接觸） 無(wú) 未經(jīng)準(zhǔn)許的復(fù)制/修改 容易 容易 可能 （錄音） 不可能 不可能 不可能 閱讀速度（包括數(shù)據(jù)載體的使用） 低-4s 低-3s 很低>5s 很低>>5~10s 低~4s 很快 數(shù)據(jù)載體與閱讀器之間的最大距離 0-50cm <1cm （掃描器） 0~50cm 直接接觸 直接接觸 0-5m 微波 RFID技術(shù)的分類方法主要有四種： 　　1、根據(jù)標(biāo)簽的不同可分成三種：可讀寫(xiě)卡(RW)、一次寫(xiě)入多次讀出卡 (WORM)和只讀卡(RO)。RW卡-般比WORM卡和RO卡貴得多，如電話卡、信用卡等。WORM卡是用戶可以一次性寫(xiě)入的卡,寫(xiě)入后數(shù)據(jù)

18、不能改變，WORM卡比RW卡要便宜。RO卡存有一個(gè)唯一的號(hào)碼,不能逐改，這樣提供了安全性，RO卡最便宜。標(biāo)簽可以做得很薄很小，例如1厘米長(zhǎng)度或更小。 　　2、標(biāo)簽也可分為有源的及無(wú)源的兩種。有源標(biāo)簽使用卡內(nèi)的電池的能量、識(shí)別距離較長(zhǎng)，可達(dá)幾十米，但是它的壽命有限并且價(jià)格較高；無(wú)源標(biāo)簽不含有電池，利用耦合讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁場(chǎng)能量作為自己的能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長(zhǎng)、很便宜，但它的發(fā)射距離受限制，一般是幾十厘米到十幾米，且需要讀寫(xiě)器的發(fā)射功率較大。 3、根據(jù)調(diào)制方式的不同還可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式的標(biāo)簽用自身的射頻能量主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器。被動(dòng)式的標(biāo)簽，使用調(diào)制散射方式發(fā)

19、射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫(xiě)器的載波來(lái)調(diào)制自己的信號(hào)，在門(mén)禁或交通的應(yīng)用中適宜，因?yàn)樽x寫(xiě)器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的標(biāo)簽。在有障礙物的情況下，用調(diào)制散射方式，讀寫(xiě)器的能量必須來(lái)去穿過(guò)障礙物兩次。而主動(dòng)方式的標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)僅穿過(guò)障礙物一次，因此主動(dòng)方式工作的標(biāo)簽則主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠(yuǎn)。 4、整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)工作頻率的不同可分為高頻、中頻及低頻系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般工作在100-500kHZ；中頻系統(tǒng)工作在10到15MHZ左右；而高頻系統(tǒng)則可達(dá)850-950MHZ甚至2．4-5GHZ的微波段。高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫(xiě)距離和高的讀寫(xiě)速度的場(chǎng)合，像鐵路車號(hào)自動(dòng)識(shí)別、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)，但天線

20、波束較窄價(jià)格較高；中頻系統(tǒng)在13.56MHz的范圍，這個(gè)頻率用于門(mén)禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用；低頻系統(tǒng)用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門(mén)禁控制、動(dòng)物監(jiān)管、貨物跟蹤等。 系統(tǒng)工作在低頻和高頻時(shí)它的工作原理是不同的，根據(jù)工作原理的不同可以區(qū)分為低頻的變壓器模型和高頻的雷達(dá)模型。在低頻（13.56M以下，包括13.56M） 時(shí)，系統(tǒng)的工作方式類似于變壓器，讀寫(xiě)器的線圈和射頻標(biāo)簽的線圈組成一個(gè)互感系統(tǒng)，讀寫(xiě)器通過(guò)電感耦合的形式將能力和數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽，而標(biāo)簽也可以通過(guò)改變自身線圈電感的方式將數(shù)據(jù)返回讀寫(xiě)器；高頻時(shí)的工作方式類似于雷達(dá)模型，讀寫(xiě)器發(fā)出電磁波，碰到標(biāo)簽后將電磁波反射回讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器將

21、要發(fā)送的數(shù)據(jù)調(diào)制到發(fā)射的電磁波上，而標(biāo)簽可以根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的不同來(lái)調(diào)制電磁波反射率的大小。 　　以前使用的RFID系統(tǒng)中，一次只能讀寫(xiě)一個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽之間要保持一定距離，確保一次只能有一個(gè)卡在讀寫(xiě)區(qū)域內(nèi)。讀寫(xiě)距離長(zhǎng)則標(biāo)簽之間的距離也要大。應(yīng)用起來(lái)很不方便?，F(xiàn)在的標(biāo)簽具有防碰撞的功能，這對(duì)于RFID來(lái)說(shuō)十分重要，所謂碰撞是指多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別區(qū)域時(shí)信號(hào)互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時(shí)識(shí)別進(jìn)入識(shí)別距離的所有標(biāo)簽，它的并行工作方式大大提高了系統(tǒng)的效率。 1.2 RFID系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 射頻識(shí)別系統(tǒng)在國(guó)外的研究起步較早，目前已有許多成熟的應(yīng)用。在研究方面從標(biāo)簽芯片設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、射頻模

22、塊設(shè)計(jì)、基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)等組成射頻識(shí)別系統(tǒng)的各個(gè)方面都有較為深入的研究，形成了一套射頻識(shí)別系統(tǒng)特有的理論體系。目前的研究已經(jīng)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化階段，已經(jīng)形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)草案，包括ISO/IEC的用于物品管理18000系列標(biāo)準(zhǔn)草案，該草案初步定義了從低頻到高頻工作時(shí)的一系列標(biāo)準(zhǔn)，還有美國(guó)的NCITS_256標(biāo)準(zhǔn)草案等。但是到目前為止這些草案還都沒(méi)有形成正式的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布。 值得一提的是目前已經(jīng)在國(guó)際上成立了一個(gè)EPC global這樣一個(gè)組織，這個(gè)組織正在大力的推廣和完善由美國(guó)麻省理工學(xué)院Auto_ID Center研究中心提出的EPC的概念，所謂EPC，即產(chǎn)品電子代碼，也就是要為世界上每一件商品分配一個(gè)

23、電子代碼，這個(gè)編碼信息封裝在射頻標(biāo)簽之中并附著在商品上。在物流系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)可以用射頻識(shí)別的方式將商品中的信息讀出，并將讀出的信息放到互聯(lián)網(wǎng)上，這樣人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上隨時(shí)查詢?nèi)魏我患唐返那闆r，形成所謂的“物聯(lián)網(wǎng)”，可以想象，一旦這一計(jì)劃最終付諸實(shí)施，將會(huì)給我們現(xiàn)在的物流體系甚至我們的生活方式帶來(lái)革命性的變革。 從國(guó)內(nèi)來(lái)講射頻識(shí)別的應(yīng)用研究起步較晚但發(fā)展較快，目前的情況是一方面主要側(cè)重于研究利用國(guó)外已有的組件在不同場(chǎng)合下的應(yīng)用，并且在許多場(chǎng)合獲得了成功，如由深圳遠(yuǎn)望谷信息技術(shù)有限公司研發(fā)的應(yīng)用的鐵路系統(tǒng)中的車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，一舉解決了鐵路系統(tǒng)多年未解決的能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)采集車號(hào)的問(wèn)題，發(fā)揮了巨

24、大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。同時(shí)國(guó)內(nèi)在射頻識(shí)別系統(tǒng)方面已在逐步著手研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID芯片，這是RFID系統(tǒng)中最核心的技術(shù)。另一方面，對(duì)于涉及RFID數(shù)據(jù)通信的一些基本問(wèn)題研究較少，也較少能夠見(jiàn)到通過(guò)對(duì)整個(gè)RFID數(shù)據(jù)通信建立數(shù)學(xué)模型并利用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)研究RFID系統(tǒng)的性能。 1.3 論文選題的意義及主要研究?jī)?nèi)容 RFID系統(tǒng)中系統(tǒng)的速度與可靠性都十分重要，一個(gè)通信系統(tǒng)有兩個(gè)基本的問(wèn)題：通信的效率和可靠性，RFID系統(tǒng)也不例外。 ? 效率指能盡可能快速的完成信息的交換； ? 可靠性關(guān)注的是如何保證在通信過(guò)程中保持命令和數(shù)據(jù)的完整性； ? 實(shí)際應(yīng)用中這兩個(gè)問(wèn)題又是相互影響、相互

25、關(guān)聯(lián)的。 RFID系統(tǒng)中系統(tǒng)的可靠性十分重要，這就需要設(shè)計(jì)選用可靠的數(shù)據(jù)格式以及在數(shù)據(jù)傳輸中加入校驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)的完整性，而當(dāng)給定的通信時(shí)間非常短暫時(shí)，加入的數(shù)據(jù)校驗(yàn)雖然會(huì)提高系統(tǒng)的可靠性，但會(huì)影響數(shù)據(jù)的通信效率。這就需要設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)格式和采用合適的校驗(yàn)方法，從而做到在有限的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。 如果在設(shè)計(jì)之初從理論上對(duì)這些問(wèn)題能進(jìn)行較為透徹的分析，并仿真出各種方案的性能，就會(huì)對(duì)自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)心中有數(shù)，知道它適宜于應(yīng)用在什么樣的場(chǎng)合，可以在什么樣的信道中使用。 本論文著眼于RFID的數(shù)據(jù)通信，從理論上分析在RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用各種數(shù)據(jù)編碼格式和校驗(yàn)方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響，并

26、利用Matlab/Simulink軟件工具建立仿真模型，結(jié)合仿真模型來(lái)研究在RFID系統(tǒng)中各種信道編碼方式、校驗(yàn)方式的性能及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。 1.4 論文的主要貢獻(xiàn) 本論文采用理論分析和系統(tǒng)仿真相結(jié)合方式研究了RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，主要貢獻(xiàn)如下： （1）從理論上分析了在RFID系統(tǒng)中選擇不同信道編碼方式整個(gè)系統(tǒng)性能的影響、不同的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響以及整個(gè)系統(tǒng)誤碼率的信道適應(yīng)性； （2）封裝了仿真需要的常用信道編碼解碼模塊共8個(gè)、CRC校驗(yàn)編碼模塊和解碼模塊以及常用的信道調(diào)制模塊和解調(diào)模塊； （3）利用matlab/simulink建立了RFID系統(tǒng)的仿真模

27、型，在此基礎(chǔ)上仿真了不同信道編碼檢錯(cuò)率的性能、不同校驗(yàn)編碼的校驗(yàn)?zāi)芰σ约跋到y(tǒng)誤碼率與信道適應(yīng)能力的關(guān)系等內(nèi)容，并對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到了一些有意義的結(jié)論； （4）仿真分析的結(jié)果為RFID應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)實(shí)際的參考。進(jìn)一步可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整模型中的參數(shù)以得到更為切合應(yīng)用實(shí)際的仿真結(jié)果，根據(jù)仿真的結(jié)果（如RFID系統(tǒng)誤碼率與信道適應(yīng)性），來(lái)確定什么樣的系統(tǒng)（編碼調(diào)制方式）能與特定的信道相適應(yīng)，或者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的信道來(lái)選擇系統(tǒng)； （5）本文采用仿真分析的方法來(lái)研究RFID的性能，這也為實(shí)際的RFID應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)通過(guò)仿真來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)方案前期驗(yàn)證的途徑，本文建立的一

28、些模塊也可為其他仿真模型所采用； 顯然，本文的方法及其所得到的結(jié)果對(duì)于加快RFID系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程、解決我國(guó)目前在RFID的應(yīng)用中所存在的某些問(wèn)題具有一定的實(shí)際意義。 第二章 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)編碼方式及其仿真研究 2.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具matlab/simulink 2.1.1 matlab/simulink仿真工具簡(jiǎn)介 Matlab(Matrix Laboratory,即“矩陣實(shí)驗(yàn)室”)最初是由美國(guó)墨西哥大學(xué)Cleve Moler教授提出并應(yīng)用于矩陣計(jì)算的教學(xué)中。自從

29、Matlab由Mathworks公司推出后，Matlab為各國(guó)的工程科學(xué)家開(kāi)發(fā)學(xué)科應(yīng)用軟件提供了新的基礎(chǔ)，并且得到了全世界的關(guān)注和歡迎。Matlab經(jīng)過(guò)不斷的擴(kuò)充和完善，已經(jīng)發(fā)展成為功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件工具，集數(shù)值計(jì)算、圖形可視化、圖像處理及多媒體技術(shù)于一身，在航天、航空、軍事、經(jīng)濟(jì)、交通、自動(dòng)控制、通信、信號(hào)處理、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 利用Matlab進(jìn)行仿真具有計(jì)算精度高、操作方便、軟件包齊全等特點(diǎn)，另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是提供了專業(yè)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真工具箱――Simulink，它使得Matlab的功能得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展，它是一個(gè)模塊化、模型化的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。用戶利用Simul

30、ink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析時(shí)如同堆積木一樣簡(jiǎn)單方便，只需要在模型窗口中單擊或是拖動(dòng)鼠標(biāo)即可。它借助Matlab在科學(xué)計(jì)算上得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)以及可視化的模型窗口，成為眾多仿真軟件中功能最強(qiáng)大、最優(yōu)秀的一種軟件工具。 2.1.2、matlab/simulink使用簡(jiǎn)介 在matlab中啟動(dòng)simulink有兩種方法，一是在命令窗口中鍵入simulink；一是在工具欄中點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕即可，啟動(dòng)后的界面如圖 圖2.1 simulink庫(kù)瀏覽器 上圖顯示的就是simulink庫(kù)瀏覽器，分為兩欄，左邊為庫(kù)名列表，右邊為相應(yīng)的庫(kù)中模型列表。在RFID仿真中

31、，經(jīng)常用到的庫(kù)有：simulink、communication、DSP、Fixed-Point等庫(kù)。 本文以RFID系統(tǒng)常用的一種信道編碼——Manchester編碼來(lái)說(shuō)明本文采用的仿真步驟： 1、 點(diǎn)擊庫(kù)瀏覽器上面的新建文件圖標(biāo)，建立一個(gè)新的文件并另存為Manchester編碼； 2、 點(diǎn)擊庫(kù)瀏覽器左邊欄中cummunications blockset左邊的十字，展開(kāi)這個(gè)庫(kù)，點(diǎn)擊comm source子庫(kù)，在左邊的模塊欄中選擇benoulli binary generator（貝努里二進(jìn)制數(shù)產(chǎn)生器）模塊，并將其拖動(dòng)到新建的文件的工作區(qū)中； 3、 用同樣的方法將pulse genera

32、tor模塊、relational operator模塊、data type conversion模塊、scope模塊放到工作區(qū)； 4、 雙擊某一個(gè)模塊就可以設(shè)置該模塊的屬性。設(shè)置pulse generator模塊的采樣時(shí)間為0.5，設(shè)置relational operator模塊的比較關(guān)系為“不等于”，設(shè)置scope模塊的顯示波形的個(gè)數(shù)為2； 5、 將各模塊連接起來(lái)，最終結(jié)果如下圖： 圖2.2 仿真模型 6、 設(shè)置仿真模塊的仿真時(shí)間，點(diǎn)擊菜單上的simulation->simulation parameter，在打開(kāi)的對(duì)話框中設(shè)置仿真時(shí)間為10秒鐘； 7、 點(diǎn)擊工具欄上的運(yùn)用按鈕開(kāi)

33、始仿真程序； 8、 仿真結(jié)束后，雙擊打開(kāi)示波器查看波形，波形圖如下： 圖2.3 仿真波形 上邊是原始波形，下邊是Manchester編碼后的波形。由此可以看出，利用simulink進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真非常的簡(jiǎn)潔方便，所得的結(jié)果也非常的直觀。 2.2 RFID數(shù)據(jù)傳輸常用編碼格式 在RFID系統(tǒng)中基帶編碼(數(shù)字調(diào)制)常使用的編碼方法有以下幾種:NRZ編碼，Manchester（曼徹斯特）編碼、單極性歸零編碼、差動(dòng)雙向編碼、Miller編碼、差動(dòng)編碼，各種常用編碼方式的波形如圖所示： 圖2.4 常用信道編碼碼型 各碼型編碼的規(guī)則如下： NRZ編碼:“高”信號(hào)表

34、示二進(jìn)制‘1’，“低”信號(hào)表示二進(jìn)制‘0’。 MANCHESTER編碼:在半個(gè)bit周期的負(fù)邊緣表示二進(jìn)制‘1’，半個(gè)bit周 期的正邊緣表示二進(jìn)制‘0’。MANCHESTER編碼經(jīng)常用于從應(yīng)答器到閱讀器的 數(shù)據(jù)傳輸(在二進(jìn)制搜索算法中)。 單極性歸零編碼:在半個(gè)bit周期中的“高”信號(hào)表示二進(jìn)制‘1’，而持續(xù)整個(gè)周期的低信號(hào)表示二進(jìn)制‘0’。 差動(dòng)雙向編碼編碼:在半bit周期中的任意邊緣表示二進(jìn)制‘0’，而沒(méi)有邊緣就是二進(jìn)制‘1’。此外在每一個(gè)bit周期開(kāi)始時(shí)，電平都要反向，這樣對(duì)于接收器來(lái)說(shuō)位節(jié)拍信號(hào)容易重建。 Miller（米勒）編碼:在半bi

35、t周期的任意邊緣表示二進(jìn)制‘1’，而經(jīng)過(guò)下一個(gè)周期中不變的‘1’電平表示二進(jìn)制‘0’。如果連續(xù)一串‘0’，則在‘0’hit周期開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生電平交變。 差動(dòng)編碼:對(duì)差動(dòng)編碼來(lái)說(shuō)，在下一個(gè)脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間t表示二進(jìn)制‘1’，而下一個(gè)脈沖前暫停的持續(xù)時(shí)間2t則表示二進(jìn)制‘0’。 在RFID系統(tǒng)中，由于應(yīng)用的需要標(biāo)簽常常是無(wú)源的，換句話說(shuō)無(wú)源標(biāo)簽需要在與讀寫(xiě)器的通訊過(guò)程中獲得自身的能量供應(yīng)。因此，為了保證系統(tǒng)的正常工作，信道編碼方式首先必須保證不能中斷讀寫(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的能量供應(yīng)；另外，作為保障系統(tǒng)可靠工作的需要，還必須在編碼中提供數(shù)據(jù)位一級(jí)的校驗(yàn)保護(hù)，編碼方式應(yīng)該提供這一功能，并可以根據(jù)碼型

36、的變化來(lái)判斷是否發(fā)生誤碼或有多標(biāo)簽沖突的發(fā)生。 在RFID系統(tǒng)中，當(dāng)標(biāo)簽是無(wú)源標(biāo)簽時(shí)，經(jīng)常要求基帶編碼具有每?jī)蓚€(gè)相鄰數(shù)據(jù)比特位元間具有跳變的特點(diǎn)，這種相鄰數(shù)據(jù)間有跳變的碼，不僅可以保證不會(huì)在連續(xù)出現(xiàn)0的時(shí)候中斷對(duì)標(biāo)簽的能量供應(yīng)，而且便于標(biāo)簽從接收到的碼中提取時(shí)鐘信息。在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸中，由于信道中干擾的存在，數(shù)據(jù)必然會(huì)在傳輸?shù)倪^(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤，這時(shí)要求信道編碼能夠提供一定程度的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力。 2.3 常用編碼模塊的simulink模塊封裝 2.3.1 利用已有模塊組合實(shí)現(xiàn)模塊封裝 在simulink中，通過(guò)將現(xiàn)有的模塊組合成子系統(tǒng)并進(jìn)行封裝模塊可以充分利用現(xiàn)有的simulink庫(kù)中的資源

37、，方便快捷的進(jìn)行模塊的搭建。本文將用這種方法來(lái)搭建manchester（曼徹斯特）編碼模塊與解碼模塊和單極性歸零碼編碼模塊與解碼模塊。 1）Manchester編碼與解碼 Manchester編碼的編碼規(guī)則是，如果原始數(shù)據(jù)為“1”，將其編碼成“10”；如果原始數(shù)據(jù)為“0”，將其編碼成“01”。這種碼的特點(diǎn)是每個(gè)碼元中間都有跳變，使得這種碼低頻能量較少，而且這種碼型的特點(diǎn)也便于接收端提取時(shí)鐘信息。 仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)，用一個(gè)頻率為原始數(shù)據(jù)發(fā)送頻率兩倍的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)manchester編碼。Manchester編碼實(shí)現(xiàn)如下： 圖2.5 manchesete編碼仿真模型

38、Manchester解碼的目的是從收到的Manchester碼流中恢復(fù)出原始的信號(hào)，仿真實(shí)現(xiàn)時(shí)可以使用和編碼相反的方法，即用一個(gè)頻率為原始碼流頻率一半的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)manchester解碼。Manchester編碼實(shí)現(xiàn)如下： 圖2.6 manchester解碼仿真模型 為了對(duì)這兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，可以利用simulink的子系統(tǒng)模塊和mask edit功能封裝并仿真。 圖2.7 manchester編碼解碼仿真 雙擊圖中的manchester編碼模塊設(shè)定該模塊的本地采樣率參數(shù)，仿真結(jié)果見(jiàn)下圖： 圖2.8 manchester編碼解碼仿真波形 上圖中

39、第一行顯示的是原始信號(hào)的波形，第二行顯示的經(jīng)Manchester編碼后的波形，第三行顯示的是解碼后的波形，可見(jiàn)仿真的結(jié)果符合我們的要求。 2）單極性歸零碼編碼與解碼 單極性歸零碼的編碼規(guī)則是，在第一個(gè)半比特周期中的“高”信號(hào)表示1，而持續(xù)整個(gè)比特周期的“低”信號(hào)表示0；該編碼的simulink模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如圖3所示。 圖2.9 單極性編碼模塊子系統(tǒng) 即用一個(gè)頻率為原始數(shù)據(jù)發(fā)送頻率兩倍的起始電平為低電平的矩形波與原始數(shù)據(jù)做異或運(yùn)算，即可實(shí)現(xiàn)單極性歸零碼的編碼。 單極性歸零碼的解碼方法是用一個(gè)頻率為原始信號(hào)頻率兩倍的起始電平為高電平的矩形波與原始信號(hào)作與運(yùn)算后，再將原始信號(hào)經(jīng)過(guò)下采樣

40、就可以得到解碼后的信號(hào)。解碼的simulink實(shí)現(xiàn)如下： 圖2.10 單極性解碼模塊子系統(tǒng) 可以利用simulink的子系統(tǒng)模塊和mask edit功能封裝圖4所示的子系統(tǒng)，并以此為核心對(duì)二進(jìn)制對(duì)稱信源進(jìn)行編碼仿真，其仿真結(jié)果如圖4所示。 圖2.11 單極性歸零碼編碼仿真與仿真結(jié)果 上圖中第一行顯示的是原始信號(hào)的波形，第二行顯示的經(jīng)單極性歸零碼編碼后的波形，第三行顯示的是解碼后的波形，可見(jiàn)仿真的結(jié)果符合我們的要求。 2.3.2 利用s函數(shù)實(shí)現(xiàn)自編模塊 在本文的工作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些過(guò)程用普通的simulink模塊不容易搭建，因此利用s函數(shù)來(lái)自己編程實(shí)現(xiàn)所需要的模塊，s函數(shù)

41、可以極大的擴(kuò)展simulink的功能，使得simulink的仿真變得更靈活、更強(qiáng)大。 要使用s函數(shù)編程，必須了解simulink的工作機(jī)制，simulink仿真時(shí)必須經(jīng)歷三個(gè)階段： （1）模型的初始化階段：在這一階段，simulink將確定模塊的執(zhí)行順序，初始化模塊的參數(shù)，確定模塊的輸入輸出個(gè)數(shù)、離散或連續(xù)狀態(tài)的個(gè)數(shù)，采樣時(shí)間等； （2）狀態(tài)的動(dòng)態(tài)更新階段：這一階段在每一次系統(tǒng)要根據(jù)更新模塊是離散還是連續(xù)分別更新模塊的狀態(tài)，計(jì)算下一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)刻； （3）輸出信號(hào)的計(jì)算階段，根據(jù)模塊現(xiàn)在的狀態(tài)和當(dāng)前模塊的輸入來(lái)計(jì)算模塊的輸出。 S函數(shù)可以用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)，也可以用c、c＋＋等多

42、種語(yǔ)言編寫(xiě)，本文使用的是利用matlab語(yǔ)言編寫(xiě)s函數(shù)。 S函數(shù)的引導(dǎo)語(yǔ)句為：[sys,x0,str,ts]=f(t,x,u,flag,p1,p2,...) 模塊在每一次仿真時(shí)都要調(diào)用這個(gè)函數(shù)，其中f為函數(shù)名，可以改為自定義的函數(shù)名，t,u,x分別是時(shí)間、狀態(tài)、和輸入信號(hào)，flag是標(biāo)志位，標(biāo)志模塊運(yùn)行的狀態(tài)，s函數(shù)根據(jù)flag的不同，分別調(diào)用不同的子函數(shù)，flag參數(shù)的意義和相關(guān)信息在表2中列出： Flag 功能 返回參數(shù) 0 1 2 3 4 9 初始化 計(jì)算連續(xù)狀態(tài) 計(jì)算離散狀態(tài) 計(jì)算輸出 下一步時(shí)間 中止仿真 sys為初始化參數(shù) sys返回連續(xù)狀態(tài)值

43、 sys返回離散狀態(tài)值 sys返回系統(tǒng)的輸出 sys返回下一步仿真時(shí)間 無(wú)返回值 表2 flag參數(shù)意義 編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，在各個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的函數(shù)下編寫(xiě)相應(yīng)的功能程序即可。本文就是通過(guò)這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)雙向編碼（FM0編碼）和米勒編碼模塊的構(gòu)建。 1）差動(dòng)雙向碼 差動(dòng)雙向碼的編碼規(guī)則是：在半比特周期中的任意邊沿表示二進(jìn)制“0”，而沒(méi)有邊沿表示二進(jìn)制1，此外，在每一比特周期開(kāi)始時(shí)，電平都要反相，因此，這種碼對(duì)于接收端來(lái)說(shuō)，位節(jié)拍比較容易重建。 根據(jù)上述內(nèi)容，結(jié)合差動(dòng)雙向碼的編碼格式，設(shè)計(jì)的s函數(shù)如下： function [sys,x0,str,ts]=fm0code(t,x,u

44、,flag,p)%引導(dǎo)函數(shù) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(p); case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise error([Unhandled fl

45、ag = ,num2str(flag)]); end ％模型的初始化 function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(p) sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; ％無(wú)連續(xù)狀態(tài) sizes.NumDiscStates = 2; ％2離散狀態(tài) sizes.NumOutputs= 1; ％1個(gè)輸出 sizes.NumInputs= 1; ％1個(gè)輸入 sizes.DirFeedthrough=1; sizes.NumSampleTimes=1;%1個(gè)采樣時(shí)間 sys = si

46、msizes(sizes); x0 = [0;0]; ％初始離散狀態(tài) str = []; ts = [p 0]; ％計(jì)算連續(xù)狀態(tài)，本程序中沒(méi)有使用 function sys=mdlDerivatives(t,x,u) sys = []; ％計(jì)算離散狀態(tài)，主要功能在這里實(shí)現(xiàn) function sys=mdlUpdate(t,x,u) x(1)=x(1)+1; if rem(x(1),2)= =0 ％如果是1bit周期開(kāi)始， if x(2)==1 x(2)=0; ％電平反轉(zhuǎn) else x(2)=1; end else ％如果是1bit

47、周期的中間，判斷如 if u= =0 ％果是“0”跳轉(zhuǎn)，“1”不％跳轉(zhuǎn) if x(2)==0 x(2)=1; else x(2)=0; end end end sys =x; ％將x(2)輸出，即的所需編碼 function sys=mdlOutputs(t,x,u) sys = x(2); ％計(jì)算下一次仿真時(shí)間 function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime = 1; sys = t + sampleTime ％結(jié)束仿真 function

48、 sys=mdlTerminate(t,x,u) sys = []; mdlInitializeSizes(p)函數(shù)完成模塊的初始化，仿真時(shí)在模型的初始化階段執(zhí)行該函數(shù)，由于仿真的離散系統(tǒng)，所以設(shè)定連續(xù)狀態(tài)數(shù)為0；設(shè)定離散狀態(tài)數(shù)為2，它們是x(1)和x(2)。x(1)用來(lái)記錄狀態(tài)數(shù)，每仿真一次該值加1，x(2)用來(lái)記錄下一次的輸出，后面將要利用到這兩個(gè)狀態(tài)；同時(shí)設(shè)定系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)、采樣時(shí)間等參數(shù)。 mdlUpdate(t,x,u)函數(shù)用來(lái)更新模型的狀態(tài)，它在一次仿真結(jié)束時(shí)執(zhí)行，目的是為下一次仿真作準(zhǔn)備，差動(dòng)雙向編碼的實(shí)現(xiàn)中主要工作就在這一函數(shù)中完成；如果此時(shí)執(zhí)行到1bit的結(jié)束，要將輸

49、出反相，如果是在1bit的中間，再判斷如果是“0”將輸出電平翻轉(zhuǎn)。 mdlOutputs(t,x,u)函數(shù)用來(lái)輸出本次仿真的輸出結(jié)果，在差動(dòng)雙向編碼中只需將在上一此仿真結(jié)束后更新得到的結(jié)果輸出即可。 可以用與編碼過(guò)程類似的方法編程實(shí)現(xiàn)差動(dòng)雙向編碼的解碼，解碼的思路也相對(duì)簡(jiǎn)單，如果這一時(shí)刻的輸入與上一時(shí)刻的輸入相同譯作“0”，否則譯作“1”，由于單極性歸零碼的譯碼具有滯后性，所以引入了一比特的延世，我們將編寫(xiě)的s函數(shù)封裝成模塊并做仿真如下： 圖2.12 差動(dòng)雙向碼仿真模型與仿真結(jié)果 仿真模型中，中間的差動(dòng)雙向碼模塊和差動(dòng)雙向解碼模塊就是我們?cè)O(shè)計(jì)封裝的模塊，仿真后的結(jié)果如圖5所示，

50、上圖中第一行顯示的是原始信號(hào)的波形，第二行顯示的經(jīng)單極性歸零碼編碼后的波形，第三行顯示的是解碼后的波形解碼后波形與原波形相比只有第一位不同，這是由譯碼的滯后性造成的。仿真結(jié)果與差動(dòng)雙向編碼的編碼規(guī)則吻合。 2）米勒編碼 米勒編碼的編碼格式是在半比特周期內(nèi)的任意邊沿表示二進(jìn)制1，而經(jīng)過(guò)下一個(gè)比特周期中不變的電平表示二進(jìn)制0。一連串的零在比特周期開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生電平交變，因此，對(duì)接收端來(lái)說(shuō)，位節(jié)拍比較容易重建。我們同樣用s函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)的思路是：在模塊的狀態(tài)更新階段，記錄此時(shí)的輸入輸出狀態(tài)，在輸出時(shí)，參考前一個(gè)狀態(tài)的輸入和輸出確定此時(shí)的輸出。如果此時(shí)執(zhí)行到1bit的結(jié)束，要進(jìn)行判斷，如果此時(shí)輸

51、入的符號(hào)是“0”，再看前一時(shí)刻輸入的符號(hào)是不是“0”，如果是，此時(shí)的輸出應(yīng)該為上一時(shí)刻輸出的反相，如果此時(shí)的輸入是“1”，則維持上一時(shí)刻的輸出不變；如果是在1bit的中間，再判斷如果是“1”將輸出電平翻轉(zhuǎn)，如果是“1”則維持上一時(shí)刻的輸出不變。編程的過(guò)程與差動(dòng)雙向碼的編碼格式類似，這里不再贅述。 解碼的過(guò)程和思路就比較簡(jiǎn)單了，譯碼的時(shí)候之需在執(zhí)行到1bit的中間時(shí)看此時(shí)的輸入是不是與上一時(shí)刻的輸入相同，如果相同譯作“0”，否則譯作“1” 我們將米勒編碼和米勒解碼封裝成Simulink仿真模塊并建立模型，仿真模型和仿真結(jié)果如下。 圖2.13 米勒編碼仿真模型 可以看出仿真的結(jié)果

52、與編碼的規(guī)則一致。 2.4 信道編碼抗干擾能力仿真分析 對(duì)一個(gè)信道編碼方式的抗干擾能力的仿真，也就是仿真這些碼的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力。檢測(cè)錯(cuò)誤的原理是由于數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼后碼型之間滿足一定的關(guān)系。如果在RFID信道傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，那么在接收端收到的波形碼型之間就不滿足原來(lái)的關(guān)系，這樣就有可能判斷出在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)了錯(cuò)誤。從而可以根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果做出下一步的行動(dòng)的決策，比如在多標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境中，一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)標(biāo)簽向讀寫(xiě)器傳送信息，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的標(biāo)簽同時(shí)向讀寫(xiě)器發(fā)送信息，采用上述的信道編碼方式后，到達(dá)讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)就可能不滿足該編碼應(yīng)用的碼型規(guī)則，據(jù)此判斷是不是有多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫(xiě)器

53、發(fā)出了信息產(chǎn)生了沖突。 1） 二進(jìn)制對(duì)稱信道 為了能夠仿真各信道編碼的抗噪聲性能，必須引入一個(gè)能夠產(chǎn)生隨機(jī)錯(cuò)誤的信道，由于所有的數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制的方式傳送的，所以我們引入的信道是最常見(jiàn)的二進(jìn)制對(duì)稱信道。 所謂二進(jìn)制對(duì)稱信道指的是發(fā)送“0”和發(fā)送“1”都會(huì)產(chǎn)生相等概率的錯(cuò)誤的信道，該信道的示意圖如下： 0 1 0 1 1-p p 1-p p 圖2.14 二進(jìn)制對(duì)稱信道示意圖 發(fā)送端為“0”接收端為“1”和發(fā)送端為“1”接收端為“0”的概率相等，均為p，一般情況下，p是小于0.5的。這樣的信道是一個(gè)抽象程度非常高的信道模型，任何的信道，不管是采用基帶傳輸還是頻帶傳輸，

54、也不管采取什么調(diào)制編碼方式，只要是用來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，都可以抽象成這樣一個(gè)數(shù)學(xué)模型。 2） RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼方式檢錯(cuò)能力仿真 仿真的方案是由信號(hào)源隨機(jī)的產(chǎn)生一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)，代表RFID系統(tǒng)由讀寫(xiě)器發(fā)出或者是由標(biāo)簽返回的原始數(shù)據(jù)或命令，將這個(gè)數(shù)據(jù)采用上面提到的編碼方式進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)送入二進(jìn)制對(duì)稱信道進(jìn)行傳輸，在接收端解碼以前，先根據(jù)碼型判斷是不是有錯(cuò)誤產(chǎn)生，再將數(shù)據(jù)解碼，將解碼后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，看是不是真的有錯(cuò)誤發(fā)生，以此來(lái)檢驗(yàn)該編碼方式的檢錯(cuò)能力。 為了獲得相應(yīng)的結(jié)果，本文采用模型加程序的仿真方式，即以圖2模型為基礎(chǔ)，由程序提供相關(guān)模型參數(shù)并控制模型運(yùn)行。 圖2

55、.15 信道編碼抗干擾能力仿真模型 根據(jù)RFID的實(shí)際應(yīng)用情況，數(shù)據(jù)通信時(shí)每幀數(shù)據(jù)大體在幾個(gè)字節(jié)到十幾個(gè)字節(jié)之間，因此仿真時(shí)設(shè)定一幀的長(zhǎng)度為100，并讓二進(jìn)制對(duì)稱信道的錯(cuò)誤率在1％～50％之間變化，仿真中，設(shè)定仿真次數(shù)為1000次。具體過(guò)程為：由信源發(fā)出數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過(guò)manchester編碼或單極性歸零碼或差動(dòng)雙向編碼或米勒編碼后進(jìn)入二進(jìn)制對(duì)稱信道傳輸；接收端將接收到的數(shù)據(jù)與原編碼進(jìn)行比較，并累計(jì)檢出錯(cuò)誤的個(gè)數(shù)，并由下式計(jì)算差錯(cuò)的檢出率： （2.1） 式中為差錯(cuò)的檢出率，e1為累計(jì)檢出錯(cuò)誤次數(shù)，e為總的實(shí)際錯(cuò)誤個(gè)數(shù)。我們可以將仿真模型的Manchester編碼模塊和解碼模塊更換成

56、其他的編碼和解碼模塊并用同樣的方式進(jìn)行仿真，從而比較各種編碼方式的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力。仿真的結(jié)果見(jiàn)表1： 表2.1. 1000次編碼檢錯(cuò)能力仿真結(jié)果 編碼方式 仿真次數(shù) 總的錯(cuò)誤次數(shù)(e) 檢出錯(cuò)誤次數(shù)(e1) 檢出率() 漏檢率 (1-) Manchester 1000 848 608 72％ 28％ 單極性歸零碼 1000 848 717 84％ 16％ 差動(dòng)雙向編碼 1000 856 608 71％ 29％ 米勒編碼 1000 802 0 0％ 100％ 從仿真結(jié)果可以看出，由于米勒編碼后的波形在接收端幾乎沒(méi)有辦法把握該碼型的

57、特點(diǎn)，也就沒(méi)有辦法在解碼以前判斷有沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，因此米勒編碼不能用來(lái)在RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信做沖突檢測(cè)和錯(cuò)誤檢測(cè)的工作。Manchester編碼、單極性歸零碼以及差動(dòng)雙向編碼（FM0編碼）都具有一定的錯(cuò)誤檢測(cè)的能力，但是檢測(cè)錯(cuò)誤的能力都不是很高，大體上都有20％到30％的漏檢率。也可以看出編碼方式所具有的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力隨編碼方式的不同而不同，因此如果想提高錯(cuò)誤檢測(cè)的能力，選擇檢測(cè)錯(cuò)誤能力較高的碼是一種不錯(cuò)的方案。 3） 選擇編碼方式的其他考慮因素 在一個(gè)實(shí)際的RFID系統(tǒng)中，選擇合適的編碼方式可能不僅僅考慮該編碼所具有的檢測(cè)錯(cuò)誤的能力，也要綜合考慮其他一些因素。下面列舉一些經(jīng)常

58、需要考慮的情況 1、 在一般的RFID標(biāo)簽芯片中可能不會(huì)有時(shí)鐘電路，這就需要標(biāo)簽芯片從讀寫(xiě)器發(fā)過(guò)來(lái)碼流中提取時(shí)鐘信息，這就要求讀寫(xiě)器發(fā)出的數(shù)據(jù)的編碼方式能夠使標(biāo)簽芯片方便的提取時(shí)鐘信息，如果編碼的碼型變化比較豐富的話就可以較為容易的做到這一點(diǎn)。在這方面米勒編碼、Manchester編碼、差動(dòng)雙向編碼具有優(yōu)勢(shì)。 2、 目前大多數(shù)的RFID系統(tǒng)的標(biāo)簽都是無(wú)源標(biāo)簽，而無(wú)源標(biāo)簽自身沒(méi)有能量供應(yīng)，需要從讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波中提取能量來(lái)進(jìn)行工作。這就要求編碼方式必須保證對(duì)標(biāo)簽的能量供應(yīng)不能中斷，即必須選擇碼型變化豐富的編碼方式，換句話說(shuō)，如果用某一種編碼方式去調(diào)制電磁波，結(jié)果在某些情況下可能會(huì)造成標(biāo)簽?zāi)?/p>

59、量供應(yīng)的中斷，那么這種編碼。方式就不能在這個(gè)RFID系統(tǒng)中應(yīng)用。 3、 在多標(biāo)簽應(yīng)用環(huán)境中，讀寫(xiě)器必須一個(gè)接著一個(gè)的讀取各個(gè)標(biāo)簽的信息，這就需要應(yīng)用某些算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽的讀取，在這一過(guò)程中要求當(dāng)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)向讀寫(xiě)器發(fā)送信息時(shí)，讀寫(xiě)器應(yīng)該能夠從收到的碼流中檢測(cè)出是否有沖突發(fā)生，這是就需要選擇檢測(cè)錯(cuò)誤能力較強(qiáng)的碼，如Manchester編碼、差動(dòng)雙向編碼、單極性歸零碼等。 第三章 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式及其仿真研究 3.1 RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護(hù)與校驗(yàn)

60、 RFID系統(tǒng)采取無(wú)接觸的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在傳輸過(guò)程中很容易受到干擾，包括系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲和系統(tǒng)外部的各種電磁干擾等，這些都會(huì)使傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變，從而使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生不受歡迎的改變從而導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤，如圖3.1所示： 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) 94 0E 5F 85 FF 32 94 1E 5F 85 FF 32 干擾 圖3.1 RFID數(shù)據(jù)傳輸誤碼示意圖 因傳輸?shù)男盘?hào)畸變而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)在RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信中是不能容忍的，解決的思路有兩種：一是加大讀寫(xiě)器的輸出功率，從而提高信噪比，但這種方式有一定的局限性，讀寫(xiě)器發(fā)出的功率受一定的標(biāo)準(zhǔn)

61、限制，如果超出標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成電磁污染。另一種方案就是在原始數(shù)據(jù)的后面加上一些校驗(yàn)位，這些校驗(yàn)位和前邊的數(shù)據(jù)之間具有某種關(guān)聯(lián)，接收端根據(jù)判斷收到的數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位之間是否滿足這種關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)判斷數(shù)據(jù)有沒(méi)有發(fā)生畸變，這就是差錯(cuò)控制編碼。 3.2 差錯(cuò)控制編碼 3.2.1 差錯(cuò)控制的基本方式 差錯(cuò)控制方式基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯(cuò)”，另一類稱為“前向糾錯(cuò)”。在這兩類基礎(chǔ)上又派生出一種稱為“混合糾錯(cuò)”。  (1)反饋糾錯(cuò)  這種方式在是發(fā)信端采用某種能發(fā)現(xiàn)一定程度傳輸差錯(cuò)的簡(jiǎn)單編碼方法對(duì)所傳信息進(jìn)行編碼，加入少量監(jiān)督碼元，在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則收到的編碼信號(hào)進(jìn)行檢查，一旦檢測(cè)出

62、(發(fā)現(xiàn))有錯(cuò)碼時(shí)，即向發(fā)信端發(fā)出詢問(wèn)的信號(hào)，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問(wèn)信號(hào)時(shí)，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸差錯(cuò)的那部分信息，直到正確收到為止。所謂發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)是指在若干接收碼元中知道有一個(gè)或一些是錯(cuò)的，但不一定知道錯(cuò)誤的準(zhǔn)確位置。  (2)前向糾錯(cuò)  這種方式是發(fā)信端采用某種在解碼時(shí)能糾正一定程度傳輸差錯(cuò)的較復(fù)雜的編碼方法，使接收端在收到信碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，還能夠糾正錯(cuò)碼。采用前向糾錯(cuò)方式時(shí)，不需要反饋信道，也無(wú)需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)傳輸有利，但是糾錯(cuò)設(shè)備比較復(fù)雜。  (3)混合糾錯(cuò)  混合糾錯(cuò)的方式是：少量糾錯(cuò)在接收端自動(dòng)糾正，差錯(cuò)較嚴(yán)重、超出自行糾正能力時(shí)，就向發(fā)信端發(fā)出詢問(wèn)信

63、號(hào)，要求重發(fā)。因此，“混合糾錯(cuò)”是“前向糾錯(cuò)”和“反饋糾錯(cuò)”兩種方式的混合。  RFID系統(tǒng)一般使用第一種或第二種差錯(cuò)控制方式。 3.2.2、漢明碼距與編碼糾錯(cuò)能力的關(guān)系 漢明碼距指的是長(zhǎng)度相同的兩個(gè)符號(hào)序列（碼字）a和b之間對(duì)應(yīng)位置上不同碼元的個(gè)數(shù)，用符號(hào)D(a,b)表示，如兩個(gè)二元序列： a=101111 b=111100 則得D(a,b)=3。 有了漢明碼距的概念，我們就可以用漢明碼距來(lái)描述碼的糾錯(cuò)檢測(cè)能力。如果一組編碼的碼長(zhǎng)為n，如果將這些資源全部利用上，可以對(duì)2n的符號(hào)進(jìn)行編碼，但這樣一來(lái)這個(gè)編碼就沒(méi)有任何的抗干擾能力，因?yàn)楹戏ùa字之間的最

64、小漢明碼距為1，任何一個(gè)符號(hào)的編碼的任意一位發(fā)生錯(cuò)誤，就變成了另外一個(gè)符號(hào)的編碼，它也是一個(gè)合法的碼字。接收端不能判斷是不是有錯(cuò)誤發(fā)生。 我們可以在2n個(gè)可用的碼字中間選擇一些碼字來(lái)對(duì)信源符號(hào)進(jìn)行編碼，把這些碼字稱為合法碼字，而其他的沒(méi)有使用的碼字稱為非法的碼字。這樣合法碼字之間的漢明距離就會(huì)拉開(kāi)，有些合法碼字發(fā)生錯(cuò)誤后有可能變成非法碼字，接收端如果收到這些非法碼字后就可以判斷出傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。碼字之間的最小漢明距離越大，編碼的抗干擾能力就越強(qiáng)。如編碼的最小漢明距離為2，任何合法碼字發(fā)生一位錯(cuò)誤都會(huì)變成非法碼字，但不能確定是由哪一個(gè)合法碼字錯(cuò)誤而來(lái)，因此這個(gè)編碼可以發(fā)現(xiàn)

65、一位錯(cuò)誤；如編碼的最小漢明距離為3，任何合法碼字發(fā)生一位錯(cuò)誤都會(huì)變成非法碼字，而且距離原來(lái)的碼字距離為1，而距離其他任何合法碼字的最小距離為2，因此可以確定這個(gè)非法碼字是由哪一個(gè)合法碼字發(fā)生錯(cuò)誤而來(lái)，因此這個(gè)編碼用作糾錯(cuò)編碼可以發(fā)現(xiàn)一位錯(cuò)誤并且糾正一位錯(cuò)誤，但是如果發(fā)生了兩位錯(cuò)誤，也可發(fā)現(xiàn)但是如果試圖糾正這個(gè)錯(cuò)誤就會(huì)產(chǎn)生新的錯(cuò)誤；如果把這種編碼只當(dāng)作檢錯(cuò)編碼，則可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)錯(cuò)誤。以此類推，可以總結(jié)出編碼的最小漢明碼距與編碼糾錯(cuò)檢錯(cuò)能力之間的關(guān)系： ﹡要發(fā)現(xiàn)（檢測(cè)）e個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離dmin>=e+1 ﹡要糾正e個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離dmin>=2e+1 ﹡要糾正e個(gè)

66、隨機(jī)錯(cuò)誤同時(shí)檢測(cè)f(>=e)個(gè)錯(cuò)誤，則要求碼的最小距離dmin>=e+f+1 如果一個(gè)分組碼的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為k，校驗(yàn)位長(zhǎng)度為r，總的編碼長(zhǎng)度為n，n=k+r，則總的可以編碼的合法碼字的個(gè)數(shù)為2k，總的碼字個(gè)數(shù)為2n，可以看出如果檢驗(yàn)位的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，合法碼字所占的比例就越小，如果這些碼字能夠盡可能在所有的碼字中均勻分布的話，合法碼字之間的最小漢明碼距就可以越大，編碼的抗干擾能力也就越強(qiáng)，因此設(shè)計(jì)編碼方法的最重要的任務(wù)就是盡量使得合法碼字能夠盡可能的均勻分布。 3.3 常用的差錯(cuò)控制編碼 3.3.1 奇偶監(jiān)督碼  奇偶校驗(yàn)碼也稱奇偶監(jiān)督碼，它是一種最簡(jiǎn)單的線性分組檢錯(cuò)編碼方式。其方法是首先把信源編碼后的信息數(shù)據(jù)流分成等長(zhǎng)碼組 ，在每一信息碼組之后加入一位(1比特)監(jiān)督碼元作為奇偶檢驗(yàn)位，使得總碼長(zhǎng)n(包括信息位k和監(jiān)督位1)中的碼重為偶數(shù)(稱為偶校驗(yàn)碼)或?yàn)槠?數(shù) (稱為奇校驗(yàn)碼)。如果在傳輸過(guò)程中任何一個(gè)碼組發(fā)生一位(或奇數(shù)位)錯(cuò)誤，則收到的碼組必然不再符合奇偶校驗(yàn)的規(guī)律，因