Передача данных в RFID-системах

Минск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1 ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА 3

2 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 3

3 СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ 4

3.1 Передача данных в RFID-системах 4

3.2 RFID-системы на поверхностных акустических волнах 9

3.3 RFID-системы с электромагнитной и индуктивной связью 13

4 СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ НА ЭВМ 16

4.1 Лабораторная работа №1 16

4.2 Лабораторная работа №2 18

4.3 Лабораторная работа №3 20

5 ТРЕБОВАНИЯ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С ЛАБОРАТОРНЫМ ПРАКТИКУМОМ 22

6 ВОПРОСЫ 22

ЛИТЕРАТУРА 24

1 ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА: получить представление о принципах взаимодействия RFID-систем; изучить принцип передачи данных в системах радиочастотной идентификации; ознакомиться с физическими параметрами и применением систем RFID; получить практические навыки основ кодирования в RFID-системах и научиться проводить расчет и анализ основных физических характеристик радиочастотных систем.

В лабораторном практикуме рассматривается три наиболее важных раздела в функционировании RFID-систем:

- передача данных в RFID-системах;

- RFID-системы на поверхностных акустических волнах;

- RFID-системы с индуктивным и электромагнитным видом связи;

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

2.1 Получить у преподавателя задание на выполнение лабораторной работы. Изучить требования по технике безопасности (раздел 5) и описание программы по проведению лабораторной работы на ЭВМ (раздел 4).

2.2 Ознакомиться с теоретической частью выбранной лабораторной работы. Изучить основные моменты функционирования RFID-систем, передачи данных в этих системах.

2.3 Ответить на тестовые вопросы по заданной теме лабораторной работы, проанализировать полученный результат.

2.4 Приступить к выполнению экспериментальной части работы.

2.5 После окончания измерений провести анализ полученных результатов и проведенных расчетов.

2.6 Представить результаты эксперимента на утверждение преподавателя.

2.7 Для защиты работы подготовить полученные расчеты и анализ результатов выполненной работы.

СИСТЕМЫ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

Передача данных в RFID-системах

Обычно для передачи информации в RFID-системах используется радиочастот­ный канал, работающий по схеме передатчик-приемник. Общая схема информа­ционной системы с использованием радиотехнического канала связи для переда­чи дискретных данных показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема информационной системы с радиотехническим каналом связи

Передача данных в RFID-системе от считывателя к транспондеру пред­усматривает выполнение следующих операций:

· цифровое кодирование сообщения, выдаваемого считывателем;

· модуляция кодированного сигнала;

· передачи по каналу связи;

· демодуляция принятого транспондером сообщения;

· декодирование принятого цифрового кода.

При цифровом кодировании сообщения, подлежащего передаче, формируется его представление в виде цифрового кода, согласованного оптимальным образом с характеристиками канала передачи. Для осуществления передачи цифрового кода сообщения необходимо выпол­нить модуляцию несущего сигнала на передающей стороне и демодуляцию при­нятого модулированного сигнала на приемной стороне.

Для передачи данных между считывателем и транспондером с интегральной схемой в качестве носителя данных используются две основных процедуры пере­дачи: дуплексная и полудуплексная. Кроме того, применяется так называемая последовательная процедура, являющаяся разновидностью полудуплексной про­цедуры. На рисунке 2 показаны временные диаграммы передачи энергии и дан­ных при дуплексной, полудуплексной и последовательной процедурах.

Рисунок 2 – Временные диаграммы передачи энергии и данных при дуплексной, полудуплексной и последовательной процедурах

Различают два метода передачи цифровых данных: синхронный и асинхронный.

Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следуют 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет поляр­ность, противоположную пассивному состоянию линии, и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рисунке 3.

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине используются только при низких скоростях об­мена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации.

Рисунок 3 – Пример передачи данных в асинхронном режиме

Синхронный метод базируется на пересылке синхронизующего тактового сигна­ла по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными.

В RFID-системах кодирование данных осуществляется перед их передачей меж­ду транспондером и считывателем. Двоичные данные могут быть представлены различными кодами. Выбор алгоритма кодирования влияет на способность син­хронизации, полосу пропускания, обнаружение ошибок, стоимость реализации и другие характеристики системы. Обычно RFID-системы используют одну из сле­дующих процедур кодирования: код NRZ, униполярный код RZ, манчестерский код, дифференциальный манчестерский код, дифференциальный бифазный код DBP, код Миллера, модифицированный код Миллера и др.

Код NRZ осуществляет потенциальное кодирование двоичных цифр, называемое также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero). Данное назва­ние отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (рис. 4). При других методах кодирования возврат к нулю происходит. В сущности, при этом методе выполняется не кодирования, а представление двоичных цифр соот­ветствующим уровнем потенциала: двоичная 1 представляется высоким уровнем потенциала, а двоичный 0 - низким уровнем.

Код NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации.

Рисунок 4 – Цифровые коды, применяемые при передаче данных в системах RFID

Код RZ осуществляет кодирование двоичных цифр, которое называют кодирова­нием с возвращением к нулю (Return to Zero). Двоичная 1 представляется высоким уровнем в течение первой половины битового периода, двоичный 0 представляется низким уровнем, занимающим всю длину бита (рис. 4). Уровень постоянной составляющей ниже, чем у кода NRZ. Код RZ нуждается в синхронизации.

Характерная особенность манчестерского кода состоит в том, что двоичным 1 и 0 соответствуют не уровни, а перепады потенциала. При манчестерском кодирова­нии каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами по­тенциала, происходящими в середине каждого такта (рис. 4). Переход в се­редине такта используется как синхроимпульс, а также как элемент данных. В этой схеме двоичная 1 кодируется перепадом от низкого уровня сигнала на вы­сокий, а двоичный 0 - обратным перепадом с высокого уровня на низкий.

В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, поскольку сигнал изме­няется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных. Однако манчестерский код достаточно неэффективно использует пропускную способ­ность канала. Требуемая полоса пропускания может быть вдвое больше скорости передачи данных в битах.

Манчестерский код применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Дифференциальный манчестерский код представляет собой модификацию ман­честерского кода. Этот код является самосинхронизирующимся. Процедура ко­дирования двоичных цифр в этом коде имеет следующие особенности:

· в середине периода каждого бита существует переход;

· переход в начале периода бита представляет бит 0;

· отсутствие перехода в начале периода бита представляет бит 1.

Кодирование двоичных цифр в дифференциальном бифазном коде DBP (Diffe­rential BiPhase) отличается следующими особенностями: в начале каждого бито­вого периода уровень потенциала инвертируется и возникает перепад напряже­ния. Данный метод кодирования позволяет встроить в передаваемые данные тактовую информацию, что обеспечивает синхронизацию считывателя к битовому потоку. По­скольку началу каждого битового периода всегда соответствует переход, это обеспе­чивает коду некоторую исправляющую способность. Любое начало битового периода, для которого отсутствует переход в битовом потоке, указывает на наличие ошибки в передаваемых битах, что может быть использовано для коррекции данных.

Кодирование двоичных цифр с помощью кода Миллера характеризуется следую­щими особенностями:

· в середине битового периода существует положительный или отрицатель­ный переход, если бит равен 1;

· в начале битового периода не существует перехода, если бит 0 следует за битом 1, то есть двоичный 0 представляется продолжением уровня 1 на сле­дующий битовый период;

· в начале битового периода существует переход, если бит 0 следует за битом 0, то есть в начале каждого битового периода последовательность нулей создает перепады, чтобы было легче реконструировать значение битов в приемнике.

В модифицированном коде Миллера каждый переход заменяется отрицательным импульсом. Модифицированный код Миллера особенно удобен для использования в индуктивно связанных RFID-системах для передачи данных от считывателя к транспондеру.

При кодировании двоичных цифр с помощью преобразования «импульс-пауза» РРС (Pulse-Pause Coding) двоичная 1 представляется паузой длительностью t перед сле­дующим импульсом; двоичный 0 представляется паузой длительностью 2t перед сле­дующим импульсом. Эта процедура кодирования популярна в RFID-систе­мах с индуктивной связью для передачи данных от считывателя к транспондеру. Благодаря очень коротким длительностям импульсов можно обеспечить непрерывную подачу питания на транспондер из ВЧ поля считывателя даже во вре­мя передачи данных.