RFID干货专栏｜14 EPC C1 Gen 2空中接口模拟部分

RFID干货专栏概述

经过20多年的努力发展，超高频RFID技术已经成为物联网的核心技术之一，每年的出货量达到了200亿的级别。在这个过程中，中国逐步成为超高频RFID标签产品的主要生产国，在国家对物联网发展的大力支持下，行业应用和整个生态的发展十分迅猛。然而，至今国内还没有一本全面介绍超高频RFID技术的书籍。

为了填补这方面的空缺，甘泉老师花费数年之功，撰写的新书《物联网UHF RFID技术、产品及应用》正式出版发布，本书对UHF RFID最新的技术、产品与市场应用进行了系统性的阐述，干货满满！RFID世界网得到了甘泉老师独家授权，在RFID世界网公众号特设专栏，陆续发布本书内容。

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3.2.2 EPC C1 Gen 2空中接口模拟部分

Query命令的意思是询问命令，是针对多标签的快速盘点而产生的，在学习这个知识点之前，首先要了解超高频RFID协议是半双工的通信方式，且是由阅读器先主动发起通信，也就是说阅读器“说一句”，Tag“应答一句”，如此往复。

01、阅读器的调制方式与编码方式

谈到调制方式，大家一定想到ASK（振幅键控）、频率调制FSK（频移键控）和PSK（相移键控）。超高频 RFID的协议中采用的是ASK的调制方式，因为ASK是最简单的调制方式，其解调电路也相对简单。超高频 RFID的电子标签是一个无源标签，通过电磁场获得的能量非常小，无法实现高功耗的ADC解码和DSP数据处理，因此其电路的解调部分要求架构简单、功耗低，采用ASK是最优的选择。

如图3-10所示，为阅读器的编码方法，PIE编码。PIE编码是一个非常简单的1比特编码：0对应的编码是一个标准长度，定义为Tari，在一个Tari周期内翻转一次；1对应的编码的长度为1.5Tari到2.0Tari之间。

为什么协议的创造者会选择这么奇怪的编码方式呢？因为标签是一个非常简单的无源器件，其内部不可能有高精度的晶振，且震荡频率不会有几十MHz那么高，那么解码和同步的时候就会存在很大的误差，但如果采用“0”和“1”使用不同的长度，标签可以通过用自身的时钟（2MHz左右）计算下一个信号的长度与Tari的区别即可判断这个信号是“0”还是“1”。当然这个PIE编码也有它的缺点，就是Tari的长度不能太短，Tari长度太短会引起标签对“0”和“1”的判断出错，从而决定了阅读器向标签的通信速率的极限值。

图3-10 PIE编码图

Tari的要求如表3-7所示，最短长度为6.25us，最大长度为25us，其长度误差必须小于1%，且适用于所有的调制方式。1%的误差是对阅读器输出Tari精度的要求，对于一个有源大功率的阅读器来说这个数字是非常容易实现的。从这些数据可以看出超高频 RFID的整个系统无论是对标签还是阅读器都要求很低，是一个面向物流的简单通信协议。

表3- 7 Tari要求

经常有读者会询问阅读器向标签的通信速率是多少？这里简单的做一个估算：假定用最快的速度发送的数据全是“0”，那么通信速率为1s÷6.25us=160kbps；假定用最慢的通信速率发送数据全是“1”，且符号“1”的长度为2倍Tari，那么通信速率为1s÷50us=20kbps。阅读器向标签通信过程中还有前导、校验等，实际的有效通信数据率还要略小一些，不过影响不大，姑且可以认为阅读器的通信速率为20kbps到160kbps之间。

调制方式SSB-ASK、DSB-ASK是通信教科书中常见的调制方式，而PR-ASK是一种专门为超高频RFID设计的调制方式，主要通过翻转相位来实现调制。如图3-11（a）所示为传统的ASK（SSB、DSB）波形图；图3-11（b）所示为PR-ASK的波形图，可以看出其相位反转的很快。PIE编码方式是通过高低电平的翻转时间不同实现的，配合上PR-ASK可以实现一个更加精确的“0”和“1”翻转判断。

（a）传统ASK调制                 （b）PR-ASK调制

图3-11 ASK调制与PR-ASK调制波形对比

如图3-12所示，为普通ASK调制与PR-ASK调制在调制和解调过程中的波形对比。假设阅读器要发送的数据为010，由图可见两种调制方式的基带波形是完全相同的。阅读器调制后，调制波形变化很大，其中PR-ASK在低电平位置相位发生明显翻转。标签解调后，“0”和“1”的边界在PR-ASK更为明显。

图3-12 DSB or SSB ASK调制与PR-ASK调制解调波形对比

从这些调制和解调波形中可以看出来PR-ASK在超高频 RFID协议中具有一定的优势。在超高频 RFID刚刚出现时，由于芯片设计不够成熟，一般优先选择PR-ASK来进行编码，以获得更好的效果。但是随着超高频 RFID标签芯片设计技术的不断进步，解码水平不断提高，使用传统的ASK或PR-ASK调制时解码的精度都不会有太大的差别。

那么在实际项目中选择使用哪个调制方式呢？要解答这个问题需要从两个方面来对比分析：1.哪种调制方式标签可以获得更强的能量；2.哪种调制方式标签可以获得更好的解调。只有标签能获得足够的能量，标签才能够正常工作。刚刚我们分析过现阶段标签解调能力很强，对于两种调制方式性能差别不大。从图3-11中可以看出PR-ASK的能量比SSB或DSB-ASK的能量略强，但是这个差别很小，只有0.1dB左右。通过理论分析SSB比DSB能量小一点，这个差别也非常小。所以读者在使用超高频RFID设备的时候不用太担心调制方式的问题，当遇到标签芯片设计有问题时，可以通过调制方式来弥补。

02、FM0 编码和Miller编码

谈到标签的编码方式，回顾2.1.4节介绍了霍夫曼（Huffman）编码、费诺（Fano）编码香农-费诺-埃利斯(Shannon-Fano-Elias)编码、曼彻斯特编码（Manchester Encoding）等多种编码方式。超高频 RFID采用了一种最简单的编码方式FM0编码，如图3-13（a）所示，“0”和“1”的判断依据为在一个时间周期内是否有高低电平翻转（时间周期到达时必须翻转一次不计算在内）。如果有翻转代表的信息为“0”，没有翻转则代表信息为“1”，如图3-13（b）所示FM0编码状态机转换图。如图3-13（c）所示，阅读器只要监测每一个上升沿和下降沿的时间就可以判断是“0”还是“1”，当然这个简单的编码的目的是方便标签的调制。FM0编码还有一个特点，每个周期结束必须做一次翻转，如图3-13（d）所示的FM0编码时序，同样可以提高系统的容错率，如果标签在系统中出现任何数据问题，阅读器可以及时发现。

（a）FM0编码基本形式               （b）FM0编码状态机转换

（c）FM0编码“0”和“1”            （d）FM0编码时序

图3-13 FM0编码原理图

与此同时，这个特点可以为标签的同步前导提供帮助，如图3-14所示为标签在FM0编码下的两种不同的前导（两种前导由Query中的TRext决定，作为阅读器同步使用）。其中，有一个符号“V”。这个“V”出现前的周期结束时没有进行翻转，与图3-13（b）中的状态机转换不符，从而这个“V”就成了一个标志位，标志着后面的数据开始为正式的标签数据的开端。

图3-14标签FM0情况下的前导

超高频 RFID采用FM0编码最重要的一个原因是冲突检测，当多个标签在同一个时隙发生冲突时，阅读器可以在一个时隙内检测到多个翻转，从而判断出有多个标签发生冲突。发生冲突后将不对数据进行解调，并丢弃数据，继续对下一个时隙的数据进行检测。

在超高频 RFID的标签编码方式中还有另外的一种编码方式名为Miller编码，中文名米勒编码。Miller编码分为Miller2编码、Miller4编码和Miller8编码，其结构形式和状态机变化如图3-15所示。

（a）结构形式 （b）状态机转换

图3-15标签Miller结构形式和状态机变化

Miller编码的时序图如图3-16所示，Miller2编码的“0”和“1”判断依据为一个周期内其相位是否翻转180°，相位不变表示“0”，相位翻转180°表示“1”；Miller4编码和Miller8编码同样是判断时隙相位是否翻转，只是重复次数不同。从阅读器解调角度，则是判断在一个时隙内，是否存在相位的180°翻转，有相位翻转为“1”，无相位翻转则为“0”。

图3- 16 Miller编码时序图

经常有读者问，不同的Miller编码就是重复重复再重复，这不是浪费时间么，其物理意义在哪里？当然不是浪费时间，其意义在于增强抗干扰能力，提高阅读器的灵敏度。

Miller2编码对比FM0编码相当于通信了2次。在同样噪声环境中，采用Miller2编码灵敏度优于FM0编码。如图3-17所示，为FM0、Miller2、Miller4和Miller8这4种不同的编码在不同信噪比环境中阅读器的误码率。环境噪声较大时，使用不同的编码方式误码率不同。如在生产制造场景的超高频RFID现场，有大量的噪声干扰，此时的信噪比也许只有5dB，如果采用FM0编码，阅读器的误码率高达10%，系统几乎无法工作；在同样的环境中采用Miller8编码时，阅读器的误码率仅为0.2%，系统可以稳定工作。当在环境噪声很小，系统信噪比更高的环境中时（信噪比大于15dB），几种编码方式的误码率都很低，从系统稳定工作的角度分析差异不大。

图3-17 不同编码下的信噪比与误码率

通过上述分析可以看出，当环境噪声比较小的时候，选择FM0可以获得更快的标签读取速度；而在有干扰的环境中一般使用Miller2编码Miller4编码；当环境非常恶劣的情况才会选择Miller8编码。

许多业内销售人员跟客户鼓吹自家产品性能时，表示其阅读器识别速度可以达到500标签/秒，这是一个完全没有意义的指标，因为这是他们在实验室中使用FM0编码的测试结果，在具体应用中有很少有这么好的信噪比环境。所以大家在使用超高频RFID现场实施的时候一定要了解现场的无线电干扰情况，做相应的测试。尤其是存在大量数据读取和写入的项目，一定要使用Miller4编码或Miller8编码，因为整个通信链路一旦误码，就要重新开始，会浪费更多的时间。

03、BLF标签反向链路频率

反向链路频率（Backscatter Link Frequency，BLF）是标签向阅读器通信的带宽频率，决定了标签的通信速率。如表3-8所示，为BLF的所有频率列表及其频率的容忍误差。BLF最低的通信带为40kHz，最高通信带为640kHz，且可以在40kHz到640kHz之间设置任意带宽。

表3-8 BLF频率及其容忍误差

这里说的是反向链路频率BLF（kHz）是通信带宽并非通信数据率Data rate（kbps）。数据率是与编码方式相关的，如果选用FM0编码，其通信数据率就等于通信带宽，当选用Miller2编码时，其通信数据率为BLF的一半；同理Miller4编码和Miller8编码为BLF的四分之一和八分之一，如表3-9所示。

表3-9 数据率与编码关系图

高速率的BLF与低速率的BLF对比优势是传输的数据速率高，缺点是噪声带宽较大，对阅读器灵敏度要求较高。当阅读器灵敏度较差或环境噪声较大的环境中，高速率的BLF会因为系统信噪比不足引起误码率上升，从而引起系统的识别率下降。此时调整为较低的传输速率则会有更好的识别效果。

灵敏度差异可以通过实际的传输速率的比值计算。假设两个标签A、B分别工作在：Miller 4 BLF=160kHz和FM0 BLF=640kH参数下，则两个标签的通信速率分别为：DRA=160/4=40kbps；DRB=640kbps。

, 通过计算可知标签A比标签B的抗噪能力好12dB，对于阅读器有更好的适应性。

在实际应用中由于标签性能存在一致性差异，且环境干扰不可控，阅读器不会单独使用高速的BLF与编码FM0的组合。

04、协议与标签的识别特性

通过学习本节的知识，可以全面的分析标签的读取速度和效率到底与谁有关。主要与三部分相关：应用环境影响、射频链路选择及算法与逻辑层面的选择。其中：

应用环境：环境噪声、频带带宽限制、是否为多阅读器场景；

射频链路层：反向链路频率BLF，标签编码方式FM0、Miller、阅读器的编码方式及调制方式；

算法与逻辑层：多标签清点Query、选择Select-Mask、会话层Session。

实际应用中，应根据不同应用环境选择合适的射频链路参数，如表3-10所示。

环境噪声：根据环境中噪声大小选择编码方式，如FM0适合实验室，M4和M8适合嘈杂环境。

BLF选择：标签距离阅读器较远或标签尺寸较小时，对信噪比要求较高，则应选择较低的BLF以保证阅读器的灵敏度要求。

多阅读器场景：许多应用中需要多台阅读器在很靠近的环境中，就存在DRM（密集阅读器模式）模式，此时需要选择小带宽的BLF。DRM的频率选择跟频带数量有关系，如美国频带数量多达50个，DRM效率高，而欧洲只有4个频带，DRM效率低，只能用LBT方式工作，等待时间长、效率低。

表3-10 应用环境对阅读器标签通信速度的影响