CN102946255B - 用于无源射频识别系统的数据编解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于无源射频识别系统的数据编码方法，包括下列步骤：1）将待发送的二进制数据按每两比特进行分组；2）4类数据分组“00”、“01”、“11”和“10”，均用高电平后接低电平所构成的数据符号表示，并且表示数据分组“00”、“01”、“11”、“10”的数据符号的高低电平的总长度各不相同。本发明单位比特能够为标签提供更多的能量,可更好地保证读写器端数据在标签端的同步,并且便于实现。

Description

用于无源射频识别系统的数据编解码方法

技术领域

本发明涉及射频识别通信技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于无源射频识别系统的数据编码方法。

背景技术

射频识别(RadioFrequencyIdentification,简称RFID)通信技术是一种非接触式自动识别技术，RFID系统主要由标签、读写器以及计算机网络构成。读写器通过射频信号与标签进行通信，获取标签上存储的识别信息，同时通过计算机网络对读取的标签信息进行管理和信息传输。

RFID系统可以分为两类：无源RFID系统与有源RFID系统，两者主要区别在标签端。无源RFID系统的标签需要从读写器发射来的射频信号中获取能量，而有源RFID系统的标签自身能够提供能量。

在无源RFID系统中，读写器和标签之间采用半双工方式进行通信。读写器利用经编码和调制后的射频信号发送信息给标签，一方面向标签发送命令数据，另一方面通过射频信号向标签提供能量。为了保证标签能够获得足够高的能量，通常采用如下两种措施：一是增加读写器到标签的射频信号作用时间；二是在由读写器到标签的通信链路中，将待发送的数据进行编码，尽量增大使用高电平的概率，减小使用低电平的概率。措施一虽然能够提高标签端获得的能量，但影响了数据传输速率，因此目前主要采用措施二来解决无源RFID系统中标签的能量供应问题。

对于无源RFID系统，现有的国际标准中读写器端的编码方法通常包括：Manchester编码和PIE编码(PulseIntervalEncoding，脉冲间隔编码)，例如：ISO18000-6TypeB中采用了Manchester编码；而ISO18000-6TypeA与ISO18000-6TypeC/EPCUHFClass1Generation2中均采用PIE编码。

Manchester编码利用波形电平的变化来区分数据：电平由低变高时，代表数据“0”；电平由高变低时，代表数据“1”；且相位的跳变发生在符号周期的中间时刻。Manchester编码中携带了丰富的定时和同步信息，是一种自同步编码；同时编码无直流漂移，实现简单。然而，对于无源RFID系统而言，Manchester编码带来的主要问题是编码后的信号中高、低电平出现的概率均为50%，标签的能量供应效率不高。PIE编码中数据“0”和“1”均表示为一定长度的高电平后接固定长度的低电平的形式，如图1所示。其中，数据“1”的长度为3T_c；数据“0”的长度为2T_c。其中，T_c为单位参考时间长度，它根据数据传输速率的具体要求确定。PIE编码通过增大数据“1”中高电平的持续时间，有效地解决了Manchester编码中标签端能量供应不足的问题。然而，由于需要引入更长的高电平来表示数据“1”，导致单位比特的传输时间较长，这就降低了读写器端数据传输速率，降低了频谱效率。

因此，当前迫切需要一种用于无源射频识别系统的数据编码方法，它既能保证具有较高的对标签的能量供应效率，又能保证具有较高的读写器端数据传输速率和频谱效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无源射频识别系统的数据编码方法，它既能保证具有较高的对标签的能量供应效率，又能保证具有较高的读写器端数据传输速率和频谱效率。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于无源射频识别系统的数据编码方法，包括下列步骤：

1）将待发送的二进制数据按每两比特进行分组；

2）对每组数据，按下列方式进行编码：

4类数据分组“00”、“01”、“11”和“10”，均用高电平后接低电平所构成的数据符号表示，表示数据分组“00”、“01”、“11”、“10”的数据符号的高低电平的总长度各不相同，以使所述数据符号能够互相区分。

其中，所述步骤2）中：

对数据分组“00”，用长度为L₁₁的高电平后接长度为L₁₀的低电平所构成的数据符号表示，其高低电平的总长度为L₁，L₁₁≥L₁₀；

对数据分组“01”，用长度为L₂₁的高电平后接长度为L₂₀的低电平所构成的数据符号表示，其高低电平的总长度为L₂，L₂₁≥L₂₀；

对数据分组“11”，用长度为L₃₁的高电平后接长度为L₃₀的低电平所构成的数据符号表示，其高低电平的总长度为L₃L₃₁≥L₃₀；

对数据分组“10”，用长度为L₄₁的高电平后接长度为L₄₀的低电平所构成的数据符号表示，其高低电平的总长度为L₄，L₄₁≥L₄₀；

L₁、L₂、L₃、L₄各不相等。

其中，表示4类所述数据分组的数据符号的高低电平的总长度分别为2T_c、3T_c、4T_c、5T_c，所述T_c为单位参考时间长度。

其中，所述数据编码方法还包括：加入前导码，所述前导码由三个符号组成，其中，第一个符号用于提示前导码的起始，后两个符号间的长度之比与任何两个数据符号间的长度之比不相等。

其中，所述数据编码方法还包括：加入前导码，所述前导码由三个符号组成，第一个符号为长度T_c的低电平，第二个符号为长度7T_c高电平接长度T_c的低电平，第三个符号为长度T_c高电平接长度T_c的低电平。

其中，所述步骤1）中，如果待发送的二进制数据为奇数位，则对所述二进制数据进行补“0”后再分组。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、在数据传输速率、信号占用的带宽、频谱效率等一致的前提下，本发明编码方案的单位比特能够为标签提供更多的能量，能更好地解决无源标签能量供应的问题。

2、按照本发明所提供的前导码可更好地保证读写器端数据在标签端的同步。

3、本发明的编码方法便于实现。

附图说明

图1为PIE编码中典型的数据符号示意图；

图2为采用本发明编码方法的一个实施例的数据符号示意图；

图3为采用本发明编码方法的一个实施例的编码实例示意图；

图4为针对图2中编码的本发明一个实施例中的前导码设计方案的示意图；

图5为分别采用本发明编码方法的一个实施例与采用PIE编码信号的功率谱密度对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步地描述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于无源射频识别系统的数据编码方法。首先，读写器将待发送的二进制数据按每两比特进行分组，如果待发送的二进制数据为奇数位，则需对其进行补“0”后再分组。分组后，对每组数据，按下述方式进行编码（参考图2）：

二进制数据分组“00”编码成：长度为L₁＝T_c的高电平后接长度为L＝T_c的低电平；

二进制数据分组“01”编码成：长度为L₂＝2T_c的高电平后接长度为L＝T_c的低电平；

二进制数据分组“11”编码成：长度为L₃＝3T_c的高电平后接长度为L＝T_c的低电平；

二进制数据分组“10”编码成：长度为L₄＝4T_c的高电平后接长度为L＝T_c的低电平。

其中，T_c为单位参考时间长度，根据数据传输速率的具体要求确定。

上述实施例中，L₁、L₂、L₃、L₄的取值方案并不是唯一的，当后接的低电平长度相同时，只需要使高电平的长度L₁、L₂、L₃、L₄互不相同，使得4种符号（即对应于二进制数据分组“00”、“01”、“10”、“10”的编码后的符号）可互相区分即可。

上述实施例中，低电平和高电平长度均为单位参考时间长度T_c的整数倍，这是为了便于读写器的编码实现。实际上，本发明中，低电平和高电平长度并不限于单位参考时间长度T_c的整数倍，这是本领域技术人员易于理解的。例如：L₁、L₂、L₃、L₄可以不是T_c的倍数，但4种符号（00、01、10、11）之间的长度关系依然可为2T_c、3T_c、4T_c、5T_c。这里L₁、L₂、L₃、L₄可以依次取值为1.4T_c、2.4T_c、3.4T_c、4.4T_c，此时L可以取值为0.6T_c。再例如：L₁、L₂、L₃、L₄可以依次取值为1.4T_c、2.5T_c、3.6T_c、4.7T_c等，而4种符号（00、01、10、11）低电平长度依次为0.6T_c、0.5T_c、0.4T_c、0.3T_c。另外，上述例子中把4种符号（00、01、10、11）的长度定位2T_c、3T_c、4T_c、5T_c，这样即可以保证4种符号在长度上有一定的区分度，便于标签解码，又可以保证读写器向标签传送数据具有较高的速率。如果4种符号的长度差异较大，例如改为2T_c、4T_c、6T_c、8T_c，那么相对来说就会降低读写器向标签传送数据的速率。

在无源RFID系统中，编码的能量供应性能和频谱效率之间存在制约关系，本发明先对二进制数据进行分组，然后对分组后的数据进行编码，能够很好地改进能量供应性能和频谱效率。与现有的PIE编码相比，在保证能量供应性能相同的前提下，本发明能够提高频谱效率，在保证频谱效率相同的前提下，本发明能够改善能量供应性能。

为更加便于理解，下面以一组具体的二进制数据为例进行说明。

假设读写器端待发送的二进制数据为：“001100101100010011”。按照前述实施例的方法，首先将待发送的数据按每两比特进行分组，分组为：“00|11|00|10|11|00|01|00|11”，然后按前述实施例的方案（参考图2）将上述数据编码成：“+-|+++-|+-|++++-|+++-|+-|++-|+-|+++-”，其中，“+”代表长度为T_c的持续高电平，“-”代表长度为T_c的持续低电平。图3示出了上述待发送的二进制数据的编码结果。

在无源RFID系统中，在进行数据编码时，一般还需要实现读写器命令在标签端的同步。在本发明的一个实施例中，设计了一种与前述实施例的编码方案相匹配的前向链路（读写器到标签的链路）前导码，该前导码的作用是实现读写器命令在标签端的同步。图4示出了所述前导码的设计方案。参考图4，L₅的长度为7T_c，L₆的长度与图2中低电平的长度相等，均为T_c。从图2可看出，数据间的长度比值最大值为图4中可看出前导码的后两个符号的长度比值为因此，这样的前导码可保证读写器端数据在标签端的正确同步。读写器在发送前导码之前，发送的为高电平，因此前导码中第一个符号的作用是提示标签前导码的起始位置（即提示前导码中后续的用于实现同步的符号的起始位置），后面两个符号用于实现同步。本实施例中，设计前导码除了考虑正确同步外，还考虑了标签解码时的方便性。前导码中的后两个符号长度分别为8T_c，2T_c；而数据符号长度为2T_c、3T_c、4T_c、5T_c，这样可以方便地通过前导码获得区分四种不同数据符号间的判决门限：2.5T_c、3.5T_c、4.5T_c。门限的计算方法不唯一，在一个例子中计算方法为：8T_c/16=0.5T_c，8T_c/4=2T_c，8T_c/2=4T_c，（8T_c-2T_c）/2=3T_c，这样再通过加法或减法运算既可获得三个判决门限2.5T_c、3.5T_c、4.5T_c。从以上计算可以看出，除了加减法运算外，除法运算只有除2、除4和除16操作，这些操作均可通过移位实现，因此简单易行。标签在进行解码时，基于前导码获得三个判决门限：2.5T_c、3.5T_c、4.5T_c，然后将所接收到的编码符号与这三个判决门限进行比较，即可方便地判断出所接收到的编码符号的长度，进而得出该编码符号所对应的二进制数据分组。

为更加便于理解，仍然假设读写器端待发送的二进制数据为：“001100101100010011”。按照前述实施例的编码和前导码方案，加入前导码后的编码为“-|+++++++-|+-|+-|+++-|+-|++++-|+++-|+-|++-|+-|+++-”，其中加下划线部分为前导码。

当然，本发明的前导码设计方案并不限于上述实施例，本发明中，前导码两个符号长度之间的比值与任何两个数据符号长度比值不相等即可。

下面以前述实施例所述的编码方法为对象，研究当读写器的数据传输速率相等时，本发明的编码方法（可称为TPP编码方法）与PIE编码方法的性能对比，主要体现在：当两种方法中读写器的数据传输速率相等时，本发明的编码方法每比特数据能为标签提供更多的能量，有效地解决无源标签的能量供应问题，特别是调制深度越高时优势越明显，同时编码信号占用的带宽比PIE编码信号窄，频谱效率高。

当读写器的数据传输速率相等时，假设图1中的单位参考时间T_c为图2中单位参考时间T_c为同时假设两幅图中对应的高、低电平都分别为：V_H和V_L；两者的数据传输速率分别为R_PIE,R_TPP：

$R_{\mathrm{PIE}}=\frac{2}{5{T_c}^{\mathrm{PIE}}}$ $R_{\mathrm{TPP}}=\frac{4}{7{T_c}^{\mathrm{TPP}}}$ ①

当R_TPP=R_PIE时，有：此时两种编码方法单位比特提供给标签的能量分别为：E_PIE和E_TPP

$E_{\mathrm{PIE}}=E\left({\∫}_0^{T_S}{v}^2\mathrm{dt}\right)=\frac{{T_c}^{\mathrm{PIE}}}{2}[3V_H^2+2V_L^2]$ ②

$E_{\mathrm{TPP}}=E\left({\∫}_0^{T_s}{v}^2\mathrm{dt}\right)=\frac{{T_c}^{\mathrm{TPP}}}{8}[10V_H^2+4V_L^2]=\frac{5{T_c}^{\mathrm{PIE}}}{14}[5V_H^2+2V_L^2]$ ③

将③与②式相减得到：

$\mathrm{\ΔE}=E_{\mathrm{TPP}}-E_{\mathrm{PIE}}=\frac{2\·{T_c}^{\mathrm{PIE}}\·(V_H^2-V_L^2)}{7}>0$ ④

从④式可以看出，本发明提出的编码方法每比特能够为标签提供更多的能量，特别是调制深度越高时(此时V_H/V_L越大)优势越明显。

下面分析当数据传输速率相等时，两种编码信号占用带宽的情况，进而比较两者的频谱效率：

图5为分别采用本发明编码方法的一具体实施例与PIE的一具体实施例的编码信号的功率谱密度对比图。图5的横坐标代表数字化频率，纵坐标代表功率谱归一化幅度。曲线51表示按照图2所示方式进行编码的信号的功率谱密度，曲线52表示按照图1所示方式进行编码的信号的功率谱密度，曲线51、52的T_c取值均为0.5。从图上可以看出，两者的第一个零点带宽均为1/T_c，由编码的单位参考时间T_c决定。两者的信号带宽分别为B_PIE,B_TPP，当读写器的数据传输速率相等时：

$B_{\mathrm{PIE}}=\frac{1}{{T_c}^{\mathrm{PIE}}}$ $B_{\mathrm{TPP}}=\frac{1}{{T_c}^{\mathrm{TPP}}}=\frac{7}{10{T_c}^{\mathrm{PIE}}}$ ⑤

由⑤式可以看出：B_TPP<B_PIE，说明采用本发明编码方法的编码信号占用的带宽比PIE编码信号占用的带宽窄，频谱效率高。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于无源射频识别系统的数据编解码方法，编码方法包括下列步骤：

1)将待发送的二进制数据按每两比特进行分组；

2)对每组数据，按下列方式进行编码：

4类数据分组“00”、“01”、“11”和“10”，均用高电平后接低电平所构成的数据符号表示，表示数据分组“00”、“01”、“11”、“10”的数据符号的高低电平的总长度各不相同，以使所述数据符号能够互相区分；

其中，表示4类所述数据分组的数据符号的高低电平的总长度分别为2T_c、3T_c、4T_c、5T_c，所述T_c为单位参考时间长度；

3)加入用于在解码时实现同步和提取判决门限的前导码，所述前导码由三个符号组成，其中，第一个符号用于提示前导码的起始，后两个符号间的长度之比与任何两个数据符号间的长度之比不相等；其中，所述前导码的第一个符号为长度T_c的低电平，所述前导码的第二个符号的长度为8T_c，所述前导码的第三个符号的长度为2T_c；

解码方法包括：基于前导码获得三个判决门限：2.5T_c、3.5T_c、4.5T_c，然后将所接收到的编码符号与这三个判决门限进行比较，判断出所接收到的编码符号的长度，进而得出该编码符号所对应的二进制数据分组；

其中，基于前导码获得三个判决门限的方法如下：提取前导码中的第二个符号和第三个符号；通过对所述第二个符号的移位操作实现除2、除4和除16，得到4T_c、2T_c、0.5T_c；将所述第二个符号与所述第三个符号之差进行移位，得到3T_c，最后将所得的4T_c、2T_c、0.5T_c和3T_c进行简单加减法运算，得到三个判决门限2.5T_c、3.5T_c、4.5T_c。

2.根据权利要求1所述的用于无源射频识别系统的数据编解码方法，其特征在于，

数据分组“00”编码成：长度为T_c的高电平后接长度为T_c的低电平；

数据分组“01”编码成：长度为2T_c的高电平后接长度为T_c的低电平；

数据分组“11”编码成：长度为3T_c的高电平后接长度为T_c的低电平；

数据分组“10”编码成：长度为4T_c的高电平后接长度为T_c的低电平。

3.根据权利要求2所述的用于无源射频识别系统的数据编解码方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述前导码的第一个符号为长度T_c的低电平，所述前导码的第二个符号为长度7T_c高电平接长度T_c的低电平，所述前导码的第三个符号为长度T_c高电平接长度T_c的低电平。

4.根据权利要求1所述的用于无源射频识别系统的数据编解码方法，其特征在于，所述步骤1)中，如果待发送的二进制数据为奇数位，则对所述二进制数据进行补“0”后再分组。