Метод поднесущей частоты

Метод поднесущей частоты реализуется при помощи модуляции нагрузки или модуляции обратного рассеяния на более высоких частотах, чем скорость передачи данных. Изменение фазы или частоты при модуляции поднесущей осуществляется соответственно BPSK или FSK. Некоторые системы RFID, которые, например, работают на частоте 13,56 МГц, используют частоту поднесущей 212 кГц. При этом благодаря модуляции в метке, боковые полосы сигнала располагаются на 212 кГц выше и ниже несущей частоты 13,56 МГц. Перенос сигнала на поднесущие частоты приводит к разнесению боковых полос сигнала метки и сигнала считывателя, что обеспечивает снижение уровня шумов и, соответственно повышает чувствительность приемника считывателя. Такое решение, однако, приводит к повышению рабочей частоты схемы синхронизации или генератора в метке и, следовательно, к увеличению ее энергопотребления.

Кодирование

Кодирование в обратной линии связи (от метки к считывателю) отличается от кодирования прямой линии связи (от считывателя к метке) тем, что энергия сигнала должна быть минимизирована. Уменьшение энергии отраженного сигнала позволяет обеспечить большее количество энергии, доступной для питания электронной схемы метки. Амплитуда сигнала, однако, должна быть достаточной для того, чтобы считыватель смог обнаружить сигнал. Обычно используются коды Манчестера, FM0 или другие. Сложность использования кода Манчестера состоит в том, что вариация фазы сигнала может приводить к ошибке в приеме информации считывателем из-за неоднозначности определения сдвига фазы на 180 градусов. С другой стороны, недостатки других методов - методов кодирования с переходами внутри информационного бита, состоят в том, что они требуют более высокочастотной синхронизации или меньшей скорости передачи данных.

3.2.3. Модуляция с распределенным спектром

При решении проблем связи, таких, например, как множественный доступ, защита от помех и подавление интерференций, учитывается ширина спектра, энергия сигнала и другие параметры. Модуляция с распределенным спектром (Spread Spectrum - SS), которая осуществляется за счет распределения энергии сигнала по полосе частот намного большей, чем требуется собственно сигналу, позволяет осуществить множественный доступ, защиту от помех и подавление интерференций. Системы RFID обычно используют методы модуляции с распределенным спектром в UHF и

микроволновом диапазоне частот. На этих частотах, как правило, регламенты допускают для систем с распределенным спектром большие выходные мощности сигналов, по сравнению с узкополосными системами Энергия распределяется в широкой полосе частот, уменьшая вероятность вредного влияния одних устройств на другие.

Известны два наиболее распространенных типа модуляции с распределенным спектром: прямая последовательность (Direct Sequence - DS) и скачкообразная перестройка частоты (Frequency Hopping - FH).

В DS модуляции псевдошумовой кодовый сигнал с периодом меньшим, чем битовый период информации, смешивается с сигналом сообщения, создавая выходной широкополосный сигнал. Чтобы восстановить сообщение, приемник должен демодулировать код той же псевдошумовой последовательностью, которая использовалась при передаче сигнала.

В системах FH со скачкообразной перестройкой частоты для передачи информации используют множество узкополосных каналов на частотах, выбранных из псевдослучайного списка, и перестраиваются на них. Это приводит к эффекту усреднения энергии в полосе частот перестройки. При этом для того, чтобы принять модулируемый сигнал приемники таких систем должны использовать тот же псевдослучайный список частот.

В пассивных системах RFID низкой стоимости сигналы с распределенным спектром часто используются иначе, чем в технологии связи. Для достижения полной DS или FH модуляции метке потребовалась бы чрезмерно сложная и энергоемкая обработка сигнала. Вместо этого, антенну метки проектируют таким образом, чтобы ее полоса пропускания охватывала всю ширину спектра сигналов, излучаемых считывателем. В этом случае метка получает всю мощность, заключенную в узкополосных перестраиваемых каналах или распределенную по полной ширине полосы частот при DS модуляции. Независимо от того, какая модуляция используется - DS или FH, сигналы считывателя модулируются по амплитуде и затем отражаются меткой. В технологии RFID такое решение достаточно эффективно, поскольку позволяет добиться более высокой мощности отраженного сигнала, как для узкополосных систем, так и для систем с распределенным спектром.

3.3. Вероятность ошибки

Вообще, есть два важных фактора для оценки системы связи - полоса пропускания и характеристики приема сигнала в присутствии шума. Мы уже рассмотрели вопросы, связанные с полосой пропускания, теперь мы рассмотрим качество функционирования системы в присутствии шума.

Числовой оценкой качества функционирования аналоговых систем является отношение мощности сигнала к мощности шума. В цифровых системах критерием качества является вероятность ошибки в одном двоичном разряде или вероятность появления ошибочных битов (bit error rate - BER).

BER - это вероятность возникновения ошибки, когда система должна принять решение о приеме одного из двух возможных сигналов. В случае модуляции ASK это сигналы высокого или низкого уровня (в системах с OOK низкий уровень равен нулю). Приемник имеет порог принятия решения, выше которого сигналы считаются сигналами высокого уровня, и ниже которого - низкого уровня. Полная вероятность ошибки (BER) является суммой вероятностей ошибки, связанной с обоими сигналами.

Когда детектирование когерентное, используется большее количество информации - информация об амплитуде и фазе. Когда детектирование некогерентное, используется информация только об амплитуде. При этом ошибки функционирования системы увеличиваются. Тем не менее из-за простоты и невысокой стоимости в аппаратуре RFID обычно используют некогерентное детектирование огибающей.

В сигналах, модулированных ASK и OOK, присутствуют только два уровня сигналов. Каким образом эти уровни представляют отдельный бит, зависит от используемого вида кодирования. Однако, независимо от вида кодирования, если ошибки сделаны в процессе определения уровня сигнала, возникнет битовая ошибка. Некоторые виды кодирования могут обнаружить такую ошибку, а другие не могут. В таком случае могут быть использованы другие методы обнаружения и исправления ошибки.

В беспроводных каналах шумы могут иметь разнообразную природу. Обычно рассматривают два вида шума - это импульсные помехи и гауссовский шум. Гауссовский шум обычно является результатом фонового излучения, тепловых помех и дробового шума. В устройствах связи ближнего действия, особенно в пассивных системах RFID невысокой стоимости, обычно наиболее важны импульсные помехи, которые являются результатом интерференции многих других мешающих излучений. Для вычисления BER систем RFID рассмотрим как импульсные помехи, так и гауссовский шум.

3.3.1. Импульсные помехи

Источниками импульсных помех может быть интерференция сигналов посторонних источников или эффект многолучевого распространения. Эти помехи наиболее вредны для систем RFID, в которых используются сигналы малой мощности и простые детекторы. Гильбертова модель ошибок, создаваемых импульсными помехами, представляется в виде цепи Маркова с двумя состояниями, при этом одно состояние может быть благоприятным,

когда вероятность ошибки невелика, а другое неблагоприятным, когда ошибки случаются с высокой вероятностью. Такую модель предложил Эллиотт, а другие авторы использовали и развили ее. Импульсные помехи могут искажать как отдельные биты, так и битовые блоки сигнала.

3.3.2. Гауссовский шум

При рассмотрении аддитивного гауссовского шума будем иметь в виду два уровня сигнала: с амплитудой, отличной от нуля, и с нулевой амплитудой. В зависимости от этих двух уровней плотности вероятности сигнала в присутствии шума различны. В общем случае плотность вероятности сигнала с шумом зависит от уровня сигнала. Наиболее простой случай - когда уровень сигнала равен нулю и шум является единственным компонентом приемника. Такая ситуация характерна OOK.

Однако в ASK с индексом модуляции меньше 1 всегда присутствует смесь сигнала с шумом. Мы рассмотрим различия в функциях плотности вероятности при изменении соотношения уровней сигнала и шума.

При передаче сигналов от считывателя к метке и от метки к считывателю, из-за необходимости применения упрощенных детекторов, малых уровней сигнала и, в результате, относительно высоких BER, для повышения достоверности приема информации целесообразно использовать алгоритмы обнаружения и исправления ошибок. Рассмотрим такие методы.

3.4 Обнаружение и коррекция ошибок

Хотя излучаемый считывателем сигнал имеет достаточно высокий уровень, метка содержит упрощенные схемы детектирования и обработки

сигнала, что приводит к высокой вероятности появления ошибок в прямой линии связи. В обратной линии связи сигнал, переданный меткой, имеет относительно низкий уровень. При этом, несмотря на то, что считыватель RFID имеет достаточно чувствительный приемник и гораздо более сложную обработку сигнала, из-за малого уровня сигнала также возможна высокая вероятность появления ошибок. Следовательно, в обеих линиях связи целесообразно использовать процедуры обнаружения или исправления ошибок.

Операции кодирования, дополненные возможностью обнаружения и исправления ошибок, требуют добавления дополнительных битов к первоначальному сообщению. В зависимости от количества битов и способа, которым они добавлены, эти коды могут исправлять или только обнаруживать ошибки. В общем случае эффективные коды с обнаружением и исправлением ошибок требуют большого количества дополнительных битов, широкой полосы пропускания и сложной обработки. В системах RFID время передачи информации ограничено и достаточно строго регламентируется. Следовательно, целесообразно применение методов, которые позволяют только обнаруживать ошибки.

Типичные методы обнаружения ошибок включают проверку четности, продольный контроль по избыточности (Longitudinal Redundancy Checking - LRC) и циклический контроль по избыточности (Cycling Redundancy Checking - CRC). При проверке четности к строке битов добавляется дополнительный бит, который показывает: четное или нечетное количество бит содержится в строке. Такая проверка очень проста, но все же бесполезна, если в строке имеется четное количество ошибок. Продольный контроль по избыточности требует действия рекурсивного исключающего ИЛИ для каждого байта в пределах блока данных. Результаты операции добавляются в конец строки и передаются. При приеме выполняется та же самая процедура. Если результат проверки не равен нулю, то произошла ошибка. При проверке четности многократные ошибки могут отменять друг друга. Циклический контроль по избыточности более надежен, но требует более сложной обработки. Операция CRC обеспечивает почти уникальную идентификацию битовой строки. Чем длиннее CRC, тем большее количество данных может быть надежно проверено. Поскольку циклы передачи данных в системах RFID относительно коротки, обычно используются 8-битный или 16-битный CRC.