經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級(jí)別。在這個(gè)過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個(gè)生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補(bǔ)這方面的空缺，甘泉老師花費(fèi)數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨(dú)家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號(hào)特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

2.1 射頻技術(shù)基本原理

談到射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，多數(shù)人首先想到的是射頻技術(shù)。為了讓讀者更好地學(xué)習(xí)和了解RFID技術(shù)，本章將針對射頻技術(shù)的一些基本的概念和原理進(jìn)行講解，不是為了學(xué)多深的技術(shù)，而是讓大家了解一些定義和基本概念，方便讀者在RFID的學(xué)習(xí)中取得進(jìn)步，有利于在RFID項(xiàng)目中的技術(shù)交流，解決項(xiàng)目實(shí)際問題。

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2.1.1 射頻技術(shù)中的常用單位

1.射頻技術(shù)中的基本單位

射頻（Radio Frequency, RF）技術(shù)中常見單位很多，我們針對常見的頻率單位、長度單位（波長、天線長度）、阻抗單位、電流單位、電壓單位、電容單位、電感單位和功率單位簡單介紹。有一點(diǎn)需要注意，所有的單位都是按照“千進(jìn)位”（除dB外）。比如阻抗單位為：歐姆、千歐和兆歐。

l 頻率單位——赫茲Hz kHz MHz GHz

l 長度單位——米 m mm km

l 阻抗單位——?dú)W姆 Ω kΩ MΩ

l 電流單位——安培 A nA uA mA

l 電壓單位——伏特 V mV kV

l 電感單位——亨 H nH uH mH

l 電容單位——法拉 F pF nF uF

l 功率單位——絕對單位：瓦特W uW mW；相對單位：dBm dBW

2. dB與dBm

當(dāng)看到dBm和dBW這兩個(gè)單位的時(shí)候，很多讀者會(huì)覺得很奇怪，為什么不是“毫”、“千”、“兆”呢？下面就介紹一下神奇的dB。

發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)可能會(huì)是到達(dá)接收機(jī)信號(hào)的十億倍，乘或除這么大的數(shù)字是很難把握的，于是就出現(xiàn)了使用加減法來代替乘除法的對數(shù)。

（1）dB的概念

在射頻中，只需要知道有關(guān)對數(shù)的兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。其一，對數(shù)是兩個(gè)值的比值；其二，該比值的單位是分貝(dB)。其定義是10lg(輸出功率/輸入功率)，對于放大器其定義為20lg(輸出電壓/輸入電壓)。

如前所述，如一個(gè)放大器將信號(hào)功率放大100倍，換算成分貝，就是增益為20dB；如果放大器將信號(hào)電壓放大100倍，換算成分貝，則是增益為40dB。

分貝（dB）定義：

要注意的是，根據(jù)功率和電壓（電流）的比值前面乘的系數(shù)不同，功率是10倍，電壓（電流）是20倍。平時(shí)說的增益等都是指的功率。

只需要記住兩種dB的轉(zhuǎn)換就可以進(jìn)行簡單的分貝轉(zhuǎn)換：

+3dB指的是2倍大（乘以2）；

+10dB指的是10倍大（乘以10）；

-3dB指的是減小到1/2（除以2）；

-10dB指的是減小到1/10（除以10）；

0dB 指的是沒有變大和變小就是1。

【例2-1】如果信號(hào)的放大增益為4000倍，那么放大增益為多少dB？

解：本題可以通過兩種方法進(jìn)行計(jì)算，分別是公式計(jì)算法和快速計(jì)算法。增益用英文單詞Gain表示。

公式計(jì)算法: 根據(jù)式（2-1）可得

快速計(jì)算法：已知Gain=4000= 2 × 2 × 10× 10 × 10；

所以Gain = 3dB + 3dB + 10dB + 10dB + 10dB = 36dB 。

可以看到通過快速計(jì)算法不需要使用計(jì)算器其計(jì)算結(jié)果與公式計(jì)算法的結(jié)果是一樣的。在實(shí)際應(yīng)用中，針對不復(fù)雜的計(jì)算建議采用快速計(jì)算法。

【例2-2】如果信號(hào)經(jīng)歷的增益為0.000125，那么增益是多少dB？

解：本題同樣可以通過兩種方法進(jìn)行計(jì)算，分別是公式計(jì)算法和快速計(jì)算法。

公式計(jì)算法: 根據(jù)式（2-1）可得

快速計(jì)算法：已知 Gain = 0.000125 = 1 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 10÷ 10÷ 10 ;

所以 Gain = 0dB - 3dB - 3dB - 3dB - 10dB - 10dB - 10dB = -39dB 。

如表2-1所示，為常用分貝的值和對應(yīng)的系數(shù)關(guān)系，表中的dB轉(zhuǎn)換數(shù)值為應(yīng)用中常見數(shù)值，讀者應(yīng)全部掌握。

表2-1常用分貝值與對應(yīng)系數(shù)

（2）dBm和dBW的概念

那dBm和dBW又是什么單位呢？在前面講dB的時(shí)候我們提到過由于兩個(gè)信號(hào)的能量可能差10億倍，如果只是簡單的用瓦這個(gè)單位會(huì)非常的不方便，所以在射頻應(yīng)用中一般用dBm來作為功率的單位，定義0dBm=1mW；0dBW=1W，那么：

W和dBm的轉(zhuǎn)換公式為：

W和dBW的轉(zhuǎn)換公式為：

所以：+30 dBm = 0 dBW；- 30 dBW = 0 dBm。

需要說明的一點(diǎn)是在射頻工程中最常用的功率單位是dBm，根據(jù)式（2-3），常用換算如下。

【例2-3】一個(gè)設(shè)備的輸出功率為33dBm，其輸出功率是多少瓦？

解：+33dBm＝0dBm +10dB +10dB +10dB +3dB

＝1mW  ×10 ×10 ×10×2 ＝2W。因此這個(gè)設(shè)備的輸出功率為2W。

【例2-4】一個(gè)設(shè)備的輸出功率為0.00025mW，其輸出功率是多少dBm？

解：0.00025mW＝1mW ÷10÷10 ÷10 ÷2 ÷2

＝0dBm -10-10 -10 -3  -3＝-36dBm。因此這個(gè)設(shè)備的輸出功率為-36dBm。

如表2-2所示常用dBm與功率值和對照表，表中的dBm與功率的轉(zhuǎn)換數(shù)值為應(yīng)用中常見數(shù)值，讀者應(yīng)全部掌握。

表2-2 常用dBm與功率值對照表

2.1.2 射頻的帶寬與容量

帶寬、寬帶、窄帶介紹

帶寬：RF技術(shù)中最常用的名詞之一，對模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)定義是完全不同的。首先我們對模擬系統(tǒng)下的帶寬進(jìn)行分析，其單位為Hz，與頻率相關(guān)。

絕對帶寬的定義為：

式中——Δf 為絕對帶寬；

fH 為最高頻率；

fL 為最低頻率。

相對帶寬：

其中f0 為中心頻率，

如圖2-1模擬帶寬示例圖所示，左邊的一條豎線是帶寬的低頻點(diǎn)=2.407GHz，最右邊的一條豎線是帶寬的高頻點(diǎn)=2.417GHz，中間的一條豎線是中心頻率=2.412GHz。從這張圖中我們可以認(rèn)識(shí)到模擬帶寬就是在頻譜上找到和，然后進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)式（2-5），其絕對帶寬=2.417GHz-2.407GHz=100MHz。

根據(jù)式（2-6），其相對帶寬=

這里要注意一點(diǎn)：在相對帶寬相等的時(shí)候，其絕對帶寬不一定相等，這個(gè)與中心頻率相關(guān)。

圖2-1模擬帶寬示例圖

在數(shù)字系統(tǒng)中，是以每秒傳送的比特（bit）數(shù)表示帶寬的，其單位為bps（bitsper second）。

寬帶與窄帶是描述帶寬的一種常用的表達(dá)方式，對于模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的定義不同：

模擬系統(tǒng)：相對帶寬>50%為寬帶，相對帶寬<50%為窄帶；

數(shù)字系統(tǒng)：速度>1.5Mbps 為寬帶，速度<1.5Mbps 為窄帶。

2. 容量與帶寬的關(guān)系

（1）香農(nóng)定理

信道的容量就是指整個(gè)信道的傳輸速度能有多快，更加簡單的理解就是最快能達(dá)到多少bps。要討論信道容量，我們先了解一個(gè)非常關(guān)鍵的定理——香農(nóng)定理（Shannon law）。

公式為：

其中C為信道容量（信道最大可以傳播的信息量），W為帶寬，s/n為信噪比。

這個(gè)公式可以理解為，如果一個(gè)信道的帶寬越寬，其信號(hào)越強(qiáng)、噪聲越小，這個(gè)信道可以獲得越大的信道容量。這個(gè)公式非常關(guān)鍵，是通信原理中最重要的定理之一，在后續(xù)與超高頻RFID相關(guān)的內(nèi)容中都會(huì)用到。

（2）信道容量

波特率（Baud Rate）這個(gè)詞大家也經(jīng)常聽到，比如串口設(shè)置波特率可以設(shè)置為115200和9200等。那波特率到底是怎么一個(gè)原理，它與比特率有什么關(guān)系呢？

在電子通信領(lǐng)域，波特率即調(diào)制速率，指的是信號(hào)被調(diào)制以后在單位時(shí)間內(nèi)的變化，即單位時(shí)間內(nèi)載波參數(shù)變化的次數(shù)。它是對符號(hào)傳輸速率的一種度量，單位“波特”（Baud）本身就已經(jīng)是代表每秒的調(diào)制數(shù)，以“波特每秒”（Baudper second）為單位是一種常見的錯(cuò)誤。

模擬線路信號(hào)的速率，以波形每秒的振蕩數(shù)來衡量。如果數(shù)據(jù)不壓縮，波特率等于每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)；如果數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，那么每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)通常大于調(diào)制速率，使得交換使用波特和比特每秒偶爾會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

在信息傳輸通道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號(hào)單元叫碼元。每秒鐘通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率。波特率是指數(shù)據(jù)信號(hào)對載波的調(diào)制速率，它用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)來表示（也就是每秒調(diào)制的符號(hào)數(shù)），其單位是波特（Baud或symbol/s）。波特率是傳輸通道頻寬的指標(biāo)。如圖2-2所示為1波特和2400波特對比示意圖。

圖2-2 1波特和2400波特對比示意圖

每秒鐘通過信道傳輸?shù)男畔⒘糠Q為：位傳輸速率，也就是每秒鐘傳送的二進(jìn)制位數(shù)，簡稱比特率。比特率表示有效數(shù)據(jù)的傳輸速率，用b/s 、bit/s、比特/秒，讀作：比特每秒。

波特率與比特率的關(guān)系：比特率=波特率×單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。

例如，假設(shè)數(shù)據(jù)傳送速率為2400符號(hào)/秒（symbol/s，也就是波特率為2400Baud），又假設(shè)每一個(gè)符號(hào)為4位（bit），則其傳送的比特率為（2400symbol/s）×（4bit/symbol）=9600bps。若提高波特率，仍以4bit/波特（4bit/Hz）傳送碼元，則速率提高了，信息量增加了；同理如果保持波特率不變，提高每一個(gè)符號(hào)的傳送碼元為8bit/波特，則整個(gè)系統(tǒng)的信道容量提高了一倍，到19200bps。

講完上面的例子就會(huì)有人問，如果不斷增大波特率，是不是可以無限制的提高信道的傳輸速度？其實(shí)不會(huì)有這樣的事情出現(xiàn)，因?yàn)橄戕r(nóng)定理已經(jīng)確定了信號(hào)的最大傳輸速率。如香農(nóng)定理式（2-7）所示，帶寬W決定了波特率，信噪比s/n決定每波特可以傳播的碼元。更加通俗的解釋一下，如果帶寬小于2400Hz，那么就不可能實(shí)現(xiàn)1秒完成2400個(gè)周期，也就達(dá)不到2400Baud；同理，如果信噪比很差，信號(hào)不夠強(qiáng)，一個(gè)符號(hào)Band也沒有辦法表示4位（誤碼率會(huì)大大提高），這樣就無法實(shí)現(xiàn)9600bps的速率穩(wěn)定工作。