經過20多年的努力發展，超高頻RFID技術已經成為物聯網的核心技術之一，每年的出貨量達到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標簽產品的主要生產國，在國家對物聯網發展的大力支持下，行業應用和整個生態的發展十分迅猛。然而，至今國內還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數年之功，撰寫的新書《物聯網UHF RFID技術、產品及應用》正式出版發布，本書對UHF RFID最新的技術、產品與市場應用進行了系統性的闡述，干貨滿滿！RFID世界網得到了甘泉老師獨家授權，在RFID世界網公眾號特設專欄，陸續發布本書內容。

2.1 射頻技術基本原理

談到射頻識別（RFID）技術，多數人首先想到的是射頻技術。為了讓讀者更好地學習和了解RFID技術，本章將針對射頻技術的一些基本的概念和原理進行講解，不是為了學多深的技術，而是讓大家了解一些定義和基本概念，方便讀者在RFID的學習中取得進步，有利于在RFID項目中的技術交流，解決項目實際問題。

掃碼觀看本章節視頻講解

2.1.1 射頻技術中的常用單位

1.射頻技術中的基本單位

射頻（Radio Frequency, RF）技術中常見單位很多，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。有一點需要注意，所有的單位都是按照“千進位”（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——歐姆 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

當看到dBm和dBW這兩個單位的時候，很多讀者會覺得很奇怪，為什么不是“毫”、“千”、“兆”呢？下面就介紹一下神奇的dB。

發射機發射的信號可能會是到達接收機信號的十億倍，乘或除這么大的數字是很難把握的，于是就出現了使用加減法來代替乘除法的對數。

（1）dB的概念

在射頻中，只需要知道有關對數的兩個知識點。其一，對數是兩個值的比值；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，如一個放大器將信號功率放大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，根據功率和電壓（電流）的比值前面乘的系數不同，功率是10倍，電壓（電流）是20倍。平時說的增益等都是指的功率。

只需要記住兩種dB的轉換就可以進行簡單的分貝轉換：

+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行計算，分別是公式計算法和快速計算法。增益用英文單詞Gain表示。

公式計算法: 根據式（2-1）可得

快速計算法：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算法不需要使用計算器其計算結果與公式計算法的結果是一樣的。在實際應用中，針對不復雜的計算建議采用快速計算法。

【例2-2】如果信號經歷的增益為0.000125，那么增益是多少dB？

解：本題同樣可以通過兩種方法進行計算，分別是公式計算法和快速計算法。

公式計算法: 根據式（2-1）可得

快速計算法：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的系數關系，表中的dB轉換數值為應用中常見數值，讀者應全部掌握。

表2-1常用分貝值與對應系數

（2）dBm和dBW的概念

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

W和dBm的轉換公式為：

W和dBW的轉換公式為：

所以：+30 dBm = 0 dBW；- 30 dBW = 0 dBm。

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

【例2-3】一個設備的輸出功率為33dBm，其輸出功率是多少瓦？

解：+33dBm＝0dBm +10dB +10dB +10dB +3dB

＝1mW  ×10 ×10 ×10×2 ＝2W。因此這個設備的輸出功率為2W。

【例2-4】一個設備的輸出功率為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。因此這個設備的輸出功率為-36dBm。

如表2-2所示常用dBm與功率值和對照表，表中的dBm與功率的轉換數值為應用中常見數值，讀者應全部掌握。

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技術中最常用的名詞之一，對模擬系統和數字系統定義是完全不同的。首先我們對模擬系統下的帶寬進行分析，其單位為Hz，與頻率相關。

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=2.407GHz，最右邊的一條豎線是帶寬的高頻點=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識到模擬帶寬就是在頻譜上找到和，然后進行計算。

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

根據式（2-6），其相對帶寬=

這里要注意一點：在相對帶寬相等的時候，其絕對帶寬不一定相等，這個與中心頻率相關。

圖2-1模擬帶寬示例圖

在數字系統中，是以每秒傳送的比特（bit）數表示帶寬的，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方式，對于模擬系統和數字系統的定義不同：

模擬系統：相對帶寬>50%為寬帶，相對帶寬<50%為窄帶；

數字系統：速度>1.5Mbps 為寬帶，速度<1.5Mbps 為窄帶。

2. 容量與帶寬的關系

（1）香農定理

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

這個公式可以理解為，如果一個信道的帶寬越寬，其信號越強、噪聲越小，這個信道可以獲得越大的信道容量。這個公式非常關鍵，是通信原理中最重要的定理之一，在后續與超高頻RFID相關的內容中都會用到。

（2）信道容量

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

在電子通信領域，波特率即調制速率，指的是信號被調制以后在單位時間內的變化，即單位時間內載波參數變化的次數。它是對符號傳輸速率的一種度量，單位“波特”（Baud）本身就已經是代表每秒的調制數，以“波特每秒”（Baudper second）為單位是一種常見的錯誤。

模擬線路信號的速率，以波形每秒的振蕩數來衡量。如果數據不壓縮，波特率等于每秒鐘傳輸的數據位數；如果數據進行了壓縮，那么每秒鐘傳輸的數據位數通常大于調制速率，使得交換使用波特和比特每秒偶爾會產生錯誤。

在信息傳輸通道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元。每秒鐘通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率。波特率是指數據信號對載波的調制速率，它用單位時間內載波調制狀態改變的次數來表示（也就是每秒調制的符號數），其單位是波特（Baud或symbol/s）。波特率是傳輸通道頻寬的指標。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的信息量稱為：位傳輸速率，也就是每秒鐘傳送的二進制位數，簡稱比特率。比特率表示有效數據的傳輸速率，用b/s 、bit/s、比特/秒，讀作：比特每秒。

波特率與比特率的關系：比特率=波特率×單個調制狀態對應的二進制位數。

例如，假設數據傳送速率為2400符號/秒（symbol/s，也就是波特率為2400Baud），又假設每一個符號為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，提高每一個符號的傳送碼元為8bit/波特，則整個系統的信道容量提高了一倍，到19200bps。

講完上面的例子就會有人問，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？其實不會有這樣的事情出現，因為香農定理已經確定了信號的最大傳輸速率。如香農定理式（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，那么就不可能實現1秒完成2400個周期，也就達不到2400Baud；同理，如果信噪比很差，信號不夠強，一個符號Band也沒有辦法表示4位（誤碼率會大大提高），這樣就無法實現9600bps的速率穩定工作。