射頻識別(RFID)是一項自動識別技術(shù)，許多主要的生產(chǎn)廠商與標(biāo)準(zhǔn)化組織也都陸續(xù)針對超高頻(UHF)頻帶推出各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。 但因為UHF技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，所以還是有很多問題，例如讓人眼花繚亂的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議，以及錯綜復(fù)雜的RF參數(shù)測量。 這些問題會造成RFID產(chǎn)品彼此不兼容，同時支持新協(xié)議的自定義功能。 因此必須搭建兼容所有標(biāo)準(zhǔn)的通用測試平臺，替RFID生產(chǎn)商降低測試成本。

RFID系統(tǒng)的運作原理

完整的RFID系統(tǒng)包含RW、標(biāo)簽與其它外圍模塊。 用于標(biāo)簽的RW辨識結(jié)果會通過網(wǎng)絡(luò)與電腦分享，并且儲存在資料庫中以便查詢。 圖1為RFID系統(tǒng)的運作原理。系統(tǒng)運作時，RW會在特定頻率的載波上針對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加以編碼與調(diào)制，接著通過天線傳送，產(chǎn)生一個電磁場。 至于較遠(yuǎn)距離的通信，則是主要把背向散射用于UHF，進(jìn)而在RW與標(biāo)簽之間傳輸能源。

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)RFID系統(tǒng)的運作原理

一旦標(biāo)簽進(jìn)入RW的電磁場范圍，其電路就會解調(diào)來自RW的指令信號、解碼指令數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、按照控制器的指示來啟動傳輸電路，并且將特定的回應(yīng)資料編碼至前饋載波，而前饋載波又會背向散射至RW。RW會通過接受天線采集反應(yīng)信號，把信號提供給接收端的處理元件加以解調(diào)與解碼，接著檢查數(shù)據(jù)并執(zhí)行磁場長度分析。最后標(biāo)簽信息會傳送到上端電腦的數(shù)據(jù)庫，儲存起來以便日后查詢。

實驗原理

隨著通信速度與數(shù)據(jù)讀取速度等RFID需求持續(xù)增加，RFID系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)簽與讀取器之間的通信時序規(guī)格也達(dá)到了厘米單位。各式各樣的RFID協(xié)議造成了相關(guān)調(diào)變/解調(diào)參數(shù)、編碼/解碼方法、反沖擊演算法、指令與相應(yīng)框架架構(gòu)、指示集之間的歧義。  采用傳統(tǒng)儀器構(gòu)建的測試系統(tǒng)會需要即時頻率頻譜分析儀、矢量信號發(fā)生器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與其他元件，才能產(chǎn)生激發(fā)矢量以便進(jìn)行測試。此外還需建立待測元件(UUT)的通信通道，同時在RFID系統(tǒng)內(nèi)采集這些元件的反射信號。這項電流測試系統(tǒng)可以根據(jù)RFID協(xié)議中一部分的物理參數(shù)，完成相關(guān)的測試與分析作業(yè)。然而，此系統(tǒng)無法提供可滿足協(xié)議需求的時序，也無法執(zhí)行符合協(xié)議需求的測試，更不能支持多重協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

SDR架構(gòu)的測試系統(tǒng)可讓用戶輕松設(shè)定自己的測試系統(tǒng)，以便滿足不斷變化的測試需求，還能提供更好操作的人機界面(HMI)。  由于虛擬儀器的靈活性與擴展性能非常優(yōu)異，所以該系統(tǒng)可以滿足各種應(yīng)用的升級需求，不必大幅更換硬件。這樣一來系統(tǒng)本身即可處理多種新興的通信協(xié)議，可說是RFID系統(tǒng)設(shè)計的最佳選擇。

RFID測試系統(tǒng)的硬件平臺

這款測試系統(tǒng)采用了NI的模塊化設(shè)備。NI PXIe-5641R RIO IF收發(fā)器加上NI PXI-5610信號發(fā)生器，組成了RF信號傳輸器，可以把基頻信號轉(zhuǎn)換為RF信號（圖2）。嵌入式控制器能夠協(xié)調(diào)不同的模板，還有一些非即時的事件操作項目。機箱背板上的PXI總線則可在不同的板卡之間高速傳輸數(shù)據(jù)。

圖2. 硬件組件說明

圖3. 測試系統(tǒng)的硬件連接方式

這款測試系統(tǒng)的主要功能之一，就是把通用的FPGA當(dāng)做基頻處理器，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)內(nèi)的矢量信號發(fā)生器與矢量信號分析儀。 FPGA的優(yōu)勢加上實時信號處理功能，有助于提高測試速度。 同時，F(xiàn)PGA編程的靈活性可以快速響應(yīng)新協(xié)議的測試需求。

圖4. 采用虛擬儀器的RFID系統(tǒng)構(gòu)架

如圖4所示，控制器與FPGA之間的界面主要用來執(zhí)行響應(yīng)、指令與某些協(xié)議參數(shù)。 FPGA的主要功用則是建立信號、分析信號的即時接受與反饋，其中包含實體的收發(fā)器通道。 RF板卡可提供待測標(biāo)簽給RF界面，同時提供IF收發(fā)器給IF信號界面。 系統(tǒng)功能的層級分布 測試系統(tǒng)分為兩個層級： FPGA平臺與主機平臺(如圖表所示)。 主機電腦平臺負(fù)責(zé)控制硬件、管理測試流程、處理非即時信號與使用界面。 FPGA平臺則是包含了實體的傳輸與接收路線，以及銜接主機電腦的界面。

圖5. 軟件架構(gòu)與數(shù)據(jù)流

如果想要設(shè)計主機平臺，必須考慮到不同模塊與用戶界面操作功能之間的協(xié)調(diào)性。 為了滿足各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議項目，測試系統(tǒng)會讀取特定的數(shù)據(jù)檔案，進(jìn)而實現(xiàn)所有類型的協(xié)議指令。 只要修改指令文檔的數(shù)據(jù)，用戶就能自定義協(xié)議內(nèi)容。 圖6為該測試系統(tǒng)的用戶界面。測試系統(tǒng)的所有功能與分析結(jié)果都會直接顯示在這個界面上。

圖6. 用戶界面

該系統(tǒng)可以測試自定義協(xié)議與18000-6C協(xié)議，還可以設(shè)定所有的參數(shù)。 圖7為FPGA平臺架構(gòu)。

圖7. FPGA平臺結(jié)構(gòu)框圖

測試結(jié)果

標(biāo)簽協(xié)議的一致性測試還可以進(jìn)一步分成單一標(biāo)簽測試、多標(biāo)簽測試與RF參數(shù)測試。 單一標(biāo)簽測試主要用來檢驗標(biāo)簽的RW操作，以及不同標(biāo)簽狀態(tài)的切換是否正確。 多標(biāo)簽測試則可檢驗協(xié)議的反沖撞演算法，以及多重標(biāo)簽的識別效率。

所有的測試結(jié)果都指出，該測試系統(tǒng)的一般運作狀況良好，每一項功能指數(shù)都能夠符合需求。 此系統(tǒng)可針對ISO18000-6C與多種自定義協(xié)議執(zhí)行一致性測試與物理參數(shù)測試。 測試距離最遠(yuǎn)可達(dá)3米，傳輸功率為20dBm，接收分辨率則是-10dBm。

總結(jié)：

"FPGA的優(yōu)勢加上實時信號處理功能，有助于提高測試速度。 同時，F(xiàn)PGA編程的靈活性可以快速響應(yīng)新協(xié)議的測試需求。"

挑戰(zhàn):

錯綜復(fù)雜的UHF技術(shù)(包含各種標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議)與RF參數(shù)測量，造成RFID產(chǎn)品彼此不兼容，同時帶來了巨大的測試挑戰(zhàn)。

解決方案:

使用虛擬儀器技術(shù)，搭配數(shù)字信號處理技術(shù)，最后以NI的軟件定義無線電(SDR)為基礎(chǔ)，打造出通用的多重協(xié)議UHF RFID測試平臺。 此平臺適用于所有RFID標(biāo)準(zhǔn)的即時測試作業(yè)，同時支持新協(xié)議的自定義功能。

作者信息:
Chun Zhang  Institute of Microelectronics, Tsinghua University