RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設計

1. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，RFID技術得以快速發(fā)展，已被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。隨著制造成本的下降和標準化的實現(xiàn)，RFID技術的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢，這也給RFID測試領域帶來了巨大的需求和嚴峻的挑戰(zhàn)。負責制訂RFID標準的兩大主要國際組織ISO和EPCglobal都針對RFID協(xié)議一致性測試及其系統(tǒng)設計發(fā)布了相關的規(guī)范。

1.1 RFID協(xié)議一致性測試的相關規(guī)范
RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范是隨著RFID協(xié)議標準的發(fā)展而發(fā)展起來的，測試規(guī)范的目的即確定被測單元的特性與協(xié)議標準的規(guī)定一致。ISO和EPCglobal都根據(jù)已發(fā)布的RFID協(xié)議標準制訂了對應的測試規(guī)范，用于指導進行規(guī)范、可靠的RFID協(xié)議一致性測試。由于不同RFID協(xié)議的調(diào)制參數(shù)、編碼方式、防沖突機制、幀結構、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產(chǎn)品可能具有完全不同的特性，所以每一種協(xié)議都有其對應的一致性測試規(guī)范，如表1-1所示：

表1-1：RFID協(xié)議標準對應的一致性測試規(guī)范
RFID協(xié)議標準中規(guī)定了包括物理層和協(xié)議層在內(nèi)的各項特性，而一致性測試規(guī)范中則規(guī)定了測試環(huán)境、測試項目和測試預期結果，根據(jù)測試規(guī)范列舉的測試項目，通過比較被測單元的實際輸出與預期輸出的異同，來判定被測單元是否與協(xié)議標準的規(guī)定一致。
除此之外，每個國家或地區(qū)還會有特定的RFID產(chǎn)品規(guī)范，會對產(chǎn)品的功率、頻率、帶寬等參數(shù)進行限制，該規(guī)范所規(guī)定的各項技術指標也屬于RFID協(xié)議一致性測試的范疇。對于在中國銷售和使用的RFID產(chǎn)品，國家信息產(chǎn)業(yè)部于2007年發(fā)布了“800/900MHz頻段RFID技術應用試行規(guī)定”，以規(guī)范該頻段RFID 產(chǎn)品的應用。

1.2 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)面臨的困難與挑戰(zhàn)
對于大多數(shù)已長期應用的無線通訊系統(tǒng)，如GSM等，傳統(tǒng)測試儀器制造商已能夠為其提供綜合測試儀。典型的協(xié)議一致性測試配置包括一臺綜合測試儀和被測設備，其中綜合測試儀作為主單元，被測設備作為從單元，兩者之間通過射頻電纜相連或通過天線經(jīng)空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎上進行參數(shù)的設置及測試。RFID技術作為無線通訊的新興領域之一，其協(xié)議一致性測試目前仍然較多的依靠信號發(fā)生器、頻譜儀和示波器等傳統(tǒng)儀器的組合，但由于RFID技術在具有無線通訊所共有的特性之外，又有著其獨有的特殊性，采用傳統(tǒng)儀器的組合很難構建出完善的協(xié)議一致性測試系統(tǒng)。
首先，RFID閱讀器與標簽的測試與傳統(tǒng)設備的測試差異較大，以EPC UHF Class 1 Gen 2標準為例，閱讀器和標簽通訊的時序如圖1-1所示：
 
圖1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通訊時序
整個實時通訊過程在數(shù)毫秒內(nèi)即全部完成，其中包含了2條指令以及2條應答交互的實時握手操作，即Query（指令）→RN16（應答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（應答），其中鏈接時間T1和T2都在微秒量級。根據(jù)協(xié)議標準，ACK指令中必須正確包含前一條應答中的16位隨機數(shù)，且在規(guī)定的鏈接時間T2之內(nèi)反饋給標簽，否則通訊將失敗。因此采用預生成信號的方式無法完成實時通訊過程，測試系統(tǒng)必須具有在極短的時間內(nèi)實時生成信號的能力，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器無法滿足該協(xié)議的時序要求。
其次，RFID協(xié)議一致性測試的關鍵在于測試的完整性，必須根據(jù)一致性測試規(guī)范對被測單元進行完整的物理層和協(xié)議層測試。傳統(tǒng)儀器通常只能夠完成對物理層參數(shù)的測試，而由于其靈活性的局限無法對協(xié)議層參數(shù)進行測試。另一方面，由于測試條件眾多，對于單個參數(shù)，如鏈接時間等，需要在不同頻率，不同碼率，不同編碼方式等情況下分別進行測試，這就使得測試點成幾何級數(shù)增長。如果采用傳統(tǒng)儀器進行手動測試，完成完整的協(xié)議一致性測試將需要很長的時間，如何提高測試速度也成為了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的課題之一。
再次，RFID協(xié)議標準種類眾多，有適用于近距離通訊的LF、HF頻段標準，還有適用于遠距離通訊的UHF、Microwave頻段標準，各個頻段內(nèi)的標準還由于工作模式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊牟煌煌?。每一種RFID協(xié)議都有自己獨特的測試需求，在ISO和EPCglobal制訂的各個RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范中，對一致性測試系統(tǒng)的描述和要求也不盡相同。RFID協(xié)議標準的多樣性為協(xié)議一致性測試系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如何用一個通用測試平臺來覆蓋所有的RFID協(xié)議標準，可靠的實現(xiàn)RFID協(xié)議一致性測試，是亟需解決的一個問題。
最后，RFID技術本身還在不斷演進，包括ISO和EPCglobal在內(nèi)的國際組織，以及RFID領域的領先企業(yè)，還在不斷的完善現(xiàn)有協(xié)議，發(fā)展新協(xié)議，如即將發(fā)布的EPC HF Class 1 Gen 2標準將作為Mode 3對ISO 18000-3標準進行擴展。新協(xié)議的出現(xiàn)，又會帶來新的物理層空中接口規(guī)定和協(xié)議層數(shù)據(jù)交換標準，因此需要一個靈活可擴展的測試平臺與之相適應，使之不僅能實現(xiàn)對現(xiàn)有RFID協(xié)議的一致性測試，也能快速應對下一代RFID協(xié)議的測試需求。

2. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)概述
    目前應用于RFID協(xié)議一致性測試的系統(tǒng)主要有以下幾種構架方式，即：成功/失敗模式、監(jiān)聽模式、激勵/響應模式、實時仿真模式，依次覆蓋了從簡單到復雜不同層次的一致性測試需求。本節(jié)中我們將對比不同構架的特點及其局限性，并引入軟件無線電等關鍵技術，結合各種測試構架來應對RFID協(xié)議一致性測試中面臨的困難與挑戰(zhàn)。

2.1 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的構架方式
1. 成功/失敗模式
最簡單的RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)采用一個參考閱讀器與被測標簽之間進行通訊，得出通訊成功或失敗的結果，以此判定被測標簽的特性，或反之采用參考標簽判定被測閱讀器的特性。成功/失敗模式如圖2-1所示：

圖2-1：成功/失敗模式
該測試模式的特點是系統(tǒng)構成簡單，測試時間極短，適合于生產(chǎn)線等對測試速度要求很高的測試場合。但其缺點在于測試項目少，測試結果簡單，僅能提供被測單元是否正常工作的信息，對于判定被測單元的協(xié)議一致性來說是遠遠不夠的。另外，當遇到測試結果為失敗時，由于無法分析失敗的原因，不能夠對被測單元的改進提供有用的信息。
2. 監(jiān)聽模式
嚴格來說，成功/失敗模式并未真正構成RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)，該模式更多的只作為一種輔助的測試手段。針對成功/失敗模式的不足，我們可以在它的基礎上增加頻譜儀和示波器等儀器，構成監(jiān)聽模式。進一步的，我們可以采用矢量信號分析儀等高級信號分析儀器替代頻譜儀和示波器，以獲得更加強大的信號分析能力。在該測試模式中，當參考單元和被測單元之間進行數(shù)據(jù)交換時，我們可以通過第三方儀器對通訊的信號進行采集和分析。監(jiān)聽模式如圖2-2所示：
 
圖2-2：監(jiān)聽模式
該測試模式能夠實現(xiàn)的協(xié)議一致性測試功能主要取決于兩個要素，首先是矢量信號分析儀。RFID協(xié)議一致性測試，要求矢量信號分析儀不僅具有傳統(tǒng)的時域和頻域分析功能，還需要具有針對RFID協(xié)議的解調(diào)和解碼功能，才能獲得通訊過程中的數(shù)據(jù)。同時，矢量信號分析儀還需要具備適合于RFID信號的同步觸發(fā)采集功能，如射頻功率觸發(fā)或頻譜模板觸發(fā)。由于幾乎所有RFID信號都是間斷的瞬時信號，具有射頻功率開啟標志著通訊開始的共同特征，射頻功率觸發(fā)已成為最常用的觸發(fā)采集方式。除此之外，由于RFID閱讀器和標簽之間的通訊速率很快，受限于矢量信號分析儀的操作和信號處理速度，監(jiān)聽模式下無法實現(xiàn)對信號的實時分析，而只能采用實時采集，離線分析的方式，因此矢量信號分析儀的信號存儲能力就顯得至關重要了。
監(jiān)聽模式在彌補了成功/失敗模式的不足的同時，也存在著同樣的局限性，即該測試模式的另一個要素，參考單元（閱讀器或標簽）。在RFID協(xié)議標準中，對于大多數(shù)參數(shù)的規(guī)定，都采用了靈活組合的方式，即閱讀器和標簽都可以在寬泛的范圍內(nèi)進行操作，如不同的調(diào)制參數(shù)、編碼方式、數(shù)據(jù)速率、強制的和可選的指令集等。需要說明的是，協(xié)議標準規(guī)定閱讀器和標簽并不需要同時支持所有的參數(shù)組合方式，而由于研發(fā)和生產(chǎn)成本等因素的制約，實際的RFID產(chǎn)品也無法支持所有的參數(shù)組合方式。
參考單元的選擇很大程度上決定了該測試模式的效果，但尋找一個包含了所有功能的“完美”參考單元幾乎是不現(xiàn)實的。退一步來看，即使找到了“完美”參考單元，對于完成RFID協(xié)議一致性測試來說還是不夠的，因為在協(xié)議一致性測試中，不僅需要測試協(xié)議規(guī)定的正確通訊流程，還需要執(zhí)行非正常流程來測試被測單元在特定條件下的反應。
受參考單元功能限制的影響，監(jiān)聽模式很難實現(xiàn)全面的協(xié)議一致性測試，但對于協(xié)議一致性測試來說，測試的完整性卻又是必須保證的。因此，監(jiān)聽模式只適合于基本的物理層測試，如不依賴于標簽應答的閱讀器射頻參數(shù)等。[!--empirenews.page--]
3. 激勵/響應模式
RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的第三種實現(xiàn)是激勵/響應模式，在這種模式下，參考單元被矢量信號發(fā)生器所取代，矢量信號發(fā)生器可以發(fā)射特定的RFID信號給被測單元，并同時給矢量信號分析儀發(fā)送一個數(shù)字觸發(fā)標志，在收到觸發(fā)時矢量信號分析儀開始同步采集通訊信號以進行分析。激勵/響應模式如圖2-3所示：
 
圖2-3：激勵/響應模式
該測試模式在各類測試應用中是比較常見的，因為這種測試模式具有很強的可控性并且容易實現(xiàn)自動化測試。與被動的監(jiān)聽模式不同，激勵/響應模式能夠主動的發(fā)射所需的激勵信號，以此獲得一個預期的響應信號，可以有效的提高信號分析工作的效率。對比于分析一個已知的預期信號，被動的分析一個未知信號往往要花費成倍的運算量與處理時間。激勵/響應模式的可控性，還在于它可以通過激勵信號主動的控制被測單元的狀態(tài)，進而控制整個測試的流程，這也是自動化測試必不可少的條件。
在使用矢量信號發(fā)生器替代參考單元之后，監(jiān)聽模式下最大的局限性也得以改善?，F(xiàn)代的矢量信號發(fā)生器通常都是支持程控的，可以通過軟件來自由的控制各種物理層參數(shù)，仿真不同RFID協(xié)議的閱讀器指令或標簽應答，而矢量信號發(fā)生器和矢量信號分析儀的協(xié)同工作，也使得協(xié)議層參數(shù)的控制成為可能。進一步的，該模式下還能夠執(zhí)行非正常流程，測試被測單元的錯誤處理機制，進行完整的協(xié)議一致性測試。
激勵/響應模式的優(yōu)勢顯而易見，這也使它成為RFID協(xié)議一致性測試的最佳方案，此外還可以用于RFID互操作性測試和性能測試。但基本的激勵/響應模式仍然有一個問題尚未解決，即RFID協(xié)議標準中的實時握手通訊過程，因此只能適用于大多數(shù)不需要實時握手通訊的RFID協(xié)議一致性測試。
4. 實時仿真模式
    作為激勵/響應模式的衍生和改進，實時仿真模式采用了通用的基于FPGA的基帶處理器，同時替代了矢量信號發(fā)生器的信號發(fā)生模塊和矢量信號分析儀的信號分析模塊，配合射頻前端協(xié)同工作。對于射頻前端部分，可以采用具有基帶信號輸入功能的矢量信號發(fā)生器和具有基帶信號輸出功能的矢量信號分析儀，或直接采用獨立的射頻上變頻器和射頻下變頻器，通過基帶信號接口與FPGA基帶處理器相連接。實時仿真模式如圖2-4所示：

圖2-4：實時仿真模式
該測試模式最大的特點是將原本分離的信號發(fā)生和信號分析模塊合二為一，在同一個基帶處理器上依靠FPGA強大的實時處理能力，實現(xiàn)了從信號仿真到信號測量的全部功能，并且實現(xiàn)了從信號分析到信號發(fā)生的實時反饋，最終解決了RFID協(xié)議一致性測試中的實時握手通訊問題。除此之外，信號發(fā)生和信號分析模塊的一體化，還為進一步提高測試速度提供了可能，F(xiàn)PGA的靈活可編程特性，也為快速應對未來RFID協(xié)議的測試需求提供了保障。

2.2 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的關鍵技術
嵌入FPGA基帶處理器的實時仿真模式，實質(zhì)上是引入了“軟件無線電”這一關鍵技術。所謂軟件無線電技術，即通訊過程的信號由軟件來確定，是一種用軟件實現(xiàn)物理層鏈接的無線通訊設計。軟件無線電技術的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線端，采用軟件數(shù)字化的實現(xiàn)盡可能多的無線電功能，其中心思想是在一個標準化、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件編程，實現(xiàn)一種具有多模式無線通訊功能的開放式體系結構。
1992年5月在美國通訊系統(tǒng)會議上，約瑟夫•米托拉首次明確提出了“軟件無線電”的概念。隨著計算機技術的普及，軟件無線電技術快速發(fā)展，特別是在測試測量領域以其獨特的優(yōu)勢得到了越來越廣泛的運用。軟件無線電技術的主要優(yōu)點在于它的靈活性，可以通過增加軟件模塊，方便地增加新功能。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調(diào)制參數(shù)、編碼方式等都可以進行動態(tài)調(diào)整，以適應不同通訊或測試的需求。軟件無線電技術具有較強的開放性，由于采用標準化、模塊化結構，其硬件可以隨器件和技術的發(fā)展而更新或擴展，軟件也可以隨需要不斷升級，能夠有效的降低系統(tǒng)的開發(fā)升級成本，提高資源的重復利用度，節(jié)約開發(fā)時間。
軟件無線電作為一種開放式構架，在不同的具體應用中其體系結構也會稍有差異， 借鑒ITU-R SM.1537標準對軟件無線電接收機的定義，我們可以看到適用于各種軟件無線電系統(tǒng)的一般準則，如圖2-5所示：

圖2-5：軟件無線電（接收機）的體系結構
軟件無線電的體系結構包含三個關鍵要素：模塊化硬件，開放高速總線，數(shù)字信號處理，以下將依次介紹各要素的特點及其對RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的影響。
1. 模塊化硬件
隨著無線通訊技術的高速發(fā)展，對于測試測量也提出了更高的要求，測試項目和范圍與日俱增，測試精度和速度要求急劇提高。在測試系統(tǒng)中，對儀器的“智能”要求越來越高，儀器中微機的任務不斷加重，儀器在很多方面逐漸向計算機靠攏，測試系統(tǒng)中包含的重復部件也越來越多，因此需要統(tǒng)籌地考慮儀器與計算機之間的系統(tǒng)結構。在這種背景下，1982年首次出現(xiàn)了一種與PC機配合使用的模塊化儀器，測試系統(tǒng)的結構逐漸也從傳統(tǒng)的機架層迭式結構發(fā)展成為模塊化硬件結構。
基于模塊化硬件的測試系統(tǒng)通過選擇合適的硬件模塊并在標準的軟件環(huán)境中定制測試程序，即可滿足各種具體的應用需求，采用模塊化硬件構建的測試系統(tǒng)比傳統(tǒng)儀器具有更高的同步特性、數(shù)據(jù)吞吐量、測量精度和靈活性。在RFID協(xié)議一致性測試中，以實時仿真模式為例，我們可以選擇模塊化的FPGA基帶處理器、模塊化的射頻上變頻器、模塊化的射頻下變頻器來構成集成的測試系統(tǒng)。靈活的模塊化硬件結構也為系統(tǒng)提供了良好的擴展性， FPGA基帶處理器可以滿足不斷演進的RFID協(xié)議，通用的射頻前端則提供了HF、UHF 以及Microwave等多種頻率接口。
2. 開放高速總線
僅模塊化硬件并不足以構成一個完整的測試系統(tǒng)，模塊化硬件之間還需要開放的高速總線來連接成為一個有機的整體，在測試測量技術發(fā)展的過程中，先后出現(xiàn)了GPIB、VXI、PXI、PXI Express等多種儀器總線。
早在機架層迭式結構的階段，人們就認識到幾乎不可能采用獨立儀器來實現(xiàn)一個完整的測試系統(tǒng)，提出了采用不同儀器組合，通過儀器總線來構建測試系統(tǒng)的方法。最早于60年代中期發(fā)展起來的惠普接口總線（HP-IB）是第一種被廣泛應用的儀器總線，也被稱為GPIB，它能夠把最多15臺儀器連接到一臺控制器上，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1MB/s，許多儀器制造商提供了大量支持GPIB總線的測試儀器。GPIB總線的主要局限在于它的帶寬，在應用于高數(shù)據(jù)流量的測試場合，如無線通訊測試時，可能成為系統(tǒng)的瓶頸。在模塊化硬件結構基礎上，則發(fā)展出了基于VEM總線的儀器擴展平臺VXI總線，基于PCI總線的儀器擴展平臺PXI總線，以及基于最先進的PCI Express總線的儀器擴展平臺PXI Express總線。
PXI總線在每一個橋段上允許連接7個外圍設備，使用PCI-PCI橋接后最多可以有256個擴展設備，能夠達到132 MB/s的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。在大幅度提高總線帶寬的同時，PXI總線還加入了多背板同步時鐘，把10MHz的參考時鐘分布到所有的外圍設備上，并且有8條可選擇的總線觸發(fā)線。PXI Express總線在具有PXI總線一系列優(yōu)點的基礎之上，更進一步的把最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了數(shù)GB/s級別。在RFID協(xié)議一致性測試中，通訊過程通常在毫秒量級的時間內(nèi)即完成，這就要求測試系統(tǒng)的各個組件之間具有可靠的高速同步機制，對于脫離開放高速總線的系統(tǒng)來說，精確的同步機制通常很難做到。另一方面，通訊信號的采集分析需要較高的采樣率來保證信號的完整性，由此而帶來的高數(shù)據(jù)流量也得益于開放高速總線而解決。
3. 數(shù)字信號處理
強大的數(shù)字信號處理是軟件無線電技術的關鍵，具體又分為固化于模塊化硬件上的硬件數(shù)字信號處理，以及運行于FPGA和CPU上的軟件數(shù)字信號處理。在無線通訊測試領域，數(shù)字上變頻（DUC）和數(shù)字下變頻（DDC）是最常見的兩種硬件數(shù)字信號處理功能。DUC可通過硬件進行正交數(shù)字上變頻和基帶信號插值， DDC可通過硬件進行正交數(shù)字下變頻和基帶信號抽取，從而大大降低信號的數(shù)據(jù)量，減少數(shù)據(jù)處理和傳輸時間。DUC和DDC的應用價值在于，在實際的射頻測試儀器的實現(xiàn)中，出于抗干擾等一系列因素的考慮，A/D、D/A的轉換通常并非直接在基帶完成，而是在介于基帶和最終射頻信號之間的某一“中頻”信號下完成，具體可參閱相關射頻技術書籍。DUC和DDC實現(xiàn)了數(shù)字基帶信號和數(shù)字中頻信號之間的雙向轉換，此功能極大的提高了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的性能。
    運行于FPGA和CPU上的軟件數(shù)字信號處理則能夠完成基帶信號相關的分析處理功能，其中 FPGA具有可配置的觸發(fā)、定時和板載決策，能夠實時地控制I/O信號，特別適合于RFID協(xié)議一致性測試中實時處理功能的構建，各種復雜的數(shù)字濾波、調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼、CRC以及邏輯控制算法在FPGA上都得以實時執(zhí)行。CPU對于各種通用軟件的強大支持特性，非常適合于完成復雜的非實時信號處理工作，以及構建上層的測試應用程序，如運用測試管理軟件來組織RFID協(xié)議一致性測試眾多的測試項目，實現(xiàn)復雜的自動化測試系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

3. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)總體設計
軟件無線電這一關鍵技術的應用，使得RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)能夠突破傳統(tǒng)儀器受專有硬件限制的局限性，在標準化、模塊化、層次化的體系結構上滿足一致性測試的需求。RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的總體結構分為硬件層和軟件層，硬件層即根據(jù)具體的測試需要，選取適合的模塊化硬件而構成，軟件層主要包括RFID協(xié)議仿真軟件，RFID協(xié)議一致性測試軟件和自動化測試管理軟件。

3.1 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構架
RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構架如圖3-1所示：

 
圖3-1：軟件無線電的RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)
該系統(tǒng)具有非常簡潔的系統(tǒng)構架，嵌入式主控制器、FPGA基帶處理器、射頻下變頻器和射頻上變頻器等模塊化硬件通過PXI或PXI Express開放高速總線交換數(shù)據(jù)及指令，射頻模塊之間通過射頻電纜傳輸中頻信號，并提供與RFID被測單元之間的射頻信號接口。
FPGA基帶處理器用于建立RFID無線通訊，主控制器用于信號的后續(xù)分析和測試流程的控制。測試過程中主控制器發(fā)送指令給各功能模塊，基帶處理器由FPGA實時生成RFID基帶IQ信號，再通過板載DUC以及DAC轉化為中頻信號，傳送給射頻上變頻器調(diào)制在射頻載波上經(jīng)電纜或天線發(fā)送給RFID被測單元。從被測單元返回的信號經(jīng)射頻下變頻器轉化為中頻信號后傳送給基帶處理器，通過板載ADC以及DDC轉化為數(shù)字基帶IQ信號，最后通過總線送至主控制器進行物理層和協(xié)議層各項參數(shù)的分析。
RFID協(xié)議一致性測試的基本方式為通過電纜進行測試，而通過天線的測試方式主要應用于性能測試場合，故測試天線以及電波暗室等要素將不列入RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的基本構架。

3.2 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件構架
RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件構架如圖3-2所示，自硬件驅動層之上，分別在FPGA開發(fā)環(huán)境和HOST開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)RFID協(xié)議仿真，RFID協(xié)議一致性測試和自動化測試管理。

圖3-2：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)軟件構架
    RFID協(xié)議仿真層是整個RFID協(xié)議一致性測試的基礎，主要利用FPGA的實時處理能力，仿真實現(xiàn)各種RFID協(xié)議的通訊過程，如編碼、解碼，指令構造和解析，協(xié)議狀態(tài)跳轉等核心功能。RFID協(xié)議一致性測試層則根據(jù)測試規(guī)范的規(guī)定，實現(xiàn)每一個測試項目的具體步驟，所有的功能模塊由最上層的自動化測試管理層進行統(tǒng)一的控制和調(diào)用。
雖然不同RFID協(xié)議之間的具體實現(xiàn)方式都不盡相同，但得益于軟件無線電技術的高度靈活性，軟件開發(fā)過程中可以進行層次化、模塊化的封裝，將對不同RFID協(xié)議的支持很好的整合在一起，并且為將來可能擴展的新標準提供接口。[!--empirenews.page--]

4. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)具體設計
在確定了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的總體構架之后，我們可以借助于儀器制造商提供的成熟軟、硬件產(chǎn)品，來具體設計RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個實例。一個完整的RFID系統(tǒng)由記錄了識別信息的電子標簽和能夠與標簽之間進行數(shù)據(jù)交換的閱讀器組成，RFID協(xié)議一致性測試也相應的分為兩部分，即標簽的一致性測試和閱讀器的一致性測試。兩者之間既有共性也有差異，以下我們首先介紹共有的硬件層設計，再根據(jù)不同的功能實現(xiàn)來分別介紹軟件層設計及其余特性。
硬件層設計采用PXI / PXI Express開放高速總線為基礎，配合支持該總線標準的模塊化硬件來實現(xiàn)RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的基礎功能。以模塊化儀器的倡導者之一美國國家儀器為例，可選用的模塊化硬件如下：嵌入式主控制器PXIe-8108，F(xiàn)PGA基帶處理器PXIe-5641R，射頻下變頻器PXI-5600，射頻上變頻器PXI-5610，由此我們可以得到RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個具體設計，如圖4-1所示：

 
圖4-1：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)硬件層的具體設計

4.1 RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
當被測單元為RFID標簽時，F(xiàn)PGA基帶處理器需要被配置為RFID閱讀器仿真模式，與被測標簽建立通訊，并配合主控制器完成各項測試工作。RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體功能實現(xiàn)如圖4-2所示，其中括號中為以EPC UHF Class 1 Gen 2協(xié)議標準為例的具體算法：

圖4-2：RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件設計
在軟件的設計中，仍然采用模塊化的層次結構，F(xiàn)PGA層次主要完成符合RFID協(xié)議標準的狀態(tài)機，以及相應的實時信號處理功能，在此不再詳述。HOST層次又劃分為多個功能模塊：硬件控制、物理層測試、協(xié)議層測試和流程管理。
其中，硬件控制模塊實現(xiàn)對模塊化硬件的控制，包括硬件的配置、觸發(fā)采集等；物理層測試模塊實現(xiàn)對信號的物理參數(shù)測試，包括時、頻、調(diào)制域的各種測量分析；協(xié)議層測試模塊實現(xiàn)對信號的協(xié)議參數(shù)測試，包括數(shù)據(jù)分析，幀結構分析等。流程管理模塊則與專業(yè)自動化測試流程管理軟件（例如TestStand）配合，實現(xiàn)對RFID協(xié)議一致性測試項目的管理，以及測試報告的生成等。RFID標簽協(xié)議一致性測試軟件的示例如圖4-3所示：
 
圖4-3：RFID標簽協(xié)議一致性測試軟件界面
在RFID無線通訊中，標簽的后向散射信號（Backscatter）是較為特殊的，它不同于傳統(tǒng)的ASK或PSK信號，而是兩者的結合，因此對后向散射信號的正確解析，也是RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)實現(xiàn)過程中需要特別關注的一個問題。

圖4-4：后向散射信號和傳統(tǒng)ASK、PSK信號的Smith圖
后向散射信號的特性，與RFID標簽的物理實現(xiàn)有著密切的關聯(lián)。RFID標簽工作時，由天線收集電磁波，經(jīng)過內(nèi)部芯片的處理后，再以特定的方式將電磁波向原發(fā)射方反射，數(shù)據(jù)的傳遞則依賴于RFID標簽在兩個不同的阻抗狀態(tài)之間快速切換，以此產(chǎn)生變化的電磁波反射。通常每個狀態(tài)的阻抗都同時具有實部和虛部，實部和虛部的分布還會隨工作頻率的變化而變化，這樣后向散射信號就會在幅度和相位上都發(fā)生改變，成為ASK和PSK結合的信號。后向散射信號的處理算法是RFID標簽協(xié)議一致性測試的保證，也是更多高級測試，如⊿RCS等的基礎。對于后向散射信號，可以采用改進的PSK解調(diào)算法，如圖4-5所示：
 
圖4-5：后向散射信號的處理

4.2 RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
當被測單元為RFID閱讀器時，F(xiàn)PGA基帶處理器需要被配置為RFID標簽仿真模式，與被測閱讀器建立通訊。在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中，與標簽測試所具有的共性就不再復述，本節(jié)中主要專注于RFID閱讀器測試所特有的功能實現(xiàn)。
RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的最大不同在于通訊過程的主導性，由于絕大多數(shù)RFID協(xié)議標準都定義為ITF（Interrogator Talk First），即閱讀器先發(fā)信號模式，在與標簽通訊的過程中，閱讀器占有主導地位，能夠主動的控制通訊的參數(shù)和流程。在進行RFID閱讀器協(xié)議一致性測試時，測試系統(tǒng)需要根據(jù)接收到的閱讀器指令，來返回特定的標簽信號，而不可能通過通訊信號來直接控制被測閱讀器的狀態(tài)。因此，閱讀器的測試與標簽的測試相比，具有一定的不可預見性，即不能夠保證每一次通訊取得的信號都正好是測試所需的。
這里我們將引入一個針對RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的新功能，即信號的實時流盤。所謂實時流盤技術是持續(xù)的采集通訊過程中的信號并不間斷的記錄下來，以供信號分析和測試軟件提取所需的信號片段，如圖4-6所示。實時流盤的關鍵在于保證信號的不遺漏，這就要求系統(tǒng)能夠支持足夠高的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率，并且擁有足夠大的數(shù)據(jù)存儲容量。得益于PXI / PXI Express開放高速總線的高帶寬，以及基于計算機磁盤的高密度存儲技術，實時流盤功能也得以輕松實現(xiàn)。值得一提的是，在實時流盤軟件的具體設計中，軟件本身的執(zhí)行效率也是最關重要的，需要進行專門的優(yōu)化設計。

圖4-6：實時流盤技術
另一方面，通訊過程的主導性問題還可以通過在RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)和被測閱讀器之間增加額外的通訊鏈路的方式來解決，如串口、USB或局域網(wǎng)。絕大多數(shù)閱讀器都提供了以上一種或多種控制接口，在測試過程中，測試系統(tǒng)可以通過通訊接口給被測閱讀器發(fā)送控制指令，使之發(fā)射所需的射頻信號并進入預期的測試狀態(tài)。但該方案在具體實現(xiàn)上仍然存在不可忽略的問題，即目前的閱讀器所提供的控制接口千差萬別，并未形成一個統(tǒng)一的標準，在RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的設計中實現(xiàn)對每一種閱讀器的控制幾乎是不可能的。幸運的是，為解決該問題，目前已有部分的國家和組織開始了閱讀器控制接口標準的制訂工作。
RFID閱讀器協(xié)議一致性測試的另一個不同之處在于，標簽信號的生成。如前所述，真實的RFID標簽通過在兩個不同的阻抗狀態(tài)之間快速切換來產(chǎn)生后向散射信號。對于測試系統(tǒng)來說，如果希望仿真一個真實的通訊過程，就不能夠直接通過射頻上變頻器來給被測閱讀器發(fā)送射頻信號，而是需要通過某種方式來產(chǎn)生一個向散射信號。事實上，在眾多RFID協(xié)議一致性測試規(guī)范中，也定義了阻抗切換模塊來完成該功能，例如在ISO 18047-6規(guī)范中的定義如圖4-7所示：
 
圖4-7：ISO 18047-6定義的標簽模擬器
在RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中，我們可以利用FPGA基帶處理器的輸出，直接驅動外置的阻抗切換模塊，反射來自閱讀器的電磁波，仿真一個真實RFID標簽的工作。[!--empirenews.page--]

5. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)演示
在具體實現(xiàn)了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)之后，我們將可以應用于對RFID單元的實際測試之中，本節(jié)以EPC UHF Class 1 Gen 2（也被稱為ISO 18000-6 Type C）標準的協(xié)議一致性測試為例，來介紹RFID標簽和閱讀器的協(xié)議一致性測試實例。盡管每一種RFID協(xié)議都有微妙的不同，但EPC UHF Class 1 Gen 2標準仍然是最具有代表性的一種協(xié)議，因為該協(xié)議是目前應用最為廣泛的UHF RFID標準，同時其協(xié)議一致性測試規(guī)范，也是眾多規(guī)范中定義最為完備的一種。通過EPC UHF Class 1 Gen 2標準的測試實例，我們可以看到對各種RFID標準都適用的一般準則。

5.1 RFID標簽協(xié)議一致性測試實例
    EPC UHF Class 1 Gen 2標準RFID標簽協(xié)議一致性物理層測試項目如表5-1所示，測試點數(shù)表明該測試項目需要在多少種測試條件組合下進行測試：

表5-1：RFID標簽協(xié)議一致性物理層測試項目
物理層測試中，我們選取FM0前導碼的單個測試點為例。FM0前導碼測試的目的是檢查標簽應答是否以協(xié)議中所規(guī)定的特定前導碼序列開頭，該前導碼用于閱讀器對標簽應答信號的識別和同步。FM0前導碼的協(xié)議規(guī)定前7個脈沖長度的相對比值為2:1:1:2:1:3:2，允許誤差為正負2.5%，如圖5-1所示：
 
圖5-1：FM0信號的前導碼（TRext=0）
測試過程中，RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)給被測標簽發(fā)送Query指令，并檢查返回的應答信號。實測信號如圖5-2所示，兩個光標之間為標簽應答的前導碼，前7個脈沖的絕對長度依次為4.20，2.12，2.08，4.16，2.08，6.26，4.16微秒，相對比值為2:1.01:0.99:1.98:0.99:2.98:1.98，符合協(xié)議規(guī)定。
 
圖5-2：FM0前導碼實測信號
EPC UHF Class 1 Gen 2標準RFID標簽協(xié)議一致性協(xié)議層測試項目如表5-2所示：
測試規(guī)范序號 協(xié)議層測試項目 測試點數(shù)
66 鏈接頻率誤差 72
70 鏈接時間T1 72
70 最小鏈接時間T2 72
70 最大鏈接時間T2 72
86 TID內(nèi)存數(shù)據(jù) 2
93 滅活操作 2
97 只讀標簽CRC16 2
97 讀寫標簽CRC16 2
101 PC內(nèi)存數(shù)據(jù) 2
102 默認PC數(shù)值 2
123, 124, 132, 136 Ready和Reply狀態(tài) 2
123, 129 Arbitrate狀態(tài) 6
123, 137, 138 Acknowledged狀態(tài) 2
123, 139, 141 Open狀態(tài) 2
123, 142 Secured狀態(tài) 2
145 Acknowledged到Secured狀態(tài)跳轉 2
148, 149 Open到Killed狀態(tài)跳轉 2
148, 149 Secured到Killed狀態(tài)跳轉 2
132, 136 Acknowledged到Reply狀態(tài)跳轉 2
132, 136 Open到Reply狀態(tài)跳轉 2
132, 136 Secured到Reply狀態(tài)跳轉 2

表5-2：RFID標簽協(xié)議一致性協(xié)議層測試項目
協(xié)議層測試中，我們選取鏈接時間T1和Open狀態(tài)兩個測試項目的單個測試點為例。
鏈接時間T1測試的目的是測量標簽從接收到閱讀器指令到返回應答之間的時間間隔，閱讀器在發(fā)送完指令之后，會在特定的時間窗內(nèi)檢測來自標簽的應答信號，落在時間窗之外的標簽信號將會丟失。鏈接時間T1應該處于[Max(RTCal,10Tpri)*(1-FT)-2, Max(RTCal,10Tpri)*(1+FT)+2]區(qū)間之內(nèi)，計算公式中各參數(shù)在協(xié)議標準中都有明確定義，簡便起見，我們這里直接給出在該測試點下的具體數(shù)值為[33.1, 44.9]微秒。
測試過程中，RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)給被測標簽發(fā)送Query指令，并測量指令結束到應答開始的時間間隔。實測信號如圖5-3所示，兩個光標之間為鏈接時間T1，數(shù)值為36.8微秒，符合協(xié)議規(guī)定。
 
圖5-3：鏈接時間T1實測信號
Open狀態(tài)測試的目的是驗證標簽能夠正確的從其他狀態(tài)進入Open狀態(tài)，正確的協(xié)議狀態(tài)跳轉是標簽能夠完成各項應用功能的基礎。進入Open狀態(tài)的過程是標簽協(xié)議狀態(tài)圖的一個子集，如圖5-4所示：
 
圖5-4：標簽協(xié)議狀態(tài)圖Open相關子集
測試過程中，從標簽上電開始，RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)給被測標簽依次發(fā)送Query，QueryRep，ACK，ReqRN指令，驗證標簽是否依次經(jīng)過了不返回應答的Arbitrate狀態(tài)，返回RN16的Reply狀態(tài)，返回PC,EPC,CRC16的Acknowledged狀態(tài)，最終進入返回Handle,CRC16的Open狀態(tài)。實測信號如圖5-5所示，即Query→無應答→QueryRep→無應答→QueryRep→RN16→ACK→PC,EPC,CRC16→ReqRN→Handle,CRC16, 符合協(xié)議規(guī)定。

圖5-5：Open狀態(tài)實測信號

5.2 RFID閱讀器協(xié)議一致性測試實例
EPC UHF Class 1 Gen 2標準RFID閱讀器協(xié)議一致性物理層測試項目如表5-3所示：
測試規(guī)范序號 物理層測試項目 測試點數(shù)
7 頻率準確度 50
12 數(shù)據(jù)編碼 2
14 射頻包絡1 2
14 射頻包絡2 2
21 上電射頻包絡1 1
22 上電射頻包絡2 1
24 下電射頻包絡1 1
25 下電射頻包絡2 1
32 前導碼 2
42 FHSS射頻包絡 1
46 FHSS信道 50
48 多閱讀器模式頻譜 1
51 密集閱讀器模式頻譜 1
358 單邊帶模式頻譜 1
表5-3：RFID閱讀器協(xié)議一致性物理層測試項目
物理層測試中，我們選取數(shù)據(jù)編碼，射頻包絡1和密集閱讀器模式頻譜三個測試項目的單個測試點為例。[!--empirenews.page--]
數(shù)據(jù)編碼測試的目的是測量閱讀器信號中的PIE編碼參數(shù)，編碼參數(shù)確定了閱讀器信號數(shù)據(jù)位的標準長度，并間接確定了標簽信號的鏈接速率。閱讀器信號采用不同的脈沖長度進行數(shù)據(jù)信息的編碼，數(shù)據(jù)0應在6.25到25微秒之間，數(shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)0的長度之比，應滿足如圖5-6所示的規(guī)定：
 
圖5-6：PIE編碼符號
測試過程中，RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)接收被測閱讀器發(fā)送的指令，并測量Query指令中數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1 的編碼參數(shù)。實測信號如圖5-7所示，三個光標之間依次為數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)0，其中數(shù)據(jù)0長度，即Tari為24.8微秒，數(shù)據(jù)1長度為43.2微秒，PIEx為18.4微秒，符合協(xié)議規(guī)定。
 
圖5-7：PIE編碼實測信號
射頻包絡1測試的目的是測量閱讀器信號中的ASK調(diào)制參數(shù)，包括調(diào)制深度、上升沿時間、下降沿時間和脈沖寬度，調(diào)制參數(shù)必須在一定的范圍之內(nèi)，標簽才能夠正確識別閱讀器的信號。閱讀器到標簽傳輸?shù)钠胀ˋSK和PR-ASK信號的射頻包絡都有嚴格的定義，調(diào)制深度應在80%到100%之間，上升沿、下降沿時間應小于0.33數(shù)據(jù)位長度，脈沖寬度應在0.265到0.525數(shù)據(jù)位長度之間，如圖5-8所示：

圖5-8：普通ASK和PR-ASK信號的射頻包絡
測試過程中，RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)接收被測閱讀器發(fā)送的指令，并測量特定脈沖的調(diào)制參數(shù)。實測信號如圖5-9所示，被測閱讀器采用的是PR-ASK信號，經(jīng)過脈沖成型濾波后波形變得圓滑，數(shù)據(jù)位長度為24.8微秒，調(diào)制深度為97.4%，上升沿時間為8.0微秒，下降沿時間為7.6微秒，脈沖寬度為12.6微秒，符合協(xié)議規(guī)定。
 
圖5-9：PR-ASK射頻包絡實測信號
密集閱讀器模式頻譜測試的目的是測量閱讀器信號的頻譜構成，在密集閱讀器模式下，應用環(huán)境中將有多個閱讀器在不同的信道上同時通訊，因此要求每個閱讀器只能占用自己的信道，發(fā)射信號在該信道以外的功率應該足夠小，否則可能干擾相鄰信道閱讀器的正常通訊。密集閱讀器模式頻譜在第1、2、3鄰道的抑制比需要分別達到-30、-60、-65dBch，如圖5-10所示：
 
圖5-10：密集閱讀器模式頻譜模板
測試過程中，RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)接收被測閱讀器發(fā)送的指令，并計算一段Select指令的信號頻譜，與標準的頻譜模板進行比較。實測信號如圖5-11所示，被測閱讀器采用數(shù)據(jù)位長度25微秒的信號，相應信道寬度為100kHz，頻譜未超出模板的限制，符合協(xié)議規(guī)定。

圖5-11：密集閱讀器模式頻譜實測信號
EPC UHF Class 1 Gen 2標準RFID閱讀器協(xié)議一致性協(xié)議層測試項目如表5-4所示，主要為各個鏈接時間的測量。測試過程中，RFID閱讀器協(xié)議一致性測試系統(tǒng)接收被測閱讀器發(fā)送的指令，并根據(jù)測試需求返回相應的應答信號，類似于標簽測試中的鏈接時間測試，故不再單獨舉例：
測試規(guī)范序號 協(xié)議層測試項目 測試點數(shù)
70 鏈接時間T2 2
70 鏈接時間T3 2
70 鏈接時間T4 2
表5-4：RFID閱讀器協(xié)議一致性協(xié)議層測試項目

參考文獻
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