隨著RFID技術的快速發展，針對標簽的驗證需求不斷增加，需要被驗證的內容包括來自不同供應商的產品之間的互用性，以及特定協議的一致性。而且，當前市場迫切需要改進標簽性能。RFID系統的設計者在試圖滿足這些新生的市場需求時，受到了嚴峻的挑戰。幸運的是，對于RFID技術的旺盛需求，推動了這個行業快速的發展，并促進了技術創新。目前，研究領域以及商用領域的科學家們常常會采用National Instruments公司的測量工具，來實現標簽和讀取器的特性測試應用。

這篇技術應用文檔解釋了RFID系統的基本功能，以及通常進行的相關測量。該測量系統的核心是NI PCI-5640R IF收發器，它使用NI LabVIEW FPGA模塊程序代碼來完成標簽或者閱讀器的完全仿真。VISN-100 RFID測量系統是實現RFID測量應用的理想解決方案，因為在物理層和協議層的測量方面，它提供了現成的工具包。另外，由于系統是完全軟件化的，用戶還可以通過配置實現自定義的測量和分析功能。

本文討論集中在ISO 18000-6C（Class 1, Gen 2）標準，大部分技術原理對于所有RFID標準來說都是通用，可以讓您綜合掌握RFID測量系統的知識，并深入了解ISO 1800-6C標準。

一、RFID運行原理

由于頻率范圍和天線設計的不同，RFID標簽的形狀和尺寸也是千差萬別。一個廣為人知的準則是：標簽的選擇要考慮諸多因素，包括如物理環境、讀取距離，甚至待標記材料的物理特性。
 
實際上，我們知道有三種RFID標簽：有源、無源以及半有源。由于有源和半有源標簽使用板載的電源來驅動標簽，它們通常可以實現更長的讀取距離。而無源標簽卻通過來自詢問器命令信號中的電磁場能量進行驅動。這種技術大大降低了標簽的成本，但卻限制了讀取距離，并給設計人員帶來了較大的挑戰（雖然克服這個挑戰的過程很有趣）。例如，ISO18000-6C標準中所規定的RFID標簽即為無源標簽。

1. 標簽與閱讀器的交互：問詢周期

RFID系統由標簽閱讀器（也稱為詢問器）和標簽組成。標簽與閱讀器之間的所有通信過程都通過無線連接實現，此連接有時被稱為空中接口。通過兩個設備之間發送和接收的一系列命令信號（整個命令交換的過程稱為問詢周期），RFID閱讀器能夠識別一個RFID標簽的電子產品編碼（Electronic Product Code, EPC）。對于無源標簽來說，其基本工作原理是：詢問器通過發送一個Query命令發起一個問詢周期。Query命令實際上會“喚醒”標簽，之后標簽會給出適當的響應信息。

很多RFID閱讀器以及RFID測量系統實際上使用一種被稱為“環行器”三端口RF器件，它可以讓發送和接收的前端共用同一個天線。我們發現，許多RFID標準對標簽和閱讀器之間發送和接收命令的時序信息的要求極其嚴格。事實上，為了完成一個問詢周期，標簽和閱讀器之間需要傳遞某種“握手”信號。由于測試儀器也必須要有能力完成同樣的“握手”行為，這確實給測試工作帶來了一個獨特的挑戰。詢問器的嵌入式處理器需要在一個嚴格的時間間隔內完成信號的解碼，并生成指令。這種設計思路與基于現場可編程門陣列（FPGA）的RFID測量系統非常類似，后者也是通過嵌入式過程來仿真標簽或者閱讀器。

2. UHF天線特性

RFID設計的難點在于如何提高標簽的讀取距離。在UHF頻段，由于標簽的電磁特性（決定了標簽性能）會受到其應用的物體所使用材料的影響，這一挑戰變得尤為嚴峻。一般來說，影響標簽讀取距離的重要因素有兩個，其中一個是天線的效率，另一個是天線和芯片（或稱為嵌體）之間的阻抗匹配程度。

RFID天線的一個有趣的特點是它們的阻抗往往有很高的電抗性。當電抗性物質被電磁波激發時，標簽會把電磁波再輻射到發射源。天線的這種特性對于RFID系統非常有幫助，因為標簽可以在沒有板載的頻率合成器的條件下，以一種簡單的機制把電磁波發射回去。這種方法被稱為后向散射技術。

RFID標簽的天線設計已經成為重要的研究課題。具體來說，這些研究的內容主要是如何調整天線以使其能夠在更寬的頻率范圍內工作。為了最大化標簽的讀取距離而在設計天線時所做的權衡并不是本文的重點描述對象。

3. 后向散射

后向散射的原理是RFID工作理論中最為有趣的技術之一。利用這種技術，標簽可以在無需外接電源幫助的情況下，對詢問器的指令做出響應。

第1步：詢問器（R）向標簽（T）發送指令

問詢周期的第1步是由詢問器向標簽（R->T）發送指令。數字信號的數據通常根據某種機制進行編碼，例如曼徹斯特編碼（ISO 14443）以及脈沖間隔編碼（PIE）（ISO 18000-6C）。經過編碼的信號再通過幅移鍵控（ASK）的某種變種進行調制。例如，根據EPC Class 1, Gen 2（ISO 18000-6C）標準，閱讀器可以使用雙邊帶ASK（DSB-ASK），單邊帶ASK（SSB-ASK），相位反轉ASK（PR-ASK）中的任意一個。在這三個選項中，PR-ASK是最為有趣的。這一調制機制對每個符號使用180度的相位轉換，以及100%的調制深度，從而實現無差錯通信所需的最低C/N要求。

第2步：指令解碼

詢問器發出指令后，在沒有遮擋的情況下，指令將以電磁波的形式傳輸至標簽。到達的電磁波會激發標簽的天線，通過一個電壓信號整流器后，RF功率會被轉換成DC功率。此DC電壓會驅動芯片上的控制邏輯（通常是一個狀態機），對波形進行解調，并決定正確的下一步指令。此芯片也被稱為“嵌體”，它可以被分為若干個功能模塊。其中電壓整流器將電磁波轉化為DC電壓。而控制邏輯/狀態機決定向閱讀器發送的下一條指令。最后，晶體管電路將會對再輻射的電磁波進行調制。

第3步：電磁波的再發射

無源RFID標簽技術最吸引人的地方就是可以通過后向散射的方式對詢問器的指令進行再調制。由于RFID標簽的阻抗被設計成了電抗性（電容性）的，任何傳入的電磁波都會通過天線被反射（再輻射）到信號源。因此，當詢問器向標簽發射電磁波時，電磁波又會被標簽反射回詢問器。由于這個特點，標簽能夠通過調制再輻射的電磁波來對消息進行編碼。電磁波實際的調制過程是通過嵌體上的晶體管在兩個離散的阻抗狀態之間快速切換實現的。由于阻抗有阻性和容性兩種特性（對應阻抗實部和虛部），標簽實際上對再輻射信號的振幅和相位均進行了調制。因此，原來詢問器向標簽發送的信號經過振幅和相位調制之后，又被發送到詢問器。我們注意到，后向散射技術已經推動了針對最優標簽雷達截面（RCS）特性的一系列卓有成效的研究。。

在標簽的設計過程中有一些要點，理解RFID和后向散射的原理對理解這些要點起到至關重要的作用。比如，標簽的振幅和相位雙重調制機制就會對閱讀器設計決策產生有趣的影響。雖然使用簡單的ASK解調算法，閱讀器就可以對標簽響應信號解調。但如果將相位的變化也考慮在內，就能夠改善閱讀器的讀取距離。此技術要求詢問器的發送和接收部分共享同一個本地振蕩器。

二、RFID測試儀器

RFID的標簽和閱讀器均有獨特的測試需求，這給工程師的測試工作帶來了嚴峻的挑戰。實際上，如今RFID標簽的設計驗證需要尤其注意對一致性和交互性進行測試。比如，ISO 18000-6C（Class 1，Gen 2）標準允許閱讀器之間有一些不同。其中的一些參數很靈活，包括允許的數據傳輸率、調制策略，甚至RF包絡特征。因此，設計驗證經常需要對閱讀器進行仿真，以保證標簽可以在各種標準參數下工作。

一般來說，NI推薦能夠對閱讀器進行仿真的系統，因為它能夠滿足所有的測量需要。然而，考慮到某些測試需求，在RFID測試前也需要進行一些儀器配置。

1. RFID“嗅探器”的結構

最基本的RFID標簽測試系統使用矢量信號分析儀來“嗅探”詢問器和標簽之間的空中接口。該系統使用一個“黃金”閱讀器或者RFID仿真器來初始化與標簽通信的問詢周期。在標簽和閱讀器進行通信的同時，RF矢量信號分析儀負責記錄和分析通信信號。

在此測試方案中，矢量信號分析儀被配置為RF觸發模式，以便捕獲所有詢問器和標簽之間的通信信號。許多現代的矢量信號分析儀能夠進行頻域觸發，如NI PXI-5661。通過上文描述的測量配置方式，標簽與詢問器之間的RF通信均可以在時域和頻域內進行全面的分析。雖然這項技術可以完成標簽或者閱讀器的物理層測量，但在一致性和交互性測試中它卻一籌莫展。實際上，想要以這種方式來測量標簽的特性，為了進行RFID標準要求的大范圍的仿真，同樣需要大量的“黃金”閱讀器。

2. 激勵響應結構

RFID測試系統的第二種應用場合在于實現一種簡單的激勵響應結構。這種配置由矢量信號發生器取代“黃金”詢問器。矢量信號發生器可以在產生“詢問”命令的同時給矢量信號分析儀發送一個數字觸發標記。一旦收到觸發信號，矢量信號分析儀就開始捕獲RF信號以進行進一步分析。注意到這種應用模式十分常見，因為測量很容易自動化，而且結果具有顯著的可預測性。

在激勵響應模式下，你同樣可以用與“嗅探器”結構一樣的方式進行一致性測試。然而，激勵響應模式還有一個額外的好處，在此模式下可以對各種詢問器到標簽的命令進行仿真。由于命令都是由軟件產生的，使用矢量信號發生器可以修改物理層的一些特性，比如數據傳輸率，或者中心頻率。激勵響應模式的缺點是其只能仿真問詢周期的第一個命令，因此無法在這種模式下進行協議一致性測試。對于協議一致性測試來說，完整問詢周期范圍內標簽的實時響應至關重要。此類測量系統將在下一章進行詳細描述。

3. 實時詢問器仿真

在標簽和閱讀器測試的方法中，最終的也是最復雜的是對標簽和閱讀器進行完全的仿真。在這種方案中，RF設備可以像真實的標簽和閱讀器一樣發送和接收命令。這樣就可以用其完成物理層測量和全部的協議驗證。

協議的測試包括一些分析，比如狀態機狀態轉換的驗證，以及鏈路定時的測量。要想完成這些功能，通過定制的詢問器是可行的，但最便捷的方法是使用一個現有的帶有FPGA設備的RFID測試儀。FPGA設備和實時基帶處理引擎可以保證系統在幾個毫秒內完成命令的解碼和再傳輸。此類攜帶FPGA設備的系統的一個典型是VISN-100測試儀。

為了保證能夠對標簽和閱讀器進行完全仿真，RFID的調制和解調算法由FPGA硬件執行。在上述例子中，算法由NI LabVIEW的FPGA圖形編程語言編寫。在編譯成VHDL語言后，所有測量算法均可以在指定的硬件平臺上實時的執行。其中，整個系統中的關鍵組件是PCI-5640R IF收發器。

三、標簽和天線的測量

在標簽被應用到很大的頻段或者很多種部署對象時，如何能夠最大化讀取距離，這是RFID標簽設計的一個永恒的挑戰。總的來說，標簽的讀取距離是由天線增益、有效面積以及天線和嵌體（芯片）的阻抗匹配程度等諸多因素決定的。在有些實例中，上述因素還會受標簽所應用的基質影響。因此，包括匹茲堡大學Excellence and Oden RFID技術中心在內的許多組織，均通過提供顧問服務的方式來服務RFID社區。這樣，想要使用RFID技術的公司會尋求一個顧問，幫助他們在針對特定的應用時作出合適的選擇。例如選擇理想的頻段或者最佳的標簽部署位置。

推動RFID顧問服務的一個原因是標簽開發的基質可以在很大程度上影響閱讀距離。也就是說，就算是詢問器的等效全向輻射功率（EIRP）完全一致的兩個方案，一個工作在915MHz上的標簽也有可能在一種應用場合中有4m的閱讀距離，而在另外一種應用場合中只有3m的閱讀距離。這種現象的原因是閱讀距離很大程度上是由芯片和標簽天線的阻抗決定的。不幸的是，標簽天線的阻抗會受其應用位置的基質影響。因為阻抗是RFID共振頻率的一個決定性因素，改變阻抗可以在很大程度上影響閱讀距離。因此，RFID系統的實際應用中，經常要求大量的測試以保證標簽在不同的應用環境中均能達到預期的閱讀距離。

由于RFID系統的閱讀距離高度依賴于標簽、芯片以及基質的阻抗，對于特定的標簽，RFID系統的設計師經常只使用各種技術中的一種以根據基質和頻率對標簽進行調整和優化。Rao, Nikitin和Lam通過修正天線端的辦法調整標簽。同樣還有一些其它可行的技術。有些標簽制造商會故意設計共振頻率比標準工作頻率高100MHz的RFID UHF（915MHz）標簽。在其它案例中，研究者已經發明了一項新技術，能夠讓標簽或者閱讀器動態的返回標簽的共振頻率。

四、協議和一致性測試

雖然使用最基本的物理層測量可以描述RFID標簽或者閱讀器的RF性能，但在一致性測試中還需要額外的驗證。在此類測試中，需要將標簽或者閱讀器的命令解調，并仿真返回的比特流。一般來說，會使用RFID測量和仿真系統的組合來完成協議和一致性測試。此系統使用FPGA來完成實時基帶處理，能夠在仿真標簽閱讀器的同時完成物理層層測量。

1. 物理層一致性測試

通過仿真多種詢問器到標簽的參數，可以完成標準的一致性測試和多廠商的互操作性測試。ISO 18000-6C （Class 1, Gen 2）標準對RFID標簽期望解碼的調制信號的要求非常靈活。比如EPC Class 1, Gen 2的章6.3.1.2的空中接口部分，允許詢問器使用雙邊帶ASK（DSB-ASK）、單邊帶ASK（SSB-ASK）或者反向相位ASK（PR-ASK）調制機制。另外，本章還會介紹標簽工作中的變量：A類參考時間間隔（Tari）。此變量即數據“零”的時長，其范圍在6.25到25um之間。

為了保證一致性，標簽必須在標準要求的所有參數組合下測試。通過軟件來完成命令的生成是此類測試的一種方法。通過使用軟件仿真諸如調制深度、RF脈沖寬度等參數，可以驗證標簽在很多外部條件下的反應。另外，由于可以設置成自動模式，很快就可以確定標簽是否符合標準。

2. 向后散射基帶的解調

想要驗證標簽或者閱讀器響應的命令是否正確，首先需要將RF載波信號進行解調。由于向后散射解調技術的原因，標簽到閱讀器傳輸過程中的解調有些特殊。向后散射解調技術是指天線采集電磁波后還會將其反射給發送器。由于電磁波向天線反射，晶體管會在兩個阻抗狀態之間快速切換。由于阻抗有實部和虛部，RF信號在相位和振幅上都會被改變。因此，從RFID標簽向后散射的信息使用的是一種PSK調制和ASK調制的結合。將典型的后向散射調制與傳統ASK、PSK調制的星座圖（史密斯圖）進行對比可以說明這點。

由于RFID從標簽到閱讀器信號傳輸的調制類型有些不傳統，使用軟件儀器才能通過自定義的解調算法對數據正確的解碼。

第一步：高通濾波

對后向散射數據解碼的第一步是讓基帶波通過高通濾波器。經過高通濾波后，全部直流偏移均被移除，這可以保證基帶波能夠被傳統的PSK解調算法解調。

第二步：時鐘恢復

向后散射載波信號解調的第二步是時鐘恢復。這實際上是傳統PSK解調算法的第一步。在這一階段，實際上對基帶波進行了重新采樣，這樣每個符號的位置都會與基帶樣本精確的對齊。時鐘恢復，有時也被稱為最大擬然算法，經常與匹配濾波器相結合。

注意到，由于詢問器的發送和接收鏈共享同一個LO，一般來說沒有必要移除載波信號的頻率偏移。由于標簽僅僅是將詢問器的載波信號進行了再調制，因此，無論是詢問器到標簽的傳輸過程，還是標簽到詢問器的傳輸過程，均精確的工作在同一個RF頻率上。實際上，載波信號唯一的頻率偏移是由于標簽移動時產生的多普勒效應。在大多數時候，其影響微乎其微，不會干擾信號的解調。

步驟3：按碼率抽取

在采樣均被對其到理想的位置之后，可以對基帶波按碼率抽取，以獲取最終的符號。抽取之后，基帶波的每一個采樣都有兩個不同狀態的樣本。

步驟4：符號映射

每一個數字位均根據其相應的相位和振幅與樣本對應，符號即是如此被映射成二進制信息的。從數學的角度來看，信號映射實際上只不過是通過將每一個合成信號的相位與臨界相位值比較完成的。標簽到閱讀器傳輸信號的解調可以將RF信號直接轉化成數字的比特流。此轉化過程是RFID協議測試的關鍵，因為其包含了對標簽所傳輸的包是否正確的驗證。

3. 使用閱讀器仿真進行協議測試

由于RFID標準本身的靈活性以及對多廠商產品互操作性的需求，協議測試成為了RFID產品開發的一個重要階段。比如，ISO 18000-6的C類協議就讓閱讀器和標簽可以工作在多種環境中。此標準允許詢問器以多種碼率發送數據。另外，此標準還要求標簽在規定時間內完成對多種詢問器命令的響應。這里的規定時間是由詢問器的初始命令決定的。最后，一些RFID標準規定了標簽和閱讀器必須支持的和可選的命令。協議測試實際上就是驗證標簽在功能上能夠與所使用的協議兼容的過程。

從儀器的角度來看，進行協議測試要求RFID測試系統能夠對閱讀器和標簽進行完全仿真。雖然可以使用激勵-響應模式的儀器系統測量基本物理層特性，但協議測試要求能夠對閱讀器和標簽之間的問詢周期進行完整的仿真。因此，測量系統能否對標簽閱讀器的全部功能進行仿真非常關鍵。而在大多數時候，“黃金”標簽閱讀器無法完成這個任務，因為它不具有儀器化系統那樣可編程所帶來的靈活性。另外，由于缺少矢量信號分析儀，使用“黃金”閱讀器的系統也沒有RF信號測量的能力。

協議測試的理想方法是使用聯合仿真測試系統，如VI Service Network公司提供的VISN-100 RFID測試儀。正如我們在儀器系統那一章簡要介紹過的，VISN-100 RFID測試儀基于PCI-5640R RF收發器。此收發器同時具有IF輸入和輸出通道，可以連接外部的上變頻器（NI PXI-5610）和下變頻器（NI PXI-5600）模塊。此產品一個顯著的特點是其轉換器的IF輸入輸出通道均被直接連接到LabVIEW FPGA上。FPGA可以完成所有的基帶信號的處理，同時實時地對RFID標簽收發的命令進行完全的仿真和解調。

4.數據傳輸率驗證

ISO 18000-6C標準明確規定了標簽與詢問器通信的數據傳輸率范圍。另外，其還規定了RFID閱讀器在同一個問詢周期內必須采用一個樣的數據傳輸率。在詢問器到標簽的通信過程中，詢問器使用PIE算法編碼，以便于標簽解調。

根據ISO標準，只要Tari值在6.25到25us之間，標簽就需要對命令做出響應。因此，多廠商的互用性測試也就是要求驗證標簽在各種可能數據傳輸率下的性能。通過對6.25到25us之間的Tari取值進行激勵-響應測量以進行多個詢問器的仿真，這是一種典型的測試順序。在針對每一個Tari值的測量步驟中，均可以從功能上完成響應的驗證，以及標簽物理層特性上的測量。

5. 鏈路時序驗證

鏈路時序特性的驗證是一系列要求對RFID詢問器完全仿真的測試。在ISO 18000-6C標準中規定了標簽與閱讀器相互通信時間的最大值和最小值。為此，對標簽和閱讀器之間的整個問詢周期的完全仿真非常重要。這種情況下，簡單的激勵-響應測量失去了作用，因為某一個命令到下一個命令的鏈路時序可能會發生變化。因此，為了驗證標簽和閱讀器之間所有通信的鏈路時序均滿足標準的要求，需要對問詢周期進行完全的仿真。

除了測量問詢周期的鏈路時序特性，此系統還可以對標簽在不同鏈路時序時的響應進行仿真。使用軟件仿真，RFID測試系統可以為每一個詢問器到標簽的通信配置自定義的T2和T4鏈路時間。通過使用ISO18000-6C標準規定范圍內的參數，可以驗證標簽是否與協議一致。

無論是測試標簽還是測試閱讀器，都必須考慮四個鏈路時序參數。這些參數（即1, T2, T3, and T4）是由數據傳輸率決定的。

6. 標簽命令和狀態機的驗證

協議測試的終點是標簽命令和狀態機的驗證。ISO18000-6C標準規定，RFID標簽要對預定義的命令做出預定義的響應。之前章節中提到，RFID標簽會對Query命令響應RN16命令。此時，標簽會進入應答狀態，此狀態決定了標簽如何響應下一個命令。ISO標準一共定義了七個標簽狀態，分別為：就緒，仲裁，應答，確認，開放，保護和死亡。

7. RFID測試供應商和第三方公司

為了滿足測試需求，你可以以多種方式使用RFID測試系統。有些NI客戶使用一個標準的PXI RF矢量信號分析儀和RF矢量信號發生器來完成物理層RFID協議的應用，但是你同樣也可以使用現成的解決方案完成這個任務。NI推薦使用VI Service Network公司的NI-VISN-100 RFID測試儀。

五、結論

RFID標簽測試的獨特挑戰引導了一系列測試方法的研究。從簡單的使用矢量信號分析儀進行報文“嗅探”，到完全的詢問器仿真，越來越復雜的測試設備也提供了更加強大的測試能力。因此，在進行RFID標簽檢驗和驗證前，有必要根據待測量小心的選擇合適的測量硬件。對于包括物理層和協議驗證的綜合性測試，NI推薦NI-VISN-100 RFID測試儀。查詢進一步信息，請訪問官方網站http://www.ni.com/。

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