基于軟件無線電和LabVIEW的RFID調制制式測試研究

摘 要:RFID(radio frequency identification)測試技術已成為RFID技術研發和應用實施過程中的重要技術保障。提出了一種新的基于LabVIEW的RFID調制方式測試方法。在軟件無線電的基礎上，采用四個特征參數，通過由圖形化編程語言LabVIEW實現對2ASK、4ASK、2FSK、4FSK和BPSK等RFID系統典型調制方式進行識別。討論了方案設計，給出了仿真實驗結果。仿真結果表明，該方法具有較好的識別率和實時特性。

關鍵詞:無線射頻識別; 軟件無線電; LabVIEW; 調制識別

中圖分類號:TN76文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)03-0955-03

doi:10.3969/j.issn.10013695.2010.03.040

Research of test methods for RFID signal modulation types based on software radio and LabVIEW environment

HU Li， HE Yi-gang， ZUO Lei

(College of Electrical Information Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China)

Abstract:Testing technology for RFID has become the significant guarantee for further development of RFID technique.This paper proposed a new testing methodology based on software radio for RFID signal modulation which， by means of 4 characteristic parameters and LabVIEW environment， could make identification among 5 modulation types， including 2ASK， 4ASK， 2FSK， 4FSK and BPSK effectively. Discussed the design procedure and presented simulation results. The results of simulation show that this method can obtain a significant recognition effect and a fine realtime performance even with a low SNR.

Key words:RFID; software radio; LabVIEW; modulation identification

無線射頻識別(RFID)是一種非接觸的自動識別技術， 它利用射頻信號和空間耦合來實現對物體的自動識別。雖然技術已經趨于成熟，且應用前景很廣泛，但當RFID實際應用在一個具體項目中時，還是有許多問題有待克服。其中，RFID系統的測試就是一個急需解決的問題。

作為整個RFID測試工程中最重要的一部分，RFID系統的空中接口通信測試即是對射頻識別設備(標簽和讀寫器)通信一致性進行測試。ISO/IEC 18000系列標準中對RFID空中接口測試的規定就包含了確定RFID標簽與讀寫器調制模式、調制參數這一重要內容。

軟件無線電是20世紀90年代提出來的一種新的無線通信體系結構。它的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的可編程硬件平臺為依托，通過軟件編程實現無線通信的各種功能?；谲浖o線電這一思想，可以試圖尋找一種通用的調制識別算法，實現對不同調制信號制式進行識別及解調。

LabVIEW是目前國際上應用最廣的數據采集和控制開發環境之一，其在通信仿真領域有著重要的作用，相對于MATLAB等其他仿真軟件，LabVIEW是一種面向對象的圖像化語言，編程簡單、直觀，并能更有效地實現從仿真環境到具體應用的移植。

本文源于國家“863”計劃RFID專項RFID系統測試技術研究開發及開放平臺建設課題，將應用軟件無線電技術和LabVIEW圖形化語言及工具，重點針對ISO/IEC 18000系列標準中規定的ASK、FSK以及BPSK等RFID系統調制方式，設計了一種RFID調制制式測試方法。

1 基于軟件無線電的RFID調制方式測試系統模型

信號在進入系統之前，首先要進行預處理。具體到RFID系統來說，天線接收的是射頻信號，需要下變頻得到中頻信號，模擬調制信號需要變換成數字信號;另外，信號在傳輸過程中，信道的衰落、多徑效應，加上接收器本身也會引進噪聲。因此，在測試之前需要濾掉這些影響，對信號進行適當的濾波以及歸一化處理，使信號具有零均值。此外，識別算法中往往需要對信號的參數進行估計，如估計載頻等，這些都需要在預處理中完成。整個RFID測試系統用軟件定義的無線電框架如圖1所示。

通信調制的本質即是調制信號去控制載波的某一個或幾個參數，使這個參數按照調制信號的規律而變化。從理論上說，各類通信信號都可以用正交調制的方法來實現，與之對應，用正交調制產生的信號在理論上也都可以通過正交解調算法實現解調。軟件無線電的解調一般采用數字相干解調的方法，即用一個同頻同相的本地載波去相干解調。圖2為基于軟件無線電的RFID調制方式信號處理流程。

圖2中信號的正交分解采用Hilbert數字正交分解法，分解后，得到信號的下變頻同相分量I(n)和Q(n)。然后利用I(n)和Q(n)得到信號的三個時域瞬時參數，即信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率，進而計算出測試系統所需的特征參數。再根據特征參數采用判決樹的方法對2ASK、4ASK、2FSK、4FSK、2PSK五種調制方式進行實時識別。

2 信號瞬時參數的提取

一個通用的調制識別系統基本框架由Hilbert正交變換、瞬時特征參數提取和分類識別三部分組成。

正交變換部分的主要功能是為后續處理提供正交雙路的數據;特征提取部分是從輸入的信號序列中提取對調制識別有用的信息;分類識別部分的主要功能是判斷信號調制類型的從屬關系。此類方法在識別系統的構建過程中需要一定數量的各類調制信號樣本，其性能評價一般采用各種信噪比條件下的正確識別率。本文不討論載頻估計，而是假設估計出載頻的情況下，接收機將射頻信號數字下變頻，再通過Hilbert變換進行同相和正交分解，得到正交I、Q兩路信號，為信號識別作準備。

調制識別關鍵的一個環節是從信號中提取用于信號調制方式識別的信號特征參數，而特征參數的提取是基于信號的瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率三個瞬時參數的，它們可以由信號的Hilbert變換和數字化的I(n)分量和Q(n)分量的統計參數中得到，這些瞬時參數的表達式如下:

瞬時幅度 a(n)=I2(n)+Q2(n)

瞬時相位 φ(n)=arctg (Q(n)/I(n))

瞬時頻率 f(t)=12π dφ(t)dt=φ(n)-φ(n-1)

利用如上公式計算瞬時相位時，反正切函數的值域為[-π/2，+π/2]，存在±π/2的相位卷疊，因此還要進行相位去卷疊，并在去卷疊后去除信號的線性相位，得到需要的非線性相位。首先，根據同相分量I(n)和正交分量Q(n)的值判斷瞬時相位所在的象限，進而得出相位主值序列。然后利用相位主值序列差分判決相位的不連續點，并對主值序列進行修正，修正序列為

C(n)=C(n-1)-2π φ2π(n+1)-φ2π(n)>πC(n-1)+2πφ2π(n)-φ2π(n+1)>πC(n-1)其他

則無相位卷疊為 φ(n+1)=φ2π(n+1)+C(n)。其中C(0)=0，φ2π(n)為信號的相位主值序列。

瞬時頻率特征提取是對非線性相位求導后獲得，對離散信號的求導問題可采用數值差分法和利用傅里葉變換的微分特性這兩種方式來實現。

3 信號特征參數的提取及門限值確定

特征參數的提取是信號分類成功與否的關鍵。不同類型的調制信號在時域和頻域的形態有顯著的不同。

3.1 特征的定義及獲取

本文提出的識別方法共有四個特征參數:

a)零中心歸一化瞬時幅度譜密度的最大值γmax，由下式定義:

γmax=max|FFT[acn(i)]|2/Ns

其中:Ns為取樣點數;acn(i)為零中心歸一化瞬時幅度。由acn(i)=an(i)-1計算。其中:an(i)=a(i)ma ，而ma=1NsNi=1a(i)為瞬時幅度a(i)的平均值，用平均值來對瞬時幅度進行歸一化的目的是為了消除信道增益的影響。

γmax主要用來區分是FSK信號還是ASK和PSK信號。對FSK信號，其瞬時幅度為常數，故其零中心歸一化瞬時幅度為零;對ASK信號，因其含有包絡信息，故零中心歸一化瞬時幅度不為零;PSK信號由于受信道帶寬的限制，在相位變化時會產生幅度突變，因而零中心歸一化瞬時幅度也不為零。

b)零中心歸一化瞬時幅度絕對值的標準偏差δaa，由下式定義:

δaa=1Ns[Nsi=1a2cn(i)]-[1NsNsi=1|acn(i)|]2

參數δaa主要用來區分是2ASK信號還是4ASK信號。對于2ASK信號，有δaa=0，而對4ASK信號有δaa≠0。設其判決門限為t(δaa)。

c)零中心非弱信號段瞬時相位非線性分量的標準偏差δdp，由下式定義:

δdp=1c[an(i)>at2NL(i)]-[1can(i)>atNL(i)]2

其中:at是判斷弱信號段的一個幅度判決門限電平;c是全部取樣數據Ns中屬于非弱信號值的個數;NL(i)是經過零中心處理后瞬時相位的非線性分量。

參數δdp主要用來區分是ASK信號還是BPSK信號。對于ASK信號其無直接相位信息，故δdp=0;對BPSK信號其含有直接相位信息(其瞬時相位取0或者π)，故δdp≠0。設定判決門限為t(δdP )。

d)零中心歸一化非弱信號段瞬時頻率絕對值的標準偏差δaf，由下式定義:

δaf=1c[an(i)>atfN2(i)]-[1can(i)>at|fN(i)]2

其中:fN(i)=fm(i)Rs，fm(i)=f(i)-mf，mf=1NsNsi=1f(i);Rs 為數字信號的符號速率;f(i)為信號的瞬時頻率。

δaf主要用來區分是2FSK還是4FSK信號。對2FSK信號，其瞬時頻率只有兩個值，所以它的零中心歸一化瞬時頻率的絕對值是常數，故δaf=0;對4FSK信號，由于它的瞬時頻率有四個值，它的零中心歸一化瞬時頻率的絕對值不為常數，故δaf≠0。設定判決門限為t(δaf)。

3.2 特征參數門限值確定規則

對于基于決策理論的調制識別算法，調制信號特征參數判決門限的選取對調制識別的正確概率影響很關鍵。各特征量門限判決規則為xABt(x)。

當信號特征值x大于門限值t(x)時，判為A子集中的信號，當信號特征值x小于門限值t(x)時，判為B子集中的信號。選擇t(x)的最佳門限值topt(x)的準則是使下面的平均概率最大(Pav→1 ):

Pav[topt(x)]=P[A(topt(x)/A)]+P[B(topt(x)/B)]2

其中:P[A(topt(x)/A)]為在已知是A子集中的信號條件下，用門限topt(x)判決是A子集的正確概率;P[B(topt(x)/B)]為在已知是B子集的信號條件下，用門限topt(x)判決是B子集的正確概率。

4 決策結構識別流程

本文采用決策樹作為RFID調制方式識別分類器。決策樹方法應用假設檢驗理論，通過對信號各類似然函數比函數進行處理，得到用于分類的充分統計量，并將其與適當的門限進行比較，完成調制分類功能。該方法判別規則簡單，尤其適合于待識別信號種類有限及實時性相對較強的場合，RFID信號測試即屬于這類情況。

其識別流程如圖3所示。

5 基于LabVIEW構建識別平臺

本文的設計是針對當前的ISO/ISE 18000 RFID系統測試標準來展開，假設載波同步，且載頻已知， fc=2 MHz，采樣頻率fs=20 MHz，碼元速率fd=125 kBd，BFSK頻偏設為35 kHz，取樣點數為1 600，噪聲采用高斯白噪聲。構建基于LabVIEW的測試識別平臺如圖4所示，圖5為前面板對應程序部分截圖。

測試平臺的程序采用模塊化和層次化設計方法，已調信號的生成、已調信號瞬時參數獲取、識別特征參數的計算都采用子VI(子模塊)的方式實現，其中有的首層子VI還含有次子VI，這樣就很好地利用了LabVIEW的圖形化編程優勢，增強了程序的可讀性，維護也相對簡單。

在此，有必要說明的是采樣點數的選取需要根據實時情況進行確定，采樣點多的話在一定程度上可以提高識別準確率，但同時數據處理量也相應增大，系統的實時識別性能會受到一定影響。

通過在前面板對參數進行適當設置，運行LabVIEW，可以觀察到四個識別參數值及識別結果，如圖3所示，當選擇2ASK信號并設置相應參數后，識別結果指示燈正確顯示這是一個2ASK信號。

6 性能仿真

通過對構造的每類信號在四種SNR值下進行200次仿真，統計得到的識別率如表1所示。

仿真結果表明，在SNR≥5 dB時，正確識別率可達到90%以上，在SNR≥20 dB時，正確識別率幾乎達到100%。

7 結束語

本文通過對基于軟件無線電思想的RFID調制制式識別算法研究，并采用圖形化編程語言LabVIEW構建了仿真與測

試環境。實驗結果表明，這一方法具有實時性強、準確率較高、易于實現和操作等特點，非常適合于嵌入RFID系統測試環境。

本文源于實際課題，在實驗仿真中是采用模擬RFID系統調制信號的方式運用LabVIEW構造已調信號，應用于實際測試環境時，待測RFID信號經過放大、濾波、下變頻等射頻前端處理后采集到測試平臺實現信號識別，具有良好的移植性能。

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