RFID無源標簽通信參數的研究

景裕文 沈 琛 孔盼盼

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RFID無源標簽通信參數的研究

景裕文 沈 琛 孔盼盼

北京信息科技大學，北京 100101

主要針對Global UHF RFID protocols的RFID測試平臺，結合虛擬儀器技術和數字信號處理技術，采用CISC半導體公司的測試平臺，用來對ISO/IEC 18000-63協議通信鏈路參數測試。研究了部分通信參數動態變化時激活標簽所需功率的變化，并對測試標簽的靈敏度進行了測試。測試研究表明在基帶編碼采用較小的Tari值、以及較高的調制深度時，標簽所需激活功率最小，系統識別距離最遠。

RFID；無源電子標簽；標簽性能測試

引言

物聯網（Internet of Tings）是當前國際上備受關注的、多學科高度交叉的前沿研究領域，被認為是將對21世紀產生巨大影響力的技術之一[1]。物聯網通過各類集成化微型傳感器實時地檢測、感知和采集各種信息，利用嵌入式系統對信息進行處理，并經由自組織通信網絡以多跳中繼方式進行匯聚，通過各種制式的傳輸網（或接入網）傳送到后端數據支撐平臺進行處理，實現“無處不在的計算”理念，可廣泛地應用于智能城市與市政管理、移動醫療、智能家居、環境監測、工業控制與產品管理、智能交通、精準農業、電子商務等諸多領域，具有重大的研究意義和產業價值。

作為物聯網的重要應用之一，射頻識別（radio frequency identification）技術是利用空間電磁波的耦合特性，將數據調制在射頻載波向空間輻射以實現無線通信的一種自動識別技術。在超高頻頻段，各大公司和標準化組織相繼推出了多種標準和協議。其中標準和協議的多樣性，射頻參數測量的復雜性和準確性是重要的因素。這些導致了RFID產品的不兼容，并給測試帶來了巨大的挑戰。

因此，結合虛擬儀器技術與數字信號處理技術，采用CISC半導體公司提供的測試平臺，以UHF頻段RFID為研究對象，主要參照ISO/IEC 18000-63和ISO/IEC 18047-6 Type- C以及ISO/IEC 18046-3規范，開展對無源超高頻標簽的部分參數設置的測試。研究符合上述標準的RFID系統在室內環境下，Tari[2]（讀寫器到標簽通信的參考時間間隔等于發送字符0的長度）、調制深度等參數組合變化時激活標簽所需功率變化的規律，優化參數組合，實現對無源超高頻標簽的靈敏度測試。主要工作有：標簽靈敏度測試，編碼參數變化的動態性能測試，進行參數組合優化，獲取標簽最佳性能；測試反向鏈路的發射功率，對讀取距離，路徑損耗進行分析。本研究有助于加深對RFID的通信參數對讀取質量的理解，進行通信參數組合，并得出系統獲取最佳識別效果的編碼參數組合，為標簽性能測試提供參考依據。

1 RFID測試方案

測試平臺采用CISC半導體公司提供的RFID Xplorer 來進行相關的測試，主要組成有讀寫器，天線，RFID標簽和中間件[3]。

標簽性能測試流程圖如圖1所示，CPU產生所要傳輸的原始數據，發送到發射機，經發射機編碼成射頻識別信號。利用定向耦合器將信號生成器生成的干擾信號耦合到前向鏈路，并利用功率計測量耦合器直通端的功率。

標簽答復信息通過接收天線反送給接收端，接收機是一個正交解調接收機，反向鏈路信號經射頻過濾、降頻轉換器、接收機基帶濾波和采樣處理，通過利用本地振蕩器（LO）完成一個的正交變換，接收機輸出I、Q采樣值發送給CPU做后續處理。

CPU控制測試流，配置軟件，處理和存儲數據。由于前向鏈路的閱讀器命令是根據實時接收到的標簽命令響應的，要求CPU能夠快速的按照Gen 2協議規定的時間限制做出響應。

圖1 測試流程圖

2 測試及結果分析

為了簡化實驗的復雜性，在滿足測試對標簽性能分析的前提下，對閱讀器的發送命令進行簡化。在進行頻率掃描的過程中，假設閱讀器的發送QUERY命令，由閱讀器發送連續波給標簽提供能量，激活標簽后，標簽通過調制閱讀器發送的連續波反向散射存儲在自身內存中的RN16（16位隨機數），閱讀器成功接收到RN16即為識別成功。鏈路的各參數會隨著載波中心頻率的變化而進行相應的變化，反映到系統中，表現為激活標簽功率和標簽反向散射功率大小的變化。測試過程中，載波的中心頻率范圍為800 MHz～1 GHz，步長為5 MHz。系統使用二進制查詢算法來進行標簽的激活功率測量，發射功率范圍為-6～36 dBm（分貝毫瓦），步長為0.1 dBm。對于不同的測試內容，測試流程是：首先設置所有測試設備的位置，配置信號源及發射功率范圍，安裝待測試標簽，發送閱讀器命令，根據不同的測試內容進行有目的的測量，并由CPU記錄測試結果和計算測試內容的值。以測試激活標簽所需功率測試為例[4]，流程圖如圖2所示。

圖2 激活標簽所需功率測試流程圖

3.1 標簽靈敏度測試

測試標簽距離閱讀器發射天線和接收天線的距離都為0.5 m，發射EIRP（有效各向輻射功率）為36 dBm，閱讀器接收天線增益為4 dBi（線性天線增益），接收天線靈敏度為-75 dBm，接收機增益為0 dB，發射機的外部衰減為0 dB。利用參考標簽及其在無干擾測試環境下所測量的參考數據進行校準能夠有效的對外部干擾和損耗進行補償，能有效保證測試結果準確性。

圖3為頻率掃描所得各頻點激活標簽所需最小功率值，根據弗里斯傳輸方程可推導出電磁場強度（V/m）和激活標簽最小功率（dBm）之間的關系為：

根據圖3，載波為840 MHz時，標簽的最小激活功率為-18 dBm，由此可計算出該頻率下載標簽位置的電磁場強度為0.8 V/m。閱讀器用來激活標簽的最小發射功率與標簽的靈敏度S（dBm）的關系[5]為：

經計算可知，S的值等于激活標簽所需功率的值，因此可是使用激活標簽所需功率來表征系統性能。

圖3 標簽激活功率圖

3.2 調制深度對標簽激活功率的影響測試

閱讀器到標簽的通信可以采用DSB-ASK（雙邊帶振幅鍵控），SSB-ASK（單邊帶振幅鍵控），PR-ASK（反向振幅鍵控）三種調制方式，討論在DSB-ASK的調制情形下，研究在不同調制深度下，不同頻率對激活標簽所需功率的影響。圖4所示，調制深度小于35 %，標簽不能夠被激活或者只有在極少數的點被激活，隨著調制深度的增長，標簽所需激活功率明顯減少，可使系統信噪比、功率利用率得到提升。在測試標簽諧振頻率870 MHz，940 MHz處，標簽激活功率明顯小于其他各頻點，可以利用這些諧振點頻率來作為閱讀器和標簽通信的最佳頻率。

圖4 調制深度變化時標簽激活功率強度圖（Tari=12.5s）

3.3 Tari對標簽激活功率的影響測試

前向鏈路的數據編碼形式是PIE（脈沖間隔編碼），改變PIE編碼的Tari值，通過圖5可以分析在不同頻率下，Tari值變化對激活標簽所需功率的影響。圖5中的Tari值從5 s以1 s步長上升到35 s時，激活標簽所需功率有明顯的減弱趨勢。但是Tari值在9 s以前，激活標簽所需功率較大，標簽不能夠被很好的激活。頻率在以870 MHz為中心，以10 MHz為半徑的區間范圍內，激活標簽所需功率明顯低于其他頻率。當頻率固定在諧振頻率870 MHz的時候，Tari值的變化對激活標簽所需功率的影響較大，最小差值為-26.56 dBm（874.7 MHz）。而在同一個Tari值時，不同頻點對應的激活標簽所需功率差值很大，最小約為-26.56 dBm（24.24 s），最大約為9.321 dBm（8 s）。采用較合適的Tari值，可以使得RFID系統在整個頻段內能夠有效的提高識別率。

圖5 Tari變化時不同頻點激活標簽所需功率變化圖（調制深度=60 %）

主要研究符合ISO 18000-6C協議標準的RFID系統在室內環境下，Tari、調制深度等參數組合變化時激活標簽所需功率變化的規律，得到了優化參數組合，實現對無源超高頻RFID標簽的靈敏度測試。采用收發獨立天線，發送符合標準的指令對標簽進行讀操作，得出標簽性能隨信道參數變化的測試結果，得出了編碼參數組合。但是在測試過程中，要注意如下兩個問題：

（1）在頻率掃描過程中，假設標簽天線和閱讀器收發天線的增益和方向性不隨頻率的改變而改變。

（2）測試時，對干擾源的抑制效果不理想，特別是在無法識別時更為嚴重。

4 結論

編碼參數對RFID系統新能有重要影響，優化編碼參數組合很有必要。根據測試結果可以可出在Tari值較小和較高調制深度為參數的最優組合。此時，激活標簽所需功率最小，識別距離最大，且讀寫速度也比較快，最優組合為（12.5 s，60 %）附近。在下一步工作中，在最優參數組合的基礎上，對標簽貼附不同材料，通過轉軸轉動來測試標簽貼附位置以及材料對標簽性能的影響。

[1]王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009（12）：21.

[2]EPCglobla Inc.EPCTM Radio Frequency Identity Protocols Class-1 Generation-2 UHF RFID Protocl for Communications at 860-960MHz，version 1.0.9[S]. 2004.

[3]馬志剛.RFID測試解決方案[J].電信網技術，2012（1）：41.

[4]夏瑩瑩，謝振華，牛彬.射頻識別標簽性能測試研究[J].中國自動識別技術，2015（1）：9.

[5]EPCglobal Inc.Tag Performance Parameters and Test Methods，Version 1.1.3[S].2008.

Research of passive RFID tag communication parameters

Jing Yuwen，Shen Chen，Kong Panpan

College of Computer，Beijing Information Science & Technology University，Beijing 100101

The test system is mainly aimed at Global UHF RFID separate protocols RFID test platform，combined with virtual instrument technology and digital signal processing technology，using CISC semiconductor test platform，used to ISO/IEC 18000-63 test protocol communication link parameters. Part of the communication parameters is studied in dynamic change required to activate the tag the change of the power，and the sensitivity of the label of the test was tested. Test research shows that in the baseband coding using smaller Tari value，and high modulation depth，the tag minimum required to activate power，system identification furthest distance.

RFID；Passive electronic tag；tag performance testing

TN821

A

1009-6434（2016）11-0067-03

項目：北京信息科技大學受北京信息科技大學研究生科技創新項目資助，項目號：5111624111。