基于RFID技術的多標準自動化測試系統(tǒng)設計

莊 磊

（國家電網安徽省電力有限公司 電力科學研究院，合肥230601）

在高速發(fā)展的今天，非視覺、非接觸式的無線電通信RFID 技術應用越來越廣泛，如門禁系統(tǒng)、圖書館、電子與食品溯源等方面[1-2]。 我國專門為RFID技術制定了一系列國家標準、國家軍用標準，國際上也制定有相關標準[3]。

在RFID 技術廣泛應用的背景下，RFID 相關產品增多， 大量的RFID 產品生產以后需要嚴格的質量把關測試。 為節(jié)省人力、時間和硬件資源，設計一款RFID 技術的多標準自動化測試系統(tǒng)變得很有必要[4]。

本文從硬件和軟件架構方面詳細介紹了RFID多標準自動化測試系統(tǒng)的設計，并做了大量的實驗來驗證該系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、準確性。

1 硬件架構設計

1.1 總體方案

RFID 多標準自動化測試系統(tǒng)硬件架構主要包括模塊化儀器以及開放高速總線兩個要素，主控制器、FPGA 基帶處理器、RF 上變頻和RF 下變頻等模塊化硬件通過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射頻或者中頻信號， 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，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制在射頻載波上經電纜或天線發(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， 最后通過總線送至控制器進行物理層和協(xié)議層各項參數(shù)的分析。RFID多標準自動化測試系統(tǒng)硬件架構詳細如圖1 所示。

圖1 RFID 多標準自動化測試系統(tǒng)硬件架構設計Fig.1 Hardware architecture design of RFID multi-standard automated testing system

1.2 工作模式

根據(jù)被測RFID 產品，RFID 多標準自動化測試系統(tǒng)可分為模擬閱讀器、模擬標簽、信號監(jiān)聽等不同的測試模式。

系統(tǒng)模擬閱讀器，對標簽發(fā)射信號并獲得標簽的響應。 控制器和FPGA 基帶處理器對需發(fā)送的指令進行編碼、調制等處理，并由FPGA 基帶處理器將處理好的基帶信號進行數(shù)字上變頻為中頻信號傳給射頻上變頻器，射頻上變頻器對接收到的中頻信號進行上變頻發(fā)給標簽，標簽對該指令有相應的響應。 標簽的響應信號由射頻下變頻器接收并傳輸給FPGA 基帶處理器進行解調、解碼，并將基帶信號傳輸給控制器進行信號物理層和協(xié)議層的分析和存儲，如圖2 所示。

圖2 模擬閱讀器工作模式Fig.2 Working mode of analog reader

系統(tǒng)模擬標簽，對響應閱讀器發(fā)射的信號。 用控制器和FPGA 基帶處理器對需發(fā)送的響應進行編碼等處理， 并由FPGA 基帶處理器將處理好的基帶數(shù)字信號傳給射頻上變頻器或信號反射器，主動發(fā)射或反射閱讀器信號以產生標簽的響應。 閱讀器的指令信號由射頻下變頻器接收并下變頻傳輸給FPGA 基帶處理器進行解調、解碼，并將基帶信號傳輸給控制器進行信號物理層和協(xié)議層的分析和存儲。 標簽模擬模式具體又分為有源標簽和無源標簽兩種子模式，如圖3、圖4 所示。

圖3 模擬有源標簽工作模式Fig.3 Simulated for active tag working mode

圖4 模擬無源標簽工作模式Fig.4 Simulated for passive tag working mode

系統(tǒng)監(jiān)聽天線采集閱讀器和標簽之間的通信信號。 用射頻下變頻器采集RFID 閱讀器和標簽之間的通訊信號，經下變頻后的中頻信號輸出給FPGA 基帶處理器， 再由FPGA 基帶處理器進行數(shù)字下變頻后將基帶信號傳輸給控制器進行信號物理層和協(xié)議層的分析和存儲。

圖5 信號監(jiān)聽工作模式Fig.5 Signal monitoring working mode

2 軟件架構設計

2.1 總體架構

多標準自動化測試系統(tǒng)軟件總體架構設計如圖6 所示。 主要分為底層——RFID FPGA 測試引擎、中間層——RFID HOST 測試引擎與API 和頂層LabVIEW——自動測試TestStand 編程三層架構設計，各架構層次分工明確。

圖6 測試系統(tǒng)軟件總體架構Fig.6 Overall architecture of testing system software

2.2 RFID 測試FPGA 設計

FPGA 上的測試引擎是整個RFID 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，包括協(xié)議狀態(tài)跳轉、指令構造解析、編碼解碼、組幀解幀、擴頻解擴、調制解調、模數(shù)數(shù)模轉換、數(shù)字上下變頻等核心功能，擴頻的頻率范圍開放在902 MHz～928 MHz及2.4 GHz～2.484 GHz 兩個頻段。 詳細設計如圖7所示。

FPGA 軟件模塊設計主要部分分析如下：

針對不同的頻率信號會用到擴展頻譜（Spread Spectrum）技術，即擴頻技術，是常用的一種利用信息處理改善傳輸性能的無線通訊技術。 這里用到直接序列展頻技術（Direct Sequence Spread Spectrum）[7]，簡稱DSSS， 是利用10 個以上的chips 來代表原理的0 或1 位， 可使原頻率變?yōu)檩^寬且低功率的頻率，其結構框圖如圖8 所示。

圖7 FPGA 軟件設計Fig.7 FPGA software design

圖8 擴頻結構框圖Fig.8 Spread spectrum structure block diagram

解擴與擴頻相反，移去擴頻碼，恢復擴頻前的數(shù)據(jù)，如圖9 所示，d（t）c（t）cos（2π f0t）表示擴頻信號，cτ（t）為解擴碼，經過帶通濾波器后得到d（t）cos（2π f0t）。

圖9 直接式相關解擴原理框圖Fig.9 Principle block diagram of direct correlation despreading

為了增強系統(tǒng)抗噪聲性能，使信號能夠適宜無線傳輸，F(xiàn)PGA 底層將采用調制技術，在發(fā)射端將擴頻信號進行調制，DSB 調制， 即Double-sideband modulation，雙邊帶調制，是一種將正弦波抑制在模擬基帶信號m（t）與-m（t）之間的載波線性調制技術，它用均值為零的模擬基帶信號m（t）與正弦載波cosω0t 相乘， 如圖10 所示。 SSB 調制， 即Singlesideband modulation，單邊帶調制，是一種可以更加有效的利用帶能和帶寬的調幅技術。 舉例調制解調PSK 的特殊形式BPSK 框圖如圖11 所示。

圖10 DSB 調制框圖Fig.10 DSB modulation block diagram

圖11 BPSK 調制框圖Fig.11 BPSK modulation block diagram

數(shù)字上變頻（digital up converter）與數(shù)字下變頻（digital down converter）[8]是軟件無線電的兩項核心技術。 那么為什么要用到數(shù)字上下變頻呢？

我們知道波長與頻率的關系式為

式中：c 為在真空中固定光速值；f 為無線電波的頻率；λ 為該無線電波的波長。從而得知無線電波信號在空中傳輸?shù)念l率與波長成反比的關系。 由于無線電波天線的最佳長度與無線電波波長的關系是固定的，通道取波長的1/2，即：

式中：l 為天線的長度，故有：

從式（3）得知天線的長度與無線電信號傳輸頻率成反比的關系。 一般情況下，不能讓天線做的太長，所以需要提高無線電信號的傳輸頻率。 再加上頻率較高的信號帶寬比較大，可攜帶的信息量比較多，有利于信號的傳輸，故在無線電傳輸過程中用到了數(shù)字上下變頻核心技術。

基帶信號通過數(shù)字上變頻調制到中高頻，然后經過D/A 數(shù)模轉換轉化為模擬信號，最后經過天線發(fā)射出去；接收端收到模擬信號，通過A/D 轉換模數(shù)轉換為數(shù)字信號后，經過數(shù)字下變頻還原為基帶信號。 從而完成了信號的無線傳輸過程。

2.3 RFID 測試HOST 設計

RFID 測試HOST 主要分為三個層次的設計：硬件控制層、信號分析層以及協(xié)議層。

硬件控制層主要對硬件模塊進行初始化、配置、下載指令到硬件、發(fā)送接收信號、關閉儀器等。信號分析層包括信號的時域波形、 頻譜分析、JTFA分析、 周轉率以及會計算2.4 G 頻率的IQ 和星座圖、900 M 頻率的幅度響應和Delta RCS 值。 協(xié)議層包括對命令、消息的處理。

2.4 自動化測試軟件設計

文中選擇TestStand 作為自動化流程的管理軟件。 在設計自動化流程之前，把需要TestStand 調用的API 設計好， 舉例RFID 技術自動化測試之一標簽測試的API 包括：

中心頻率測試、發(fā)射頻譜密度模板、獲取信道帶寬、收發(fā)轉換時間、調制準確度、獲取擴頻序列、獲取碼片速率、獲取位速率、獲取前導碼（同步碼、校驗碼）、 幀選項、 位傳輸順序、 尋址方式、 測試TTD、測試存儲區(qū)結構、響應、狀態(tài)跳轉等。

根據(jù)測試順序，設計自動化測試流程如圖12 所示。

圖12 自動化測試軟件設計Fig.12 Design of automated testing software

按照圖12 所設計的流程， 自動的跑完整個產品的測試。 在測試完成后，會把測試結果顯示出來，所以測試項的結果在要求的上下限范圍內，測試結果為Passed，如果有一項測試不合格，測試結果即為Failed，一個友好的設計是把測試的項目顯示在UI，并把不合格的測試項顯示出來， 供測試者記錄，如圖13 所示。 一個產品測試完成后會繼續(xù)進行下一個產品的測試。

圖13 測試結果Passed/FailedFig.13 Passed/Failed for test result

3 測試結果與分析

3.1 性能指標

一個RFID 系統(tǒng)由于連接器件、 線纜等的線損原因一般會進行校準，文中采樣收發(fā)雙端連接方式進行校準。

發(fā)射端校準方法是在發(fā)射端口用射頻線纜接入準確度高的功率計， 設置系統(tǒng)發(fā)射功率為0 dBm的載波信號， 并且在需要校準的頻段上進行掃頻，記錄功率計的各頻點的讀取值，其線路連接方法如圖14 所示。

圖14 發(fā)射端校準Fig.14 Transmitter calibration

計算系統(tǒng)發(fā)射端線損的公式如式（4）所示：

式中：PlossSTX為RFID 多標準測試系統(tǒng)的發(fā)射端線損；Ppm為功率計讀數(shù)；PlossTX為發(fā)射端射頻線纜的線損。

接收端校準方法是在發(fā)射端校準完成之后，把發(fā)射端口與接收端口用射頻線纜直接連接起來，同樣設置系統(tǒng)發(fā)射功率為0 dBm 的載波信號，在需要校準的頻段上進行掃頻，記錄功率計的各頻點的讀取值，由于接收端有多個量程，需要分別校準。 其線路連接方法如圖15 所示。

圖15 接收端校準Fig.15 Receiver calibration

計算系統(tǒng)接收端線損的公式如式（5）所示：

式中：PlossSRX為RFID 多標準測試系統(tǒng)的接收射端線損；PRX為系統(tǒng)接收端功率讀數(shù)；PlossRX為接收端射頻線纜的線損；PlossSTX為系統(tǒng)發(fā)射端線損。

經過校準后的系統(tǒng)各指標如表1～表3 所示。

3.2 測量誤差

測量誤差主要包括隨機誤差和系統(tǒng)誤差。

功率測量誤差：①功率隨機誤差，信號源發(fā)射功率為-10 dBm 的信號，系統(tǒng)測量到的功率如圖16所示，求得功率隨機誤差σ0（P）=0.006 dBm。 ②功率系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)用功率計校準后，功率系統(tǒng)誤差為功率計的誤差，約為σ1（P）=0.18 dBm。 故功率測量誤差應為

表1 射頻信號發(fā)射指標Tab.1 Radio frequency signal transmitter index

表2 射頻信號接收指標Tab.2 Radio frequency signal receiving index

表3 數(shù)字信號處理指標Tab.3 Digital signal processing index

頻率測量誤差：①頻率隨機誤差，信號發(fā)射頻率為1 GHz 的信號，系統(tǒng)測量到的頻率偏移如圖17所示，求得頻率隨機誤差σ0（f ）=1.722 Hz。 ②功率系統(tǒng)誤差，以1 GHz 計算系統(tǒng)參考時鐘頻率誤差約為σ1（f ）=2500 Hz。 故功率測量誤差應為σ（P）=

圖16 功率測量Fig.16 Power measurement

圖17 頻率偏移測量Fig.17 Measurement of frequency offset

時間測量誤差：①調制沿與符號長度隨機誤差，信號源發(fā)送調制信號，設置調制沿時間為1.875 μs，設置符號長度為20.000 μs，系統(tǒng)測量到的調制沿和符號長度時間如圖18 所示，調制沿隨機誤差σ0（tr）=0.020 μs，符號長度隨機誤差σ0（T）=0.018 μs。②脈沖寬度與占空比隨機誤差， 信號源發(fā)送調制信號，設置脈沖寬度為3.125 μs， 設置占空比為50.00%，系統(tǒng)測量到的調制沿和符號長度時間如圖19 所示，脈沖寬度隨機誤差σ0（PW）=0.036 μs，占空比隨機誤差σ0（D）=0.045%。

系統(tǒng)時間間隔系統(tǒng)誤差，數(shù)字信號采用12.5 MHz，采用精度14 位，測量調制沿時間采用256 倍差值，信號幅度為滿量程的10%，符號長度采用8 倍差值，求得系統(tǒng)時間誤差σ1（T）=0.010 μs，σ2（T）=0.003 μs，σ（D）=0.51%，故得調制沿時間測量誤差σ（tr）=0.02 μs，符號長度時間測量誤差σ（T）=0.02 μs，脈沖寬度測量誤差σ（PW）=0.04 μs，占空比測量誤差σ（D）=0.51%。

圖18 調制沿與符號長度時間測量Fig.18 Measurement of modulation edge and symbol length time

圖19 脈沖寬度與占空比測量Fig.19 Measurement of pulse width and duty ratio

幅度測量誤差：①調制深度與符超調隨機誤差，信號源發(fā)送調制信號，設置調制深度為90%，設置超調為0%， 系統(tǒng)測量到的調制深度和超調數(shù)據(jù)如圖20 所示，調制深度隨機誤差σ0（M）=0.13%，超調隨機誤差σ0（O）=0.188%。 由于模數(shù)轉換采用14位，系統(tǒng)內部有衰減器調節(jié)，幅度系統(tǒng)誤差與隨機誤差相比可忽略不計，故調制深度測量誤差為σ0（M）=0.13%，超調測量誤差為σ0（O）=0.19%。

圖20 調制深度與超調測量Fig.20 Measurement of modulation depth and overshoot

3.3 多標準符合

綜合RFID 自動化測試系統(tǒng)各項指標， 可以符合多個測試標準，詳細見表4。

表4 標準滿足列表Tab.4 Standard satisfaction list

4 結語

文中設計了一種基于RFID 技術的多標準自動化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合多種測試標準，可以滿足多種RFID 產品，為客戶節(jié)約測試系統(tǒng)的開發(fā)，從而節(jié)約成本；友好的自動化的測試設計可以提高產品測試效率。 經過多次實驗和產線長期測試證明，本篇文中設計的測試系統(tǒng)功能多，誤差小，穩(wěn)定性高。