3. RFID協議一致性測試系統總體設計

　　軟件無線電這一關鍵技術的應用，使得RFID協議一致性測試系統能夠突破傳統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協議一致性測試系統的總體結構分為硬件層和軟件層，硬件層即根據具體的測試需要，選取適合的模塊化硬件而構成，軟件層主要包括RFID協議仿真軟件，RFID協議一致性測試軟件和自動化測試管理軟件。

　　3.1 RFID協議一致性測試系統的硬件構架

　　RFID協議一致性測試系統的硬件構架如圖3-1所示：

　　圖3-1：軟件無線電的RFID協議一致性測試系統

　　該系統具有非常簡潔的系統構架，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據及指令，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分析和測試流程的控制。測試過程中主控制器發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制在射頻載波上經電纜或天線發送給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議層各項參數的分析。

　　RFID協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協議一致性測試系統的基本構架。

　　3.2 RFID協議一致性測試系統的軟件構架

　　RFID協議一致性測試系統的軟件構架如圖3-2所示，自硬件驅動層之上，分別在FPGA開發環境和HOST開發環境中實現RFID協議仿真，RFID協議一致性測試和自動化測試管理。

　　圖3-2：RFID協議一致性測試系統軟件構架

　　RFID協議仿真層是整個RFID協議一致性測試的基礎，主要利用FPGA的實時處理能力，仿真實現各種RFID協議的通訊過程，如編碼、解碼，指令構造和解析，協議狀態跳轉等核心功能。RFID協議一致性測試層則根據測試規范的規定，實現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一的控制和調用。

　　雖然不同RFID協議之間的具體實現方式都不盡相同，但得益于軟件無線電技術的高度靈活性，軟件開發過程中可以進行層次化、模塊化的封裝，將對不同RFID協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。

　　4. RFID協議一致性測試系統具體設計

　　在確定了RFID協議一致性測試系統的總體構架之后，我們可以借助于儀器制造商提供的成熟軟、硬件產品，來具體設計RFID協議一致性測試系統的一個實例。一個完整的RFID系統由記錄了識別信息的電子標簽和能夠與標簽之間進行數據交換的閱讀器組成，RFID協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，再根據不同的功能實現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RFID協議一致性測試系統的基礎功能。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，FPGA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協議一致性測試系統的一個具體設計，如圖4-1所示：

　　圖4-1：RFID協議一致性測試系統硬件層的具體設計

　　4.1 RFID標簽協議一致性測試系統的具體實現

　　當被測單元為RFID標簽時，FPGA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標簽協議一致性測試系統的具體功能實現如圖4-2所示，其中括號中為以EPC UHF Class 1 Gen 2協議標準為例的具體算法：

　　圖4-2：RFID標簽協議一致性測試系統的軟件設計

　　在軟件的設計中，仍然采用模塊化的層次結構，FPGA層次主要完成符合RFID協議標準的狀態機，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、協議層測試和流程管理。

　　其中，硬件控制模塊實現對模塊化硬件的控制，包括硬件的配置、觸發采集等；物理層測試模塊實現對信號的物理參數測試，包括時、頻、調制域的各種測量分析；協議層測試模塊實現對信號的協議參數測試，包括數據分析，幀結構分析等。流程管理模塊則與專業自動化測試流程管理軟件（例如TestStand）配合，實現對RFID協議一致性測試項目的管理，以及測試報告的生成等。RFID標簽協議一致性測試軟件的示例如圖4-3所示：

　　圖4-3：RFID標簽協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標簽協議一致性測試系統實現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標簽的物理實現有著密切的關聯。RFID標簽工作時，由天線收集電磁波，經過內部芯片的處理后，再以特定的方式將電磁波向原發射方反射，數據的傳遞則依賴于RFID標簽在兩個不同的阻抗狀態之間快速切換，以此產生變化的電磁波反射。通常每個狀態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閱讀器協議一致性測試系統的具體實現

　　當被測單元為RFID閱讀器時，FPGA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閱讀器協議一致性測試系統的具體實現中，與標簽測試所具有的共性就不再復述，本節中主要專注于RFID閱讀器測試所特有的功能實現。

　　RFID閱讀器協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RFID協議標準都定義為ITF（Interrogator Talk First），即閱讀器先發信號模式，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和流程。在進行RFID閱讀器協議一致性測試時，測試系統需要根據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。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，這就要求系統能夠支持足夠高的數據傳輸數率，并且擁有足夠大的數據存儲容量。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。值得一提的是，在實時流盤軟件的具體設計中，軟件本身的執行效率也是最關重要的，需要進行專門的優化設計。

　　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協議一致性測試系統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。絕大多數閱讀器都提供了以上一種或多種控制接口，在測試過程中，測試系統可以通過通訊接口給被測閱讀器發送控制指令，使之發射所需的射頻信號并進入預期的測試狀態。但該方案在具體實現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，并未形成一個統一的標準，在RFID協議一致性測試系統的設計中實現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之間快速切換來產生后向散射信號。對于測試系統來說，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送射頻信號，而是需要通過某種方式來產生一個向散射信號。事實上，在眾多RFID協議一致性測試規范中，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閱讀器協議一致性測試系統的具體實現中，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。