随着RFID技术的快速发展，针对标签的验证需求不断增加，需要被验证的内容包括来自不同供应商的产品之间的互用性，以及特定协议的一致性。而且，当前市场迫切需要改进标签性能。RFID系统的设计者在试图满足这些新生的市场需求时，受到了严峻的挑战。幸运的是，对于RFID技术的旺盛需求，推动了这个行业快速的发展，并促进了技术创新。目前，研究领域以及商用领域的科学家们常常会采用National Instruments公司的测量工具，来实现标签和读取器的特性测试应用。

这篇技术应用文档解释了RFID系统的基本功能，以及通常进行的相关测量。该测量系统的核心是NI PCI-5640R IF收发器，它使用NI LabVIEW FPGA模块程序代码来完成标签或者阅读器的完全仿真。VISN-100 RFID测量系统是实现RFID测量应用的理想解决方案，因为在物理层和协议层的测量方面，它提供了现成的工具包。另外，由于系统是完全软件化的，用户还可以通过配置实现自定义的测量和分析功能。

本文讨论集中在ISO 18000-6C（Class 1, Gen 2）标准，大部分技术原理对于所有RFID标准来说都是通用，可以让您综合掌握RFID测量系统的知识，并深入了解ISO 1800-6C标准。

一、RFID运行原理

由于频率范围和天线设计的不同，RFID标签的形状和尺寸也是千差万别。一个广为人知的准则是：标签的选择要考虑诸多因素，包括如物理环境、读取距离，甚至待标记材料的物理特性。
 
实际上，我们知道有三种RFID标签：有源、无源以及半有源。由于有源和半有源标签使用板载的电源来驱动标签，它们通常可以实现更长的读取距离。而无源标签却通过来自询问器命令信号中的电磁场能量进行驱动。这种技术大大降低了标签的成本，但却限制了读取距离，并给设计人员带来了较大的挑战（虽然克服这个挑战的过程很有趣）。例如，ISO18000-6C标准中所规定的RFID标签即为无源标签。

1. 标签与阅读器的交互：问询周期

RFID系统由标签阅读器（也称为询问器）和标签组成。标签与阅读器之间的所有通信过程都通过无线连接实现，此连接有时被称为空中接口。通过两个设备之间发送和接收的一系列命令信号（整个命令交换的过程称为问询周期），RFID阅读器能够识别一个RFID标签的电子产品编码（Electronic Product Code, EPC）。对于无源标签来说，其基本工作原理是：询问器通过发送一个Query命令发起一个问询周期。Query命令实际上会“唤醒”标签，之后标签会给出适当的响应信息。

很多RFID阅读器以及RFID测量系统实际上使用一种被称为“环行器”三端口RF器件，它可以让发送和接收的前端共用同一个天线。我们发现，许多RFID标准对标签和阅读器之间发送和接收命令的时序信息的要求极其严格。事实上，为了完成一个问询周期，标签和阅读器之间需要传递某种“握手”信号。由于测试仪器也必须要有能力完成同样的“握手”行为，这确实给测试工作带来了一个独特的挑战。询问器的嵌入式处理器需要在一个严格的时间间隔内完成信号的解码，并生成指令。这种设计思路与基于现场可编程门阵列（FPGA）的RFID测量系统非常类似，后者也是通过嵌入式过程来仿真标签或者阅读器。

2. UHF天线特性

RFID设计的难点在于如何提高标签的读取距离。在UHF频段，由于标签的电磁特性（决定了标签性能）会受到其应用的物体所使用材料的影响，这一挑战变得尤为严峻。一般来说，影响标签读取距离的重要因素有两个，其中一个是天线的效率，另一个是天线和芯片（或称为嵌体）之间的阻抗匹配程度。

RFID天线的一个有趣的特点是它们的阻抗往往有很高的电抗性。当电抗性物质被电磁波激发时，标签会把电磁波再辐射到发射源。天线的这种特性对于RFID系统非常有帮助，因为标签可以在没有板载的频率合成器的条件下，以一种简单的机制把电磁波发射回去。这种方法被称为后向散射技术。

RFID标签的天线设计已经成为重要的研究课题。具体来说，这些研究的内容主要是如何调整天线以使其能够在更宽的频率范围内工作。为了最大化标签的读取距离而在设计天线时所做的权衡并不是本文的重点描述对象。

3. 后向散射

后向散射的原理是RFID工作理论中最为有趣的技术之一。利用这种技术，标签可以在无需外接电源帮助的情况下，对询问器的指令做出响应。

第1步：询问器（R）向标签（T）发送指令

问询周期的第1步是由询问器向标签（R->T）发送指令。数字信号的数据通常根据某种机制进行编码，例如曼彻斯特编码（ISO 14443）以及脉冲间隔编码（PIE）（ISO 18000-6C）。经过编码的信号再通过幅移键控（ASK）的某种变种进行调制。例如，根据EPC Class 1, Gen 2（ISO 18000-6C）标准，阅读器可以使用双边带ASK（DSB-ASK），单边带ASK（SSB-ASK），相位反转ASK（PR-ASK）中的任意一个。在这三个选项中，PR-ASK是最为有趣的。这一调制机制对每个符号使用180度的相位转换，以及100%的调制深度，从而实现无差错通信所需的最低C/N要求。

第2步：指令解码

询问器发出指令后，在没有遮挡的情况下，指令将以电磁波的形式传输至标签。到达的电磁波会激发标签的天线，通过一个电压信号整流器后，RF功率会被转换成DC功率。此DC电压会驱动芯片上的控制逻辑（通常是一个状态机），对波形进行解调，并决定正确的下一步指令。此芯片也被称为“嵌体”，它可以被分为若干个功能模块。其中电压整流器将电磁波转化为DC电压。而控制逻辑/状态机决定向阅读器发送的下一条指令。最后，晶体管电路将会对再辐射的电磁波进行调制。

第3步：电磁波的再发射

无源RFID标签技术最吸引人的地方就是可以通过后向散射的方式对询问器的指令进行再调制。由于RFID标签的阻抗被设计成了电抗性（电容性）的，任何传入的电磁波都会通过天线被反射（再辐射）到信号源。因此，当询问器向标签发射电磁波时，电磁波又会被标签反射回询问器。由于这个特点，标签能够通过调制再辐射的电磁波来对消息进行编码。电磁波实际的调制过程是通过嵌体上的晶体管在两个离散的阻抗状态之间快速切换实现的。由于阻抗有阻性和容性两种特性（对应阻抗实部和虚部），标签实际上对再辐射信号的振幅和相位均进行了调制。因此，原来询问器向标签发送的信号经过振幅和相位调制之后，又被发送到询问器。我们注意到，后向散射技术已经推动了针对最优标签雷达截面（RCS）特性的一系列卓有成效的研究。。

在标签的设计过程中有一些要点，理解RFID和后向散射的原理对理解这些要点起到至关重要的作用。比如，标签的振幅和相位双重调制机制就会对阅读器设计决策产生有趣的影响。虽然使用简单的ASK解调算法，阅读器就可以对标签响应信号解调。但如果将相位的变化也考虑在内，就能够改善阅读器的读取距离。此技术要求询问器的发送和接收部分共享同一个本地振荡器。

二、RFID测试仪器

RFID的标签和阅读器均有独特的测试需求，这给工程师的测试工作带来了严峻的挑战。实际上，如今RFID标签的设计验证需要尤其注意对一致性和交互性进行测试。比如，ISO 18000-6C（Class 1，Gen 2）标准允许阅读器之间有一些不同。其中的一些参数很灵活，包括允许的数据传输率、调制策略，甚至RF包络特征。因此，设计验证经常需要对阅读器进行仿真，以保证标签可以在各种标准参数下工作。

一般来说，NI推荐能够对阅读器进行仿真的系统，因为它能够满足所有的测量需要。然而，考虑到某些测试需求，在RFID测试前也需要进行一些仪器配置。

1. RFID“嗅探器”的结构

最基本的RFID标签测试系统使用矢量信号分析仪来“嗅探”询问器和标签之间的空中接口。该系统使用一个“黄金”阅读器或者RFID仿真器来初始化与标签通信的问询周期。在标签和阅读器进行通信的同时，RF矢量信号分析仪负责记录和分析通信信号。

在此测试方案中，矢量信号分析仪被配置为RF触发模式，以便捕获所有询问器和标签之间的通信信号。许多现代的矢量信号分析仪能够进行频域触发，如NI PXI-5661。通过上文描述的测量配置方式，标签与询问器之间的RF通信均可以在时域和频域内进行全面的分析。虽然这项技术可以完成标签或者阅读器的物理层测量，但在一致性和交互性测试中它却一筹莫展。实际上，想要以这种方式来测量标签的特性，为了进行RFID标准要求的大范围的仿真，同样需要大量的“黄金”阅读器。

2. 激励响应结构

RFID测试系统的第二种应用场合在于实现一种简单的激励响应结构。这种配置由矢量信号发生器取代“黄金”询问器。矢量信号发生器可以在产生“询问”命令的同时给矢量信号分析仪发送一个数字触发标记。一旦收到触发信号，矢量信号分析仪就开始捕获RF信号以进行进一步分析。注意到这种应用模式十分常见，因为测量很容易自动化，而且结果具有显著的可预测性。

在激励响应模式下，你同样可以用与“嗅探器”结构一样的方式进行一致性测试。然而，激励响应模式还有一个额外的好处，在此模式下可以对各种询问器到标签的命令进行仿真。由于命令都是由软件产生的，使用矢量信号发生器可以修改物理层的一些特性，比如数据传输率，或者中心频率。激励响应模式的缺点是其只能仿真问询周期的第一个命令，因此无法在这种模式下进行协议一致性测试。对于协议一致性测试来说，完整问询周期范围内标签的实时响应至关重要。此类测量系统将在下一章进行详细描述。

3. 实时询问器仿真

在标签和阅读器测试的方法中，最终的也是最复杂的是对标签和阅读器进行完全的仿真。在这种方案中，RF设备可以像真实的标签和阅读器一样发送和接收命令。这样就可以用其完成物理层测量和全部的协议验证。

协议的测试包括一些分析，比如状态机状态转换的验证，以及链路定时的测量。要想完成这些功能，通过定制的询问器是可行的，但最便捷的方法是使用一个现有的带有FPGA设备的RFID测试仪。FPGA设备和实时基带处理引擎可以保证系统在几个毫秒内完成命令的解码和再传输。此类携带FPGA设备的系统的一个典型是VISN-100测试仪。

为了保证能够对标签和阅读器进行完全仿真，RFID的调制和解调算法由FPGA硬件执行。在上述例子中，算法由NI LabVIEW的FPGA图形编程语言编写。在编译成VHDL语言后，所有测量算法均可以在指定的硬件平台上实时的执行。其中，整个系统中的关键组件是PCI-5640R IF收发器。

三、标签和天线的测量

在标签被应用到很大的频段或者很多种部署对象时，如何能够最大化读取距离，这是RFID标签设计的一个永恒的挑战。总的来说，标签的读取距离是由天线增益、有效面积以及天线和嵌体（芯片）的阻抗匹配程度等诸多因素决定的。在有些实例中，上述因素还会受标签所应用的基质影响。因此，包括匹兹堡大学Excellence and Oden RFID技术中心在内的许多组织，均通过提供顾问服务的方式来服务RFID社区。这样，想要使用RFID技术的公司会寻求一个顾问，帮助他们在针对特定的应用时作出合适的选择。例如选择理想的频段或者最佳的标签部署位置。

推动RFID顾问服务的一个原因是标签开发的基质可以在很大程度上影响阅读距离。也就是说，就算是询问器的等效全向辐射功率（EIRP）完全一致的两个方案，一个工作在915MHz上的标签也有可能在一种应用场合中有4m的阅读距离，而在另外一种应用场合中只有3m的阅读距离。这种现象的原因是阅读距离很大程度上是由芯片和标签天线的阻抗决定的。不幸的是，标签天线的阻抗会受其应用位置的基质影响。因为阻抗是RFID共振频率的一个决定性因素，改变阻抗可以在很大程度上影响阅读距离。因此，RFID系统的实际应用中，经常要求大量的测试以保证标签在不同的应用环境中均能达到预期的阅读距离。

由于RFID系统的阅读距离高度依赖于标签、芯片以及基质的阻抗，对于特定的标签，RFID系统的设计师经常只使用各种技术中的一种以根据基质和频率对标签进行调整和优化。Rao, Nikitin和Lam通过修正天线端的办法调整标签。同样还有一些其它可行的技术。有些标签制造商会故意设计共振频率比标准工作频率高100MHz的RFID UHF（915MHz）标签。在其它案例中，研究者已经发明了一项新技术，能够让标签或者阅读器动态的返回标签的共振频率。

四、协议和一致性测试

虽然使用最基本的物理层测量可以描述RFID标签或者阅读器的RF性能，但在一致性测试中还需要额外的验证。在此类测试中，需要将标签或者阅读器的命令解调，并仿真返回的比特流。一般来说，会使用RFID测量和仿真系统的组合来完成协议和一致性测试。此系统使用FPGA来完成实时基带处理，能够在仿真标签阅读器的同时完成物理层层测量。

1. 物理层一致性测试

通过仿真多种询问器到标签的参数，可以完成标准的一致性测试和多厂商的互操作性测试。ISO 18000-6C （Class 1, Gen 2）标准对RFID标签期望解码的调制信号的要求非常灵活。比如EPC Class 1, Gen 2的章6.3.1.2的空中接口部分，允许询问器使用双边带ASK（DSB-ASK）、单边带ASK（SSB-ASK）或者反向相位ASK（PR-ASK）调制机制。另外，本章还会介绍标签工作中的变量：A类参考时间间隔（Tari）。此变量即数据“零”的时长，其范围在6.25到25um之间。

为了保证一致性，标签必须在标准要求的所有参数组合下测试。通过软件来完成命令的生成是此类测试的一种方法。通过使用软件仿真诸如调制深度、RF脉冲宽度等参数，可以验证标签在很多外部条件下的反应。另外，由于可以设置成自动模式，很快就可以确定标签是否符合标准。

2. 向后散射基带的解调

想要验证标签或者阅读器响应的命令是否正确，首先需要将RF载波信号进行解调。由于向后散射解调技术的原因，标签到阅读器传输过程中的解调有些特殊。向后散射解调技术是指天线采集电磁波后还会将其反射给发送器。由于电磁波向天线反射，晶体管会在两个阻抗状态之间快速切换。由于阻抗有实部和虚部，RF信号在相位和振幅上都会被改变。因此，从RFID标签向后散射的信息使用的是一种PSK调制和ASK调制的结合。将典型的后向散射调制与传统ASK、PSK调制的星座图（史密斯图）进行对比可以说明这点。

由于RFID从标签到阅读器信号传输的调制类型有些不传统，使用软件仪器才能通过自定义的解调算法对数据正确的解码。

第一步：高通滤波

对后向散射数据解码的第一步是让基带波通过高通滤波器。经过高通滤波后，全部直流偏移均被移除，这可以保证基带波能够被传统的PSK解调算法解调。

第二步：时钟恢复

向后散射载波信号解调的第二步是时钟恢复。这实际上是传统PSK解调算法的第一步。在这一阶段，实际上对基带波进行了重新采样，这样每个符号的位置都会与基带样本精确的对齐。时钟恢复，有时也被称为最大拟然算法，经常与匹配滤波器相结合。

注意到，由于询问器的发送和接收链共享同一个LO，一般来说没有必要移除载波信号的频率偏移。由于标签仅仅是将询问器的载波信号进行了再调制，因此，无论是询问器到标签的传输过程，还是标签到询问器的传输过程，均精确的工作在同一个RF频率上。实际上，载波信号唯一的频率偏移是由于标签移动时产生的多普勒效应。在大多数时候，其影响微乎其微，不会干扰信号的解调。

步骤3：按码率抽取

在采样均被对其到理想的位置之后，可以对基带波按码率抽取，以获取最终的符号。抽取之后，基带波的每一个采样都有两个不同状态的样本。

步骤4：符号映射

每一个数字位均根据其相应的相位和振幅与样本对应，符号即是如此被映射成二进制信息的。从数学的角度来看，信号映射实际上只不过是通过将每一个合成信号的相位与临界相位值比较完成的。标签到阅读器传输信号的解调可以将RF信号直接转化成数字的比特流。此转化过程是RFID协议测试的关键，因为其包含了对标签所传输的包是否正确的验证。

3. 使用阅读器仿真进行协议测试

由于RFID标准本身的灵活性以及对多厂商产品互操作性的需求，协议测试成为了RFID产品开发的一个重要阶段。比如，ISO 18000-6的C类协议就让阅读器和标签可以工作在多种环境中。此标准允许询问器以多种码率发送数据。另外，此标准还要求标签在规定时间内完成对多种询问器命令的响应。这里的规定时间是由询问器的初始命令决定的。最后，一些RFID标准规定了标签和阅读器必须支持的和可选的命令。协议测试实际上就是验证标签在功能上能够与所使用的协议兼容的过程。

从仪器的角度来看，进行协议测试要求RFID测试系统能够对阅读器和标签进行完全仿真。虽然可以使用激励-响应模式的仪器系统测量基本物理层特性，但协议测试要求能够对阅读器和标签之间的问询周期进行完整的仿真。因此，测量系统能否对标签阅读器的全部功能进行仿真非常关键。而在大多数时候，“黄金”标签阅读器无法完成这个任务，因为它不具有仪器化系统那样可编程所带来的灵活性。另外，由于缺少矢量信号分析仪，使用“黄金”阅读器的系统也没有RF信号测量的能力。

协议测试的理想方法是使用联合仿真测试系统，如VI Service Network公司提供的VISN-100 RFID测试仪。正如我们在仪器系统那一章简要介绍过的，VISN-100 RFID测试仪基于PCI-5640R RF收发器。此收发器同时具有IF输入和输出通道，可以连接外部的上变频器（NI PXI-5610）和下变频器（NI PXI-5600）模块。此产品一个显著的特点是其转换器的IF输入输出通道均被直接连接到LabVIEW FPGA上。FPGA可以完成所有的基带信号的处理，同时实时地对RFID标签收发的命令进行完全的仿真和解调。

4.数据传输率验证

ISO 18000-6C标准明确规定了标签与询问器通信的数据传输率范围。另外，其还规定了RFID阅读器在同一个问询周期内必须采用一个样的数据传输率。在询问器到标签的通信过程中，询问器使用PIE算法编码，以便于标签解调。

根据ISO标准，只要Tari值在6.25到25us之间，标签就需要对命令做出响应。因此，多厂商的互用性测试也就是要求验证标签在各种可能数据传输率下的性能。通过对6.25到25us之间的Tari取值进行激励-响应测量以进行多个询问器的仿真，这是一种典型的测试顺序。在针对每一个Tari值的测量步骤中，均可以从功能上完成响应的验证，以及标签物理层特性上的测量。

5. 链路时序验证

链路时序特性的验证是一系列要求对RFID询问器完全仿真的测试。在ISO 18000-6C标准中规定了标签与阅读器相互通信时间的最大值和最小值。为此，对标签和阅读器之间的整个问询周期的完全仿真非常重要。这种情况下，简单的激励-响应测量失去了作用，因为某一个命令到下一个命令的链路时序可能会发生变化。因此，为了验证标签和阅读器之间所有通信的链路时序均满足标准的要求，需要对问询周期进行完全的仿真。

除了测量问询周期的链路时序特性，此系统还可以对标签在不同链路时序时的响应进行仿真。使用软件仿真，RFID测试系统可以为每一个询问器到标签的通信配置自定义的T2和T4链路时间。通过使用ISO18000-6C标准规定范围内的参数，可以验证标签是否与协议一致。

无论是测试标签还是测试阅读器，都必须考虑四个链路时序参数。这些参数（即1, T2, T3, and T4）是由数据传输率决定的。

6. 标签命令和状态机的验证

协议测试的终点是标签命令和状态机的验证。ISO18000-6C标准规定，RFID标签要对预定义的命令做出预定义的响应。之前章节中提到，RFID标签会对Query命令响应RN16命令。此时，标签会进入应答状态，此状态决定了标签如何响应下一个命令。ISO标准一共定义了七个标签状态，分别为：就绪，仲裁，应答，确认，开放，保护和死亡。

7. RFID测试供应商和第三方公司

为了满足测试需求，你可以以多种方式使用RFID测试系统。有些NI客户使用一个标准的PXI RF矢量信号分析仪和RF矢量信号发生器来完成物理层RFID协议的应用，但是你同样也可以使用现成的解决方案完成这个任务。NI推荐使用VI Service Network公司的NI-VISN-100 RFID测试仪。

五、结论

RFID标签测试的独特挑战引导了一系列测试方法的研究。从简单的使用矢量信号分析仪进行报文“嗅探”，到完全的询问器仿真，越来越复杂的测试设备也提供了更加强大的测试能力。因此，在进行RFID标签检验和验证前，有必要根据待测量小心的选择合适的测量硬件。对于包括物理层和协议验证的综合性测试，NI推荐NI-VISN-100 RFID测试仪。查询进一步信息，请访问官方网站http://www.ni.com/。

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