3. RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)總體設計
軟件無線電這一關鍵技術的應用，使得RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)能夠突破傳統(tǒng)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的總體結構分為硬件層和軟件層,，硬件層即根據(jù)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(xié)議仿真軟件,，RFID協(xié)議一致性測試軟件和自動化測試管理軟件。

3.1 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構架
RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的硬件構架如圖3-1所示：
 
圖3-1：軟件無線電的RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)
該系統(tǒng)具有非常簡潔的系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xù)分析和測試流程的控制,。測試過程中主控制器發(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(diào)制在射頻載波上經(jīng)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(jīng)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，最后通過總線送至主控制器進行物理層和協(xié)議層各項參數(shù)的分析,。
RFID協(xié)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的基本構架,。

3.2 RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件構架
RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)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(fā)環(huán)境和HOST開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)RFID協(xié)議仿真,，RFID協(xié)議一致性測試和自動化測試管理,。
 
圖3-2：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)軟件構架
   
RFID協(xié)議仿真層是整個RFID協(xié)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(xiàn)各種RFID協(xié)議的通訊過程,，如編碼,、解碼，指令構造和解析,，協(xié)議狀態(tài)跳轉等核心功能,。RFID協(xié)議一致性測試層則根據(jù)測試規(guī)范的規(guī)定，實現(xiàn)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(tǒng)一的控制和調(diào)用,。
雖然不同RFID協(xié)議之間的具體實現(xiàn)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(fā)過程中可以進行層次化,、模塊化的封裝，將對不同RFID協(xié)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)具體設計
在確定了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)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(chǎn)品,，來具體設計RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個實例。一個完整的RFID系統(tǒng)由記錄了識別信息的電子標簽和能夠與標簽之間進行數(shù)據(jù)交換的閱讀器組成,，RFID協(xié)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(jù)不同的功能實現(xiàn)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(xiàn)RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)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,，F(xiàn)PGA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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的一個具體設計,，如圖4-1所示：
 
圖4-1：RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)硬件層的具體設計

4.1 RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
當被測單元為RFID標簽時，F(xiàn)PGA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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體功能實現(xiàn)如圖4-2所示,，其中括號中為以EPC UHF Class 1 Gen 2協(xié)議標準為例的具體算法：
 
圖4-2：RFID標簽協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的軟件設計
在軟件的設計中,，仍然采用模塊化的層次結構,，F(xiàn)PGA層次主要完成符合RFID協(xié)議標準的狀態(tài)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(xié)議層測試和流程管理,。
其中，硬件控制模塊實現(xiàn)對模塊化硬件的控制,，包括硬件的配置,、觸發(fā)采集等；物理層測試模塊實現(xiàn)對信號的物理參數(shù)測試,，包括時,、頻、調(diào)制域的各種測量分析,；協(xié)議層測試模塊實現(xiàn)對信號的協(xié)議參數(shù)測試,，包括數(shù)據(jù)分析,，幀結構分析等,。流程管理模塊則與專業(yè)自動化測試流程管理軟件（例如TestStand）配合，實現(xiàn)對RFID協(xié)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(xié)議一致性測試軟件的示例如圖4-3所示：
 
圖4-3：RFID標簽協(xié)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(tǒng)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)有著密切的關聯(lián),。RFID標簽工作時,，由天線收集電磁波,，經(jīng)過內(nèi)部芯片的處理后，再以特定的方式將電磁波向原發(fā)射方反射,，數(shù)據(jù)的傳遞則依賴于RFID標簽在兩個不同的阻抗狀態(tài)之間快速切換,，以此產(chǎn)生變化的電磁波反射。通常每個狀態(tài)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(fā)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(xié)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(diào)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
當被測單元為RFID閱讀器時，F(xiàn)PGA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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中，與標簽測試所具有的共性就不再復述,，本節(jié)中主要專注于RFID閱讀器測試所特有的功能實現(xiàn),。
RFID閱讀器協(xié)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(shù)RFID協(xié)議標準都定義為ITF（Interrogator Talk First）,，即閱讀器先發(fā)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(shù)和流程,。在進行RFID閱讀器協(xié)議一致性測試時，測試系統(tǒng)需要根據(jù)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(tài)。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(xié)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(xù)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(tǒng)能夠支持足夠高的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率，并且擁有足夠大的數(shù)據(jù)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(xiàn),。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(zhí)行效率也是最關重要的，需要進行專門的優(yōu)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)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(wǎng),。絕大多數(shù)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(tǒng)可以通過通訊接口給被測閱讀器發(fā)送控制指令,，使之發(fā)射所需的射頻信號并進入預期的測試狀態(tài),。但該方案在具體實現(xiàn)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(tǒng)一的標準，在RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的設計中實現(xiàn)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(xié)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(tài)之間快速切換來產(chǎn)生后向散射信號,。對于測試系統(tǒng)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(fā)送射頻信號,，而是需要通過某種方式來產(chǎn)生一個向散射信號。事實上,，在眾多RFID協(xié)議一致性測試規(guī)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(guī)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(xié)議一致性測試系統(tǒng)的具體實現(xiàn)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,。