RFID协议一致性测试系统设计（一） - 全文

　　1. RFID协议一致性测试系统发展现状

　　近年来，RFID技术得以快速发展，已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。随着制造成本的下降和标准化的实现，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趁势，这也给RFID测试领域带来了巨大的需求和严峻的挑战。负责制订RFID标准的两大主要国际组织ISO和EPCglobal都针对RFID协议一致性测试及其系统设计发布了相关的规范。

　　1.1 RFID协议一致性测试的相关规范

　　RFID协议一致性测试规范是随着RFID协议标准的发展而发展起来的，测试规范的目的即确定被测单元的特性与协议标准的规定一致。ISO和EPCglobal都根据已发布的RFID协议标准制订了对应的测试规范，用于指导进行规范、可靠的RFID协议一致性测试。由于不同RFID协议的调制参数、编码方式、防冲突机制、帧结构、指令集等都各不相同，且不同频段的RFID产品可能具有完全不同的特性，所以每一种协议都有其对应的一致性测试规范，如表1-1所示：

　　载波频率协议标准协议子类一致性测试规范

　　134.2kHzISO 11785 / ISO 14223HDX / FDXISO 24631

　　125kHz， 134.2kHzISO 18000-2Type A / BISO 18047-2

　　13.56MHzISO 14443Type A / BISO 10373-6

　　13.56MHzISO 15693 / ISO 18000-3Mode 1 / 2ISO 10373-7 / 18047-3

　　433.92MHzISO 18000-7ISO 18047-7

　　860-960MHzISO 18000-6Type A / B / CISO 18047-6

　　860-960MHzEPC UHF Class 1 Gen 2EPC UHF C1G2 Conformance

　　2.45GHzISO 18000-4Mode 1 / 2ISO 18047-4

　　表1-1：RFID协议标准对应的一致性测试规范

　　RFID协议标准中规定了包括物理层和协议层在内的各项特性，而一致性测试规范中则规定了测试环境、测试项目和测试预期结果，根据测试规范列举的测试项目，通过比较被测单元的实际输出与预期输出的异同，来判定被测单元是否与协议标准的规定一致。

　　除此之外，每个国家或地区还会有特定的RFID产品规范，会对产品的功率、频率、带宽等参数进行限制，该规范所规定的各项技术指标也属于RFID协议一致性测试的范畴。对于在中国销售和使用的RFID产品，国家信息产业部于2007年发布了“800/900MHz频段RFID技术应用试行规定”，以规范该频段RFID 产品的应用。

　　1.2 RFID协议一致性测试系统面临的困难与挑战

　　对于大多数已长期应用的无线通讯系统，如GSM等，传统测试仪器制造商已能够为其提供综合测试仪。典型的协议一致性测试配置包括一台综合测试仪和被测设备，其中综合测试仪作为主单元，被测设备作为从单元，两者之间通过射频电缆相连或通过天线经空中传输相连，在建立通讯链路的基础上进行参数的设置及测试。RFID技术作为无线通讯的新兴领域之一，其协议一致性测试目前仍然较多的依靠信号发生器、频谱仪和示波器等传统仪器的组合，但由于RFID技术在具有无线通讯所共有的特性之外，又有着其独有的特殊性，采用传统仪器的组合很难构建出完善的协议一致性测试系统。

　　首先，RFID阅读器与标签的测试与传统设备的测试差异较大，以EPC UHF Class 1 Gen 2标准为例，阅读器和标签通讯的时序如图1-1所示：

　　

　　图1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通讯时序

　　整个实时通讯过程在数毫秒内即全部完成，其中包含了2条指令以及2条应答交互的实时握手操作，即Query（指令）→RN16（应答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（应答），其中链接时间T1和T2都在微秒量级。根据协议标准，ACK指令中必须正确包含前一条应答中的16位随机数，且在规定的链接时间T2之内反馈给标签，否则通讯将失败。因此采用预生成信号的方式无法完成实时通讯过程，测试系统必须具有在极短的时间内实时生成信号的能力，传统的信号发生器无法满足该协议的时序要求。

　　其次，RFID协议一致性测试的关键在于测试的完整性，必须根据一致性测试规范对被测单元进行完整的物理层和协议层测试。传统仪器通常只能够完成对物理层参数的测试，而由于其灵活性的局限无法对协议层参数进行测试。另一方面，由于测试条件众多，对于单个参数，如链接时间等，需要在不同频率，不同码率，不同编码方式等情况下分别进行测试，这就使得测试点成几何级数增长。如果采用传统仪器进行手动测试，完成完整的协议一致性测试将需要很长的时间，如何提高测试速度也成为了RFID协议一致性测试系统的课题之一。

　　再次，RFID协议标准种类众多，有适用于近距离通讯的LF、HF频段标准，还有适用于远距离通讯的UHF、Microwave频段标准，各个频段内的标准还由于工作模式、数据传输等的不同而不同。每一种RFID协议都有自己独特的测试需求，在ISO和EPCglobal制订的各个RFID协议一致性测试规范中，对一致性测试系统的描述和要求也不尽相同。RFID协议标准的多样性为协议一致性测试系统带来了巨大的挑战，如何用一个通用测试平台来覆盖所有的RFID协议标准，可靠的实现RFID协议一致性测试，是亟需解决的一个问题。

　　最后，RFID技术本身还在不断演进，包括ISO和EPCglobal在内的国际组织，以及RFID领域的领先企业，还在不断的完善现有协议，发展新协议，如即将发布的EPC HF Class 1 Gen 2标准将作为Mode 3对ISO 18000-3标准进行扩展。新协议的出现，又会带来新的物理层空中接口规定和协议层数据交换标准，因此需要一个灵活可扩展的测试平台与之相适应，使之不仅能实现对现有RFID协议的一致性测试，也能快速应对下一代RFID协议的测试需求。

　　2. RFID协议一致性测试系统概述

　　目前应用于RFID协议一致性测试的系统主要有以下几种构架方式，即：成功/失败模式、监听模式、激励/响应模式、实时仿真模式，依次覆盖了从简单到复杂不同层次的一致性测试需求。本节中我们将对比不同构架的特点及其局限性，并引入软件无线电等关键技术，结合各种测试构架来应对RFID协议一致性测试中面临的困难与挑战。

　　2.1 RFID协议一致性测试系统的构架方式

　　1. 成功/失败模式

　　最简单的RFID协议一致性测试系统采用一个参考阅读器与被测标签之间进行通讯，得出通讯成功或失败的结果，以此判定被测标签的特性，或反之采用参考标签判定被测阅读器的特性。成功/失败模式如图2-1所示：

　　

　　图2-1：成功/失败模式

　　该测试模式的特点是系统构成简单，测试时间极短，适合于生产线等对测试速度要求很高的测试场合。但其缺点在于测试项目少，测试结果简单，仅能提供被测单元是否正常工作的信息，对于判定被测单元的协议一致性来说是远远不够的。另外，当遇到测试结果为失败时，由于无法分析失败的原因，不能够对被测单元的改进提供有用的信息。

　　2. 监听模式

　　严格来说，成功/失败模式并未真正构成RFID协议一致性测试系统，该模式更多的只作为一种辅助的测试手段。针对成功/失败模式的不足，我们可以在它的基础上增加频谱仪和示波器等仪器，构成监听模式。进一步的，我们可以采用矢量信号分析仪等高级信号分析仪器替代频谱仪和示波器，以获得更加强大的信号分析能力。在该测试模式中，当参考单元和被测单元之间进行数据交换时，我们可以通过第三方仪器对通讯的信号进行采集和分析。监听模式如图2-2所示：

　　

　　图2-2：监听模式

　　该测试模式能够实现的协议一致性测试功能主要取决于两个要素，首先是矢量信号分析仪。RFID协议一致性测试，要求矢量信号分析仪不仅具有传统的时域和频域分析功能，还需要具有针对RFID协议的解调和解码功能，才能获得通讯过程中的数据。同时，矢量信号分析仪还需要具备适合于RFID信号的同步触发采集功能，如射频功率触发或频谱模板触发。由于几乎所有RFID信号都是间断的瞬时信号，具有射频功率开启标志着通讯开始的共同特征，射频功率触发已成为最常用的触发采集方式。除此之外，由于RFID阅读器和标签之间的通讯速率很快，受限于矢量信号分析仪的操作和信号处理速度，监听模式下无法实现对信号的实时分析，而只能采用实时采集，离线分析的方式，因此矢量信号分析仪的信号存储能力就显得至关重要了。

　　监听模式在弥补了成功/失败模式的不足的同时，也存在着同样的局限性，即该测试模式的另一个要素，参考单元（阅读器或标签）。在RFID协议标准中，对于大多数参数的规定，都采用了灵活组合的方式，即阅读器和标签都可以在宽泛的范围内进行操作，如不同的调制参数、编码方式、数据速率、强制的和可选的指令集等。需要说明的是，协议标准规定阅读器和标签并不需要同时支持所有的参数组合方式，而由于研发和生产成本等因素的制约，实际的RFID产品也无法支持所有的参数组合方式。

　　参考单元的选择很大程度上决定了该测试模式的效果，但寻找一个包含了所有功能的“完美”参考单元几乎是不现实的。退一步来看，即使找到了“完美”参考单元，对于完成RFID协议一致性测试来说还是不够的，因为在协议一致性测试中，不仅需要测试协议规定的正确通讯流程，还需要执行非正常流程来测试被测单元在特定条件下的反应。

　　受参考单元功能限制的影响，监听模式很难实现全面的协议一致性测试，但对于协议一致性测试来说，测试的完整性却又是必须保证的。因此，监听模式只适合于基本的物理层测试，如不依赖于标签应答的阅读器射频参数等。

　　3. 激励/响应模式

　　RFID协议一致性测试系统的第三种实现是激励/响应模式，在这种模式下，参考单元被矢量信号发生器所取代，矢量信号发生器可以发射特定的RFID信号给被测单元，并同时给矢量信号分析仪发送一个数字触发标志，在收到触发时矢量信号分析仪开始同步采集通讯信号以进行分析。激励/响应模式如图2-3所示：

　　

　　图2-3：激励/响应模式

　　该测试模式在各类测试应用中是比较常见的，因为这种测试模式具有很强的可控性并且容易实现自动化测试。与被动的监听模式不同，激励/响应模式能够主动的发射所需的激励信号，以此获得一个预期的响应信号，可以有效的提高信号分析工作的效率。对比于分析一个已知的预期信号，被动的分析一个未知信号往往要花费成倍的运算量与处理时间。激励/响应模式的可控性，还在于它可以通过激励信号主动的控制被测单元的状态，进而控制整个测试的流程，这也是自动化测试必不可少的条件。

　　在使用矢量信号发生器替代参考单元之后，监听模式下最大的局限性也得以改善。现代的矢量信号发生器通常都是支持程控的，可以通过软件来自由的控制各种物理层参数，仿真不同RFID协议的阅读器指令或标签应答，而矢量信号发生器和矢量信号分析仪的协同工作，也使得协议层参数的控制成为可能。进一步的，该模式下还能够执行非正常流程，测试被测单元的错误处理机制，进行完整的协议一致性测试。

　　激励/响应模式的优势显而易见，这也使它成为RFID协议一致性测试的最佳方案，此外还可以用于RFID互操作性测试和性能测试。但基本的激励/响应模式仍然有一个问题尚未解决，即RFID协议标准中的实时握手通讯过程，因此只能适用于大多数不需要实时握手通讯的RFID协议一致性测试。

　　4. 实时仿真模式

　　作为激励/响应模式的衍生和改进，实时仿真模式采用了通用的基于FPGA的基带处理器，同时替代了矢量信号发生器的信号发生模块和矢量信号分析仪的信号分析模块，配合射频前端协同工作。对于射频前端部分，可以采用具有基带信号输入功能的矢量信号发生器和具有基带信号输出功能的矢量信号分析仪，或直接采用独立的射频上变频器和射频下变频器，通过基带信号接口与FPGA基带处理器相连接。实时仿真模式如图2-4所示：

　　

　　图2-4：实时仿真模式

　　该测试模式最大的特点是将原本分离的信号发生和信号分析模块合二为一，在同一个基带处理器上依靠FPGA强大的实时处理能力，实现了从信号仿真到信号测量的全部功能，并且实现了从信号分析到信号发生的实时反馈，最终解决了RFID协议一致性测试中的实时握手通讯问题。除此之外，信号发生和信号分析模块的一体化，还为进一步提高测试速度提供了可能，FPGA的灵活可编程特性，也为快速应对未来RFID协议的测试需求提供了保障。

　　2.2 RFID协议一致性测试系统的关键技术

　　嵌入FPGA基带处理器的实时仿真模式，实质上是引入了“软件无线电”这一关键技术。所谓软件无线电技术，即通讯过程的信号由软件来确定，是一种用软件实现物理层链接的无线通讯设计。软件无线电技术的核心是将宽带A/D、D/A尽可能靠近天线端，采用软件数字化的实现尽可能多的无线电功能，其中心思想是在一个标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多模式无线通讯功能的开放式体系结构。

　　1992年5月在美国通讯系统会议上，约瑟夫•米托拉首次明确提出了“软件无线电”的概念。随着计算机技术的普及，软件无线电技术快速发展，特别是在测试测量领域以其独特的优势得到了越来越广泛的运用。软件无线电技术的主要优点在于它的灵活性，可以通过增加软件模块，方便地增加新功能。在软件无线电中，诸如信道带宽、调制参数、编码方式等都可以进行动态调整，以适应不同通讯或测试的需求。软件无线电技术具有较强的开放性，由于采用标准化、模块化结构，其硬件可以随器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要不断升级，能够有效的降低系统的开发升级成本，提高资源的重复利用度，节约开发时间。

　　软件无线电作为一种开放式构架，在不同的具体应用中其体系结构也会稍有差异， 借鉴ITU-R SM.1537标准对软件无线电接收机的定义，我们可以看到适用于各种软件无线电系统的一般准则，如图2-5所示：

　　

　　图2-5：软件无线电（接收机）的体系结构

　　软件无线电的体系结构包含三个关键要素：模块化硬件，开放高速总线，数字信号处理，以下将依次介绍各要素的特点及其对RFID协议一致性测试系统的影响。

　　1. 模块化硬件

　　随着无线通讯技术的高速发展，对于测试测量也提出了更高的要求，测试项目和范围与日俱增，测试精度和速度要求急剧提高。在测试系统中，对仪器的“智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向计算机靠拢，测试系统中包含的重复部件也越来越多，因此需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下，1982年首次出现了一种与PC机配合使用的模块化仪器，测试系统的结构逐渐也从传统的机架层迭式结构发展成为模块化硬件结构。

　　基于模块化硬件的测试系统通过选择合适的硬件模块并在标准的软件环境中定制测试程序，即可满足各种具体的应用需求，采用模块化硬件构建的测试系统比传统仪器具有更高的同步特性、数据吞吐量、测量精度和灵活性。在RFID协议一致性测试中，以实时仿真模式为例，我们可以选择模块化的FPGA基带处理器、模块化的射频上变频器、模块化的射频下变频器来构成集成的测试系统。灵活的模块化硬件结构也为系统提供了良好的扩展性， FPGA基带处理器可以满足不断演进的RFID协议，通用的射频前端则提供了HF、UHF 以及Microwave等多种频率接口。

　　2. 开放高速总线

　　仅模块化硬件并不足以构成一个完整的测试系统，模块化硬件之间还需要开放的高速总线来连接成为一个有机的整体，在测试测量技术发展的过程中，先后出现了GPIB、VXI、PXI、PXI Express等多种仪器总线。

　　早在机架层迭式结构的阶段，人们就认识到几乎不可能采用独立仪器来实现一个完整的测试系统，提出了采用不同仪器组合，通过仪器总线来构建测试系统的方法。最早于60年代中期发展起来的惠普接口总线（HP-IB）是第一种被广泛应用的仪器总线，也被称为GPIB，它能够把最多15台仪器连接到一台控制器上，最高数据传输速率为1MB/s，许多仪器制造商提供了大量支持GPIB总线的测试仪器。GPIB总线的主要局限在于它的带宽，在应用于高数据流量的测试场合，如无线通讯测试时，可能成为系统的瓶颈。在模块化硬件结构基础上，则发展出了基于VEM总线的仪器扩展平台VXI总线，基于PCI总线的仪器扩展平台PXI总线，以及基于最先进的PCI Express总线的仪器扩展平台PXI Express总线。

　　PXI总线在每一个桥段上允许连接7个外围设备，使用PCI-PCI桥接后最多可以有256个扩展设备，能够达到132 MB/s的最大数据传输速率。在大幅度提高总线带宽的同时，PXI总线还加入了多背板同步时钟，把10MHz的参考时钟分布到所有的外围设备上，并且有8条可选择的总线触发线。PXI Express总线在具有PXI总线一系列优点的基础之上，更进一步的把最大数据传输速率提高到了数GB/s级别。在RFID协议一致性测试中，通讯过程通常在毫秒量级的时间内即完成，这就要求测试系统的各个组件之间具有可靠的高速同步机制，对于脱离开放高速总线的系统来说，精确的同步机制通常很难做到。另一方面，通讯信号的采集分析需要较高的采样率来保证信号的完整性，由此而带来的高数据流量也得益于开放高速总线而解决。

　　3. 数字信号处理

　　强大的数字信号处理是软件无线电技术的关键，具体又分为固化于模块化硬件上的硬件数字信号处理，以及运行于FPGA和CPU上的软件数字信号处理。在无线通讯测试领域，数字上变频（DUC）和数字下变频（DDC）是最常见的两种硬件数字信号处理功能。DUC可通过硬件进行正交数字上变频和基带信号插值， DDC可通过硬件进行正交数字下变频和基带信号抽取，从而大大降低信号的数据量，减少数据处理和传输时间。DUC和DDC的应用价值在于，在实际的射频测试仪器的实现中，出于抗干扰等一系列因素的考虑，A/D、D/A的转换通常并非直接在基带完成，而是在介于基带和最终射频信号之间的某一“中频”信号下完成，具体可参阅相关射频技术书籍。DUC和DDC实现了数字基带信号和数字中频信号之间的双向转换，此功能极大的提高了RFID协议一致性测试系统的性能。

　　运行于FPGA和CPU上的软件数字信号处理则能够完成基带信号相关的分析处理功能，其中 FPGA具有可配置的触发、定时和板载决策，能够实时地控制I/O信号，特别适合于RFID协议一致性测试中实时处理功能的构建，各种复杂的数字滤波、调制/解调、编码/解码、CRC以及逻辑控制算法在FPGA上都得以实时执行。CPU对于各种通用软件的强大支持特性，非常适合于完成复杂的非实时信号处理工作，以及构建上层的测试应用程序，如运用测试管理软件来组织RFID协议一致性测试众多的测试项目，实现复杂的自动化测试系统。