0 引言

    射頻識別(RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，根據(jù)工作頻率的不同，劃分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)等不同類別。超高頻RFID工作在800/900 MHz無線電頻段，廣泛用于倉儲、物流、追溯、防偽、安全等領(lǐng)域^[1，2]。

    我國在超高頻RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范方面，繼無線電頻段規(guī)劃文件《800/900 MHz頻段射頻識別（RFID）技術(shù)應(yīng)用規(guī)定（試行）》于2007年公布后，包含自主知識產(chǎn)權(quán)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768-2013《信息技術(shù) 射頻識別800/900 MHz空中接口協(xié)議》也于2014年5月1日開始正式實施。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了840 MHz~845 MHz和 920 MHz~925 MHz頻段射頻識別系統(tǒng)空中接口的物理層和媒體訪問控制層參數(shù)以及協(xié)議工作方式^[3]。

    在政府引導(dǎo)和業(yè)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用各方面力量的共同推進(jìn)下，符合GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)的射頻識別電子標(biāo)簽和讀寫器產(chǎn)品已陸續(xù)推出并得到應(yīng)用。隨著應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電子標(biāo)簽及讀寫器產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空口指標(biāo)、產(chǎn)品性能、可靠性等方面存在的質(zhì)量差異，導(dǎo)致應(yīng)用中出現(xiàn)識讀率低、讀取性能差、工作不穩(wěn)定等質(zhì)量問題，最終影響終端用戶對該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的使用信心。通過開展對產(chǎn)品質(zhì)量的測試和檢驗工作，進(jìn)而促進(jìn)整體質(zhì)量水平提升，對維護(hù)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有著極為重要的意義。

    RFID測試包括標(biāo)準(zhǔn)符合性、產(chǎn)品性能、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面。其中符合性測試用于驗證RFID產(chǎn)品的通信相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之間的符合性，是RFID產(chǎn)品互聯(lián)互通的最基本保證。

    超高頻電子標(biāo)簽與讀寫器之間采用了無線電通信方式，這必然要求系統(tǒng)中的標(biāo)簽和讀寫器都遵循相同的空中接口和通信協(xié)議，并保證空中接口的關(guān)鍵特性指標(biāo)和協(xié)議格式在標(biāo)準(zhǔn)要求的限值范圍之內(nèi)，才能確保標(biāo)簽與讀寫器之間的穩(wěn)定互聯(lián)互通^[4-7]。

    目前， ISO/IEC 18000-6^[8]是與GB/T 29768具有近似工作原理的超高頻RFID技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)。但兩個標(biāo)準(zhǔn)在工作頻段、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)編碼、前導(dǎo)碼、反向鏈接頻率、命令結(jié)構(gòu)、防碰撞算法等技術(shù)細(xì)節(jié)上，仍存在著較明顯差異。

    ISO/IEC 18047-6^[9]是針對ISO/IEC 18000-6規(guī)定的空中接口、通信協(xié)議等技術(shù)指標(biāo)而提出的一系列測試方法標(biāo)準(zhǔn)，主要從信號級、邏輯級以及通信級進(jìn)行分類測試。ISO/IEC 18047-6的測試方法對于開展GB/T 29768產(chǎn)品的測試工作具有一定的參考價值，但全盤照搬也是明顯不可行的。

    為此，本文重點(diǎn)分析了GB/T 29768的主要技術(shù)指標(biāo)和測試需求，研究了測試系統(tǒng)架構(gòu)、測試步驟、數(shù)據(jù)分析等測試方法過程，開展了實際測試驗證分析，以期為符合我國超高頻國家標(biāo)準(zhǔn)的RFID產(chǎn)品的符合性測試提供參考。

1 測試指標(biāo)分析

    超高頻RFID電子標(biāo)簽與讀寫器之間為雙向無線通信，對于該類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)符合性測試工作，是在采集標(biāo)簽和讀寫器之間通信信號的基礎(chǔ)上，從中測量得到空中接口和通信協(xié)議關(guān)鍵指標(biāo)的實際值，并與標(biāo)準(zhǔn)中的約定值進(jìn)行比較和判別的過程。

    作為測試方法研究的基礎(chǔ)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，從GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)中提取了16項讀寫器到電子標(biāo)簽的物理層和媒體訪問控制層的關(guān)鍵指標(biāo)，以及10項電子標(biāo)簽到讀寫器的物理層和媒體訪問控制層的關(guān)鍵指標(biāo)，作為檢測方法制定的最基本依據(jù)。主要測試指標(biāo)見表1。

2 測試方法

2.1 測試系統(tǒng)架構(gòu)

    超高頻RFID技術(shù)采用了“讀寫器先講”和“載波調(diào)制”的半雙工交互通信模型，即：讀寫器在發(fā)出命令后，持續(xù)發(fā)送未調(diào)制的射頻載波，標(biāo)簽從讀寫器發(fā)送的射頻載波中獲得工作能量，并將標(biāo)簽對讀寫器命令的響應(yīng)數(shù)據(jù)使用反相散射方式調(diào)制在載波信號上，將結(jié)果反饋給讀寫器。這意味著，在測試工作中，單獨(dú)的被測品將不能完成通信的全過程，需要使用激勵/應(yīng)答設(shè)備與被測品之間配合建立完整的交互通信。各項空中接口參數(shù)的測量儀器則處于監(jiān)聽位置，采集和記錄標(biāo)簽與讀寫器之間的通信信號，從中測量出需要的指標(biāo)。

    根據(jù)以上思路，給出測試系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。測試天線、RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器天線的中心處于同一直線上，即天線之間應(yīng)處于最佳耦合；標(biāo)簽與讀寫器之間的距離d2應(yīng)滿足天線遠(yuǎn)場條件，此距離應(yīng)大于3倍的超高頻RFID工作頻率的無線電波波長；測試天線和讀寫器天線分別放置于被測標(biāo)簽的兩側(cè)，以盡量減小測試天線接收到的讀寫波信號幅度，避免大幅度的載波信號影響測量儀器對于小幅度的標(biāo)簽反向散射信號的辨識；標(biāo)簽到測試天線的距離d1的確定，以獲取盡量大幅度的標(biāo)簽反相散射信號為宜。

    由于在GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)要求的工作頻段附近，分布著手機(jī)、對講機(jī)、集群通信等較大功率的無線電信號，為避免環(huán)境電磁干擾對測量工作的干擾和對測試準(zhǔn)確性的影響，以上采用輻射監(jiān)聽方式的測試系統(tǒng)，應(yīng)在滿足工作距離要求的電波暗室或屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行。測試環(huán)境的環(huán)境噪聲指標(biāo)應(yīng)達(dá)到0.5 GHz～2 GHz，在10 kHz帶寬測量的噪聲幅值的最大值為-60 dB；標(biāo)簽反向散射的主信號頻率周圍噪聲幅值的最大值為-90 dB。

    相比常規(guī)方式，本架構(gòu)還做了以下優(yōu)化：

    (1)綜合測試儀選用混合域示波器。相比常規(guī)無線電測試系統(tǒng)中使用頻譜分析儀、示波器和矢量信號分析儀來分別采集和測量不同特性的指標(biāo)，混合域示波器既能夠滿足超高頻RFID測試中對于頻域特性、時域特性和調(diào)制域特性等數(shù)據(jù)的采集要求，同時減少了多臺儀器之間的協(xié)同成本及系統(tǒng)的建設(shè)成本。

    (2)使用標(biāo)準(zhǔn)讀寫器或標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽作為被測標(biāo)簽的激勵/應(yīng)答設(shè)備。通過分析被測品在測試過程中的激勵和應(yīng)答要求，確定這些要求均在標(biāo)準(zhǔn)約定的參數(shù)范圍之內(nèi)。因此，這樣的架構(gòu)并不會影響測試系統(tǒng)的測試靈活性和覆蓋范圍。同時，相比常規(guī)無線電測試系統(tǒng)中使用矢量信號發(fā)生器作為激勵/應(yīng)答設(shè)備的方式，極大降低了測試系統(tǒng)的構(gòu)成成本和復(fù)雜程度，具有更好的可實現(xiàn)性。

2.2 RFID電子標(biāo)簽測試系統(tǒng)

    被測品為RFID電子標(biāo)簽時，按圖1構(gòu)建測試系統(tǒng)。被測標(biāo)簽置于測試天線與讀寫器天線的中間位置；標(biāo)準(zhǔn)讀寫器使用預(yù)先通過測試、符合GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求的普通RFID讀寫器。標(biāo)準(zhǔn)讀寫器應(yīng)能夠在測試軟件控制下單獨(dú)發(fā)出測試所需要的讀寫器命令或命令組合，從而控制讀寫器的工作頻率、調(diào)制方式和定時參數(shù)。

2.3 RFID讀寫器測試系統(tǒng)

    在被測品為RFID讀寫器時，同樣基于圖1的測試系統(tǒng)架構(gòu)，但圖1中被測RFID標(biāo)簽的位置替換為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽，即預(yù)先通過測試并符合GB/T 29768標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求的普通超高頻RFID電子標(biāo)簽，而被測讀寫器則放置于原標(biāo)準(zhǔn)讀寫器的位置。

2.4 測試步驟

    在按照圖1構(gòu)建測試系統(tǒng)后，對于標(biāo)準(zhǔn)中不同參數(shù)的測試，其測試操作步驟基本一致，區(qū)別僅在于采集和測量的參數(shù)不同。以標(biāo)簽?zāi)骋粎?shù)的測試為例，其基本測試步驟為：(1)連接測試系統(tǒng)；(2)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)讀寫器的參數(shù)，使其符合測試項目需要的參數(shù)配置；(3)標(biāo)準(zhǔn)讀寫器發(fā)送單個的啟動查詢命令或命令組合；(4)設(shè)置測量儀器參數(shù)，使其工作到相應(yīng)的信號分析模式；(5)等待測量儀器觸發(fā)，采集通信過程射頻信號；(6)分析采集到的信號，檢查被測標(biāo)簽是否正確響應(yīng)讀寫器命令；(7)從采集到的信號中，測量和計算得到測試項目的值；(8)循環(huán)執(zhí)行步驟(2)～步驟(7)，使測試覆蓋被測品的每一種可能的工作情況（如不同的工作頻點(diǎn)、不同的定時參數(shù)等）。

3 實際測試驗證分析

    基于上述方法，對超高頻電子標(biāo)簽及讀寫器進(jìn)行了實際測試，采集到讀寫器與標(biāo)簽之間通信過程的射頻信號時/頻混合域波形如圖2所示。

    對照標(biāo)準(zhǔn)中對通信過程的約定，圖2上半部的時域波形可以分為：開載波（A）、讀寫器命令（B）、標(biāo)簽應(yīng)答（C）和關(guān)載波（A′）四段。對其分析測量可獲取讀寫器到標(biāo)簽、標(biāo)簽到讀寫器的空中接口和協(xié)議的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。工作頻率、占用信道帶寬、信道中心頻率、臨道泄露比、最大發(fā)射功率ERP、帶外雜散發(fā)射等頻域指標(biāo)，則從圖2下半部分的頻譜圖中測得。整體的測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行比對分析，判斷空口和協(xié)議是否符合GB/T 29768的規(guī)定，即標(biāo)準(zhǔn)符合性。

3.1 讀寫器到標(biāo)簽的參數(shù)指標(biāo)驗證分析

    分析、測量圖2中的A、A′、B段，可得到讀寫器到標(biāo)簽的參數(shù)指標(biāo)。

    (1)圖2中的A段是讀寫器打開載波時的射頻信號包絡(luò)，可以從信號包絡(luò)上測量包絡(luò)上升時間、穩(wěn)定時間、紋波過沖和紋波欠沖等參數(shù)（Int:8）；

    (2)信號的A′段是讀寫器關(guān)閉載波時的射頻信號包絡(luò)，可以從信號包絡(luò)上測量包絡(luò)下升時間、紋波過沖、紋波欠沖和關(guān)閉載波時的射頻信號電平等參數(shù)（Int:8）；

    (3)信號的B段是讀寫器發(fā)送命令時的射頻信號包絡(luò)，放大后如圖3所示。分析得到：

    ①對照GB/T29768中對讀寫器前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)編碼的約定，可以從時域波形中識別出前導(dǎo)碼的位置和解碼出數(shù)據(jù)流；

    ②對照標(biāo)準(zhǔn)GB/T29768中的讀寫器命令集，可以解析出讀寫器命令，以及“讀寫器兩個命令之間的時間間隔”；

    ③從波形中測量時間間隔和包絡(luò)幅度數(shù)值，加以計算和比對，即可驗證表1中的以下指標(biāo)的符合性：讀寫器到標(biāo)簽的射頻信號包絡(luò)(Int:9)、數(shù)據(jù)編碼(Int:13)、前導(dǎo)碼(Int:14)、數(shù)據(jù)傳輸順序(Int:15)、讀寫器命令(Int：16)。

3.2 標(biāo)簽到讀寫器的參數(shù)指標(biāo)驗證分析

    信號的C段是標(biāo)簽反向散射命令應(yīng)答時的射頻信號包絡(luò)，放大后如圖4。具體分析如下：

    (1)對照GB/T 29768中對標(biāo)簽數(shù)據(jù)編碼的約定，可以從標(biāo)簽反向散射時域波形中識別FM0前導(dǎo)碼的位置和解碼出響應(yīng)數(shù)據(jù)；

    (2)圖4中讀寫器命令與標(biāo)簽響應(yīng)之間的時間間隔T1，對應(yīng)了GB/T 29768中規(guī)定的“從讀寫器發(fā)送命令結(jié)束到標(biāo)簽發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包的時間”；

    (3)圖4中標(biāo)簽響應(yīng)與下一個讀寫器命令之間的時間間隔T2，對應(yīng)了GB/T 29768中規(guī)定的“從標(biāo)簽發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包結(jié)束到讀寫器發(fā)送下一條命令的時間”；

    (4)從波形中測量時間間隔和包絡(luò)幅度數(shù)值，加以計算和比對，即可驗證表1中的以下指標(biāo)的符合性：副載波調(diào)制（Tag:5）、（Tag:6）、數(shù)據(jù)編碼（Tag:7）、反向鏈路頻率（Tag:8）、前導(dǎo)碼（Tag:9）、數(shù)據(jù)傳輸順序（Tag:10）、命令響應(yīng)、占空比（Tag:11）。

4 結(jié)論

    本文通過分析國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29768-2013《信息技術(shù) 射頻識別 800/900MHz空中接口協(xié)議》的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，提出了一種低成本、易實現(xiàn)的測試系統(tǒng)，給出了測試方法及測試步驟。并通過實際測試，詳細(xì)驗證了測試方法的有效性、準(zhǔn)確性，為開展符合我國超高頻射頻識別標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽、讀寫器產(chǎn)品的符合性測試提供了行之有效的參考。

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作者信息:

王明磊，李  娟，黨  斌，蘇冠群

（山東省標(biāo)準(zhǔn)化研究院，山東 濟(jì)南250014）