UHF射頻識別系統讀寫器仿真測試的研究

　　0.引言

　　射頻識別(RFID)系統是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行無接觸雙向數據通信，對目標加以識別并獲取相關數據。射頻識別系統的主要核心部件是讀寫器和電子標簽。讀寫器在射頻識別系統中又占據著重要的作用。首先讀寫器的頻率決定了射頻識別系統的工作頻段;其次讀寫器的功率直接影響了射頻識別系統的最大識別距離。所以對于一個射頻識別系統來講，讀寫器的性能分析是非常重要的。而當今超高頻射頻識別系統的應用越來越廣泛，這主要是由于超高頻段能夠適用于長的讀寫距離和較高讀寫速度的場合。基于ISO18000-6 標準的超高頻射頻識別系統的頻率主要位于915MHz 附近。本文就主要針對于915MHz 閱讀器來進行研究。

　　1.讀寫器的基本功能

　　讀寫器一般由天線、射頻模塊和讀寫模塊構成。

　　框圖中發射單元主要完成的任務是：讀寫器通過鎖相環控制壓控振蕩器產生載波頻率送至發射混頻器，混頻器將載波信號和讀寫器的基帶信號混合成調制信號，經過兩級低噪聲放大器和神品濾波器后，送至功分器，功分器將發射信號分成兩路，一路經衰減送至射頻功率放大器，另一路送往接收電路，做接收時混頻的本振信號源，讀寫器然后根據需要通過衰減調節發射信號的增益，發射信號經過射頻功率放大器后由環形器送至天線發射出去。而接收單元的功能是：接收標簽返回的微弱信號，經過讀寫器進入環形器，與讀寫器發射的連續載波相分離，經過射頻濾波器濾波后，進入接收功分器，分成兩路接收信號;兩路本振信號與兩路接收信號經混頻后形成兩路基帶信號，再分別經兩路運放和低通濾波器后，信號返回到讀寫器做處理。

　　2.讀寫器的相關測試

　　現在所開展的測試測試包括一致性測試、通用性測試以及性能測試三個階段。一致性測試是為了測試設備如標簽、讀寫器是否符合EPCglobal 的標準，這樣終端用戶可以購買到經過認證的產品;通用性測試是為了測試某種設備與其它設備的兼容性操作;性能測試是為了測試在某個具體環境、真實條件下的識讀水平，以保證所有環節識讀的準確率。本文中主要對讀寫器的一致性的某些參數進行測試。而影響讀寫器性能的主要參數包括：射頻輸出的功率，系統的調制方式，數據的編碼方式以及信號的包絡參數等。在這些參數中影響系統最終成本的最重要的單一技術參數往往是發射功率，這一參數涉及功率放大器件的尺寸、封裝、熱通路和有關的冷卻方式、電源、質量以及安全性等方面。其中的每一項都會使得成本迅速上升。另一方面主要對于讀寫器讀寫距離的影響參數中讀寫器的發射功率也是最重要的，射頻識別系統的有效識別距離和讀寫器的射頻發射功率成正比，發射功率越大識別的距離就越遠，但是電磁波產生的輻射超過一定的范圍時就會對環境和人體產生有害的影響，因此在功率方面必須遵循一定的標準。為了保證產品的質量就必須對讀寫器相關的參數進行分析和測試。

　　3.讀寫器系統仿真

　　以 ISO 18000-6 Type A 的讀寫器為例，讀寫器的系統結構simulink 仿真圖如下：

　　讀寫器系統結構仿真圖

　　Type A 讀寫器發送的數據編碼為脈沖間隔編碼，即通過定義下降沿之間的不同寬度來表示不同的數據信號，編碼后的基帶數據命令信號進行ASK(振幅鍵控)，調制深度為30%，如果用二進制序列{ a n } 表示基帶數據命令，則經過ASK 調制后得到的調制信號表示為：

　　讀寫器的調制信號的時域仿真圖

　　其中Acos? ct為調制載波，N 為調制深度。仿真的波形如圖 所示。

　　對信號進行了時域的仿真，再利用matalab 來進行頻域仿真，設有限長度信號為S(t)，其表達式如下：

　　通過仿真計算得到讀寫器發射的功率為 1.5176 瓦特，調制效率為0.0639。

　　4.讀寫器暫態信號的時頻仿真

　　在射頻識別系統中的很多信號往往是非平穩的，其統計量是實變函數。這個時候如果只了解信號在時域或者頻域的全局特性遠遠不夠。這時為了分析這種非平穩的信號就有聯合時頻分析方法。利用時間和頻率的聯合函數來表示信號簡稱為信號的時頻表示。如果令s(t)為一實的非平穩信號，在進行時頻分析之前往往需要將實信號轉變為復信號z(t)的形式,表示如下：

　　圖含噪聲的暫態信號的仿真圖

　　其中H[s(t)]是s(t)的Hilbert 變換。構造這樣一個復信號的優點是剔除了實信號中的負頻率成分，同時也不會造成任何的信息損失，也不會帶來虛假信息。其仿真圖如圖所示。

　　5.結論

　　由于讀寫器的工作頻率決定了系統的頻率，讀寫器的發射功率是系統的識讀距離的關鍵影響因素，因此讀寫器信號的分析就顯得足夠的重要，又由于射頻識別系統信號的非平穩性，采用時域、頻域和聯合時頻分析的方法相結合，對讀寫器信號的特性有更詳細的分析。

　　本文作者創新點在于對超高頻讀寫器進行了建模，并對它的信號進行了分析和仿真，針對于射頻識別系統信號的非平穩性，引入了聯合時頻分析的方法，從而對射頻信號在時域和頻域的全局特性和在時頻分析中的局部特性有了全面的了解。