UHF射頻識(shí)別系統(tǒng)讀寫(xiě)器仿真測(cè)試的研究

　　0.引言

　　射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行無(wú)接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的主要核心部件是讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽。讀寫(xiě)器在射頻識(shí)別系統(tǒng)中又占據(jù)著重要的作用。首先讀寫(xiě)器的頻率決定了射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻段;其次讀寫(xiě)器的功率直接影響了射頻識(shí)別系統(tǒng)的最大識(shí)別距離。所以對(duì)于一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)來(lái)講，讀寫(xiě)器的性能分析是非常重要的。而當(dāng)今超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這主要是由于超高頻段能夠適用于長(zhǎng)的讀寫(xiě)距離和較高讀寫(xiě)速度的場(chǎng)合?；贗SO18000-6 標(biāo)準(zhǔn)的超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的頻率主要位于915MHz 附近。本文就主要針對(duì)于915MHz 閱讀器來(lái)進(jìn)行研究。

　　1.讀寫(xiě)器的基本功能

　　讀寫(xiě)器一般由天線、射頻模塊和讀寫(xiě)模塊構(gòu)成。

　　框圖中發(fā)射單元主要完成的任務(wù)是：讀寫(xiě)器通過(guò)鎖相環(huán)控制壓控振蕩器產(chǎn)生載波頻率送至發(fā)射混頻器，混頻器將載波信號(hào)和讀寫(xiě)器的基帶信號(hào)混合成調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)低噪聲放大器和神品濾波器后，送至功分器，功分器將發(fā)射信號(hào)分成兩路，一路經(jīng)衰減送至射頻功率放大器，另一路送往接收電路，做接收時(shí)混頻的本振信號(hào)源，讀寫(xiě)器然后根據(jù)需要通過(guò)衰減調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的增益，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻功率放大器后由環(huán)形器送至天線發(fā)射出去。而接收單元的功能是：接收標(biāo)簽返回的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器進(jìn)入環(huán)形器，與讀寫(xiě)器發(fā)射的連續(xù)載波相分離，經(jīng)過(guò)射頻濾波器濾波后，進(jìn)入接收功分器，分成兩路接收信號(hào);兩路本振信號(hào)與兩路接收信號(hào)經(jīng)混頻后形成兩路基帶信號(hào)，再分別經(jīng)兩路運(yùn)放和低通濾波器后，信號(hào)返回到讀寫(xiě)器做處理。

　　2.讀寫(xiě)器的相關(guān)測(cè)試

　　現(xiàn)在所開(kāi)展的測(cè)試測(cè)試包括一致性測(cè)試、通用性測(cè)試以及性能測(cè)試三個(gè)階段。一致性測(cè)試是為了測(cè)試設(shè)備如標(biāo)簽、讀寫(xiě)器是否符合EPCglobal 的標(biāo)準(zhǔn)，這樣終端用戶可以購(gòu)買(mǎi)到經(jīng)過(guò)認(rèn)證的產(chǎn)品;通用性測(cè)試是為了測(cè)試某種設(shè)備與其它設(shè)備的兼容性操作;性能測(cè)試是為了測(cè)試在某個(gè)具體環(huán)境、真實(shí)條件下的識(shí)讀水平，以保證所有環(huán)節(jié)識(shí)讀的準(zhǔn)確率。本文中主要對(duì)讀寫(xiě)器的一致性的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。而影響讀寫(xiě)器性能的主要參數(shù)包括：射頻輸出的功率，系統(tǒng)的調(diào)制方式，數(shù)據(jù)的編碼方式以及信號(hào)的包絡(luò)參數(shù)等。在這些參數(shù)中影響系統(tǒng)最終成本的最重要的單一技術(shù)參數(shù)往往是發(fā)射功率，這一參數(shù)涉及功率放大器件的尺寸、封裝、熱通路和有關(guān)的冷卻方式、電源、質(zhì)量以及安全性等方面。其中的每一項(xiàng)都會(huì)使得成本迅速上升。另一方面主要對(duì)于讀寫(xiě)器讀寫(xiě)距離的影響參數(shù)中讀寫(xiě)器的發(fā)射功率也是最重要的，射頻識(shí)別系統(tǒng)的有效識(shí)別距離和讀寫(xiě)器的射頻發(fā)射功率成正比，發(fā)射功率越大識(shí)別的距離就越遠(yuǎn)，但是電磁波產(chǎn)生的輻射超過(guò)一定的范圍時(shí)就會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生有害的影響，因此在功率方面必須遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量就必須對(duì)讀寫(xiě)器相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析和測(cè)試。

　　3.讀寫(xiě)器系統(tǒng)仿真

　　以 ISO 18000-6 Type A 的讀寫(xiě)器為例，讀寫(xiě)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)simulink 仿真圖如下：

　　讀寫(xiě)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真圖

　　Type A 讀寫(xiě)器發(fā)送的數(shù)據(jù)編碼為脈沖間隔編碼，即通過(guò)定義下降沿之間的不同寬度來(lái)表示不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，編碼后的基帶數(shù)據(jù)命令信號(hào)進(jìn)行ASK(振幅鍵控)，調(diào)制深度為30%，如果用二進(jìn)制序列{ a n } 表示基帶數(shù)據(jù)命令，則經(jīng)過(guò)ASK 調(diào)制后得到的調(diào)制信號(hào)表示為：

　　讀寫(xiě)器的調(diào)制信號(hào)的時(shí)域仿真圖

　　其中Acos? ct為調(diào)制載波，N 為調(diào)制深度。仿真的波形如圖 所示。

　　對(duì)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域的仿真，再利用matalab 來(lái)進(jìn)行頻域仿真，設(shè)有限長(zhǎng)度信號(hào)為S(t)，其表達(dá)式如下：

　　通過(guò)仿真計(jì)算得到讀寫(xiě)器發(fā)射的功率為 1.5176 瓦特，調(diào)制效率為0.0639。

　　4.讀寫(xiě)器暫態(tài)信號(hào)的時(shí)頻仿真

　　在射頻識(shí)別系統(tǒng)中的很多信號(hào)往往是非平穩(wěn)的，其統(tǒng)計(jì)量是實(shí)變函數(shù)。這個(gè)時(shí)候如果只了解信號(hào)在時(shí)域或者頻域的全局特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這時(shí)為了分析這種非平穩(wěn)的信號(hào)就有聯(lián)合時(shí)頻分析方法。利用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來(lái)表示信號(hào)簡(jiǎn)稱(chēng)為信號(hào)的時(shí)頻表示。如果令s(t)為一實(shí)的非平穩(wěn)信號(hào)，在進(jìn)行時(shí)頻分析之前往往需要將實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)信號(hào)z(t)的形式,表示如下：

　　圖含噪聲的暫態(tài)信號(hào)的仿真圖

　　其中H[s(t)]是s(t)的Hilbert 變換。構(gòu)造這樣一個(gè)復(fù)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是剔除了實(shí)信號(hào)中的負(fù)頻率成分，同時(shí)也不會(huì)造成任何的信息損失，也不會(huì)帶來(lái)虛假信息。其仿真圖如圖所示。

　　5.結(jié)論

　　由于讀寫(xiě)器的工作頻率決定了系統(tǒng)的頻率，讀寫(xiě)器的發(fā)射功率是系統(tǒng)的識(shí)讀距離的關(guān)鍵影響因素，因此讀寫(xiě)器信號(hào)的分析就顯得足夠的重要，又由于射頻識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)的非平穩(wěn)性，采用時(shí)域、頻域和聯(lián)合時(shí)頻分析的方法相結(jié)合，對(duì)讀寫(xiě)器信號(hào)的特性有更詳細(xì)的分析。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)超高頻讀寫(xiě)器進(jìn)行了建模，并對(duì)它的信號(hào)進(jìn)行了分析和仿真，針對(duì)于射頻識(shí)別系統(tǒng)信號(hào)的非平穩(wěn)性，引入了聯(lián)合時(shí)頻分析的方法，從而對(duì)射頻信號(hào)在時(shí)域和頻域的全局特性和在時(shí)頻分析中的局部特性有了全面的了解。