1. RFID協議一致性測試系統發展現狀

近年來，RFID技術得以快速發展，已被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。隨著制造成本的下降和標準化的實現，RFID技術的全面推廣和普遍應用將是不可逆轉的趁勢，這也給RFID測試領域帶來了巨大的需求和嚴峻的挑戰。負責制訂RFID標準的兩大主要國際組織ISO和EPCglobal都針對RFID協議一致性測試及其系統設計發布了相關的規范。

1.1  RFID協議一致性測試的相關規范

RFID協議一致性測試規范是隨著RFID協議標準的發展而發展起來的，測試規范的目的即確定被測單元的特性與協議標準的規定一致。ISO和EPCglobal都根據已發布的RFID協議標準制訂了對應的測試規范，用于指導進行規范、可靠的RFID協議一致性測試。由于不同RFID協議的調制參數、編碼方式、防沖突機制、幀結構、指令集等都各不相同，且不同頻段的RFID產品可能具有完全不同的特性，所以每一種協議都有其對應的一致性測試規范，如表1-1所示：

表1-1：RFID協議標準對應的一致性測試規范

RFID協議標準中規定了包括物理層和協議層在內的各項特性，而一致性測試規范中則規定了測試環境、測試項目和測試預期結果，根據測試規范列舉的測試項目，通過比較被測單元的實際輸出與預期輸出的異同，來判定被測單元是否與協議標準的規定一致。
除此之外，每個國家或地區還會有特定的RFID產品規范，會對產品的功率、頻率、帶寬等參數進行限制，該規范所規定的各項技術指標也屬于RFID協議一致性測試的范疇。對于在中國銷售和使用的RFID產品，國家信息產業部于2007年發布了“800/900MHz頻段RFID技術應用試行規定”，以規范該頻段RFID 產品的應用。

1.2 RFID協議一致性測試系統面臨的困難與挑戰
對于大多數已長期應用的無線通訊系統，如GSM等，傳統測試儀器制造商已能夠為其提供綜合測試儀。典型的協議一致性測試配置包括一臺綜合測試儀和被測設備，其中綜合測試儀作為主單元，被測設備作為從單元，兩者之間通過射頻電纜相連或通過天線經空中傳輸相連，在建立通訊鏈路的基礎上進行參數的設置及測試。RFID技術作為無線通訊的新興領域之一，其協議一致性測試目前仍然較多的依靠信號發生器、頻譜儀和示波器等傳統儀器的組合，但由于RFID技術在具有無線通訊所共有的特性之外，又有著其獨有的特殊性，采用傳統儀器的組合很難構建出完善的協議一致性測試系統。
首先，RFID閱讀器與標簽的測試與傳統設備的測試差異較大，以EPC UHF Class 1 Gen 2標準為例，閱讀器和標簽通訊的時序如圖1-1所示：
 
圖1-1：EPC UHF Class 1 Gen 2通訊時序
整個實時通訊過程在數毫秒內即全部完成，其中包含了2條指令以及2條應答交互的實時握手操作，即Query（指令）→RN16（應答）→ACK（指令）→PC+EPC+CRC16（應答），其中鏈接時間T1和T2都在微秒量級。根據協議標準，ACK指令中必須正確包含前一條應答中的16位隨機數，且在規定的鏈接時間T2之內反饋給標簽，否則通訊將失敗。因此采用預生成信號的方式無法完成實時通訊過程，測試系統必須具有在極短的時間內實時生成信號的能力，傳統的信號發生器無法滿足該協議的時序要求。
其次，RFID協議一致性測試的關鍵在于測試的完整性，必須根據一致性測試規范對被測單元進行完整的物理層和協議層測試。傳統儀器通常只能夠完成對物理層參數的測試，而由于其靈活性的局限無法對協議層參數進行測試。另一方面，由于測試條件眾多，對于單個參數，如鏈接時間等，需要在不同頻率，不同碼率，不同編碼方式等情況下分別進行測試，這就使得測試點成幾何級數增長。如果采用傳統儀器進行手動測試，完成完整的協議一致性測試將需要很長的時間，如何提高測試速度也成為了RFID協議一致性測試系統的課題之一。
再次，RFID協議標準種類眾多，有適用于近距離通訊的LF、HF頻段標準，還有適用于遠距離通訊的UHF、Microwave頻段標準，各個頻段內的標準還由于工作模式、數據傳輸等的不同而不同。每一種RFID協議都有自己獨特的測試需求，在ISO和EPCglobal制訂的各個RFID協議一致性測試規范中，對一致性測試系統的描述和要求也不盡相同。RFID協議標準的多樣性為協議一致性測試系統帶來了巨大的挑戰，如何用一個通用測試平臺來覆蓋所有的RFID協議標準，可靠的實現RFID協議一致性測試，是亟需解決的一個問題。
最后，RFID技術本身還在不斷演進，包括ISO和EPCglobal在內的國際組織，以及RFID領域的領先企業，還在不斷的完善現有協議，發展新協議，如即將發布的EPC HF Class 1 Gen 2標準將作為Mode 3對ISO 18000-3標準進行擴展。新協議的出現，又會帶來新的物理層空中接口規定和協議層數據交換標準，因此需要一個靈活可擴展的測試平臺與之相適應，使之不僅能實現對現有RFID協議的一致性測試，也能快速應對下一代RFID協議的測試需求。

2. RFID協議一致性測試系統概述
目前應用于RFID協議一致性測試的系統主要有以下幾種構架方式，即：成功/失敗模式、監聽模式、激勵/響應模式、實時仿真模式，依次覆蓋了從簡單到復雜不同層次的一致性測試需求。本節中我們將對比不同構架的特點及其局限性，并引入軟件無線電等關鍵技術，結合各種測試構架來應對RFID協議一致性測試中面臨的困難與挑戰。

2.1 RFID協議一致性測試系統的構架方式
1. 成功/失敗模式
最簡單的RFID協議一致性測試系統采用一個參考閱讀器與被測標簽之間進行通訊，得出通訊成功或失敗的結果，以此判定被測標簽的特性，或反之采用參考標簽判定被測閱讀器的特性。成功/失敗模式如圖2-1所示：
 
圖2-1：成功/失敗模式
該測試模式的特點是系統構成簡單，測試時間極短，適合于生產線等對測試速度要求很高的測試場合。但其缺點在于測試項目少，測試結果簡單，僅能提供被測單元是否正常工作的信息，對于判定被測單元的協議一致性來說是遠遠不夠的。另外，當遇到測試結果為失敗時，由于無法分析失敗的原因，不能夠對被測單元的改進提供有用的信息。
2. 監聽模式
嚴格來說，成功/失敗模式并未真正構成RFID協議一致性測試系統，該模式更多的只作為一種輔助的測試手段。針對成功/失敗模式的不足，我們可以在它的基礎上增加頻譜儀和示波器等儀器，構成監聽模式。進一步的，我們可以采用矢量信號分析儀等高級信號分析儀器替代頻譜儀和示波器，以獲得更加強大的信號分析能力。在該測試模式中，當參考單元和被測單元之間進行數據交換時，我們可以通過第三方儀器對通訊的信號進行采集和分析。監聽模式如圖2-2所示：
 
圖2-2：監聽模式
該測試模式能夠實現的協議一致性測試功能主要取決于兩個要素，首先是矢量信號分析儀。RFID協議一致性測試，要求矢量信號分析儀不僅具有傳統的時域和頻域分析功能，還需要具有針對RFID協議的解調和解碼功能，才能獲得通訊過程中的數據。同時，矢量信號分析儀還需要具備適合于RFID信號的同步觸發采集功能，如射頻功率觸發或頻譜模板觸發。由于幾乎所有RFID信號都是間斷的瞬時信號，具有射頻功率開啟標志著通訊開始的共同特征，射頻功率觸發已成為最常用的觸發采集方式。除此之外，由于RFID閱讀器和標簽之間的通訊速率很快，受限于矢量信號分析儀的操作和信號處理速度，監聽模式下無法實現對信號的實時分析，而只能采用實時采集，離線分析的方式，因此矢量信號分析儀的信號存儲能力就顯得至關重要了。
監聽模式在彌補了成功/失敗模式的不足的同時，也存在著同樣的局限性，即該測試模式的另一個要素，參考單元（閱讀器或標簽）。在RFID協議標準中，對于大多數參數的規定，都采用了靈活組合的方式，即閱讀器和標簽都可以在寬泛的范圍內進行操作，如不同的調制參數、編碼方式、數據速率、強制的和可選的指令集等。需要說明的是，協議標準規定閱讀器和標簽并不需要同時支持所有的參數組合方式，而由于研發和生產成本等因素的制約，實際的RFID產品也無法支持所有的參數組合方式。
參考單元的選擇很大程度上決定了該測試模式的效果，但尋找一個包含了所有功能的“完美”參考單元幾乎是不現實的。退一步來看，即使找到了“完美”參考單元，對于完成RFID協議一致性測試來說還是不夠的，因為在協議一致性測試中，不僅需要測試協議規定的正確通訊流程，還需要執行非正常流程來測試被測單元在特定條件下的反應。
受參考單元功能限制的影響，監聽模式很難實現全面的協議一致性測試，但對于協議一致性測試來說，測試的完整性卻又是必須保證的。因此，監聽模式只適合于基本的物理層測試，如不依賴于標簽應答的閱讀器射頻參數等。

3. 激勵/響應模式
RFID協議一致性測試系統的第三種實現是激勵/響應模式，在這種模式下，參考單元被矢量信號發生器所取代，矢量信號發生器可以發射特定的RFID信號給被測單元，并同時給矢量信號分析儀發送一個數字觸發標志，在收到觸發時矢量信號分析儀開始同步采集通訊信號以進行分析。激勵/響應模式如圖2-3所示：
 
圖2-3：激勵/響應模式
該測試模式在各類測試應用中是比較常見的，因為這種測試模式具有很強的可控性并且容易實現自動化測試。與被動的監聽模式不同，激勵/響應模式能夠主動的發射所需的激勵信號，以此獲得一個預期的響應信號，可以有效的提高信號分析工作的效率。對比于分析一個已知的預期信號，被動的分析一個未知信號往往要花費成倍的運算量與處理時間。激勵/響應模式的可控性，還在于它可以通過激勵信號主動的控制被測單元的狀態，進而控制整個測試的流程，這也是自動化測試必不可少的條件。
在使用矢量信號發生器替代參考單元之后，監聽模式下最大的局限性也得以改善?，F代的矢量信號發生器通常都是支持程控的，可以通過軟件來自由的控制各種物理層參數，仿真不同RFID協議的閱讀器指令或標簽應答，而矢量信號發生器和矢量信號分析儀的協同工作，也使得協議層參數的控制成為可能。進一步的，該模式下還能夠執行非正常流程，測試被測單元的錯誤處理機制，進行完整的協議一致性測試。
激勵/響應模式的優勢顯而易見，這也使它成為RFID協議一致性測試的最佳方案，此外還可以用于RFID互操作性測試和性能測試。但基本的激勵/響應模式仍然有一個問題尚未解決，即RFID協議標準中的實時握手通訊過程，因此只能適用于大多數不需要實時握手通訊的RFID協議一致性測試。
4. 實時仿真模式
作為激勵/響應模式的衍生和改進，實時仿真模式采用了通用的基于FPGA的基帶處理器，同時替代了矢量信號發生器的信號發生模塊和矢量信號分析儀的信號分析模塊，配合射頻前端協同工作。對于射頻前端部分，可以采用具有基帶信號輸入功能的矢量信號發生器和具有基帶信號輸出功能的矢量信號分析儀，或直接采用獨立的射頻上變頻器和射頻下變頻器，通過基帶信號接口與FPGA基帶處理器相連接。實時仿真模式如圖2-4所示：
 
圖2-4：實時仿真模式
該測試模式最大的特點是將原本分離的信號發生和信號分析模塊合二為一，在同一個基帶處理器上依靠FPGA強大的實時處理能力，實現了從信號仿真到信號測量的全部功能，并且實現了從信號分析到信號發生的實時反饋，最終解決了RFID協議一致性測試中的實時握手通訊問題。除此之外，信號發生和信號分析模塊的一體化，還為進一步提高測試速度提供了可能，FPGA的靈活可編程特性，也為快速應對未來RFID協議的測試需求提供了保障。

2.2 RFID協議一致性測試系統的關鍵技術
嵌入FPGA基帶處理器的實時仿真模式，實質上是引入了“軟件無線電”這一關鍵技術。所謂軟件無線電技術，即通訊過程的信號由軟件來確定，是一種用軟件實現物理層鏈接的無線通訊設計。軟件無線電技術的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線端，采用軟件數字化的實現盡可能多的無線電功能，其中心思想是在一個標準化、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件編程，實現一種具有多模式無線通訊功能的開放式體系結構。
1992年5月在美國通訊系統會議上，約瑟夫•米托拉首次明確提出了“軟件無線電”的概念。隨著計算機技術的普及，軟件無線電技術快速發展，特別是在測試測量領域以其獨特的優勢得到了越來越廣泛的運用。軟件無線電技術的主要優點在于它的靈活性，可以通過增加軟件模塊，方便地增加新功能。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調制參數、編碼方式等都可以進行動態調整，以適應不同通訊或測試的需求。軟件無線電技術具有較強的開放性，由于采用標準化、模塊化結構，其硬件可以隨器件和技術的發展而更新或擴展，軟件也可以隨需要不斷升級，能夠有效的降低系統的開發升級成本，提高資源的重復利用度，節約開發時間。
軟件無線電作為一種開放式構架，在不同的具體應用中其體系結構也會稍有差異， 借鑒ITU-R SM.1537標準對軟件無線電接收機的定義，我們可以看到適用于各種軟件無線電系統的一般準則，如圖2-5所示：
 
圖2-5：軟件無線電（接收機）的體系結構
軟件無線電的體系結構包含三個關鍵要素：模塊化硬件，開放高速總線，數字信號處理，以下將依次介紹各要素的特點及其對RFID協議一致性測試系統的影響。
1. 模塊化硬件
隨著無線通訊技術的高速發展，對于測試測量也提出了更高的要求，測試項目和范圍與日俱增，測試精度和速度要求急劇提高。在測試系統中，對儀器的“智能”要求越來越高，儀器中微機的任務不斷加重，儀器在很多方面逐漸向計算機靠攏，測試系統中包含的重復部件也越來越多，因此需要統籌地考慮儀器與計算機之間的系統結構。在這種背景下，1982年首次出現了一種與PC機配合使用的模塊化儀器，測試系統的結構逐漸也從傳統的機架層迭式結構發展成為模塊化硬件結構。
基于模塊化硬件的測試系統通過選擇合適的硬件模塊并在標準的軟件環境中定制測試程序，即可滿足各種具體的應用需求，采用模塊化硬件構建的測試系統比傳統儀器具有更高的同步特性、數據吞吐量、測量精度和靈活性。在RFID協議一致性測試中，以實時仿真模式為例，我們可以選擇模塊化的FPGA基帶處理器、模塊化的射頻上變頻器、模塊化的射頻下變頻器來構成集成的測試系統。靈活的模塊化硬件結構也為系統提供了良好的擴展性， FPGA基帶處理器可以滿足不斷演進的RFID協議，通用的射頻前端則提供了HF、UHF 以及Microwave等多種頻率接口。
2. 開放高速總線
僅模塊化硬件并不足以構成一個完整的測試系統，模塊化硬件之間還需要開放的高速總線來連接成為一個有機的整體，在測試測量技術發展的過程中，先后出現了GPIB、VXI、PXI、PXI Express等多種儀器總線。
早在機架層迭式結構的階段，人們就認識到幾乎不可能采用獨立儀器來實現一個完整的測試系統，提出了采用不同儀器組合，通過儀器總線來構建測試系統的方法。最早于60年代中期發展起來的惠普接口總線（HP-IB）是第一種被廣泛應用的儀器總線，也被稱為GPIB，它能夠把最多15臺儀器連接到一臺控制器上，最高數據傳輸速率為1MB/s，許多儀器制造商提供了大量支持GPIB總線的測試儀器。GPIB總線的主要局限在于它的帶寬，在應用于高數據流量的測試場合，如無線通訊測試時，可能成為系統的瓶頸。在模塊化硬件結構基礎上，則發展出了基于VEM總線的儀器擴展平臺VXI總線，基于PCI總線的儀器擴展平臺PXI總線，以及基于最先進的PCI Express總線的儀器擴展平臺PXI Express總線。
PXI總線在每一個橋段上允許連接7個外圍設備，使用PCI-PCI橋接后最多可以有256個擴展設備，能夠達到132 MB/s的最大數據傳輸速率。在大幅度提高總線帶寬的同時，PXI總線還加入了多背板同步時鐘，把10MHz的參考時鐘分布到所有的外圍設備上，并且有8條可選擇的總線觸發線。PXI Express總線在具有PXI總線一系列優點的基礎之上，更進一步的把最大數據傳輸速率提高到了數GB/s級別。在RFID協議一致性測試中，通訊過程通常在毫秒量級的時間內即完成，這就要求測試系統的各個組件之間具有可靠的高速同步機制，對于脫離開放高速總線的系統來說，精確的同步機制通常很難做到。另一方面，通訊信號的采集分析需要較高的采樣率來保證信號的完整性，由此而帶來的高數據流量也得益于開放高速總線而解決。
3. 數字信號處理
強大的數字信號處理是軟件無線電技術的關鍵，具體又分為固化于模塊化硬件上的硬件數字信號處理，以及運行于FPGA和CPU上的軟件數字信號處理。在無線通訊測試領域，數字上變頻（DUC）和數字下變頻（DDC）是最常見的兩種硬件數字信號處理功能。DUC可通過硬件進行正交數字上變頻和基帶信號插值， DDC可通過硬件進行正交數字下變頻和基帶信號抽取，從而大大降低信號的數據量，減少數據處理和傳輸時間。DUC和DDC的應用價值在于，在實際的射頻測試儀器的實現中，出于抗干擾等一系列因素的考慮，A/D、D/A的轉換通常并非直接在基帶完成，而是在介于基帶和最終射頻信號之間的某一“中頻”信號下完成，具體可參閱相關射頻技術書籍。DUC和DDC實現了數字基帶信號和數字中頻信號之間的雙向轉換，此功能極大的提高了RFID協議一致性測試系統的性能。
運行于FPGA和CPU上的軟件數字信號處理則能夠完成基帶信號相關的分析處理功能，其中 FPGA具有可配置的觸發、定時和板載決策，能夠實時地控制I/O信號，特別適合于RFID協議一致性測試中實時處理功能的構建，各種復雜的數字濾波、調制/解調、編碼/解碼、CRC以及邏輯控制算法在FPGA上都得以實時執行。CPU對于各種通用軟件的強大支持特性，非常適合于完成復雜的非實時信號處理工作，以及構建上層的測試應用程序，如運用測試管理軟件來組織RFID協議一致性測試眾多的測試項目，實現復雜的自動化測試系統。