CN102158241B - 无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法和装置，其测试方法，包括以下步骤：1）在超高频射频识别系统的工作频段中心频率上，阅读器以功率P_t发送强制命令，P_t必须大于射频标签最小激活功率；2）测量并记录射频标签响应信号强度值的最大、最小值，分别为RCS₁和RCS₀，两者之间的差值便为射频标签反向散射信号在状态“1”和“0”时的雷达散射截面

RCS；3）计算射频标签反向散射链路的误码率，即阅读器的接收机输入端误码率；本发明还包括无源超高频射频识别系统的通信误码率测试装置。本发明适用范围广，测试成本低，无需使用专用误码测试仪。

Description

无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法和装置

技术领域

本发明涉及一种无源超高频射频识别（Radio frequency identification, RFID）系统中射频标签至阅读器反向通信链路误码率测试方法和装置。

背景技术

无源超高频RFID系统射频标签至阅读器的通信利用反向散射调制技术，通过芯片阻抗变化改变标签反射系数，将应答信号调制到辐射电磁波上，阅读器解调射频标签的反向散射信号得到射频标签信息，无源超高频RFID系统等效电路如图2、3所示。无源超高频RFID系统的性能主要包括系统的识别距离和识别率，系统识别距离主要取决于标签反向散射信号的强弱，标签的识别率由标签返回信号的质量决定。标签反向散射信号强弱由标签的雷达散射截面决定，信号质量可以用阅读器接收端的误码率来判定。

现有误码率测试的主要工具是误码率测试仪，其测试系统如图3所示，测试系统包括误码测试仪和待测信道，待测信道通过相应的数据端口与误码测试仪连接。其中，待测信道的输出端口与误码测试仪的输入端口连接，待测信道的输入端口与误码测试仪的输出端口连接。测试时，误码测试仪通过输出端口发送一组已知的伪随机序列，误码测试仪输入端口接收待测信道返回的伪随机序列，两者比较，通过统计出错的次数便可计算出误码率。

现有误码率测试系统需要专用的误码测试仪，待测系统为无线通信时，将误码测试仪的测试端口与待测信道的接口连接将变得非常困难，尤其通信协议不定时，测试系统还需要额外的解码设备。此外，上述测试方法主要通过伪随机序列完成对信道误码率的测试，无法完成测试信道的实时信道质量和实时误码率的分析和测量，测试的参考价值不大，适用范围小。

发明内容

为了满足无源超高频RFID系统在各种应用场景下对反向散射链路通信误码率的测试成本和测试速度的要求，本发明提供一种实现简单、测试效率高，适用范围广，在各种实际应用场景中均具有较好测量精度和测试速度的无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法和装置。

本发明的基本思想是，通过测量射频标签反向散射信号状态为“1”和“0”时的雷达散射截面，计算状态 “1”和“0”之间的雷达散射截面差值，从而确定反向散射链路的误码率。

本方法的具体工作原理如下：雷达散射截面（Radar cross section, RCS）是目标在雷达波照射下所产生的回波信号强度的量度。无源超高频射频标签的RCS与其形状、结构、材料、天线极化方向以及入射波的频率和入射角等因素有关。当电磁波照射在射频标签时，射频标签通过天线散射返回信号，反向散射信号包括结构模式散射信号和天线模式散射信号，其RCS表示为：

                        (1)

式中，Γ=(Z_L-Z_A)/(Z_L+Z_A)是射频标签反射系数，G_t是射频标签天线增益,Z_A是射频标签天线阻抗，Z_L是射频标签芯片作为天线负载时的阻抗，λ是入射波波长，C是射频标签结构模式散射的结构常数。超高频RFID射频标签通常采用中心馈点细线偶极子天线,结构常数为1，则公式(1)简化为：

                       (2)

根据电磁场理论及RCS定义，当射频标签所处位置的入射波功率密度为S_i时，射频标签反向散射功率P_bs与标签RCS成正比，即：

                    

                           (3)

   阅读器接收机与接收天线间通常存在阻抗匹配电路，可以假设接收天线可获取功率被阅读器接收机全部吸收，根据Friis公式，则接收机吸收功率P_read-in和射频标签芯片吸收功率P_tag-in分别为：

         

                    (4)

                       (5)

式中，G_r是接收天线增益，d是射频标签至阅读器接收天线距离，Y是接收机等效导纳实部，V_r是接收机信号电压，射频标签的共轭反射系数ρ为：

                                           (6)

无源超高频射频标签至阅读器的反向通信链路采用反向散射调制技术，通过射频标签芯片电路阻抗变化改变射频标签的反射系数，从而改变射频标签的RCS，即射频标签芯片电路阻抗Z_L可以等效为可变电阻，其阻值为Z_L0和Z_L1，对应的射频标签反向散射信号状态为“1”和“0”，根据公式（2）可知，反向散射信号在状态 “1”和“0”时对应的RCS值不同，两者之间存在雷达散射截面差值△RCS，表示为：

                  (7)

式中，σ₁和σ₀分别为状态 “1”和“0”的RCS，Γ₁和Γ₀分别是状态 “1”和“0”时射频标签的反射系数。

根据射频标签反射系数Γ的定义及公式（6）可以得出： 

                          (8)

则公式（7）可以表示为：

                        (9)

由公式(4)，(9)得到阅读器接收机在状态“0”和“1”时的吸收功率差值：

                    (10)

其中，V₁和V₀分别为阅读器接收机在状态“0”和“1”时的接收信号幅度，于是有：

                   (11)

      根据误码率可以衡量信号的调制质量， 误码率定义为信号每比特能量E_b与噪声水平N₀之比的函数，即：

                    (12)

则在标准偏差高斯白噪声情况下，阅读器接收机输入端误码率为：

                           (13)

式中，σ_bias是高斯白噪声标准偏差。

      将公式（11）代入公式（13）有：

                     (14)

由公式（14）可以看出，当入射波频率、入射波功率密度、射频标签至阅读器接收天线距离、接收天线增益以及阅读器接收机性能一定时，射频标签雷达散射截面差值△RCS直接影响RFID系统反向链路的误码率，于是可以通过测量状态 “1”和“0”时的△RCS估计RFID系统射频标签至阅读器反向通信链路的误码率。

基于上述分析，本发明反向散射链路通信误码率的测试方案如下：

1）在超高频射频识别系统的工作频段中心频率上，矢量信号发生器以功率P_t(P_t必须大于射频标签最小激活功率)发送强制命令（init-round-all）；

2）测量并记录射频标签响应信号强度值的最大、最小值，分别为RCS₁和RCS₀，两者之间的差值便为射频标签反向散射信号在状态 “1”和“0”时的雷达散射截面

RCS； 

3）根据公式（14）计算射频标签反向散射链路的误码率。

本发明之无源超高频射频识别系统的通信误码率测试装置包括：

矢量信号发生器，用于产生指令信号；

矢量信号分析仪，用于测量射频标签反向散射信号的信号幅度；

发射天线和接收天线，分别用于发射信号和接收信号；

射频电缆，用于传输射频信号。

所述矢量信号发生器分别通过不同的射频电缆与发射天线和接收天线相连，射频标签置于发射天线和接收天线之间。

本发明适用范围广，可用于不同协议标准的无源超高频RFID系统反向散射链路误码率的实时测量；测试成本低，无需使用专用误码测试仪，测试系统同时可以完成RFID系统其它性能参数的测试，同时测试结果为待测信道的实时误码率，具有很高的参考价值。在无源超高频RFID系统反向散射链路的通信误码率实时测试方面，具有显著的理论和技术优势，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明无源超高频射频识别系统的通信误码率测试装置结构示意图；

图2为无源超高频RFID系统结构示意图；

图3为无源超高频RFID系统等效电路图；

图4为现有误码率测试系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，无源射频标签反向调制性能测试装置包括：

矢量信号发生器1，用于产生指令信号；

矢量信号分析仪2，用于测量射频标签反向散射信号的信号幅度；

发射天线3和接收天线4，分别用于发射信号和接收信号；

射频电缆Ⅰ5-1和射频电缆Ⅱ5-2，用于传输射频信号。

所述矢量信号发生器1通过射频电缆Ⅰ5-1与发射天线3相连，矢量信号发生器1通过射频电缆Ⅱ5-2与接收天线4相连，射频标签6置于发射天线3和接收天线4之间。

采用上述测试装置前要求：测试系统提供足够的电磁场信号激活标签芯片和电路。按照ISO18047-6标准规定，测试天线选取半波振子天线，谐振频率为915MHz，增益为2.15dBi，驻波比VSWR<1.5，收发天线灵敏度为-50dBm，测试采用收发天线分置方式，一天线用于上行链路，用于矢量信号发生器（仿真阅读器或标签）发送信号，另一天线用于下行链路，接收待测射频标签或阅读器的响应信号，将信号传输至矢量信号分析仪以进行分析。根据ISO18047-6标准要求，保持两天线的主波瓣轴线的交叉角小于15°，待测射频标签或阅读器置于轴线交点上，并保证待测射频标签或阅读器与两根天线间的距离相等，处于最佳的场强的接收方向（参见图1）。

采用上述测试装置进行无源射频标签反向调制性能测试的方法具体步骤为：

步骤1）：在超高频射频识别系统的工作频段中心频率上，以射频标签最小激活功率P_I,min发送Init round-all（查询周期）或Group select eq（组选择）指令，同时射频标签能够返回一个响应信号至阅读器；

步骤2）：设置测试天线与射频标签间的距离为，设置矢量信号发生器的发送功率P=1.2P_I,min，记录射频标签反向散射功率P_bs；

根据Friis公式，则有：

                              (15)

根据测试布置要求，测试用接收天线和发射天线增益一致，公式（15）经变形整理可以得出射频标签的雷达散射截面RCS计算式：

                     (16)

其中，G_a为测试天线的增益。令修正因子K为：

                 （17）

则公式（16）简化为：

                  （18）

步骤3）：重复步骤2，根据公式（18）计算出常数因子K；

步骤4）：矢量信号发生器发送强制命令（init-round-all），记录测试接收天线接收的射频标签响应信号强度值的最大、最小值，分别为RCS₁和RCS₀；

步骤5）：根据公式

RCS=RCS₁-RCS₀，计算射频标签响应 “0”“1”状态间的

RCS；

步骤6）：根据公式（14）估算反向散射链路的误码率；

步骤7）：重复步骤1至步骤6，测试不同工作频率和发射功率情况下的

RCS和反向散射链路的误码率。

Claims (3)

1.一种无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在超高频射频识别系统的工作频段中心频率上，阅读器以功率P_t发送强制命令，P_t必须大于射频标签最小激活功率；

2）测量并记录射频标签响应信号强度值的最大、最小值，分别为RCS₁和RCS₀，两者之间的差值便为射频标签反向散射信号在状态 “1”和“0”时的雷达散射截面                                                

RCS； 

3）计算射频标签反向散射链路的误码率，即阅读器的接收机输入端误码率；

所述步骤（2）中雷达散射截面

RCS的具体计算表达式为：

，

式中，G_t是射频标签天线增益,λ是入射波波长,σ₁和σ₀分别为状态 “1”和“0”的雷达散射截面，Γ₁和Γ₀分别是射频标签反向散射信号在状态 “1”和“0”时射频标签的反射系数。

2.根据权利要求1所述的无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法，其特征在于，阅读器的接收机在状态“0”和“1”时的接收信号幅度差为： 

；

其中，V₁和V₀分别为阅读器接收机在射频标签反向散射信号为状态“0”和“1”时的接收信号幅度，G_r是接收天线增益，R是射频标签至阅读器接收天线距离，Y是接收机等效导纳实部，S_i是入射波功率密度，λ是入射波波长。

3.根据权利要求2所述的无源超高频射频识别系统的通信误码率测试方法，其特征在于，阅读器接收机输入端误码率为：

；

 其中，σ_bias是高斯白噪声标准偏差。  

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