CN102221663A - 一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置 - Google Patents

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CN102221663A CN2011101181316A CN201110118131A CN102221663A CN 102221663 A CN102221663 A CN 102221663A CN 2011101181316 A CN2011101181316 A CN 2011101181316A CN 201110118131 A CN201110118131 A CN 201110118131A CN 102221663 A CN102221663 A CN 102221663A
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Abstract

一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置，其测试方法包括如下步骤：测量无源射频识别系统反向链路中射频标签反向散射信号在状态“1”和“0”时的响应信号幅度，计算反向链路的调制系数，确定阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号的信噪比和接收端误码率。本发明还包括无源射频标签反向调制性能的测试装置。本发明测试方法实现简单，测试成本低、测试效率高，适用范围广，可用于不同协议标准的无源RFID系统反向链路调制系数的实时测量。

Description

一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置
技术领域
本发明涉及一种无源射频标签反向调制性能测试方法和装置，特别是涉及无源射频识别（Radio frequency identification, RFID）系统中射频标签芯片电路调制模块的反向散射调制性能的测试方法和装置。
背景技术
RFID技术具有识别准确率高、识别距离远、识别速度快等特点，被广泛应用于交通物流、工业生产、门禁管理等领域。无源RFID系统通信链路分为阅读器到射频标签的前向链路和射频标签到阅读器的反向链路。前向链路中，射频标签天线接收阅读器发射的携带相关指令信息的连续载波信号，连续载波信号经射频标签芯片电路中的整流器转换为直流信号为芯片电路供电，指令信息经芯片解调模块处理传送至应用模块；反向链路采用反向散射调制技术，通过应用模块控制射频标签芯片的阻抗，改变射频标签芯片与天线接口处的反射系数，使射频标签返回信号的幅度和相位发生改变。典型反向散射调制无源RFID系统如图2所示。
射频标签被识别需要满足两个条件：射频标签芯片获得能量满足芯片工作需要；射频标签反向散射信号被阅读器正确解调和解码。射频标签的反向调制性能直接影响射频标签芯片反射和吸收的能量，同时也决定反向散射信号的质量，因此射频标签的反向调制性能直接影响RFID系统的识别性能。
射频标签反向散射调制性能的分析与测试主要包括射频标签吸收和反射功率的分析以及阅读器接收端的误码率的测试。目前，射频标签反向散射调制性能的主要分析方法是反射系数法，反射系数测试系统的结构如图3所示，通过测量的射频标签天线和芯片阻抗计算射频标签天线和芯片接口处的反射系数，利用双线性变换将上述反射系数计算值转换至Smith图，在Smith图中进行相关调制性能的分析。标签反向散射信号质量则通过阅读器接收端误码率测试系统进行误码率评价，现有的误码率测试系统如图4所示，包括误码测试仪和待测信道，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，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。反射系数的测量需要网络分析仪、探针和平衡-非平衡转换器等器件，同时为了减少噪声影响及测量误差，需要测试多种负载情况下的反射系数，利用其最小平均方差进行曲线拟合，测试方式繁杂且测试效率低。本发明方法可满足无源标签在不同应用场景下的调制性能的实时测量要求，极具工程实用价值。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种操作简单，测试成本低，测试效率高的无源射频标签反向调制性能测试方法。
该测试方法的基本思想是，基于射频识别技术通信原理和反向散射理论，导出阅读器接收机归一化有效吸收功率、解调输出信号的信噪比（SNR）下边界和接收端误码率三者与反向散射调制系数的关系，即将反射系数和误码率的分析与测量转换为反向散射链路调制系数的分析和测量。
本发明之无源射频标签反向调制性能测试方法的具体工作原理如下：
假定自由空间下阅读器天线获得功率被全部吸收，根据Friis天线传播方程，标签反向散射功率                                                
Figure 165676DEST_PATH_IMAGE001
，阅读器接收机吸收功率
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE002
和接收信号幅度
Figure 332084DEST_PATH_IMAGE003
分别为：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE004
                       (1)
Figure 236455DEST_PATH_IMAGE005
                     (2)
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE006
                    (3)
其中，
Figure 759228DEST_PATH_IMAGE007
是各向同性辐射功率， 
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE008
是射频标签到阅读器距离，
Figure 635917DEST_PATH_IMAGE009
是射频标签有效孔径，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE010
是射频标签反射系数，
Figure 520697DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE012
分别是射频标签和阅读器天线增益，
Figure 850047DEST_PATH_IMAGE013
是波长，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE014
是阅读器接收机阻抗，通常
Figure 48947DEST_PATH_IMAGE015
。令阅读器可获取最大功率
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE016
，可见
Figure 780142DEST_PATH_IMAGE017
与
Figure 835823DEST_PATH_IMAGE010
无关，公式(2)化为：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE018
                        (4)
射频标签反向散射功率有两种表示形式：一种是包括载波及边带信号的绝对反射功率，另一种是只计算边带信号功率的有效反射功率。同样阅读器吸收功率也有两种表现形式，假定标签返回信号“0”“1”数据位的传输概率均为0.5，根据 (4) 式，则阅读器接收机平均吸收功率
Figure 652469DEST_PATH_IMAGE019
和有效吸收功率分别为：
Figure 389481DEST_PATH_IMAGE021
                     (5)
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE022
                      (6)
其中，
Figure 972254DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE024
分别是射频标签反向散射信号在“1”和“0”态时的反射系数。
阅读器解调输出信号的最小信噪比
Figure 464415DEST_PATH_IMAGE025
为：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE026
              (7)
其中，
Figure 768357DEST_PATH_IMAGE027
为阅读器接收机收发隔离系数，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE028
为相位噪声改善因子，
Figure 105798DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE030
分别为阅读器接收机基带带通滤波器高、低截止频率，
Figure 811586DEST_PATH_IMAGE031
是功率密度谱算子，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE032
是射频标签反射信号“1”“0”数据序列，
Figure 209069DEST_PATH_IMAGE033
是反映本振相位噪声的随机过程。当
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE034
时(
Figure 307DEST_PATH_IMAGE035
是阅读器接收机信噪比阈值)，标签反向散射信号可以被正确解码。令
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE036
，当射频标签天线增益、反向散射编码方式和频率一定时，不考虑阅读器性能的影响， 可以看出C为常数，则(7) 式可以简化为：
Figure 141439DEST_PATH_IMAGE037
                            (8)
标签识别成功与否通过阅读器接收端误码率来判定，阅读器接收端误码率为：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE038
                        (9)
其中，
Figure 704663DEST_PATH_IMAGE039
是信号每比特能量，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE040
是噪声水平。
标签反向散射调制方式主要有幅移键控（ASK）和相移键控（PSK）两种。对于ASK调制，阅读器接收端信号每比特能量为：
          （10）
其中：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE042
是状态周期信号，
Figure 489265DEST_PATH_IMAGE043
是信号圆频率，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE044
是信号相位，
Figure 434087DEST_PATH_IMAGE045
是状态“0”的幅度，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE046
是状态“1”的幅度。根据公式（9），（10）则可以得到ASK调制方式的反向链路通信误码率的erfc函数表示形式：
Figure 848888DEST_PATH_IMAGE047
                  （11）
其中，
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE048
是高斯白噪声标准偏差。
幅移键控（ASK）下，定义反向链路调制系数为：
Figure 853753DEST_PATH_IMAGE049
                       （12）
射频标签芯片阻抗通常选择短路和匹配两个状态，射频标签芯片处于短路状态时，射频标签天线将全部功率反射，该状态容易实现且实际效果理想，为了计算和分析简便，可以取；由于标签芯片受成本以及芯片体积等原因限制，本身并无阻抗匹配网络，因而标签芯片与标签天线间存在着阻抗失配现象，标签天线获取的功率无法全部传输至标签芯片，也即是
Figure 354005DEST_PATH_IMAGE051
。则公式（12）可以表示为：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE052
                        （13），
其中，
Figure 774622DEST_PATH_IMAGE024
是射频标签反向散射信号在“0”态时的反射系数，即射频标签反向散射信号为状态“1”时的共轭反射系数。
则公式（5），（6），（8），（11）变为：
Figure 309508DEST_PATH_IMAGE053
，                （14）
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE054
，                     （15）
Figure 485275DEST_PATH_IMAGE055
 ，                           （16）
                   （17）
对于PSK调制，射频标签反向散射信号在状态“1”和状态“0” 响应信号幅度
Figure 469893DEST_PATH_IMAGE057
相等，信息体现在状态“1”和状态“0”信号的相位差上，两者存在相位差
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE058
。理想状况下，射频标签反射系数的模值为定值，因此射频标签吸收和反射的功率为一定值，但是受射频标签成本以及芯片体积等原因的限制，射频标签反射系数
Figure 818014DEST_PATH_IMAGE010
的模值发生改变，因此ASK调制方式分析中阅读器接收机平均吸收功率
Figure 102365DEST_PATH_IMAGE019
、有效吸收功率
Figure 577209DEST_PATH_IMAGE020
、解调输出信号的最小信噪比
Figure 605208DEST_PATH_IMAGE059
的分析结果同样也适应PSK调制方式的分析，即相移键控调制方式下的阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号信噪比和接收端误码率的计算表达式，分别与幅移键控调制方式下的阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号信噪比和接收端误码率的计算表达式相同。阅读器接收端信号每比特能量为：
                （18）
根据公式（9），则PSK调制的反向链路通信误码率的erfc函数表示形式和信号相位差
Figure 849107DEST_PATH_IMAGE058
分别为：
Figure 101097DEST_PATH_IMAGE061
                  （19）
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE062
                  （20）
相移键控（PSK），定义反向链路调制系数为：
Figure 920DEST_PATH_IMAGE063
                         （21）
根据公式（19），则有：
Figure 2011101181316100002DEST_PATH_IMAGE064
                  （22）
基于上述分析可以看出，反向散射链路的调制系数直接影响阅读器接收机平均吸收功率
Figure 629347DEST_PATH_IMAGE019
、有效吸收功率
Figure 993333DEST_PATH_IMAGE020
、解调输出信号的最小信噪比
Figure 353907DEST_PATH_IMAGE059
和接收端误码率
Figure 803343DEST_PATH_IMAGE065
。调制系数越大，则阅读器接收机平均吸收功率
Figure 173144DEST_PATH_IMAGE019
和解调输出信号的最小信噪比
Figure 63740DEST_PATH_IMAGE059
越小，使得阅读器最大识别距离减小；调制系数越大，则有效吸收功率越大，误码率越小，标签识别成功率也就越高。
综上所述,本发明之无源射频标签反向调制性能测试方法概述如下：测量无源射频识别系统反向链路中射频标签反向散射信号在状态 “1”和“0”时的响应信号幅度，计算反向链路的调制系数，确定阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号的信噪比和接收端误码率。
采用幅移键控调制方式的无源射频识别系统反向链路的调制系数可由公式（13）计算得出，采用相移键控调制方式的无源射频识别系统反向链路的调制系数可由公式（21）计算得出。
本发明之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，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。
使用本发明，可通过反向链路调制系数表征反向链路调制性能，同时，可估计信号调制损耗和接收端误码率水平，综合考虑了芯片吸收功率及反向链路通信质量两方面要求，且测量不需网络分析仪和误码测试仪，测试方法实现简单，测试成本低、测试效率高，适用范围广，可用于不同协议标准的无源RFID系统反向链路调制系数的实时测量。本发明在无源射频标签反向调制性能测试方面具有显著的理论和技术优势，具有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明无源射频标签反向调制性能测试装置结构示意图；
图2为典型反向散射调制无源RFID系统；
图3为现有的反射系数测试系统的结构示意图；
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。
采用上述测试装置要求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（即发射天线和接收天线）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，测试天线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（仿真阅读器或射频标签）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，并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°，待测射频标签置于轴线交点上，并保证待测射频标签与两天线间的距离相等（参见图1），且处于最佳的场强接收方向。
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：在射频标签的工作频段中心频率上，矢量信号发生器（仿真阅读器）以射频标签最小激活功率PI,min发送强制命令Init round-all（查询周期）或Group select eq（组选择）指令，同时，射频标签返回一个响应信号至矢量信号分析仪；
步骤2：通过矢量信号分析仪记录接收天线接收的射频标签响应信号幅度值的最大、最小值，分别为和
Figure 926041DEST_PATH_IMAGE045
；
步骤3：对于ASK调制方式，根据公式
Figure 597194DEST_PATH_IMAGE049
，对于PSK调制方式，根据公式
Figure 770686DEST_PATH_IMAGE067
，计算射频标签反向散射链路的调制系数；
步骤4：计算阅读器接收机平均吸收功率
Figure 843684DEST_PATH_IMAGE019
、有效吸收功率
Figure 811640DEST_PATH_IMAGE020
、解调输出信号的最小信噪比
Figure 970089DEST_PATH_IMAGE059
和接收端误码率
Figure 681693DEST_PATH_IMAGE069
：
Figure 609198DEST_PATH_IMAGE053
，
Figure 393800DEST_PATH_IMAGE055
 ，
Figure 643516DEST_PATH_IMAGE056
（ASK调制方式），
Figure 691106DEST_PATH_IMAGE064
（PSK调制方式）；
其中，
Figure 865DEST_PATH_IMAGE017
为接收天线可获取最大功率，
Figure 133906DEST_PATH_IMAGE048
是高斯白噪声标准偏差，
Figure 187313DEST_PATH_IMAGE008
是射频标签到阅读器接收天线距离，
Figure 27093DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 590577DEST_PATH_IMAGE027
为发送天线和接收天线收发隔离系数，
Figure 883019DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 802433DEST_PATH_IMAGE012
分别是射频标签和阅读器天线增益，
Figure 496720DEST_PATH_IMAGE013
是波长，
Figure 210598DEST_PATH_IMAGE028
为相位噪声改善因子，
Figure 255914DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 713440DEST_PATH_IMAGE030
分别为接收天线基带带通滤波器高、低截止频率，
Figure 262233DEST_PATH_IMAGE031
是功率密度谱算子，
Figure 412592DEST_PATH_IMAGE032
是射频标签反射信号“1”“0”数据序列，
Figure 679625DEST_PATH_IMAGE033
是反映本振相位噪声的随机过程；
Figure 940842DEST_PATH_IMAGE057
为射频标签反向散射信号在状态“1”和状态“0”下的信号幅度（对于PSK调制，射频标签反向散射信号在状态“1”和状态“0” 响应信号幅度
Figure 344142DEST_PATH_IMAGE057
相等）；
步骤5：在860MHz-960MHz频段范围内，重复步骤2至步骤4，测试不同工作频率和发射功率下的
Figure 665402DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 419731DEST_PATH_IMAGE045
，计算反向散射链路的调制系数，从而得出不同应用情况下的阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号最小信噪比和接收端误码率水平。

Claims (8)

1.一种无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：测量无源射频识别系统反向链路中射频标签反向散射信号在状态 “1”和“0”时的响应信号幅度，计算反向链路的调制系数，确定阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号的信噪比和接收端误码率。
2.根据权利1所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，所述反向链路的调制系数在幅移键控调制方式下表示为：
Figure 643681DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 229383DEST_PATH_IMAGE003
是响应信号在状态 “1”和“0”时的信号幅度。
3.根据权利1所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，反向链路的调制系数在相移键控调制方式下表示为：
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 846178DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE006
是响应信号在状态 “1”和“0”时的信号相位幅度。
4.根据权利2所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，采用幅移键控调制方式时，反向链路的调制系数进一步表示为：
Figure 884542DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE008
是射频标签反向散射信号为状态“0”时的反射系数，即射频标签反向散射信号为状态“1”时的共轭反射系数。
5.根据权利3所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，采用相移键控调制方式时，反向链路的调制系数进一步表示为：
Figure 487561DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 131032DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 466199DEST_PATH_IMAGE003
是响应信号在状态 “1”和“0”时的信号幅度。
6.根据权利4所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，在幅移键控调制方式下，阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号的信噪比和接收端误码率分别表示为：
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE010
，
，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 457956DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE014
是射频标签到阅读器距离，是高斯白噪声标准偏差，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE016
为阅读器可获取最大功率， 
Figure 586635DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE018
为阅读器接收机收发隔离系数，和
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE020
分别是射频标签和阅读器天线增益，
Figure 747674DEST_PATH_IMAGE021
是波长，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE022
为相位噪声改善因子，和分别为阅读器接收机基带带通滤波器高、低截止频率，
Figure 167340DEST_PATH_IMAGE025
是功率密度谱算子，
Figure 2011101181316100001DEST_PATH_IMAGE026
是射频标签反射信号“1”“0”数据序列，
Figure 667592DEST_PATH_IMAGE027
是反映本振相位噪声的随机过程。
7.根据权利5所述的无源射频标签反向调制性能的测试方法，其特征在于，在相移键控调制方式下，阅读器接收机的接收端误码率表示为   
；
其中，
Figure 153455DEST_PATH_IMAGE015
是高斯白噪声标准偏差，
Figure 626025DEST_PATH_IMAGE029
为射频标签反向散射信号在状态“1”和状态“0”下的响应信号幅度；
相移键控调制方式下的阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号信噪比和接收端误码率的计算表达式，分别与幅移键控调制方式下的阅读器接收机平均吸收功率、有效吸收功率、解调输出信号信噪比和接收端误码率的计算表达式相同。
8.一种无源射频标签反向调制性能测试装置，其特征在于，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。
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