UHF射频识别系统读写器仿真测试的研究

　　0.引言

　　射频识别(RFID)系统是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行无接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。射频识别系统的主要核心部件是读写器和电子标签。读写器在射频识别系统中又占据着重要的作用。首先读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段;其次读写器的功率直接影响了射频识别系统的最大识别距离。所以对于一个射频识别系统来讲，读写器的性能分析是非常重要的。而当今超高频射频识别系统的应用越来越广泛，这主要是由于超高频段能够适用于长的读写距离和较高读写速度的场合。基于ISO18000-6 标准的超高频射频识别系统的频率主要位于915MHz 附近。本文就主要针对于915MHz 阅读器来进行研究。

　　1.读写器的基本功能

　　读写器一般由天线、射频模块和读写模块构成。

　　框图中发射单元主要完成的任务是：读写器通过锁相环控制压控振荡器产生载波频率送至发射混频器，混频器将载波信号和读写器的基带信号混合成调制信号，经过两级低噪声放大器和神品滤波器后，送至功分器，功分器将发射信号分成两路，一路经衰减送至射频功率放大器，另一路送往接收电路，做接收时混频的本振信号源，读写器然后根据需要通过衰减调节发射信号的增益，发射信号经过射频功率放大器后由环形器送至天线发射出去。而接收单元的功能是：接收标签返回的微弱信号，经过读写器进入环形器，与读写器发射的连续载波相分离，经过射频滤波器滤波后，进入接收功分器，分成两路接收信号;两路本振信号与两路接收信号经混频后形成两路基带信号，再分别经两路运放和低通滤波器后，信号返回到读写器做处理。

　　2.读写器的相关测试

　　现在所开展的测试测试包括一致性测试、通用性测试以及性能测试三个阶段。一致性测试是为了测试设备如标签、读写器是否符合EPCglobal 的标准，这样终端用户可以购买到经过认证的产品;通用性测试是为了测试某种设备与其它设备的兼容性操作;性能测试是为了测试在某个具体环境、真实条件下的识读水平，以保证所有环节识读的准确率。本文中主要对读写器的一致性的某些参数进行测试。而影响读写器性能的主要参数包括：射频输出的功率，系统的调制方式，数据的编码方式以及信号的包络参数等。在这些参数中影响系统最终成本的最重要的单一技术参数往往是发射功率，这一参数涉及功率放大器件的尺寸、封装、热通路和有关的冷却方式、电源、质量以及安全性等方面。其中的每一项都会使得成本迅速上升。另一方面主要对于读写器读写距离的影响参数中读写器的发射功率也是最重要的，射频识别系统的有效识别距离和读写器的射频发射功率成正比，发射功率越大识别的距离就越远，但是电磁波产生的辐射超过一定的范围时就会对环境和人体产生有害的影响，因此在功率方面必须遵循一定的标准。为了保证产品的质量就必须对读写器相关的参数进行分析和测试。

　　3.读写器系统仿真

　　以 ISO 18000-6 Type A 的读写器为例，读写器的系统结构simulink 仿真图如下：

　　读写器系统结构仿真图

　　Type A 读写器发送的数据编码为脉冲间隔编码，即通过定义下降沿之间的不同宽度来表示不同的数据信号，编码后的基带数据命令信号进行ASK(振幅键控)，调制深度为30%，如果用二进制序列{ a n } 表示基带数据命令，则经过ASK 调制后得到的调制信号表示为：

　　读写器的调制信号的时域仿真图

　　其中Acos? ct为调制载波，N 为调制深度。仿真的波形如图 所示。

　　对信号进行了时域的仿真，再利用matalab 来进行频域仿真，设有限长度信号为S(t)，其表达式如下：

　　通过仿真计算得到读写器发射的功率为 1.5176 瓦特，调制效率为0.0639。

　　4.读写器暂态信号的时频仿真

　　在射频识别系统中的很多信号往往是非平稳的，其统计量是实变函数。这个时候如果只了解信号在时域或者频域的全局特性远远不够。这时为了分析这种非平稳的信号就有联合时频分析方法。利用时间和频率的联合函数来表示信号简称为信号的时频表示。如果令s(t)为一实的非平稳信号，在进行时频分析之前往往需要将实信号转变为复信号z(t)的形式,表示如下：

　　图含噪声的暂态信号的仿真图

　　其中H[s(t)]是s(t)的Hilbert 变换。构造这样一个复信号的优点是剔除了实信号中的负频率成分，同时也不会造成任何的信息损失，也不会带来虚假信息。其仿真图如图所示。

　　5.结论

　　由于读写器的工作频率决定了系统的频率，读写器的发射功率是系统的识读距离的关键影响因素，因此读写器信号的分析就显得足够的重要，又由于射频识别系统信号的非平稳性，采用时域、频域和联合时频分析的方法相结合，对读写器信号的特性有更详细的分析。

　　本文作者创新点在于对超高频读写器进行了建模，并对它的信号进行了分析和仿真，针对于射频识别系统信号的非平稳性，引入了联合时频分析的方法，从而对射频信号在时域和频域的全局特性和在时频分析中的局部特性有了全面的了解。