射頻識別(RFID)作為物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于物流、交通、電子支付、安全鑒別等領(lǐng)域。其中很多應(yīng)用需要在高速運(yùn)動中對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，例如ETC電子收費(fèi)系統(tǒng)、電子車牌、列車電子標(biāo)簽。這些系統(tǒng)都需要貼裝射頻識別標(biāo)簽的車輛、列車在運(yùn)動中和讀寫器應(yīng)答。讀寫器-標(biāo)簽系統(tǒng)對速度適應(yīng)范圍越大，對交通影響越小，使用越方便，應(yīng)用價值越大。然而在高速運(yùn)動中，RFID讀寫器和標(biāo)簽之間的通信信道在動態(tài)變化，導(dǎo)致標(biāo)簽接收到的單個指令信號就帶有這種變化產(chǎn)生的信號畸變。如何評估標(biāo)簽在高速運(yùn)動情況下的響應(yīng)能力，是標(biāo)簽性能評估的重要內(nèi)容。

有實驗室采用實物模擬的方法，架起一個直線導(dǎo)軌，把標(biāo)簽放在導(dǎo)軌上的小車?yán)?，快速拉動小車，模擬快速移動的場景。這個方法比較簡單，但是顯然不能模擬全速運(yùn)行車輛的速度，也難以控制周邊物體對射頻反射產(chǎn)生的不可控因素。

本文根據(jù)ISO 18046-3等相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和作者在通信測量的經(jīng)驗介紹了兩種較先進(jìn)的測試方法。

最大場強(qiáng)變化率測試

這個方法在ISO 18046-3標(biāo)準(zhǔn)里面8.9和8.10章節(jié)描述，測試的基本設(shè)想是，標(biāo)簽和讀寫器距離變化的時候空氣中的傳輸損耗也發(fā)生變化。也就是說，距離縮短信號加強(qiáng)，距離拉遠(yuǎn)信號減弱。那么標(biāo)簽相對讀寫器運(yùn)動速度就決定了信號強(qiáng)度的變化率。用自由空間射頻傳輸場強(qiáng)公式計算：

式中：P是發(fā)射功率，單位為W；G是發(fā)生天線增益；R是發(fā)生天線到標(biāo)簽距離，單位為m。假設(shè)R以速度V變化，則：

假設(shè)發(fā)射功率2 W，天線增益為6 dBi，當(dāng)標(biāo)簽-讀寫器距離5 m，在相對速度150 km/h的時候，功率變化率達(dá)到-25.76 V/m/s。變化率是負(fù)數(shù)，表示遠(yuǎn)離的運(yùn)動導(dǎo)致場強(qiáng)下降，接近運(yùn)動使場強(qiáng)升高。根據(jù)公式計算，在距離2 m、5 m、10 m，相對速度10 km/h、50 km/h、100 km/h、150 km/h、250 km/h、500 km/h的場強(qiáng)變化率如表1所示。

更簡單的評估是直接計算不同距離的場強(qiáng)。根據(jù)表2和表3所示，車輛在250 km/h速度下只要43 ms就可以從5 m接近到2 m，期間場強(qiáng)從3 V/m增強(qiáng)到了7.7 V/m。

對于目前常用的EPC UHF C1G2（等同于ISO18000-6C）標(biāo)準(zhǔn)，識讀應(yīng)答時間典型在3 ms以內(nèi)。 根據(jù)表1和表2推算，當(dāng)標(biāo)簽-讀寫器距離2 m，速度250 km/h接近時，場強(qiáng)變化在10%左右。然而，這是時間最短的應(yīng)答之一。隨著指令周期長度增加，標(biāo)簽對速度的適應(yīng)性就容易變差。當(dāng)識別系統(tǒng)需要安全鑒權(quán)或?qū)⑹召M(fèi)或路徑信息寫入標(biāo)簽時，應(yīng)答時間會顯著增加，這種效應(yīng)會更顯著。

本測試方法就是在射頻暗室環(huán)境下制造這樣的功率迅速變化條件，測試標(biāo)簽應(yīng)答性能的方案。

測試通常在暗室中進(jìn)行，測試儀和被測標(biāo)簽在標(biāo)準(zhǔn)測試距離上，先測量靈敏度場強(qiáng)。然后在靈敏度場強(qiáng)之上3~9 dB之間進(jìn)行功率三角波掃描。標(biāo)簽正常響應(yīng)的最高三角波變化率就是測量結(jié)果。ISO18046稱為最大衰落率Max fade rate V/(m·s)。

功率傳遞函數(shù)模擬測試

功率變化率測試，標(biāo)簽在多快場強(qiáng)變化下可以正常應(yīng)答，是已知的；但是并沒有說明，它在多快車速下可以正常工作。原因在于，標(biāo)簽-讀寫器天線相對位置夾角、距離和車速同時影響了場強(qiáng)變化率。其中，由于天線方向圖特性和車輛經(jīng)過閱讀器過程中相對夾角的變化，導(dǎo)致標(biāo)簽接收到的功率變化不是線性的。所以，有功率傳遞函數(shù)模擬測試方法。

這個方法來源于歐洲高速鐵路信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。鐵路信標(biāo)是一種特殊的有源射頻識別系統(tǒng)。列車車頭和車尾各有一個信標(biāo)閱讀器，當(dāng)列車通過布設(shè)在鐵軌中間的信標(biāo)時，天線讀取信標(biāo)信號，從而對列車進(jìn)行定位。

列車- 信標(biāo)的相對速度可以從0 km/h變化到400多km/h。歐洲標(biāo)準(zhǔn)UNISIG 085子集規(guī)定了實驗室模擬的步驟。

首先測量在運(yùn)動經(jīng)過的標(biāo)簽-閱讀器相對軌跡點各個位置上空間傳遞函數(shù)，以及場強(qiáng)對位移的曲線。在模擬測試的時候，將此曲線加載到信標(biāo)信號幅度上，曲線加載的數(shù)據(jù)點可以根據(jù)測試模擬的列車速度計算。車速快曲線播放就快，反之就慢。這樣通過應(yīng)答信號模擬器的動態(tài)幅度調(diào)制，避免了實物相對運(yùn)動，從而可以模擬任何可能的列車速度，而實際上實驗設(shè)備沒有運(yùn)動。

如圖2所示，系統(tǒng)測量或計算出不同相對位移位置下閱讀器信號到達(dá)標(biāo)簽的場強(qiáng)，測試中根據(jù)需要模擬的速度制定位移-時間直線。圖中藍(lán)色曲線就是模擬的場強(qiáng)-位移關(guān)系，綠色和紅色直線段表示較慢和較快速度的位移-時間對應(yīng)關(guān)系。將場強(qiáng)-位移通過位移-時間映射，就得到時間-場強(qiáng)曲線，如圖2中右側(cè)2根曲線。這個曲線加載到閱讀器發(fā)射功率包絡(luò)，就模擬了不同速度下標(biāo)簽經(jīng)過閱讀器的信號。這個時間-場強(qiáng)曲線就是一個時變功率傳遞函數(shù)。這個函數(shù)加載到RFID測試儀器發(fā)射端，就構(gòu)成了功率傳遞函數(shù)模擬測試。

用這種方法，可以通過軟件設(shè)置模擬任何可能的甚至不可能的相對速度場景。

測試可以設(shè)定各種相對速度，在不同載波頻率和應(yīng)答指令下，測試正常識別或?qū)懭氲淖畲笙鄬λ俣取?/p>

測試系統(tǒng)實現(xiàn)

配合上述方法的測試系統(tǒng)除了常見射頻儀器要求以外，還必需具備信令交互、協(xié)議和性能測試、高速時變模擬功能。如圖3所示，背景是一套聚星儀器的RFID性能測試系統(tǒng)。儀器系統(tǒng)采用軟件無線電架構(gòu)，在底層FPGA上面實現(xiàn)了協(xié)議狀態(tài)機(jī)、信令編碼解碼、信令調(diào)制解調(diào)，和信號包絡(luò)調(diào)理。這些模塊受上位機(jī)協(xié)議測量分析模塊控制，并且將信令和波形匯報給上位機(jī)測量分析模塊。所以不論ISO還是UNISIG的波形包絡(luò)都可以加載到信號上面，實現(xiàn)高速時變信號模擬。

聚星儀器的RFID測試儀基于高精度射頻儀器平臺構(gòu)成，完全滿足國家和國際可溯源計量要求，避免了采用傳統(tǒng)儀器配合自制仿真器進(jìn)行測試的方式，在測試項目的覆蓋程度和性能精度上都能夠達(dá)到更好的水準(zhǔn)。同時，軟件無線電構(gòu)架也為測試系統(tǒng)提供了良好的擴(kuò)展能力，可以快速適應(yīng)RFID國際標(biāo)準(zhǔn)以及國家、地方、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的變化。基于FPGA的基帶平臺具有卓越的實時性能和可擴(kuò)展性，以滿足不斷演進(jìn)的RFID協(xié)議，靈活的射頻層提供了高頻、超高頻以及微波頻率接口。

系統(tǒng)中聚星儀器還提供了射頻暗箱，給標(biāo)簽-天線應(yīng)答提供了不受干擾的模擬自由空間的條件。

結(jié)論

高速運(yùn)動場景下RFID標(biāo)簽性能的測試，可以通過模擬運(yùn)動時變信道情況實現(xiàn)。ISO標(biāo)準(zhǔn)和UNISIG標(biāo)準(zhǔn)分別針對800/900 MHz超高頻標(biāo)簽和鐵路信標(biāo)給測試方法。這些方法都使得可以不用運(yùn)動部件而模擬實際標(biāo)簽接收到信號的動態(tài)過程，從而評估標(biāo)簽在高速場景下的性能。