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超高频射频识别系统性能的分析与测试

李兵  
【摘要】:随着近几年“物联网”技术的飞速发展,作为物联网关键技术之一的射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID)技术也迎来了一个新的飞速发展时期,开始大量应用于工业生产自动化、交通、身份识别和物流等领域,并且在不断扩大其应用范围。同时,RFID技术标准的多样性及应用的特殊性给相应的RFID测试和RFID性能评估也带来新的要求和挑战。基于以上现状,应用电磁场、天线、测试和统计分析等相关理论,本文研究了无源超高频RFID系统中的雷达散射截面差值、误码率和反向散射调制性能以及RFID系统性能评估模型,主要内容及工作包括: 首先阐述了RFID系统工作原理、组成及RFID相关标准。从RFID测试原理、测试技术和测试内容出发,根据应用测试现状研究了RFID系统性能测试方法及测试设备;介绍了虚拟仪器技术、软件无线电技术和射频测试技术,基于此设计了一套基于虚拟仪器技术和软件无线电技术的RFID系统测试平台,重点介绍了测试系统的架构形式、硬件选型及软件设计,并给出了一些具体参数的测试方法和测试结果。结果表明,该测试平台具备可靠性、兼容性、稳定性等性能测试能力,可以完成RFID空中接口一致性、电气性能、第三方监测、系统性能及应用场景性能等测试,具备性能指标分析和可视化性能评估功能,并且支持多协议标准的测试,具备客户自定义标准测试的扩展能力。可以满足RFID术研究测试、硬件产品认证测试、应用测试等公共服务需求。 其次基于RFID技术通信原理和天线反向散射理论,导出了无源标签的雷达散射截面的三维表现形式,并给出了反向散射信号在“0”“1”状态下的雷达散射截面差值与反向散射链路通信误码率的关系,提出了一种适合于反向散射RFID通信链路的误码率分析及测试方法。使用研发的RFID测试系统,运用矢量相减法消除收发天线间直接路径泄漏信号产生的误差,测量了不同参数设置情况下标签的雷达截面差值和通信误码率。得出在满足阅读器和标签灵敏度要求条件下,发射功率越大,标签反向散射链路通信BER越大。 第三,分析了无源超高频射频识别系统阅读器接收机取得最大有效吸收功率值的条件,讨论阻抗失配对标签反向散射链路调制系数的影响,导出阅读器接收机标准化有效吸收功率、解调输出信号信噪比(SNR)下边界和接收端误码率(BER)三者的反向散射调制系数表达式。在开阔的室内环境下,完成了不同参数条件下的反向散射调制系数测试。采用研发的RFID测试系统对采用ASK调制方式的标签调制系数进行了测试,得出:调制系数位于5%~10%区间时,标签可以被正确识别;调制系数大于10%时,芯片吸收功率过低而无法正常工作,标签反向调制信号不能被正确解调和解码;调制系数小于5%时,阅读器接收机有效吸收功率过低,接收端BER过高,标签无法被识别。 最后,基于实验设计方法理论,设计了一个RFID系统性能测试实验,利用统计分析方法给出了影响RFID系统性能的主要因素,并建立了RFID系统性能评估回归模型。基于OPC技术的Lab VIEW与PLC实时通讯控制技术,构建了一个仿真RFID系统应用场景,提高了测试效率,减少了测试成本。结合LVQ算法和GA算法,提出了一种改进的GA-LVQ算法,并将其引入RFID系统标签识别率预测,一方面利用LVQ神经网络强大的学习、联想、计算简单和分类识别的功能,并引入学习速度修正规则,保证算法的学习稳定性,另一方面利用GA算法较强的全局搜索功能、求解能力和鲁棒性,并引入交叉率和变异率算子动态调整方法,避免“优秀基因丢失”和“种群单调”问题,提高算法的学习效率。实验结果表明,该算法具有较好的预测精度、学习效率和鲁棒性。


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