RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
嵌入FPGA基帶處理器的實(shí)時(shí)仿真模式，實(shí)質(zhì)上是引入了“軟件無線電”這一關(guān)鍵技術(shù)。所謂軟件無線電技術(shù)，即通訊過程的信號(hào)由軟件來確定，是一種用軟件實(shí)現(xiàn)物理層鏈接的無線通訊設(shè)計(jì)。軟件無線電技術(shù)的核心是將寬帶A/D、D/A盡可能靠近天線端，采用軟件數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線電功能，其中心思想是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)上，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)一種具有多模式無線通訊功能的開放式體系結(jié)構(gòu)。
1992年5月在美國通訊系統(tǒng)會(huì)議上，約瑟夫•米托拉首次明確提出了“軟件無線電”的概念。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，軟件無線電技術(shù)快速發(fā)展，特別是在測試測量領(lǐng)域以其獨(dú)特的優(yōu)勢得到了越來越廣泛的運(yùn)用。軟件無線電技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于它的靈活性，可以通過增加軟件模塊，方便地增加新功能。在軟件無線電中，諸如信道帶寬、調(diào)制參數(shù)、編碼方式等都可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)不同通訊或測試的需求。軟件無線電技術(shù)具有較強(qiáng)的開放性，由于采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要不斷升級(jí)，能夠有效的降低系統(tǒng)的開發(fā)升級(jí)成本，提高資源的重復(fù)利用度，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。
軟件無線電作為一種開放式構(gòu)架，在不同的具體應(yīng)用中其體系結(jié)構(gòu)也會(huì)稍有差異， 借鑒ITU-R SM.1537標(biāo)準(zhǔn)對(duì)軟件無線電接收機(jī)的定義，我們可以看到適用于各種軟件無線電系統(tǒng)的一般準(zhǔn)則，如圖2-5所示：

圖2-5：軟件無線電（接收機(jī)）的體系結(jié)構(gòu)
軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)包含三個(gè)關(guān)鍵要素：模塊化硬件，開放高速總線，數(shù)字信號(hào)處理，以下將依次介紹各要素的特點(diǎn)及其對(duì)RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的影響。
1.模塊化硬件
隨著無線通訊技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于測試測量也提出了更高的要求，測試項(xiàng)目和范圍與日俱增，測試精度和速度要求急劇提高。在測試系統(tǒng)中，對(duì)儀器的“智能”要求越來越高，儀器中微機(jī)的任務(wù)不斷加重，儀器在很多方面逐漸向計(jì)算機(jī)靠攏，測試系統(tǒng)中包含的重復(fù)部件也越來越多，因此需要統(tǒng)籌地考慮儀器與計(jì)算機(jī)之間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這種背景下，1982年首次出現(xiàn)了一種與PC機(jī)配合使用的模塊化儀器，測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逐漸也從傳統(tǒng)的機(jī)架層迭式結(jié)構(gòu)發(fā)展成為模塊化硬件結(jié)構(gòu)。
基于模塊化硬件的測試系統(tǒng)通過選擇合適的硬件模塊并在標(biāo)準(zhǔn)的軟件環(huán)境中定制測試程序，即可滿足各種具體的應(yīng)用需求，采用模塊化硬件構(gòu)建的測試系統(tǒng)比傳統(tǒng)儀器具有更高的同步特性、數(shù)據(jù)吞吐量、測量精度和靈活性。在RFID協(xié)議一致性測試中，以實(shí)時(shí)仿真模式為例，我們可以選擇模塊化的FPGA基帶處理器、模塊化的射頻上變頻器、模塊化的射頻下變頻器來構(gòu)成集成的測試系統(tǒng)。靈活的模塊化硬件結(jié)構(gòu)也為系統(tǒng)提供了良好的擴(kuò)展性， FPGA基帶處理器可以滿足不斷演進(jìn)的RFID協(xié)議，通用的射頻前端則提供了HF、UHF 以及Microwave等多種頻率接口。
2.開放高速總線
僅模塊化硬件并不足以構(gòu)成一個(gè)完整的測試系統(tǒng)，模塊化硬件之間還需要開放的高速總線來連接成為一個(gè)有機(jī)的整體，在測試測量技術(shù)發(fā)展的過程中，先后出現(xiàn)了GPIB、VXI、PXI、PXI Express等多種儀器總線。
早在機(jī)架層迭式結(jié)構(gòu)的階段，人們就認(rèn)識(shí)到幾乎不可能采用獨(dú)立儀器來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的測試系統(tǒng)，提出了采用不同儀器組合，通過儀器總線來構(gòu)建測試系統(tǒng)的方法。最早于60年代中期發(fā)展起來的惠普接口總線（HP-IB）是第一種被廣泛應(yīng)用的儀器總線，也被稱為GPIB，它能夠把最多15臺(tái)儀器連接到一臺(tái)控制器上，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1MB/s，許多儀器制造商提供了大量支持GPIB總線的測試儀器。GPIB總線的主要局限在于它的帶寬，在應(yīng)用于高數(shù)據(jù)流量的測試場合，如無線通訊測試時(shí)，可能成為系統(tǒng)的瓶頸。在模塊化硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，則發(fā)展出了基于VEM總線的儀器擴(kuò)展平臺(tái)VXI總線，基于PCI總線的儀器擴(kuò)展平臺(tái)PXI總線，以及基于最先進(jìn)的PCI Express總線的儀器擴(kuò)展平臺(tái)PXI Express總線。
PXI總線在每一個(gè)橋段上允許連接7個(gè)外圍設(shè)備，使用PCI-PCI橋接后最多可以有256個(gè)擴(kuò)展設(shè)備，能夠達(dá)到132 MB/s的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。在大幅度提高總線帶寬的同時(shí)，PXI總線還加入了多背板同步時(shí)鐘，把10MHz的參考時(shí)鐘分布到所有的外圍設(shè)備上，并且有8條可選擇的總線觸發(fā)線。PXI Express總線在具有PXI總線一系列優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，更進(jìn)一步的把最大數(shù)據(jù)傳輸速率提高到了數(shù)GB/s級(jí)別。在RFID協(xié)議一致性測試中，通訊過程通常在毫秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)即完成，這就要求測試系統(tǒng)的各個(gè)組件之間具有可靠的高速同步機(jī)制，對(duì)于脫離開放高速總線的系統(tǒng)來說，精確的同步機(jī)制通常很難做到。另一方面，通訊信號(hào)的采集分析需要較高的采樣率來保證信號(hào)的完整性，由此而帶來的高數(shù)據(jù)流量也得益于開放高速總線而解決。
3.數(shù)字信號(hào)處理
強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理是軟件無線電技術(shù)的關(guān)鍵，具體又分為固化于模塊化硬件上的硬件數(shù)字信號(hào)處理，以及運(yùn)行于FPGA和CPU上的軟件數(shù)字信號(hào)處理。在無線通訊測試領(lǐng)域，數(shù)字上變頻（DUC）和數(shù)字下變頻（DDC）是最常見的兩種硬件數(shù)字信號(hào)處理功能。DUC可通過硬件進(jìn)行正交數(shù)字上變頻和基帶信號(hào)插值， DDC可通過硬件進(jìn)行正交數(shù)字下變頻和基帶信號(hào)抽取，從而大大降低信號(hào)的數(shù)據(jù)量，減少數(shù)據(jù)處理和傳輸時(shí)間。DUC和DDC的應(yīng)用價(jià)值在于，在實(shí)際的射頻測試儀器的實(shí)現(xiàn)中，出于抗干擾等一系列因素的考慮，A/D、D/A的轉(zhuǎn)換通常并非直接在基帶完成，而是在介于基帶和最終射頻信號(hào)之間的某一“中頻”信號(hào)下完成，具體可參閱相關(guān)射頻技術(shù)書籍。DUC和DDC實(shí)現(xiàn)了數(shù)字基帶信號(hào)和數(shù)字中頻信號(hào)之間的雙向轉(zhuǎn)換，此功能極大的提高了RFID協(xié)議一致性測試系統(tǒng)的性能。
運(yùn)行于FPGA和CPU上的軟件數(shù)字信號(hào)處理則能夠完成基帶信號(hào)相關(guān)的分析處理功能，其中 FPGA具有可配置的觸發(fā)、定時(shí)和板載決策，能夠?qū)崟r(shí)地控制I/O信號(hào)，特別適合于RFID協(xié)議一致性測試中實(shí)時(shí)處理功能的構(gòu)建，各種復(fù)雜的數(shù)字濾波、調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼、CRC以及邏輯控制算法在FPGA上都得以實(shí)時(shí)執(zhí)行。CPU對(duì)于各種通用軟件的強(qiáng)大支持特性，非常適合于完成復(fù)雜的非實(shí)時(shí)信號(hào)處理工作，以及構(gòu)建上層的測試應(yīng)用程序，如運(yùn)用測試管理軟件來組織RFID協(xié)議一致性測試眾多的測試項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化測試系統(tǒng)。