基于MATLAB的RFID空中接口数据分析

陈 淋，李建成

（国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙 410073）

0 引言

物联网是实现全球物品信息共享的一个建立在互联网上的全球网络，其目的是物品到物品(Thing toThing，T2T)、人到物品(Human to Thing，H2T)、人到人之间的互连(Human to Human，H2H)[1]，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。在物联网众多关键技术中，RFID 技术是其主要支撑技术[2]。随着RFID 技术的发展，RFID的协议数量、种类也逐渐增多，针对不同协议的读写器、标签测试也有相应的规范。

实时频谱仪在RFID 空中接口数据测量分析中的应用也越来越广泛，有的也嵌入了对部分常用RFID 空中接口协议的支持，能完成对标签命令和读写器响应的解析。文献[3]中阐述了运用实时频谱分析仪，评估RFID 系统是否符合150/I EC 标准及国际发射机有关的政府法规。但其支持的协议有限，同时又有新的空中接口协议不断出现（如我军刚颁布的军用射频识别空中接口协议），因此，实时频谱仪在实际使用中仍存在一定的局限性。MATLAB 作为科学研究和技术开发的一个优秀工具软件，功能丰富，使用方便[4]。借助MATLAB 在信号处理领域中的强大工程计算功能，通过读入频谱仪采集的原始信号，针对不同的RFID 空中接口协议进行编程，从而使得RFID空中接口数据分析具有更强的灵活性。

1 实时频谱仪采样及分析原理

实时频谱仪的主要工作原理为[5]：输入频谱仪的射频信号经过混频后变成中频信号，中频信号经过滤波和A/D 转换，A/D 样点经过数字下变频和抽样，得到同相（I）和正交（Q）基带信号流，其电压值存储于内存中，准备进一步的分析处理。通过仪器中的数字处理模块，既可以进行时域的功率、电压、相位等分析，也可以进行频域分析、码域分析等。

时域分析：信号的时域分析可分为I/Q时域分析和功率随时域分析。

通过I/Q时域分析可以直观地观察数字下变频器的原始I/Q 输出信号幅度随时间的变化。

通过功率时域分析可以显示信号功率的变化情况，能直观地观察信号能量在时域上的分布情况。

频域分析：信号的频域分析方法就是根据信号的频域描述来估计和分析信号的组成和特征量。一般包括对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱的测量，反应了信号在不同频率点上的幅度、相位、功率等信息。通过频域分析，可以观察信号中的频率组成成分和频率分布范围，确定信号中各个频率成分的幅值和能量；通过时频联合分析，能更加直观地对一段连续时间的频谱进行观察与分析。

码域分析：依据相应的编码规则，对特定的数字信号进行解码分析，可以直观地观察解码结果，解析这些结果所代表的命令参数信息，由此判断该信号是否满足RFID 空中接口协议的相关规定。

2 利用MATLAB对RFID信号采集数据进行离线分析

利用MATLAB 进行采集数据离线分析的具体流程如下：

首先根据文件存储的结构，用MATLAB 从打开的数据文件中读出各种参数以及I/Q 数据，将I 路数据和Q 路数据分别存入两个矩阵中。利用这些数据就能使用MATLAB 进行时域频域可视化分析，并绘出功率随时间变化图、时域波形图、频谱及频谱图等。

本文的采集信号为基于ISO/IEC 18000-6 TYPE C 协议的读写器、标签射频信号。读出基本的IQ时域图、功率随时间变化、频谱等如图1所示。

图1 读入离线数据

从图1可以看到I 路信号与Q 路信号为相位差90°，采用PRASK 调制的信号。由于是无源标签，其能量为读写器提供，读写器发射功率比标签应答功率大很多，频谱能量集中分布在载波频率附近，可以直观地读出标签响应时间，读写器标签的通信周期等。

取出功率随时间变化图（见图2），对该射频信号进行解码分析：

图2 功率随时间变化图

有信号的地方分为6个部分，从能量的大小可以看出1、2、4、6区域为读写器发送信号，3、5区域为标签响应信号。根据协议规定[6]，读写器发送信号和标签响应信号分别为PIE 编码和FM0编码。其解码流程如图3、图4所示。

截取第1段信号进行分析，解码的结果为：0ss 1000000100010001010010其中0ss为前导码Rtcal 及Trcal，该条命令为Query 命令。

图3 PIE 解码流程图

图4 FM0解码流程图

第2段信号解码结果为：0s 0001，该条命令为QueryRep 命令。

第3段信号解码结果为：：0000 0000 00001010 v1 1000 1011 1111 1100，前14位是前导码，后16位为生成的随机数。

第4段信号解码结果为：：0s 01 1000 10111111 1100，该条命令为ACK 命令，后16位随机数为标签生成的随机数。

第5段信号解码结果为：0000000000001010v1 0011 0000 0000 0000 10010110 0000 0100 0001 0000 0001 0000 0010 00000000 1001 0000 0000 0000 0110 1000 0011 01111101 1100 1100 1100 1100 0000 0111 0010 1000，为前导码加128位数据。这128位数据位标签的唯一识别码。

由此看出，该采集信号为读写器发出询问命令，并通过标签返回的16位随机数与该标签建立连接的过程。

3 结论

MATLAB 简单快捷，对脱离仪器自主分析采集数据，提供了很大的便利性和灵活性。本文对泰克实时频谱仪采集的基于ISO/IEC 18000-6 TYPE C 协议的RFID 空中接口数据进行了离线分析，实际中，根据采用的RFID 空中接口协议的具体规定，进行适当修改即可适用于不同的协议，因此具有很强的通用性。

[1]樊雪梅.物联网技术发展的研究与综述[J].计算机测量与控制，2011.

[2]黄鹏，杨云志，李元忠.“物联网”推动RFID技术和通信网络的发展[J].电讯技术，2010.

[3]陈小芳.基于泰克RSA的分析评估和优化RFID系统[J].电子测试，2007(6).

[4]曾尚璀，沈华，俞振利.基于MATLAB系统的信号FFT频谱分析与显示[J].科技通报，2000(7).

[5]ISO/IEC.Information technology-Radio frequency identification for item management-Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz[S].Switzerland：ISO/ IEC，2006.

[6]张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[7]罗华飞.MATLAB GUI设计学习手记[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.