摘要：隨著電子通信的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的推廣，射頻識別（RFID）技術(shù)在物流行業(yè)有著重要的用途。RFID利用射頻信號的空間耦合傳輸，通過非接觸的方式識別目標、讀取數(shù)據(jù)，可以用于物流管理、倉儲分揀、安全監(jiān)測、信息傳遞等場景。讀寫器是RFID系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，負責對電子標簽進行讀取或?qū)懭胄畔?。在面向物流工程專業(yè)的RFID課程教學中，由于閱讀器系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、理論性強，使得學生對RFID讀寫器機制的理解存在困難。在RFID教學中引入射頻EDA仿真軟件，通過虛擬仿真實驗直觀展示RFID讀寫器的工作機理，加強學生的實踐和創(chuàng)新能力。文章探索了結(jié)合物流行業(yè)開展RFID教學活動，通過引入基于虛擬仿真的實踐教學環(huán)節(jié)，提升教學質(zhì)量，為物流工程專業(yè)培養(yǎng)復(fù)合型高素質(zhì)人才。關(guān)鍵詞：射頻識別；物流；虛擬仿真實驗；教學研究0

引

言隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，現(xiàn)代物流行業(yè)成為我國經(jīng)濟的重要支持?！笆奈濉币?guī)劃指出要進一步打造現(xiàn)代化物流體系，加快物流技術(shù)的創(chuàng)新與升級。射頻識別（RFID）技術(shù)早在20世紀90年代就用于物流倉儲管理的精細化作業(yè)[1-3]。RFID技術(shù)利用射頻信號的空間耦合，可以實現(xiàn)非接觸式信息傳遞并識別目標對象，具有速度快、效率高、多目標、操作簡便、準確精細、性能穩(wěn)定等特點，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等智慧化技術(shù)，在現(xiàn)代物流管理的存儲、配送、分銷、運輸、零售、巡檢、預(yù)警等環(huán)節(jié)上具有顯著優(yōu)勢[4-6]。物流技術(shù)的高速發(fā)展也對高校教學提出了新的要求，物流工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)都開展RFID技術(shù)相關(guān)的課程，教授現(xiàn)代物流的發(fā)展、RFID技術(shù)及相關(guān)理論，以及RFID技術(shù)在現(xiàn)代物流中的應(yīng)用等內(nèi)容，培養(yǎng)符合物流行業(yè)需求的高素質(zhì)專業(yè)化人才。RFID技術(shù)及相關(guān)理論是教學中的重點和難點，而讀寫器作為前端的數(shù)據(jù)收發(fā)采集設(shè)備，是RFID系統(tǒng)的核心，也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵模塊。因此，理解RFID系統(tǒng)讀寫器的架構(gòu)和工作機理，對于培養(yǎng)學生掌握RFID技術(shù)原理、獲得解決相關(guān)問題的能力具有重要意義。1

面向物流工程的射頻識別教學面臨的挑戰(zhàn)在物流行業(yè)中，RFID讀寫器的射頻發(fā)射模塊通過天線發(fā)送特定頻率的無線電波，電子標簽接收到該電波后，利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量將自身信息發(fā)回。讀寫器通過射頻接收模塊來接收信號，并在此過程中，為電子標簽提供能量，實現(xiàn)防碰撞功能、消息鑒權(quán)、數(shù)據(jù)信息處理等操作。讀寫器的性能優(yōu)劣，如工作頻率、發(fā)射功率、動態(tài)靈敏度等直接影響目標識別的性能。因此，有必要讓學生學習和掌握RFID讀寫器的工作原理。當前的RFID讀寫器教學面臨如下挑戰(zhàn)：首先，RFID讀寫器系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜、電路和通信理論性強。由于讀寫器需要在通過射頻收發(fā)模塊發(fā)送和接收電磁波，通過解調(diào)解碼模塊將射頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，電路模塊眾多，包括射頻收發(fā)、基帶控制、I/O接口及電源等幾大模塊，各模塊又由眾多子電路組成。實際教學“重講解而輕實踐”，學生在學習時只能“走馬觀花”地認識各個組成電路，對于設(shè)計參數(shù)如何選取、系統(tǒng)架構(gòu)如何搭建、射頻收發(fā)如何工作缺乏實踐認知。其次，RFID實驗教學需要綜合電磁場類實驗和電子電路類實驗，對實驗場所、實驗儀器和操作人員的專業(yè)技能要求都比較高，學生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，還需要投入大量的時間和精力學習電路布局布線、儀器操作使用、系統(tǒng)裝配測試等，才能取得預(yù)期的實驗結(jié)果，在教學過程中難以開展。為了解決上述問題，在教學過程中引入虛擬仿真實驗，利用高速發(fā)展的射頻EDA仿真軟件，如CST、HSFF、ADS等，為面向物流工程的RFID教學提供支撐[7-8]。學生不再局限于固定的實驗室和上課時間，只需要一臺計算機就可以搭建虛擬的實驗環(huán)境，直接調(diào)用仿真平臺的行為級模型電路，在教學理論的指導(dǎo)下完成RFID讀寫器系統(tǒng)的虛擬仿真實驗，從而達到實踐教學的學習效果，加深學生對教學內(nèi)容的理解和掌握，增強學生學以致用的能力。2

基于射頻EDA軟件的虛擬仿真實驗平臺本課程基于射頻EDA軟件ADS（AdvancedDesignSystem）的仿真平臺，探索了如何在面向物流工程的RFID課程中引入虛擬仿真實驗的教學實踐。ADS是由是德科技（KeysightTechnologies）公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化軟件，也是當今業(yè)界和各高校科研機構(gòu)主流的微波射頻電路、天線、通信系統(tǒng)、RFIC設(shè)計開發(fā)軟件之一。ADS軟件能提供功能強大的時域和頻率電路仿真、三維電磁仿真、通信系統(tǒng)仿真和鏈路預(yù)算設(shè)計、數(shù)字信號處理仿真等，并具有豐富的應(yīng)用模型庫，可以實現(xiàn)從電路到系統(tǒng)的各級仿真，方便用戶全方位對射頻電路和系統(tǒng)設(shè)計進行開發(fā)評估[9-10]。本課程教學將ADS作為RFID虛擬仿真的實驗平臺，基于行為級模型的仿真實驗，采用模塊化的系統(tǒng)搭建方式，設(shè)置簡潔明了，學生在教學實驗中易于操作上手，也更容易理解各功能模塊參數(shù)和RFID系統(tǒng)設(shè)計指標。根據(jù)RFID系統(tǒng)的工作原理，其系統(tǒng)組成包括電子標簽、讀寫器、應(yīng)用系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡(luò)。電子標簽也稱為應(yīng)答器（tag），包括標簽天線和芯片，用于存儲被識別目標的屬性、狀態(tài)等相關(guān)信息。讀寫器對電子標簽進行讀寫操作，與其進行通信聯(lián)系，用作前端的數(shù)據(jù)采集，是RFID系統(tǒng)的核心。一方面，讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)的工作頻率；另一方面，讀寫器的發(fā)射功率決定了RFID系統(tǒng)的工作距離，接收功率決定了RFID系統(tǒng)的動態(tài)范圍和靈敏度。ISO/IEC18000-6標準協(xié)議對RFID系統(tǒng)的射頻標簽和讀寫器之間通信的電磁波頻率做了規(guī)定，主要針對超高頻（UHF，860～960MHz），在國際上也被主流物流廠商認可，因此本課程的虛擬仿真教學實驗以UHF頻段為例，讓學生直觀清晰地掌握RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)及其各模塊性能參數(shù)，充分了解RFID讀寫器的工作機理，幫助學生深入掌握RFID技術(shù)知識。3

教學案例一：物流工程中RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的仿真實驗鎖相環(huán)是RFID讀寫器的頻率合成單元，用于對發(fā)送信號進行調(diào)制，對接收到來自標簽的信號進行解調(diào)，對讀寫器的工作頻率具有重要意義，直接影響RFID系統(tǒng)的通信質(zhì)量和抗干擾能力。教學中以物流運輸監(jiān)測常用的UHF頻率為例來介紹RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。考慮到實際應(yīng)用中要實現(xiàn)對電子標簽的寬頻帶掃描，在仿真教學實驗時，設(shè)計鎖相環(huán)電路在830MHz到1GHz的頻帶內(nèi)產(chǎn)生協(xié)議規(guī)定的射頻信號。在ADS仿真軟件環(huán)境中搭建鎖相環(huán)行為級系統(tǒng)模型，如圖1所示。為了抑制雜散邊帶，采用三階無源環(huán)路低通濾波器，環(huán)路帶寬選取10kHz，相位裕度選取45°，壓控振蕩器的增益為12MHz/V，電荷泵電流為5mA，分頻器的分頻數(shù)為4500。環(huán)路濾波器初始參數(shù)選取為Cp1=986pF，Cp2=8.4nF，Cp3=88pF，Rp1=4.1kΩ，Rp2=20.1kΩ。在ADS中進行交流仿真，圖2為鎖相環(huán)的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)，在10kHz處，環(huán)路幅度為0.008，相位裕度為46.5°，基本滿足鎖相環(huán)穩(wěn)定工作的條件，達到設(shè)計目標。圖3為鎖相環(huán)跳頻時的鎖定時間，可以看到，當環(huán)路頻率從915MHz調(diào)頻到915.2MHz（跳頻間隔200kHz），鎖定時間為255us，滿足EPCC1G2協(xié)議規(guī)定的500us最大穩(wěn)定時間。通過上述虛擬仿真實驗，向?qū)W生清晰展示了RFID讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)設(shè)計過程中，各參數(shù)含義以及對系統(tǒng)性能的影響程度，加深了學生對讀寫器的鎖相環(huán)系統(tǒng)工作原理的理解和掌握。4

教學案例二：物流工程中RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的仿真實驗在RFID系統(tǒng)中，電子標簽返回的響應(yīng)信號被讀寫器天線接收后，通過讀寫器的射頻接收機完成解調(diào)及解碼工作，并將數(shù)據(jù)傳送給后端的處理系統(tǒng)，將系統(tǒng)終端與各目標物體上的電子標簽進行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)功能。射頻接收機在解調(diào)接收信號的同時，要能抑制鏡頻信號、濾除噪聲干擾。此外，接收機的價格、功耗、集成度等都是需要考慮的因素。下面以無線接收機中常見的雙通道零中頻接收機為例，來介紹RFID讀寫器的射頻接收系統(tǒng)的虛擬仿真實驗。在ADS仿真軟件中搭建零中頻接收機行為級模型，如圖4所示。首先，零中頻接收機因為沒有中頻，所以發(fā)射與接收信號不會互相影響；其次，系統(tǒng)搭建只需要混頻器和低噪聲放大器，結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)。變頻后上下兩路基帶信號的相位差180°，可以有效抑制直流偏差干擾。接收機前端的帶通濾波器采用四階切比雪夫濾波器，中心頻率設(shè)置為915MHz，3dB帶寬26MHz，截止帶寬40MHz，帶外衰減40dB，前端放大器增益設(shè)置為20dB。本振頻率和接收信號頻率一致，都設(shè)置為915MHz。混頻器取下邊帶，增益設(shè)置為3dB。模擬基帶部分，信道選擇采用切比雪夫低通濾波器，截止頻率設(shè)置為600kHz。在ADS中進行系統(tǒng)仿真。圖5為讀寫器接收機頻帶選擇性結(jié)果，可以看到頻帶選擇濾波器偏離中心頻率25MHz處，衰減達到30dB，具有良好的選擇性，能有效濾除帶外干擾。接收到的射頻信號經(jīng)過混頻器和低通濾波器，得到100kHz的下變頻基帶信號，如圖6所示?；鶐л敵鲂盘柕臅r域波形如圖7所示。圖8展示了接收系統(tǒng)各電路單元的增益預(yù)算分配情況，可以看到，帶通濾波器增益為-1dB，低噪聲放大器增益為23dB，為實際系統(tǒng)的指標分析提供了指導(dǎo)。通過解調(diào)信號波形及增益預(yù)算仿真，清晰地展示了射頻接收機各電路單元節(jié)點的工作情況，同時了解了物流應(yīng)用中讀寫器性能參數(shù)的設(shè)置要求，加強了學生對RFID讀寫器收發(fā)系統(tǒng)工作機理的理解和掌握。5

結(jié)

語隨著RFID技