面向物流工程的射频识别虚拟仿真实验的教学探索研究

摘要：随着电子通信的发展和物联网的推广，射频识别（RFID）技术在物流行业有着重要的用途。RFID利用射频信号的空间耦合传输，通过非接触的方式识别目标、读取数据，可以用于物流管理、仓储分拣、安全监测、信息传递等场景。读写器是RFID系统中的关键装置，负责对电子标签进行读取或写入信息。在面向物流工程专业的RFID课程教学中，由于阅读器系统架构复杂、理论性强，使得学生对RFID读写器机制的理解存在困难。在RFID教学中引入射频EDA仿真软件，通过虚拟仿真实验直观展示RFID读写器的工作机理，加强学生的实践和创新能力。文章探索了结合物流行业开展RFID教学活动，通过引入基于虚拟仿真的实践教学环节，提升教学质量，为物流工程专业培养复合型高素质人才。关键词：射频识别；物流；虚拟仿真实验；教学研究0

引

言随着社会经济的不断发展，现代物流行业成为我国经济的重要支持。“十四五”规划指出要进一步打造现代化物流体系，加快物流技术的创新与升级。射频识别（RFID）技术早在20世纪90年代就用于物流仓储管理的精细化作业[1-3]。RFID技术利用射频信号的空间耦合，可以实现非接触式信息传递并识别目标对象，具有速度快、效率高、多目标、操作简便、准确精细、性能稳定等特点，结合物联网、大数据、云计算、人工智能等智慧化技术，在现代物流管理的存储、配送、分销、运输、零售、巡检、预警等环节上具有显著优势[4-6]。物流技术的高速发展也对高校教学提出了新的要求，物流工程、物联网工程等专业都开展RFID技术相关的课程，教授现代物流的发展、RFID技术及相关理论，以及RFID技术在现代物流中的应用等内容，培养符合物流行业需求的高素质专业化人才。RFID技术及相关理论是教学中的重点和难点，而读写器作为前端的数据收发采集设备，是RFID系统的核心，也是决定系统性能的关键模块。因此，理解RFID系统读写器的架构和工作机理，对于培养学生掌握RFID技术原理、获得解决相关问题的能力具有重要意义。1

面向物流工程的射频识别教学面临的挑战在物流行业中，RFID读写器的射频发射模块通过天线发送特定频率的无线电波，电子标签接收到该电波后，利用感应电流产生的能量将自身信息发回。读写器通过射频接收模块来接收信号，并在此过程中，为电子标签提供能量，实现防碰撞功能、消息鉴权、数据信息处理等操作。读写器的性能优劣，如工作频率、发射功率、动态灵敏度等直接影响目标识别的性能。因此，有必要让学生学习和掌握RFID读写器的工作原理。当前的RFID读写器教学面临如下挑战：首先，RFID读写器系统架构复杂、电路和通信理论性强。由于读写器需要在通过射频收发模块发送和接收电磁波，通过解调解码模块将射频信号转换为数字信号，电路模块众多，包括射频收发、基带控制、I/O接口及电源等几大模块，各模块又由众多子电路组成。实际教学“重讲解而轻实践”，学生在学习时只能“走马观花”地认识各个组成电路，对于设计参数如何选取、系统架构如何搭建、射频收发如何工作缺乏实践认知。其次，RFID实验教学需要综合电磁场类实验和电子电路类实验，对实验场所、实验仪器和操作人员的专业技能要求都比较高，学生在掌握理论知识的基础上，还需要投入大量的时间和精力学习电路布局布线、仪器操作使用、系统装配测试等，才能取得预期的实验结果，在教学过程中难以开展。为了解决上述问题，在教学过程中引入虚拟仿真实验，利用高速发展的射频EDA仿真软件，如CST、HSFF、ADS等，为面向物流工程的RFID教学提供支撑[7-8]。学生不再局限于固定的实验室和上课时间，只需要一台计算机就可以搭建虚拟的实验环境，直接调用仿真平台的行为级模型电路，在教学理论的指导下完成RFID读写器系统的虚拟仿真实验，从而达到实践教学的学习效果，加深学生对教学内容的理解和掌握，增强学生学以致用的能力。2

基于射频EDA软件的虚拟仿真实验平台本课程基于射频EDA软件ADS（AdvancedDesignSystem）的仿真平台，探索了如何在面向物流工程的RFID课程中引入虚拟仿真实验的教学实践。ADS是由是德科技（KeysightTechnologies）公司开发的电子设计自动化软件，也是当今业界和各高校科研机构主流的微波射频电路、天线、通信系统、RFIC设计开发软件之一。ADS软件能提供功能强大的时域和频率电路仿真、三维电磁仿真、通信系统仿真和链路预算设计、数字信号处理仿真等，并具有丰富的应用模型库，可以实现从电路到系统的各级仿真，方便用户全方位对射频电路和系统设计进行开发评估[9-10]。本课程教学将ADS作为RFID虚拟仿真的实验平台，基于行为级模型的仿真实验，采用模块化的系统搭建方式，设置简洁明了，学生在教学实验中易于操作上手，也更容易理解各功能模块参数和RFID系统设计指标。根据RFID系统的工作原理，其系统组成包括电子标签、读写器、应用系统及计算机网络。电子标签也称为应答器（tag），包括标签天线和芯片，用于存储被识别目标的属性、状态等相关信息。读写器对电子标签进行读写操作，与其进行通信联系，用作前端的数据采集，是RFID系统的核心。一方面，读写器的频率决定了RFID系统的工作频率；另一方面，读写器的发射功率决定了RFID系统的工作距离，接收功率决定了RFID系统的动态范围和灵敏度。ISO/IEC18000-6标准协议对RFID系统的射频标签和读写器之间通信的电磁波频率做了规定，主要针对超高频（UHF，860～960MHz），在国际上也被主流物流厂商认可，因此本课程的虚拟仿真教学实验以UHF频段为例，让学生直观清晰地掌握RFID读写器收发系统及其各模块性能参数，充分了解RFID读写器的工作机理，帮助学生深入掌握RFID技术知识。3

教学案例一：物流工程中RFID读写器的锁相环系统的仿真实验锁相环是RFID读写器的频率合成单元，用于对发送信号进行调制，对接收到来自标签的信号进行解调，对读写器的工作频率具有重要意义，直接影响RFID系统的通信质量和抗干扰能力。教学中以物流运输监测常用的UHF频率为例来介绍RFID读写器的锁相环系统的虚拟仿真实验。考虑到实际应用中要实现对电子标签的宽频带扫描，在仿真教学实验时，设计锁相环电路在830MHz到1GHz的频带内产生协议规定的射频信号。在ADS仿真软件环境中搭建锁相环行为级系统模型，如图1所示。为了抑制杂散边带，采用三阶无源环路低通滤波器，环路带宽选取10kHz，相位裕度选取45°，压控振荡器的增益为12MHz/V，电荷泵电流为5mA，分频器的分频数为4500。环路滤波器初始参数选取为Cp1=986pF，Cp2=8.4nF，Cp3=88pF，Rp1=4.1kΩ，Rp2=20.1kΩ。在ADS中进行交流仿真，图2为锁相环的幅度响应和相位响应，在10kHz处，环路幅度为0.008，相位裕度为46.5°，基本满足锁相环稳定工作的条件，达到设计目标。图3为锁相环跳频时的锁定时间，可以看到，当环路频率从915MHz调频到915.2MHz（跳频间隔200kHz），锁定时间为255us，满足EPCC1G2协议规定的500us最大稳定时间。通过上述虚拟仿真实验，向学生清晰展示了RFID读写器的锁相环系统设计过程中，各参数含义以及对系统性能的影响程度，加深了学生对读写器的锁相环系统工作原理的理解和掌握。4

教学案例二：物流工程中RFID读写器的射频接收系统的仿真实验在RFID系统中，电子标签返回的响应信号被读写器天线接收后，通过读写器的射频接收机完成解调及解码工作，并将数据传送给后端的处理系统，将系统终端与各目标物体上的电子标签进行连接，实现物联网大数据功能。射频接收机在解调接收信号的同时，要能抑制镜频信号、滤除噪声干扰。此外，接收机的价格、功耗、集成度等都是需要考虑的因素。下面以无线接收机中常见的双通道零中频接收机为例，来介绍RFID读写器的射频接收系统的虚拟仿真实验。在ADS仿真软件中搭建零中频接收机行为级模型，如图4所示。首先，零中频接收机因为没有中频，所以发射与接收信号不会互相影响；其次，系统搭建只需要混频器和低噪声放大器，结构简单易实现。变频后上下两路基带信号的相位差180°，可以有效抑制直流偏差干扰。接收机前端的带通滤波器采用四阶切比雪夫滤波器，中心频率设置为915MHz，3dB带宽26MHz，截止带宽40MHz，带外衰减40dB，前端放大器增益设置为20dB。本振频率和接收信号频率一致，都设置为915MHz。混频器取下边带，增益设置为3dB。模拟基带部分，信道选择采用切比雪夫低通滤波器，截止频率设置为600kHz。在ADS中进行系统仿真。图5为读写器接收机频带选择性结果，可以看到频带选择滤波器偏离中心频率25MHz处，衰减达到30dB，具有良好的选择性，能有效滤除带外干扰。接收到的射频信号经过混频器和低通滤波器，得到100kHz的下变频基带信号，如图6所示。基带输出信号的时域波形如图7所示。图8展示了接收系统各电路单元的增益预算分配情况，可以看到，带通滤波器增益为-1dB，低噪声放大器增益为23dB，为实际系统的指标分析提供了指导。通过解调信号波形及增益预算仿真，清晰地展示了射频接收机各电路单元节点的工作情况，同时了解了物流应用中读写器性能参数的设置要求，加强了学生对RFID读写器收发系统工作机理的理解和掌握。5

结

语随着RFID技