RFID(射頻標(biāo)識) 測試技術(shù)分析

隨著閱讀器與標(biāo)簽價格的降低和全球市場的擴(kuò)大，射頻標(biāo)識 RFID(以下簡稱RFID)的應(yīng)用與日俱增。標(biāo)簽既可由閱讀器供電(無源標(biāo)簽)，也可以由標(biāo)簽的板上電源供電(半有源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽)。由于亞微型無源 CMOS 標(biāo)簽的成本降低，庫存和其他應(yīng)用迅速增加。一些評估表明，隨著無源標(biāo)簽的價格持續(xù)下降，幾乎每一個售出產(chǎn)品的內(nèi)部都將有一個 RFID 標(biāo)簽。由于無源 RFID 標(biāo)簽的重要性及其獨(dú)特的工程實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性，本文將重點(diǎn)研究無源標(biāo)簽系統(tǒng)。

當(dāng)接收到來自閱讀器的 CW 信號時，無源標(biāo)簽對射頻 RF(以下簡稱 RF)能量進(jìn)行整流以生成保持標(biāo)簽工作所需的小部分能量，然后改變其天線的吸收特點(diǎn)以調(diào)制信號，并通過反向散射反射給閱讀器 [參閱圖1]。RFID 系統(tǒng)通常使用簡便的調(diào)制技術(shù)和編碼體制。然而，簡單調(diào)制技術(shù)的頻譜效率低，對于某一給定的數(shù)據(jù)速率，它所要求的 RF 帶寬多。在調(diào)制前，必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼形成一連續(xù)的信息流。可用的位編碼體制有很多類型，每一類編碼都有其基帶頻譜性能的獨(dú)特優(yōu)勢、編解碼的復(fù)雜性以及在時鐘驅(qū)動下將數(shù)據(jù)寫入到存儲器的困難性。由于標(biāo)簽板上定時源很難達(dá)到實(shí)際所需的準(zhǔn)確性，以及挑戰(zhàn)性的帶寬要求和最大化 RF 能量傳輸以向標(biāo)簽供應(yīng)能量等原因，無源標(biāo)簽對所使用的編碼體制有獨(dú)特的要求。最后，需要某種防沖突協(xié)議以便閱讀器能夠讀取其覆蓋范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽。

　　RFID測試綜述

　　每一個 RFID 通信系統(tǒng)都必須通過監(jiān)管要求并符合所用標(biāo)準(zhǔn)。然而，今天，系統(tǒng)優(yōu)化將這個快速增長產(chǎn)業(yè)中的勝者與輸者分離開來。本文討論的是 RFID 通信系統(tǒng)的設(shè)計師所面對的測試挑戰(zhàn)：監(jiān)管測試、標(biāo)準(zhǔn)一致性和優(yōu)化。

　　RFID 技術(shù)有幾個不同尋常的工程測試挑戰(zhàn)，例如瞬時信號、帶寬效率低的調(diào)制技術(shù)和反向散射數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的掃頻調(diào)諧頻譜分析儀、矢量信號分析儀和示波器已被用于無線數(shù)據(jù)鏈路的開發(fā)。然而，這些工具用于 RFID 測試時都存在一些缺點(diǎn)。掃頻調(diào)諧頻譜分析儀難以準(zhǔn)確捕獲和刻畫瞬時 RF 信號。矢量信號分析儀實(shí)際上不支持頻譜效率低的 RFID 調(diào)制技術(shù)及特殊解碼要求?？焖偈静ㄆ鞯臏y量動態(tài)范圍小，不具備調(diào)制和解碼功能。實(shí)時頻譜分析儀 RTSA(以下簡稱 RTSA)克服了這些傳統(tǒng)測試工具的局限性，具備對瞬時信號的優(yōu)化，通過泰克享有專利的頻率模板觸發(fā)器能夠可靠觸發(fā)復(fù)雜的真實(shí)頻譜環(huán)境下的特定頻譜事件。

圖1：無源標(biāo)簽對射頻 RF能量進(jìn)行整流并調(diào)制信號，然后反向散射反射給閱讀器。

　　監(jiān)管測試

　　每個電子設(shè)備制造商都必須符合設(shè)備銷售地或使用地的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。許多國家正在修改監(jiān)管法規(guī)以緊跟無源 RFID 標(biāo)簽的獨(dú)特數(shù)據(jù)鏈路特點(diǎn)。大多數(shù)監(jiān)管部門禁止設(shè)備的 CW 發(fā)射，除非用于短期測試。無源標(biāo)簽要求閱讀器發(fā)送 CW 信號以向標(biāo)簽供應(yīng)能量并經(jīng)過反向散射實(shí)現(xiàn)調(diào)制。即使無源標(biāo)簽沒有一個典型的發(fā)射器，仍能發(fā)出一個被調(diào)制的信號。然而，許多規(guī)定并沒有涉及基于無發(fā)射器的調(diào)制。多種頻譜發(fā)射測試并沒有明確地包含在閱讀器的 RFID 標(biāo)準(zhǔn)中，但卻成為了規(guī)定。

　　政府規(guī)定要求控制發(fā)射信號的功率、頻率、帶寬。這些規(guī)定防止有害干擾并保證每個發(fā)射者都是頻帶內(nèi)其他用戶的友好鄰居。對于許多頻譜分析儀特別是通常用于脈沖信號能量測量的掃頻頻譜分析儀，進(jìn)行此類測量是具有挑戰(zhàn)性的。RTSA 能夠分析一個完整的分組發(fā)射過程的能量特點(diǎn)，也能直接測量跳頻信號的載波頻率，而無需將信號置于一個跨度的中心。按一下按鍵，分析儀就能識別一個瞬時 RFID 信號的調(diào)制方式并能夠?qū)β?、頻率和帶寬進(jìn)行監(jiān)管測量，使預(yù)一致性(pre-compliance)測試過程變得非常靈活和方便 [參閱圖2]。預(yù)一致性測試有助于確保產(chǎn)品一次通過一致性測試，而無需重新設(shè)計和重新測試。

圖2：預(yù)一致性測試過程

　　標(biāo)準(zhǔn)一致性

　　閱讀器和標(biāo)簽之間可靠的相互作用要求與 ISO 18000-6 C 類型規(guī)范等產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相一致。該要求增加了許多超出基本要求的測試以滿足政府的頻譜發(fā)射要求。RF 一致性測試十分關(guān)鍵，有助于確保標(biāo)簽和閱讀器間的可靠協(xié)同工作。

　　預(yù)編程測量能減少進(jìn)行這些測試所需的建立時間。例如，ISO18000-6 C 類型的一個重要測量是啟動時間和關(guān)閉時間。載波能量上升時間必須足夠快以保證標(biāo)簽采集到使其正常工作的充足能量。信號也必須迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)射結(jié)束時，載波能量下降時間必須足夠快，以防止其他發(fā)射受到干擾 [參閱圖3]。

圖3：發(fā)射結(jié)束時，載波能量下降時間必須足夠快，以防止其他發(fā)射受到干擾。

　　一些 RFID 設(shè)備使用了經(jīng)過優(yōu)化的面向特定應(yīng)用的專用通信機(jī)制。這種情況下，工程師需要一種分析儀能夠提供多種調(diào)制和編碼機(jī)制，可根據(jù)所使用的特定格式，對這些調(diào)制和編碼機(jī)制進(jìn)行編程調(diào)整。

　　優(yōu)化

　　一旦滿足基本規(guī)范，對 RFID 產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化以贏得某一特定市場空間的競爭優(yōu)勢就顯得尤為重要。性能指標(biāo)包括標(biāo)簽的讀取速度、標(biāo)簽在多閱讀器環(huán)境中的工作能力和標(biāo)簽與閱讀器之間的距離。在消費(fèi)應(yīng)用中，標(biāo)簽與閱讀器之間的通信速度直接影響用戶的滿意度。例如，使用 RFID 的公共運(yùn)輸業(yè)，讀取時間由 5 秒鐘降低到小于半秒鐘后，才得到廣泛認(rèn)可。在工業(yè)應(yīng)用中，速度就意味著生產(chǎn)量：生產(chǎn)量越高，資金和人力資源的使用效率就越高。由于無源標(biāo)簽從 RFID 閱讀器獲得它們正常工作所需的能量，多個閱讀器可能導(dǎo)致標(biāo)簽試圖對詢問它的每一個閱讀器都進(jìn)行響應(yīng)。在多閱讀器情況下，為改善系統(tǒng)的吞吐量需要使用某種防沖突協(xié)議。最后，為最大化標(biāo)簽的讀取范圍，載波對噪聲(carrier to noise)的要求應(yīng)當(dāng)最小化，但是這可能與通過最小化載波的不工作時間以防止標(biāo)簽耗盡能量的需要相沖突。這些優(yōu)化措施對工程師和測量設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。

　　讓我們看一個具體的例子 —— 優(yōu)化通信速度，也稱為翻轉(zhuǎn)時間 TAT(以下簡稱 TAT)?？捎玫?RF 能量、路徑衰落和經(jīng)過更改的符號速率能延長標(biāo)簽對閱讀器查詢的響應(yīng)時間。響應(yīng)越慢，讀取多個標(biāo)簽所花費(fèi)的時間就越長?？焖贉y量 TAT 對優(yōu)化 RFID 系統(tǒng)的速度是非常必要的。

圖4：使用 RTSA可以很容易地測量 TAT。

　　使用 RTSA 可以很容易地測量 TAT [參閱圖4]。首先，需要安裝一個頻率模板觸發(fā)器以獲取標(biāo)簽與閱讀器之間的整個查詢。RTSA 的功率與時間關(guān)系視圖使用戶能夠觀看整個發(fā)射過程。習(xí)慣認(rèn)為一個下行鏈路傳輸(由閱讀器到標(biāo)簽)結(jié)束到下一個下行鏈路傳輸開始之間的時間就是半雙工系統(tǒng)的 TAT。將一個標(biāo)記放在標(biāo)簽詢問的結(jié)束點(diǎn)，第二個 δ 標(biāo)記置于反向散射的結(jié)束點(diǎn)或下一次閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射的開始點(diǎn)，就可以精確測量出 TAT 時間。在大范圍下行鏈路的條件下維持最短的 TAT 將有助于系統(tǒng)吞吐量的最大化。

　　RTSA 也能解調(diào)與標(biāo)簽查詢相關(guān)的符號或比特。用戶只需選擇相應(yīng)的 RFID 標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)制類型和解碼格式。分析儀能自動檢測并顯示鏈路的比特率。為進(jìn)一步提高工程師的生產(chǎn)效率，對恢復(fù)出的數(shù)據(jù)符號進(jìn)行了基于功能的顏色編碼(color-coded)。RTSA 能夠自動識別前導(dǎo)符并將那些符號染成黃色。這易于識別實(shí)際的數(shù)據(jù)負(fù)荷并與已知值進(jìn)行比較。

　　本文小結(jié)

　　RFID 產(chǎn)業(yè)包含了大量的技術(shù)和應(yīng)用，其中許多技術(shù)和應(yīng)用與典型的通信鏈路不同。工程師需要能夠快速和便捷地進(jìn)行監(jiān)管測試、標(biāo)準(zhǔn)一致性和優(yōu)化測量的工具。

　　RSA3408A 是滿足這些需求的一種工具，支持多種 RFID 國際標(biāo)準(zhǔn)、時間相關(guān)的多域測量、定制的 RFID 通信體制、多種 RFID 信號的解調(diào)和符號解碼。該儀器大大提高了工程效率，同時縮短了產(chǎn)品投放市場的時間。不論是滿足政府頻譜規(guī)定、保證標(biāo)簽或閱讀器符合特定的通信標(biāo)準(zhǔn)，還是調(diào)試一個開發(fā)中遇到的問題，RTSA 都是適合分析閱讀器和標(biāo)簽所發(fā)出的 RFID 信號的獨(dú)特工具。