RFID測(cè)試技術(shù)分析 - 全文

　　隨著閱讀器與標(biāo)簽價(jià)格的降低和全球市場(chǎng)的擴(kuò)大，射頻標(biāo)識(shí) RFID（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID）的應(yīng)用與日俱增。標(biāo)簽既可由閱讀器供電（無(wú)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(wú)源 CMOS 標(biāo)簽的成本降低，庫(kù)存和其他應(yīng)用迅速增加。一些評(píng)估表明，隨著無(wú)源標(biāo)簽的價(jià)格持續(xù)下降，幾乎每一個(gè)售出產(chǎn)品的內(nèi)部都將有一個(gè) RFID 標(biāo)簽。由于無(wú)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(wú)源標(biāo)簽系統(tǒng)。

　　當(dāng)接收到來(lái)自閱讀器的 CW 信號(hào)時(shí)，無(wú)源標(biāo)簽對(duì)射頻 RF（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 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(xiàn)的吸收特點(diǎn)以調(diào)制信號(hào)，并通過(guò)反向散射反射給閱讀器 ［參閱圖1］。RFID 系統(tǒng)通常使用簡(jiǎn)便的調(diào)制技術(shù)和編碼體制。然而，簡(jiǎn)單調(diào)制技術(shù)的頻譜效率低，對(duì)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?？捎玫奈痪幋a體制有很多類(lèi)型，每一類(lèi)編碼都有其基帶頻譜性能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、編解碼的復(fù)雜性以及在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器的困難性。由于標(biāo)簽板上定時(shí)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(wú)源標(biāo)簽對(duì)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(cè)試綜述

　　每一個(gè) RFID 通信系統(tǒng)都必須通過(guò)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(gè)快速增長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)中的勝者與輸者分離開(kāi)來(lái)。本文討論的是 RFID 通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師所面對(duì)的測(cè)試挑戰(zhàn)：監(jiān)管測(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)一致性和優(yōu)化。

　　RFID 技術(shù)有幾個(gè)不同尋常的工程測(cè)試挑戰(zhàn)，例如瞬時(shí)信號(hào)、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)諧分析儀“》頻譜分析儀、矢量信號(hào)分析儀和示波器已被用于無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的開(kāi)發(fā)。然而，這些工具用于 RFID 測(cè)試時(shí)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(huà)瞬時(shí) RF 信號(hào)。矢量信號(hào)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(cè)量動(dòng)態(tài)范圍小，不具備調(diào)制和解碼功能。實(shí)時(shí)頻譜分析儀 RTSA（以下簡(jiǎn)稱(chēng) RTSA）克服了這些傳統(tǒng)測(cè)試工具的局限性，具備對(duì)瞬時(shí)信號(hào)的優(yōu)化，通過(guò)泰克享有專(zhuān)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(wú)源標(biāo)簽對(duì)射頻 RF能量進(jìn)行整流并調(diào)制信號(hào)，然后反向散射反射給閱讀器。

　　監(jiān)管測(cè)試

　　每個(gè)電子設(shè)備制造商都必須符合設(shè)備銷(xiāo)售地或使用地的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。許多國(guó)家正在修改監(jiān)管法規(guī)以緊跟無(wú)源 RFID 標(biāo)簽的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)鏈路特點(diǎn)。大多數(shù)監(jiān)管部門(mén)禁止設(shè)備的 CW 發(fā)射，除非用于短期測(cè)試。無(wú)源標(biāo)簽要求閱讀器發(fā)送 CW 信號(hào)以向標(biāo)簽供應(yīng)能量并經(jīng)過(guò)反向散射實(shí)現(xiàn)調(diào)制。即使無(wú)源標(biāo)簽沒(méi)有一個(gè)典型的發(fā)射器，仍能發(fā)出一個(gè)被調(diào)制的信號(hào)。然而，許多規(guī)定并沒(méi)有涉及基于無(wú)發(fā)射器的調(diào)制。多種頻譜發(fā)射測(cè)試并沒(méi)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(hào)的功率、頻率、帶寬。這些規(guī)定防止有害干擾并保證每個(gè)發(fā)射者都是頻帶內(nèi)其他用戶(hù)的友好鄰居。對(duì)于許多頻譜分析儀特別是通常用于脈沖信號(hào)能量測(cè)量的掃頻頻譜分析儀，進(jìn)行此類(lèi)測(cè)量是具有挑戰(zhàn)性的。RTSA 能夠分析一個(gè)完整的分組發(fā)射過(guò)程的能量特點(diǎn)，也能直接測(cè)量跳頻信號(hào)的載波頻率，而無(wú)需將信號(hào)置于一個(gè)跨度的中心。按一下按鍵，分析儀就能識(shí)別一個(gè)瞬時(shí) RFID 信號(hào)的調(diào)制方式并能夠?qū)β?、頻率和帶寬進(jìn)行監(jiān)管測(cè)量，使預(yù)一致性（pre-compliance）測(cè)試過(guò)程變得非常靈活和方便 ［參閱圖2］。預(yù)一致性測(cè)試有助于確保產(chǎn)品一次通過(guò)一致性測(cè)試，而無(wú)需重新設(shè)計(jì)和重新測(cè)試。

　　圖2：預(yù)一致性測(cè)試過(guò)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(lèi)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(cè)試以滿(mǎn)足政府的頻譜發(fā)射要求。RF 一致性測(cè)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(cè)量能減少進(jìn)行這些測(cè)試所需的建立時(shí)間。例如，ISO18000-6 C 類(lèi)型的一個(gè)重要測(cè)量是啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間。載波能量上升時(shí)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(hào)也必須迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)射結(jié)束時(shí)，載波能量下降時(shí)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(shí)，載波能量下降時(shí)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(guò)優(yōu)化的面向特定應(yīng)用的專(zhuān)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(duì)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(mǎn)足基本規(guī)范，對(duì) RFID 產(chǎn)品的性能進(jìn)行優(yōu)化以贏(yíng)得某一特定市場(chǎng)空間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(hù)的滿(mǎn)意度。例如，使用 RFID 的公共運(yùn)輸業(yè)，讀取時(shí)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(wú)源標(biāo)簽從 RFID 閱讀器獲得它們正常工作所需的能量，多個(gè)閱讀器可能導(dǎo)致標(biāo)簽試圖對(duì)詢(xún)問(wèn)它的每一個(gè)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(duì)噪聲（carrier to noise）的要求應(yīng)當(dāng)最小化，但是這可能與通過(guò)最小化載波的不工作時(shí)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(duì)工程師和測(cè)量設(shè)備提出了挑戰(zhàn)。

　　讓我們看一個(gè)具體的例子 —— 優(yōu)化通信速度，也稱(chēng)為翻轉(zhuǎn)時(shí)間 TAT（以下簡(jiǎn)稱(chēng) TAT）。可用的 RF 能量、路徑衰落和經(jīng)過(guò)更改的符號(hào)速率能延長(zhǎng)標(biāo)簽對(duì)閱讀器查詢(xún)的響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)越慢，讀取多個(gè)標(biāo)簽所花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)?？焖贉y(cè)量 TAT 對(duì)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(cè)量 TAT。

　　使用 RTSA 可以很容易地測(cè)量 TAT ［參閱圖4］。首先，需要安裝一個(gè)頻率模板觸發(fā)器以獲取標(biāo)簽與閱讀器之間的整個(gè)查詢(xún)。RTSA 的功率與時(shí)間關(guān)系視圖使用戶(hù)能夠觀(guān)看整個(gè)發(fā)射過(guò)程。習(xí)慣認(rèn)為一個(gè)下行鏈路傳輸（由閱讀器到標(biāo)簽）結(jié)束到下一個(gè)下行鏈路傳輸開(kāi)始之間的時(shí)間就是半雙工系統(tǒng)的 TAT。將一個(gè)標(biāo)記放在標(biāo)簽詢(xún)問(wèn)的結(jié)束點(diǎn)，第二個(gè) 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(kāi)始點(diǎn)，就可以精確測(cè)量出 TAT 時(shí)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(xún)相關(guān)的符號(hào)或比特。用戶(hù)只需選擇相應(yīng)的 RFID 標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)制類(lèi)型和解碼格式。分析儀能自動(dòng)檢測(cè)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(duì)恢復(fù)出的數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行了基于功能的顏色編碼（color-coded）。RTSA 能夠自動(dòng)識(shí)別前導(dǎo)符并將那些符號(hào)染成黃色。這易于識(shí)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(cè)試、標(biāo)準(zhǔn)一致性和優(yōu)化測(cè)量的工具。

　　RSA3408A 是滿(mǎn)足這些需求的一種工具，支持多種 RFID 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、時(shí)間相關(guān)的多域測(cè)量、定制的 RFID 通信體制、多種 RFID 信號(hào)的解調(diào)和符號(hào)解碼。該儀器大大提高了工程效率，同時(shí)縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。不論是滿(mǎn)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(gè)開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題，RTSA 都是適合分析閱讀器和標(biāo)簽所發(fā)出的 RFID 信號(hào)的獨(dú)特工具。