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測試與測量  

RFID測試技術分析

上網時間: 2007年02月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RFID  被動標籤  TAT  RSA3408A  Tektronix 

隨著讀取器與標籤價格的降低和全球市場不斷擴大,射頻標識(RFID)的應用與日俱增。標籤既可由讀取器供電(被動標籤),也可以由標籤的板上電源供電(半主動標籤和主動標籤)。由於次微型被動CMOS標籤的成本降低,庫存和其他應用迅速增加。預計隨著被動標籤的價格持續下降,幾乎每一個售出產品的內都將內含一個RFID標籤。本文將研究被動標籤系統在工程實現方面的挑戰性。

當接收到來自讀取器的CW訊號時,被動標籤隨即對射頻RF(以下簡稱RF)能量進行整流,以產生保持標籤工作所需的功率,而後會改變其天線的吸收特點以調變訊號,並透過背向散射將訊號反射給讀取器(圖1)。RFID系統通常使用簡便的調變技術和編碼格式。然而,簡單調變技術的頻譜效率很低,對某一特定的數據速率,它要求許多RF頻寬。

在調變前,必須將數據編碼成連續資訊串流。可用的位元編碼格式有很多種,每一種編碼格式都具備其基頻頻譜性能的獨特優勢、編解碼複雜性,以及在時脈驅動下將數據寫入記憶體的困難性。由於標籤板上的時序源很難達到所要求的精確性、更具挑戰性的頻寬需求,以及必須最大化RF功率傳輸以便為標籤供應能量等因素,被動標籤對編碼格式有著獨特需求。最後,還需要某種衝突防止協議,使讀取器能讀取其覆蓋範圍內的所有標籤。

RFID測試綜述

每一個RFID通訊系統都必須通過管理及控制的要求,並符合所使用的標準。本文將著重討論RFID通訊系統設計師面臨的測試挑戰,包括監控測試、標準一致性和最佳化。

RFID技術有幾項不同尋常的工程測試挑戰,如瞬時訊號、頻寬效率低的調變技術和背向散射數據。傳統的掃頻調諧頻譜分析儀、向量訊號分析儀和示波器已被用於無線數據鏈路的開發。然而,這些工具在RFID測試應用中都存在一些缺點。掃頻調諧頻譜分析儀難以準確擷取和表示瞬時RF訊號。向量訊號分析儀實際上不支援頻譜效率低的RFID調變技術及特殊解碼要求。快速示波器的測量動態範圍小,不具備調變和解碼功能。而即時頻譜分析儀(RTSA)則克服了這些傳統測試工具的侷限性,並具備對瞬時訊號最佳化的功能,能可靠觸發複雜真實頻譜環境下的特定頻譜事件。


圖1:被動標籤對射頻RF能量進行整流並調變訊號,並透過背向散射將訊號反射給讀取器。

監控測試

每個電子設備製造商都必須符合設備銷售地或使用地的監控標準。許多國家正在修改監控法規,以符合被動RFID標籤的獨特數據鏈路特性。目前,多數監控部門禁止設備的CW發射,除非用於短期測試。但被動標籤要求讀取器發送CW訊號,向標籤供應能量並透過背向散射實現調變。即使被動標籤不具備標準的發射器,它仍能產生一個調變過的訊號。然而,許多規定並未涉及基於無發射器的調變。多種頻譜發射測試並未明確包含在讀取器的RFID標準中,但卻成為了規定。

政府規定要求控制發射訊號的功率、頻率與頻寬。這些規定防止有害干擾並保證每個發射器都能與頻帶內其他用戶和平共存。對許多頻譜分析儀,特別是通常用於脈衝訊號能量測量的掃頻頻譜分析儀而言,進行此類測量極具挑戰性。RTSA針對完整封包發射過程分析其功率特性,也能直接測量跳頻訊號的載波頻率,而無需將訊號置於頻率間隔的中心。只要按一下按鍵,分析儀就能識別一個瞬時RFID訊號的調變方式並能夠對功率、頻率和頻寬進行監控測量,使預一致性(pre-compliance)測試過程變得更靈活及簡便(圖2)。預一致性測試有助於確保產品一次通過一致性測試,無需重新設計和重新測試。


圖2:預一致性測試過程

標準一致性

讀取器和標籤之間的互動必須符合像ISO 18000-6 C類規範等業界標準。這項要求增加了許多超出基本需求的測試,以滿足政府的頻譜發射要求。RF一致性測試十分關鍵,有助於確保標籤和讀取器間的可靠協同工作。

預編程測量能減少進行這些測試所需的設定時間。例如,ISO18000-6 C類的一項重要測量是啟動時間和關閉時間。載波能量上升時間必須夠快,以保證標籤能收集到可使其正常工作的充足能量。訊號也必須迅速達到穩定狀態。發射結束時,載波能量下降時間必須足夠快,以防止其他發射受到干擾(圖3)。


圖3:發射結束時,載波能量下降時間必須夠快,以防止其他發射受到干擾。

一些RFID設備使用了針對特定應用,且經過最佳化的專用通訊機制。在這種情況下,工程師需要一種分析儀以提供多種調變和編碼機制,可根據採用的特定格式,對這些調變和編碼機制進行編程調整。

最佳化

一旦滿足基本規格,對RFID產品性能進行最佳化以贏得某一特定市場的競爭優勢就顯得特別重要。性能指標包括標籤的讀取速度、標籤在多讀取器環境中的工作能力,以及標籤與讀取器之間的距離。在消費應用中,標籤與讀取器之間的通訊速度直接影響用戶的滿意度。例如,使用RFID的公共運輸業,讀取時間由5秒鐘降低到小於半秒鐘後,才得到廣泛認可。在工業應用中,速度就意味著生產量:生產量越高,資金和人力資源的使用效率就越高。由於被動標籤從RFID讀取器獲得它們正常工作所需能量,多個讀取器可能導致標籤試圖對詢問它的每一個讀取器都進行響應。在多讀取器環境下,為改善系統吞吐量,必須使用某種防衝突協議。最後,為最大化標籤讀取範圍,載波對噪音(carrier to noise)的要求應最小化,但這可能與透過最小化載波的不工作時間以防止標籤能量耗盡的需求衝突。這些最佳化措施都對工程師和測量設備提出了挑戰。

讓我們最佳化通訊速度-也稱為周轉時間(Turn-Around Time,TAT)為例進行說明。可用的RF能量、路徑衰減和經過更改的符號速率能延長標籤對讀取器查詢的響應時間。響應越慢,讀取多個標籤所花費的時間就越長。快速測量TAT對最佳化RFID系統的速度非常必要。

使用RTSA可以輕易測量TAT(圖4)。


圖4:使用 RTSA可以輕易測量 TAT。

首先,需安裝一個頻率模板觸發器以獲取標籤與讀取器之間的所有查詢。RTSA的功率與時間關係眼圖使用戶能觀看整個發射過程。習慣上認為一個下行鏈路傳輸(由讀取器到標籤)結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的TAT。將一個標記放在標籤詢問的結束點,第二個δ標記置於背向散射的結束點,或是下一次讀取器進行數據發射的開始點,就可以精確測量出TAT時間。在大範圍下行鏈路的條件下維持最短的TAT將有助於最大化系統吞吐量。

RTSA也能解調與標籤查詢相關的符號或位元。用戶只需選擇相應的RFID標準、調變類型和解碼格式。分析儀能自動檢測並顯示鏈路的位元率。為進一步提高工程師的生產效率,RSTA會對恢復的數據符號進行基於功能的顏色編碼(color-coded)。RTSA能自動識別前導符並將那些符號染成黃色。這有助於識別實際的數據負載並與已知值進行比較。

本文小結

RFID產業包含了大量的技術和應用,其中許多技術和應用與典型的通訊鏈路不同。工程師需要能夠快速和便捷地進行監控測試、標準一致性和最佳化測量的工具。

RSA3408A是滿足這些需求的一種工具,支援多種RFID國際標準、時間相關的多域測量、定製的RFID通訊規格、多種RFID訊號的解調和符號解碼。該儀器大幅提高了工程效率,同時縮短了產品上市時間。不論是滿足政府頻譜規定、保證標籤或讀取器符合特定通訊標準,或是對開發中遇到的問題進行除錯,RTSA都是適合分析RFID訊號的獨特工具。




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