13.56MHz射頻識別系統(tǒng)測試方法研究

朱晨 陳成新 李智 朱文章

【摘要】13.56MHz的射頻識別系統(tǒng)是NFC技術(shù)與工作在此頻段的RFID系統(tǒng)的核心，為了保證來自不同制造廠商的模塊與終端的互操作性，需要對系統(tǒng)性能進行測試。本文介紹了13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的主要技術(shù)標準，參照技術(shù)規(guī)范，以系統(tǒng)測試為重點，研究了主要的測試指標、測試項目和測試方法。

【關(guān)鍵宇】RFID NFC 系統(tǒng)測試

一、引言

隨著移動支付應(yīng)用的推廣，NFC技術(shù)的熱度持續(xù)升溫。NFC（Near Field Communication，近場通信）技術(shù)是一種短距離高頻率的非接觸式通信技術(shù)，工作中心頻點為13.56MHz，具有連接建立快、安全性高的優(yōu)點。

NFC技術(shù)的核心是RFID（Radio FrequencyIdentification，無線射頻識別）技術(shù)。RFID是一種通過射頻信號自動識別、讀取、寫入目標物體信息的技術(shù)，過程快速準確，無需人工干預(yù)，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在感知層的核心技術(shù)之一。RFID技術(shù)有多個可選的工作頻段，其中應(yīng)用最為廣泛的為工作中心頻點為13.56MHz的RFID系統(tǒng)，具有多個通信模式，可以支持1.2m左右和lOcm左右兩種不同的最大通信距離。13.56MHz的RFID技術(shù)標準是NFC標準的基礎(chǔ)之一，其中支持短距離通信的協(xié)議與互聯(lián)互通技術(shù)整合演變后，形成了更適用于點對點通信的NFC技術(shù)。

二、13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，組成RFID系統(tǒng)的基本器件是電子標簽和讀寫器。RFID系統(tǒng)可以在電子標簽和讀寫器之間傳送數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用中.RFID系統(tǒng)往往還包括計算機系統(tǒng)或后臺服務(wù)器，用于對獲取的數(shù)據(jù)進行實時處理并反饋決策結(jié)果。

電子標簽是一種粘貼或鑲嵌在物品上的電子芯片。每個標簽具有惟一的產(chǎn)品電子碼。電子標簽一般具有一定的數(shù)據(jù)容量，可以記錄存儲物品信息。

根據(jù)電子標簽的供電方式，可以分為無源電子標簽、半無源電子標簽和有源電子標簽。13.56MHz的電子標簽一般為無源電子標簽，基本工作原理是，讀寫器以廣播方式通過天線連續(xù)向周圍發(fā)送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入讀寫器的讀寫范圍時，電子標簽的天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使標簽獲得能量被激活，驅(qū)動后級芯片與讀寫器進行通信，以反射的方式向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息。

RFID讀寫器通過天線與電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對電子標簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

2.2 13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的主要參數(shù)

13.56MHz RFID識別卡主要分為兩大類，一類13.56MHzRFID識別卡符合ISO/IEC 15693標準，讀寫距離小于1.2m。另一類符合ISO/IEC 14443標準，這一標準后來與互聯(lián)互通技術(shù)整合演化形成了NFC（Near Field Commumcation，近場通信）技術(shù)。NFC技術(shù)和RFID技術(shù)相比，一個重要的區(qū)別在于NFC技術(shù)不再局限于讀寫器對電子標簽的讀寫，而是允許數(shù)據(jù)在兩個帶有NFC模塊的設(shè)備之間傳輸。

此外，ISO/IEC 18000-3定義了13.56MHz RFID系統(tǒng)空中接口協(xié)議的通信參數(shù)，ISO/IEC 15693與18000-3協(xié)議兼容。

2.2.1 ISO/IEC 14443標準

NFC技術(shù)的中心工作頻率為13.56MHz±7kHz，提供最高424kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，工作距離小于lOcm。與傳統(tǒng)的非接觸式通信相比，NFC支持actlve-active和active-passive兩種通信方式。NFC相關(guān)的技術(shù)標準主要包括智能卡標準ISO/IEC 14443和JIS X 6319-4/FeliCa，NFC通信標準ECMA-340和ISO/IEC 18092。NFC在移動支付領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，目前已經(jīng)有許多手機搭載了NFC模塊。使用裝有NFC模塊的手機，并安裝相應(yīng)的應(yīng)用軟件，可以直接在支持NFC功能的終端上進行支付。主要類型與參數(shù)見表1。

2.2.2 ISO/IEC 18000-3標準和ISO/IEC 15693標準

中心工作頻率為13.56MHz±7kHz，與NFC標準相比，這一類標準支持較遠的讀寫距離，通信速率較低，因此廣泛用于物品跟蹤、物品防偽、物流運輸、門禁控制等領(lǐng)域。主要類型與參數(shù)見表2與表3。表2符合ISO/IEC 18000-3標準的RFID系統(tǒng)的主要參數(shù)

三、13.56MHz射頻識別系統(tǒng)測量測試方法

3.1 讀寫器測量測試方法

1、射頻載波頻率

頻譜分析儀連接到校準線圈，將校準線圈放置在讀寫器天線上方，頻譜分析儀測量到的校準線圈感生電壓的頻率即為讀寫器射頻載波頻率。

2、編碼

由讀寫器生產(chǎn)廠家提供編碼檢查程序。運行檢查程序控制讀寫器發(fā)送特定數(shù)據(jù)串，通過校準線圈在存儲示波器上儲存天線輸出波形，計算天線輸出數(shù)據(jù)比特率、編碼方式。

3、調(diào)制

利用數(shù)字采樣示波器儲存天線輸出波形，觀察并記錄調(diào)制方式和調(diào)制系數(shù)。

4、讀寫器工作場強

將數(shù)字采樣示波器連接到校準線圈，在數(shù)字采樣示波器上觀察到校準線圈上產(chǎn)生電壓的大小，調(diào)整被測設(shè)備的功率輸出，使校準線圈處于最小工作場強操作狀態(tài)，測得此時的場強。

5、讀寫器天線的直線距離

由讀寫器生產(chǎn)廠家根據(jù)《GB-T29797-2013 13.56MHz射頻識別讀寫設(shè)備規(guī)范》附錄B要求，提供天線直線距離的檢查程序。將參考標簽置于被測讀寫器天線上方（天線50cm范圍內(nèi)無金屬物），運行檢查程序，讀寫器發(fā)出讀請求信號，參考標簽的信號端產(chǎn)生一響應(yīng)信號，該信號可以被讀寫器接收并識別，讀寫器收到參考標簽的應(yīng)答信號。調(diào)整參考線圈與讀寫設(shè)備天線之間的距離，重復(fù)以上操作，讀寫器可以接收到正確信號的最遠距離即為讀寫器的直線距離D。

6、讀寫器天線工作范圍

將被測讀寫器置于開機狀態(tài)，以讀寫器標識的天線工作范圍為基準，將測試裝置的采集天線分別放置于讀寫器標識工作范圍的邊沿交匯點、每個邊沿的中點位置以及讀寫范圍的中心位置，記錄測試點的帶載工作場強。

7、場強穩(wěn)定性

將數(shù)字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，在數(shù)字采樣示波器上觀察校準線圈上產(chǎn)生電壓的變化。

8、非載波信號

將數(shù)字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，在數(shù)字采樣示波器上觀察并記錄校準線圈上產(chǎn)生電壓的大小。

9、讀寫器接收負載調(diào)制

將數(shù)字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，通過數(shù)字采樣示波器將采集的讀寫器與標簽通信信號進行傅里葉變換。

3.2 電子標簽測量測試方法

1、識別場強閾值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為O。使用編碼生成器向電子標簽發(fā)送命令，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應(yīng)。

2、讀場強閾值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為0。使用編碼生成器向電子標簽發(fā)送讀命令塊，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應(yīng)。

3、寫場強閡值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為O。使用編碼生成器向電子標簽發(fā)送寫命令塊，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應(yīng)。

4、最大工作場強

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度設(shè)為識別場強閾值。電子標簽暴露于磁場中超過30s。使用編碼生成器向電子標簽發(fā)送命令，檢查命令是否可以被電子標簽正確識別和響應(yīng)，如果可以則繼續(xù)增加場強，并重復(fù)發(fā)送命令與檢查識別響應(yīng)結(jié)果的過程，直至電子標簽無法返回有效響應(yīng)。記錄最后一次電子標簽?zāi)軌蛘_返回響應(yīng)時的場強為最大工作場強。對10個電子標簽重復(fù)以上實驗，取10個最大工作場強記錄值中的最小值為最終測試結(jié)果。

5、負載調(diào)制

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度沒為識別場強閾值。使用編碼生成器向電子標簽發(fā)送命令，檢查電子標簽負載調(diào)制的協(xié)議一致性。按測試步長調(diào)節(jié)波形發(fā)生器的場強，記錄負載調(diào)制幅度直至波形發(fā)生器場強達到最大工作場強。

四、結(jié)論

13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的測試方法是NFC與RFID系統(tǒng)測試的基礎(chǔ)，本文分別研究了讀寫器和電子標簽的測試方法，可以對系統(tǒng)的主要射頻功能進行測試，有助于推進NFC和RFID應(yīng)用的普及與規(guī)范化。