RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)測(cè)量方法*

于磊夏俊雯詹志強(qiáng)陶衛(wèi)/ .上海交通大學(xué)；.上海市在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)測(cè)量方法*

于磊1，2夏俊雯1，2詹志強(qiáng)2陶衛(wèi)1/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市在線(xiàn)檢測(cè)與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

介紹了RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)的計(jì)量現(xiàn)狀和RFID系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)分析了RFID標(biāo)簽產(chǎn)品在不同頻段范圍內(nèi)的應(yīng)用情況，提出了RFID測(cè)試儀的主要計(jì)量參數(shù)，著重介紹了數(shù)字調(diào)制指數(shù)的測(cè)量。根據(jù)RFID信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)字調(diào)制方式的定義，從理論上分析了調(diào)制指數(shù)的測(cè)量方法，提出使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器和矢量信號(hào)分析儀兩種方法進(jìn)行調(diào)制指數(shù)的測(cè)量，介紹了測(cè)量方法和注意事項(xiàng)，并對(duì)兩種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了測(cè)量不確定度評(píng)定。結(jié)果表明，矢量信號(hào)分析儀比數(shù)字實(shí)時(shí)示波器更適用于RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)的測(cè)量。

射頻識(shí)別；RFID測(cè)試儀；調(diào)制指數(shù)；矢量信號(hào)分析儀；數(shù)字實(shí)時(shí)示波器；測(cè)量

0　引言

近年來(lái)，近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展迅猛，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的方方面面。射頻識(shí)別（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID）技術(shù)作為一種近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是利用無(wú)線(xiàn)電射頻信號(hào)進(jìn)行通信的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，主要應(yīng)用于物流運(yùn)輸、物業(yè)管理、生產(chǎn)線(xiàn)和數(shù)據(jù)采集等活動(dòng)中。與其他自動(dòng)識(shí)別技術(shù)相比，RFID技術(shù)識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。目前，國(guó)際上針對(duì)RFID技術(shù)發(fā)布了多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括ISO/IEC 18000、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693等系列，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不斷擴(kuò)充更新。

國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠(chǎng)家在制造RFID產(chǎn)品過(guò)程中，按照標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)RFID測(cè)試儀以及RFID標(biāo)簽進(jìn)行射頻指標(biāo)測(cè)試，其中RFID測(cè)試儀在RFID標(biāo)簽的生產(chǎn)、測(cè)試、研發(fā)中被廣泛使用，RFID測(cè)試儀的性能指標(biāo)將直接影響到RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品質(zhì)量。為了保證RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的一致性和量值準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)RFID測(cè)試儀進(jìn)行量值溯源，而國(guó)家尚未發(fā)布RFID測(cè)試儀檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范。上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院根據(jù)多年通信儀器設(shè)備的檢定/校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備對(duì)客戶(hù)的RFID測(cè)試儀進(jìn)行了校準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上申請(qǐng)編寫(xiě)國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范《射頻識(shí)別（RFID）測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》。本文主要介紹13.56 MHz頻段RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)的測(cè)量。實(shí)際比較和測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果表明，矢量信號(hào)分析儀比數(shù)字實(shí)時(shí)示波器更適用于RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)的測(cè)量。本文的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于《射頻識(shí)別（RFID）測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》。

1　RFID標(biāo)準(zhǔn)

RFID標(biāo)簽工作于多個(gè)頻段，部分頻段的RFID標(biāo)簽包含多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。RFID頻率范圍和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1　RFID頻率范圍和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

125 kHz頻段RFID卡，由于其工作能量通過(guò)電感耦合方式從閱讀器耦合線(xiàn)圈的輻射近場(chǎng)中獲得，一般情況下閱讀距離小于l m，主要用于短距離、低成本的系統(tǒng)，例如動(dòng)物監(jiān)管、容器識(shí)別、工具識(shí)別等，而在其他方面很少使用。同時(shí)，125 kHz頻段未見(jiàn)專(zhuān)用的RFID測(cè)試儀。

13.56 MHz頻段和800/900 MHz頻段RFID卡目前被廣泛使用。13.56 MHz頻段RFID卡為人體接近卡，廣泛使用的公交IC卡、第二代身份證、考勤卡、門(mén)禁系統(tǒng)均工作于13.56 MHz頻段。此頻段的RFID卡信號(hào)傳輸為感應(yīng)場(chǎng)方式，無(wú)需提供電源，為無(wú)源技術(shù)的RFID卡，正常工作距離7～15 cm。

800/900 MHz頻段RFID卡主要用于鐵路車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、集裝箱識(shí)別、供應(yīng)鏈上的后勤管理、生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化管理、物流中的貨運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)管理等方面。信號(hào)方式為傳輸場(chǎng)方式，正常工作距離2～5 m。

隨著技術(shù)的發(fā)展，2.45 GHz和5.8 GHz頻段RFID標(biāo)簽的使用量在逐步增加，現(xiàn)在的高速公路電子收費(fèi)系統(tǒng)（ETC系統(tǒng)）工作于5.8 GHz頻段。

13.56 MHz、800/900 MHz頻段RFID標(biāo)簽是無(wú)源標(biāo)簽，而2.45 GHz和5.8 GHz頻段的RFID標(biāo)簽為有源標(biāo)簽。

到目前為止，RFID測(cè)試儀的檢定規(guī)程或者校準(zhǔn)規(guī)范未見(jiàn)報(bào)道。工業(yè)和信息化部標(biāo)準(zhǔn)化研究院針對(duì)13.56 MHz頻率的RFID標(biāo)簽測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，所發(fā)表的論文針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的輸出頻率、輸出場(chǎng)強(qiáng)以及輸出信號(hào)的波形參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，其中對(duì)波形參數(shù)的校準(zhǔn)方法為數(shù)字實(shí)時(shí)示波器法。本文采用矢量信號(hào)分析儀方法測(cè)量RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)，并給出了測(cè)量結(jié)果不確定度的比較。

2　RFID測(cè)試儀

RFID測(cè)試儀由射頻發(fā)射器和射頻接收器組成。RFID測(cè)試儀模擬RFID讀寫(xiě)器時(shí)，射頻發(fā)射器發(fā)射調(diào)制的射頻信號(hào)，RFID標(biāo)簽（卡）接收到發(fā)射信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，再發(fā)送調(diào)制后的信號(hào)至射頻接收器進(jìn)行測(cè)量。RFID測(cè)試儀模擬RFID標(biāo)簽（卡）時(shí)，射頻接收器收到RFID讀寫(xiě)器發(fā)射的射頻信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，再發(fā)送調(diào)制后的信號(hào)至RFID讀寫(xiě)器。

選取以下參數(shù)作為RFID測(cè)試儀的校準(zhǔn)項(xiàng)目，并且將其運(yùn)用于《射頻識(shí)別（RFID）測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》中：

（1）外觀(guān)以及工作正常性檢查；

（2）輸出信號(hào)頻率校準(zhǔn)；

（3）輸出信號(hào)功率（或場(chǎng)強(qiáng)）校準(zhǔn)；

（4）數(shù)字調(diào)制質(zhì)量參數(shù)校準(zhǔn)；

（5）輸出信號(hào)波形校準(zhǔn)；

（6）鄰道功率校準(zhǔn)；

（7）功率測(cè)量校準(zhǔn)；

（8）接收機(jī)數(shù)字調(diào)制分析質(zhì)量參數(shù)校準(zhǔn)

本文主要介紹數(shù)字調(diào)制質(zhì)量參數(shù)項(xiàng)目中調(diào)制指數(shù)的測(cè)量方法。

3　調(diào)制指數(shù)定義

根據(jù)GB/T 22351.2-2010 《識(shí)別卡 無(wú)觸點(diǎn)的集成電路卡 鄰近式卡 第2部分：空中接口和初始化》，閱讀器首先發(fā)送連續(xù)非調(diào)制波（CW），RFID標(biāo)簽接收到CW信號(hào)后，將一部分CW信號(hào)的能量用于激活標(biāo)簽，閱讀器隨后發(fā)送前導(dǎo)碼信號(hào)用于信號(hào)的接收同步。然后是標(biāo)志幀開(kāi)始的信號(hào)（SOF）跟隨著命令和數(shù)據(jù)信號(hào)，比如發(fā)送標(biāo)簽詢(xún)問(wèn)和閱讀信號(hào)。信號(hào)為ASK調(diào)制方式，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，以幀結(jié)束信號(hào)（EOF）結(jié)束此次數(shù)據(jù)傳輸部分，并保持連續(xù)非調(diào)制波以供給標(biāo)簽?zāi)芰俊?/p>

ASK即幅移鍵控（Amplitude Shift Keying）是利用載波的幅度變化來(lái)傳遞數(shù)字信息。二進(jìn)制ASK調(diào)制信號(hào)V（t）可以表示為具有一定波形的二進(jìn)制序列（二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)）與余弦載波的乘積：

式中：s（t） —— 二進(jìn)制編碼信號(hào)，

Ts—— 碼元持續(xù)時(shí)間；

g（t） —— 持續(xù)時(shí)間的基帶脈沖波形；

an—— 第n個(gè)符號(hào)的電平取值

幅移鍵控時(shí)，載波的振幅按二進(jìn)制編碼在兩種狀態(tài)a0和a1之間切換，a0代表“1”狀態(tài)，a1代表“0”狀態(tài)。

調(diào)制指數(shù)η的定義為

式中：a、b —— 分別是信號(hào)幅度的峰值和最小值

由式（2）可知，調(diào)制指數(shù)的測(cè)量可以采用兩種方法：方法一是使用儀器如數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量信號(hào)幅度的峰值和最小值，再通過(guò)式（2）計(jì)算調(diào)制指數(shù)η；方法二是使用矢量信號(hào)分析儀中的矢量信號(hào)分析軟件直接測(cè)量η。

4　調(diào)制指數(shù)的測(cè)量方法

4.1使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量信號(hào)的幅度值a和b計(jì)算調(diào)制指數(shù)

1）儀器連接如圖1所示，將RFID測(cè)試儀的輸出通過(guò)電纜連接至數(shù)字示波器的輸入端。

圖1　使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量調(diào)制指數(shù)連接示意

2）適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器的垂直幅度和掃描時(shí)間，利用示波器讀取調(diào)制信號(hào)幅度的峰值a和調(diào)制信號(hào)幅度的最小值b。

3）利用式（2）計(jì)算調(diào)制指數(shù)η。

注意：由于RFID輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)，并包括RFID卡發(fā)送回的信號(hào)，測(cè)量時(shí)需要使用示波器的暫停鍵停止波形的獲取以得到正確的波形，可能需要多次測(cè)量才能獲得正確的波形。

4.2使用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量調(diào)制指數(shù)

1）儀器連接如圖2所示，將RFID測(cè)試儀的輸出通過(guò)電纜連接至矢量信號(hào)分析儀的信號(hào)輸入端。

圖2　使用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量調(diào)制指數(shù)連接示意

2）設(shè)定RFID測(cè)試儀的輸出頻率，設(shè)定RFID測(cè)試儀的輸出功率為0 dBm，并選擇RFID測(cè)試儀發(fā)送信號(hào)的RFID標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定RFID測(cè)試儀的信號(hào)發(fā)送方式為重復(fù)發(fā)射、加調(diào)制，打開(kāi)RFID測(cè)試儀的發(fā)射信號(hào)。

3）設(shè)定矢量信號(hào)分析儀的中心頻率與RFID測(cè)試儀發(fā)射頻率相同，設(shè)定矢量信號(hào)分析儀的參考電平為5 dBm。

4）矢量信號(hào)分析儀中選擇與RFID測(cè)試儀相一致的標(biāo)準(zhǔn)，選擇前向信號(hào)/后向信號(hào)解調(diào)，讀取矢量信號(hào)分析儀的調(diào)制深度或調(diào)制指數(shù)。

圖3為使用矢量信號(hào)分析儀對(duì)一次RFID通信過(guò)程的RFID調(diào)制信號(hào)捕獲結(jié)果。

圖3　RFID測(cè)試儀發(fā)送調(diào)制信號(hào)捕獲

5　測(cè)量結(jié)果及測(cè)量不確定度評(píng)定

對(duì)使用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量調(diào)制指數(shù)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，采用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量調(diào)制指數(shù)的測(cè)量不確定度參考文獻(xiàn)［1］中的數(shù)據(jù)。

采用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量RFID測(cè)試儀輸出ASK信號(hào)的調(diào)制指數(shù)，測(cè)量不確定度來(lái)源主要有三項(xiàng)：分別是矢量信號(hào)分析儀測(cè)量ASK調(diào)制指數(shù)誤差，矢量信號(hào)分析儀的分辨力、測(cè)量重復(fù)性。

對(duì)10次調(diào)制指數(shù)的測(cè)量結(jié)果計(jì)算得u3= 0.01%。

以上參數(shù)互相獨(dú)立，測(cè)量重復(fù)性和分辨力選擇其中較大值參與不確定度合成，合成不確定度為

擴(kuò)展不確定度

U = 1.4%（k = 2）

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］，使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量調(diào)制指數(shù)的測(cè)量不確定度為6%。

使用矢量信號(hào)分析儀和數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量RFID測(cè)試儀調(diào)試指數(shù)的結(jié)果及測(cè)量不確定度對(duì)比如表2所示。

表2　使用矢量信號(hào)分析儀和數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)的結(jié)果及不確定度對(duì)比

測(cè)量結(jié)果表明，使用短信號(hào)分析儀測(cè)量RFID測(cè)試儀調(diào)制指數(shù)，其結(jié)果和測(cè)量不確定度均優(yōu)于數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量。由于數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的AD轉(zhuǎn)換位數(shù)低于高動(dòng)態(tài)范圍的矢量信號(hào)分析儀（頻譜分析儀），而且數(shù)字實(shí)時(shí)示波器的本底噪聲在測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響，在使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量ASK調(diào)制指數(shù)為90%～100%范圍時(shí)，測(cè)量誤差比較大，影響ASK調(diào)制信號(hào)的調(diào)制指數(shù)等參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度。矢量信號(hào)分析儀主要用于矢量調(diào)制信號(hào)的測(cè)量，可以在時(shí)域、頻域觀(guān)看到所調(diào)制信號(hào)參數(shù)，并可以專(zhuān)門(mén)就某一個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，動(dòng)態(tài)范圍大，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

6　結(jié)語(yǔ)

在測(cè)試突發(fā)非連續(xù)調(diào)制信號(hào)時(shí)，使用數(shù)字實(shí)時(shí)示波器測(cè)量的準(zhǔn)確度受本身AD轉(zhuǎn)換位數(shù)和本底噪聲影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大影響。使用能夠解編碼的矢量信號(hào)分析儀擁有很大的動(dòng)態(tài)范圍和極低的本底噪聲，能夠?qū)FID調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，并對(duì)測(cè)量時(shí)隙進(jìn)行參數(shù)捕獲，同時(shí)測(cè)得多組數(shù)據(jù)，適用于對(duì)RFID測(cè)試儀ASK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

本文研究成果已運(yùn)用于國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范《射頻識(shí)別（RFID）測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》。在校準(zhǔn)規(guī)范中，調(diào)制指數(shù)η推薦使用矢量信號(hào)分析儀測(cè)量。

［1］ 邢榮欣. RFID標(biāo)簽專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)［J］. 電子測(cè)量技術(shù)，2011（03）：101-106.

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Measurement method of modulation index for RFID testers

Yu Lei1，2， Xia Junwen1，2， Zhan Zhiqiang2， Tao Wei1
（1.Shanghai Jiao Tong University； 2. Key Laboratory of Shanghai On-line measurement and control technology）

This article introduces the domestic measurement status of RFID technology and the working principle of RFID system， and makes a detailed analysis on application situation of RFID tag productions in different frequency band. On the basis of these researches， it proposes the main measurement parameters of RFID testers， and then focuses on the measurements of digital modulation index. According to the frame structure of RFID signal and the defnition of digital modulation，the article analyzes the measuring method of modulation index in theory， and puts forword two methods， respectively using digital realtime oscilloscope and vector signal analyzer. Detailed methods and considerations are presented and the uncertainties of measuring results are evaluated. The research results show that the vector signal analyzer is better suited for measuring the modulation index of RFID testers than the digital real-time oscilloscope.

radio frequency identifcation； RFID tester； modulation index；vector signal analyzer； digital real-time oscilloscope； measurement

國(guó)家科技部科技支撐項(xiàng)目（2014BAK02B04）