于磊夏俊雯詹志強陶衛(wèi)/ .上海交通大學(xué)；.上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室

RFID測試儀調(diào)制指數(shù)測量方法*

于磊1，2夏俊雯1，2詹志強2陶衛(wèi)1/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市在線檢測與控制技術(shù)重點實驗室

介紹了RFID技術(shù)在國內(nèi)的計量現(xiàn)狀和RFID系統(tǒng)的工作原理，詳細分析了RFID標簽產(chǎn)品在不同頻段范圍內(nèi)的應(yīng)用情況，提出了RFID測試儀的主要計量參數(shù)，著重介紹了數(shù)字調(diào)制指數(shù)的測量。根據(jù)RFID信號的幀結(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)的測量方法，提出使用數(shù)字實時示波器和矢量信號分析儀兩種方法進行調(diào)制指數(shù)的測量，介紹了測量方法和注意事項，并對兩種方法的測量結(jié)果進行了測量不確定度評定。結(jié)果表明，矢量信號分析儀比數(shù)字實時示波器更適用于RFID測試儀調(diào)制指數(shù)的測量。

射頻識別；RFID測試儀；調(diào)制指數(shù)；矢量信號分析儀；數(shù)字實時示波器；測量

0　引言

近年來，近距離無線通信技術(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。射頻識別（以下簡稱RFID）技術(shù)作為一種近距離無線通信技術(shù)，是利用無線電射頻信號進行通信的非接觸式自動識別技術(shù)，主要應(yīng)用于物流運輸、物業(yè)管理、生產(chǎn)線和數(shù)據(jù)采集等活動中。與其他自動識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)識別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動的物體，并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。目前，國際上針對RFID技術(shù)發(fā)布了多個國際標準，包括ISO/IEC 18000、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693等系列，標準內(nèi)容不斷擴充更新。

國內(nèi)外生產(chǎn)廠家在制造RFID產(chǎn)品過程中，按照標準的要求對RFID測試儀以及RFID標簽進行射頻指標測試，其中RFID測試儀在RFID標簽的生產(chǎn)、測試、研發(fā)中被廣泛使用，RFID測試儀的性能指標將直接影響到RFID標簽的產(chǎn)品質(zhì)量。為了保證RFID標簽產(chǎn)品的一致性和量值準確可靠，需要對RFID測試儀進行量值溯源，而國家尚未發(fā)布RFID測試儀檢定規(guī)程或校準規(guī)范。上海市計量測試技術(shù)研究院根據(jù)多年通信儀器設(shè)備的檢定/校準經(jīng)驗，利用現(xiàn)有儀器設(shè)備對客戶的RFID測試儀進行了校準，并在此基礎(chǔ)上申請編寫國家計量校準規(guī)范《射頻識別（RFID）測試儀校準規(guī)范》。本文主要介紹13.56 MHz頻段RFID測試儀調(diào)制指數(shù)的測量。實際比較和測量不確定度評定結(jié)果表明，矢量信號分析儀比數(shù)字實時示波器更適用于RFID測試儀調(diào)制指數(shù)的測量。本文的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于《射頻識別（RFID）測試儀校準規(guī)范》。

1　RFID標準

RFID標簽工作于多個頻段，部分頻段的RFID標簽包含多個標準。RFID頻率范圍和對應(yīng)的標準見表1。

表1　RFID頻率范圍和對應(yīng)的標準

125 kHz頻段RFID卡，由于其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得，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)，例如動物監(jiān)管、容器識別、工具識別等，而在其他方面很少使用。同時，125 kHz頻段未見專用的RFID測試儀。

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、門禁系統(tǒng)均工作于13.56 MHz頻段。此頻段的RFID卡信號傳輸為感應(yīng)場方式，無需提供電源，為無源技術(shù)的RFID卡，正常工作距離7～15 cm。

800/900 MHz頻段RFID卡主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別、供應(yīng)鏈上的后勤管理、生產(chǎn)線自動化管理、物流中的貨運、倉儲管理等方面。信號方式為傳輸場方式，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標簽的使用量在逐步增加，現(xiàn)在的高速公路電子收費系統(tǒng)（ETC系統(tǒng)）工作于5.8 GHz頻段。

13.56 MHz、800/900 MHz頻段RFID標簽是無源標簽，而2.45 GHz和5.8 GHz頻段的RFID標簽為有源標簽。

到目前為止，RFID測試儀的檢定規(guī)程或者校準規(guī)范未見報道。工業(yè)和信息化部標準化研究院針對13.56 MHz頻率的RFID標簽測試系統(tǒng)的校準方法進行了研究，所發(fā)表的論文針對測試系統(tǒng)的輸出頻率、輸出場強以及輸出信號的波形參數(shù)進行校準，其中對波形參數(shù)的校準方法為數(shù)字實時示波器法。本文采用矢量信號分析儀方法測量RFID測試儀調(diào)制指數(shù)，并給出了測量結(jié)果不確定度的比較。

2　RFID測試儀

RFID測試儀由射頻發(fā)射器和射頻接收器組成。RFID測試儀模擬RFID讀寫器時，射頻發(fā)射器發(fā)射調(diào)制的射頻信號，RFID標簽（卡）接收到發(fā)射信號后進行解調(diào)，再發(fā)送調(diào)制后的信號至射頻接收器進行測量。RFID測試儀模擬RFID標簽（卡）時，射頻接收器收到RFID讀寫器發(fā)射的射頻信號后進行解調(diào)，再發(fā)送調(diào)制后的信號至RFID讀寫器。

選取以下參數(shù)作為RFID測試儀的校準項目，并且將其運用于《射頻識別（RFID）測試儀校準規(guī)范》中：

（1）外觀以及工作正常性檢查；

（2）輸出信號頻率校準；

（3）輸出信號功率（或場強）校準；

（4）數(shù)字調(diào)制質(zhì)量參數(shù)校準；

（5）輸出信號波形校準；

（6）鄰道功率校準；

（7）功率測量校準；

（8）接收機數(shù)字調(diào)制分析質(zhì)量參數(shù)校準

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

3　調(diào)制指數(shù)定義

根據(jù)GB/T 22351.2-2010 《識別卡 無觸點的集成電路卡 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標簽接收到CW信號后，將一部分CW信號的能量用于激活標簽，閱讀器隨后發(fā)送前導(dǎo)碼信號用于信號的接收同步。然后是標志幀開始的信號（SOF）跟隨著命令和數(shù)據(jù)信號，比如發(fā)送標簽詢問和閱讀信號。信號為ASK調(diào)制方式，當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，以幀結(jié)束信號（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傳遞數(shù)字信息。二進制ASK調(diào)制信號V（t）可以表示為具有一定波形的二進制序列（二進制數(shù)字基帶信號）與余弦載波的乘積：

式中：s（t） —— 二進制編碼信號，

Ts—— 碼元持續(xù)時間；

g（t） —— 持續(xù)時間的基帶脈沖波形；

an—— 第n個符號的電平取值

幅移鍵控時，載波的振幅按二進制編碼在兩種狀態(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 —— 分別是信號幅度的峰值和最小值

由式（2）可知，調(diào)制指數(shù)的測量可以采用兩種方法：方法一是使用儀器如數(shù)字實時示波器測量信號幅度的峰值和最小值，再通過式（2）計算調(diào)制指數(shù)η；方法二是使用矢量信號分析儀中的矢量信號分析軟件直接測量η。

4　調(diào)制指數(shù)的測量方法

4.1使用數(shù)字實時示波器測量信號的幅度值a和b計算調(diào)制指數(shù)

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

圖1　使用數(shù)字實時示波器測量調(diào)制指數(shù)連接示意

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

3）利用式（2）計算調(diào)制指數(shù)η。

注意：由于RFID輸出信號為脈沖信號，并包括RFID卡發(fā)送回的信號，測量時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，可能需要多次測量才能獲得正確的波形。

4.2使用矢量信號分析儀測量調(diào)制指數(shù)

1）儀器連接如圖2所示，將RFID測試儀的輸出通過電纜連接至矢量信號分析儀的信號輸入端。

圖2　使用矢量信號分析儀測量調(diào)制指數(shù)連接示意

2）設(shè)定RFID測試儀的輸出頻率，設(shè)定RFID測試儀的輸出功率為0 dBm，并選擇RFID測試儀發(fā)送信號的RFID標準，設(shè)定RFID測試儀的信號發(fā)送方式為重復(fù)發(fā)射、加調(diào)制，打開RFID測試儀的發(fā)射信號。

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

4）矢量信號分析儀中選擇與RFID測試儀相一致的標準，選擇前向信號/后向信號解調(diào)，讀取矢量信號分析儀的調(diào)制深度或調(diào)制指數(shù)。

圖3為使用矢量信號分析儀對一次RFID通信過程的RFID調(diào)制信號捕獲結(jié)果。

圖3　RFID測試儀發(fā)送調(diào)制信號捕獲

5　測量結(jié)果及測量不確定度評定

對使用矢量信號分析儀測量調(diào)制指數(shù)的測量不確定度進行評定，采用數(shù)字實時示波器測量調(diào)制指數(shù)的測量不確定度參考文獻［1］中的數(shù)據(jù)。

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

對10次調(diào)制指數(shù)的測量結(jié)果計算得u3= 0.01%。

以上參數(shù)互相獨立，測量重復(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

擴展不確定度

U = 1.4%（k = 2）

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

使用矢量信號分析儀和數(shù)字實時示波器測量RFID測試儀調(diào)試指數(shù)的結(jié)果及測量不確定度對比如表2所示。

表2　使用矢量信號分析儀和數(shù)字實時示波器測量RFID測試儀調(diào)制指數(shù)的結(jié)果及不確定度對比

測量結(jié)果表明，使用短信號分析儀測量RFID測試儀調(diào)制指數(shù)，其結(jié)果和測量不確定度均優(yōu)于數(shù)字實時示波器測量。由于數(shù)字實時示波器的AD轉(zhuǎn)換位數(shù)低于高動態(tài)范圍的矢量信號分析儀（頻譜分析儀），而且數(shù)字實時示波器的本底噪聲在測量低電平信號時對測量結(jié)果有較大影響，在使用數(shù)字實時示波器測量ASK調(diào)制指數(shù)為90%～100%范圍時，測量誤差比較大，影響ASK調(diào)制信號的調(diào)制指數(shù)等參數(shù)的測量準確度。矢量信號分析儀主要用于矢量調(diào)制信號的測量，可以在時域、頻域觀看到所調(diào)制信號參數(shù)，并可以專門就某一個調(diào)制信號進行測量，動態(tài)范圍大，測量結(jié)果更加準確。

6　結(jié)語

在測試突發(fā)非連續(xù)調(diào)制信號時，使用數(shù)字實時示波器測量的準確度受本身AD轉(zhuǎn)換位數(shù)和本底噪聲影響，對測量結(jié)果造成較大影響。使用能夠解編碼的矢量信號分析儀擁有很大的動態(tài)范圍和極低的本底噪聲，能夠?qū)FID調(diào)制信號進行解調(diào)分析，并對測量時隙進行參數(shù)捕獲，同時測得多組數(shù)據(jù)，適用于對RFID測試儀ASK調(diào)制信號進行測量。

本文研究成果已運用于國家計量校準規(guī)范《射頻識別（RFID）測試儀校準規(guī)范》。在校準規(guī)范中，調(diào)制指數(shù)η推薦使用矢量信號分析儀測量。

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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

國家科技部科技支撐項目（2014BAK02B04）