复杂RF环境下的RFID测试挑战

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随着设备价格的下降及全球市场扩大,RFID应用正面临飞速发展。嵌入式RFID的使用量不断提高,随着泛在ID中心(UbiquitousIDCenter)和T引擎论坛(T-EngineForum)等协调性机构的形成,GSM协会现已支持将基于RFID的近场通信技术运用于手机中。

RFID的一大挑战是在复杂的、甚至苛刻的RF环境中优化吞吐量或数据读取速度。无源RFID标签可以对射频范围内的任何一个或多个阅读器做出反应。协议中规定了这些通信的行为,但在实际的通信过程中,如果没有适当的设备,则很难对其进行测试。此外,在集成到采用蜂窝技术、WLAN、蓝牙或ZigBee技术的同一台设备中时,也需要运行嵌入式RFID系统。最后,必须考虑同一频段中其它用户发出的干扰。

其结果是,在部署前就有必要仿真复杂的RF环境,并分析RFID系统在这些条件下的性能。RFID的脉冲式特点和典型的干扰源令测试任务变得更富挑战性。


RFID技术概述

最简单的RFID系统由一个标签(可以是无源标签)和一个阅读器组成。从结构上看,无源标签的读取与传统全双工数据链路略有不同。与传统有源数据链路不同的是,无源标签依赖其收到的RF能量为自身供电。无源标签同样不会生成自己的传送载波信号,而是调制询问器发送到标签的部分能量,这一过程称为反向散射。

通过把标签的天线负荷从吸收负荷改变为反射负荷,可以调制来自询问器的连续波(CW)信号。这个过程与利用镜子和阳光向远处某人发送信号的过程非常类似。此外,这样还消除了标签中对高精度频率来源和功率密集型发射机的需求。由于阅读器和标签共享相同的频率,它们必须轮流发送信息。因此,反向散射把阅读器和标签之间的通信限定在半双工系统上。


由于从标签(T)到阅读器(R)(表示为T→R)的上行方向从询问器的CW信号中调制,因此可以使用扩频技术,如跳频。在接收机零差下变频中,任何询问器信号的扩展或跳频会被自动删除,因为它们共享相同的本振(LO)信号。

当存在多个标签、多个阅读器和干扰时,这个简单的系统会变得更加复杂。让我们看一下来自这些情况下的两个RFID设计挑战。

多个阅读器和密集模式环境

无源RFID标签的宽带特点也给密集的(多个)阅读器站点带来了某些挑战。由于标签阅读器确定了系统的工作频率,且标签是对任何阅读器进行应答的宽带设备,因此标签对某个特定阅读器的应答能力有限。无源标签可能会试图对所有发出询问的阅读器做出应答。

许多RFID系统将被运用到多个阅读器或密集模式环境中,以下是一些定义:

·单阅读器环境:环境中只有一个阅读器工作;

·多个阅读器环境:同时工作的阅读器数量低于提供的通道数量;

·密集阅读器模式:挑战最大的环境,其中阅读器数量超过通道数量。

阅读器和标签干扰可能发生在工作环境内部,在这个区域内,阅读器的RF信号衰减低于90dBc(辐射范围大约相当于方圆1千米的自由空间)。因此,在密集模式环境中,不管是出于设计还是由于相邻的RFID阅读器,许多阅读器都将会停止工作。

对于一个拥有多个固定阅读器和精确频谱规划的仓库应用环境,在1千米范围以内来自相邻设备的干扰可能会达到最小。然而,由于缺少对安全的缓和距离的控制,移动RFID设备所面对的将是一个密集模式阅读器环境。在这种情况下,找出现有或之后RFID系统应用环境中可能存在哪些信号,并了解阅读器和标签在存在干扰时的行为变得非常关键。

针对这种环境,已通过认证用于密集环境的ISO18000-6C阅读器通常会切换到米勒调制副载波(MMS)编码。这种精心设计的编码技术在每个比特位下提供了更多的跳变,因而在有噪声时更容易解码,但对同一标签反向散射链路频率(BLF)来说速度较慢。共有三种不同的MMS方案可供选择,即Miller-2、Miller-4和Miller-8,其中的数字指明了多少个BLF周期定义一个数据符号。例如,在使用40kHz的最慢BLF时,Miller-8的数据速率是BLF/8 = 5 kbit/s。在这种慢的速率下,传送一个96位EPC和16位错误校验将需要22.4ms,对应每秒读取不到45个标签(当包括一些命令字节时,如前向链路命令,那么能够读取的标签数量会进一步下降)。出于吞吐量原因,人们不希望以这么低的速率传送信号,另外某些法规(如美国FCC Part 15)规定,根据信号20dB的带宽,在10s或20s的周期内,只允许在某个频率上持续工作平均约400ms。这种法规要求标签阅读器在400ms后空出通道,跳到一个其他的频率,即使在原有频率上的阅读还没有完成。

根据ISO18000-7规范工作的阅读器和标签采取不同的方法。它们使用更长的RF传输及更低的传送速率,提高了信号的抗干扰能力。对采用同等商用版本ISO18185的集装箱应用,这要求最大传输周期提高到60s,同时在传输之间保持10s的最低静默周期(FCCpart15.240)。在这么慢的传送速率下,可能要用两分钟才能传送识别集装箱所有货物所需的整个128kB数据。根据这一标准使用的标签是有源标签,也就是说它们带有机载电源,一般辐射功率要高于无源标签。  

这两种技术都意味着测试解决方案必需在相对较长的时间周期内收集与脉冲式信号有关的详细的RF数据。

密集模式环境测试解决方案

可以使用任意波形发生器(AWG)仿真密集模式环境。现代AWG可以通过编程直接生成在HF频段和UHF频段的RFID信号,进而使用一台仪器仿真各种信号,如多个阅读器或多个标签,从而降低必须配置多台信号发生器所引起的时间和成本。

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