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2.6 标签功能参考测试环境

首先,对于标签功能测试,需要相关的测试仪器和设备,如实时频谱分析仪、信号发生器等,主要采用信号发生器产生与读写器命令类似的射频载波激励信号,标签对载波激励信号进行响应,而标签的响应信号则由频谱分析仪捕获,进一步对标签响应信号进行分析,获得相应空中接口功能参数。

1.测试硬件连接

具体测试硬件连接如图2-18所示,其中包括测试仪器、待测标签设备及控制测试仪器的上位机。频谱分析仪和上位机之间的硬件连接采用以太网方式,软件接口是标准的VISA库访问接口,频谱分析仪接收端连接有接收天线,用于接收射频信号。信号发生器和读写器(个别情况下使用)都是射频信号发送设备,发射端连接发射天线,信号发生器和上位机之间的硬件连接也采用以太网的方式,软件接口也是标准的VISA库访问接口。读写器与上位机的连接方式主要取决于读写器本身具备的接口,常用的接口为以太网接口或串口,软件接口则为专有SDK开发库。

▶ 图2-18 标签功能测试硬件连接图

2.测试辅助器件的选取

在标签功能测试中,需要用到的测试辅助器件包括发射天线和接收天线。矢量信号发生器将RFID标签的激励信号通过发射天线向外辐射,因此发射天线的特性参数将对测试分析起到关键作用。推荐使用的发射天线包括偶极子天线、双锥天线、对数周期天线和双脊喇叭天线等。另外,需注意要使待测标签设备处于最佳接收方向上,且位于发射天线远场区范围内。

为分析标签的空中接口特性,需放置频谱分析仪的接收天线。同时,为了提高频谱分析仪的灵敏度,需要将接收天线尽可能地接近待测标签,但一定要保持接收天线和待测标签天线之间的非接触。接收天线应具有一定的方向性,天线增益越大越好;接收天线的反射截面积需要尽可能地小,以避免接收天线改变RFID系统之间的电磁场,推荐使用的接收天线是偶极子天线。

3.测试环境

为保证测试结果的科学性和可重复性,测试应在温湿度相对稳定、电磁干扰尽可能小的环境中进行,推荐在电波暗室内进行测试(发射天线、接收天线、待测标签位于其中)。

4.标准读写器信号的模拟

在标签功能测试中,激励信号是必不可少的,可以采用读写器信号作为激励信号,但是这样会将不同读写器的特性引入测试中,如某些读写器只提供一种调制方式等。为了测试结果的科学性和可重复性,应尽量采用标准的读写器信号作为激励信号。为此,考虑基于MATLAB平台利用Agilent E4438C矢量信号发生器实现读写器信号的仿真。读写器的基带信号采用PIE编码,可以利用PIE编码对读写器命令进行基带编码。由于在后续测试中,Query命令会起到至关重要的作用,这里简要介绍一下Query命令的数据格式。

Query命令主要包括以下几个参数信息。

(1)DR:规定后向链路的连接频率。

(2)M:设置后向链路的数据编码和调制方式。

(3)TRext:选择后向链路是否采用预设的导言单音信号。

(4)Sel:选择哪些标签响应Query命令。

(5)Session:选择一个通信会话。

(6)Target:选择具有标志A还是B的标签参与通信会话。

(7)Q:设置标签中槽计数器slot的数值。

Query命令的完整格式如表2-4所示。

表2-4 Query命令的完整格式

在获得了Query命令的基带编码信号之后,接下来的工作是进行调制,协议中规定前向链路采用ASK调制方式,即幅移键控方式。调制公式如下:

其中,u ASK (t)为调制后信号,u Code (t)为待调制编码信号,u CR (t)为载波信号,m为调制深度。对 PIE 编码基带信号利用上述公式,即可获得调制信号。而将调制信号射频载波到E4438C信号发生器中,还需到调制信号进行IQ两路正交分解,假设对应基带编码序列i的调制信号为f(i),欲得到I、Q两路信号,分解公式为:

Isig(i)=f(i)*sin(mod((i-1),T)*2*pi/T);

Qsig(i)=f(i)*cos(mod((i-1),T)*2*pi/T);

IQ(i)=sqrt(Isig(i)^2+Qsig(i)^2);

Y(i)=Isig(i)+j*Qsig(i)

由于在测试中要对Query命令的参数进行灵活设置,为此开发了基于MATLAB GUI的程序实现命令参数的配置、PIE编码、ASK调制、IQ分解和波形下载等功能,程序界面如图2-19所示。而利用该程序获得的Query命令仿真信号波形如图1-20所示,信号的数据编码符合PIE编码格式,并且经过PR-ASK方式调制,该信号完整地包括导言信号和22位数据编码,波形整齐,符合ISO/IEC 18000-6C协议对读写器信号的要求。

▶ 图2-19 标准读写器命令仿真程序界面

▶ 图2-20 Query命令仿真信号波形

2.6.1 标签频率范围

频率对于任何一个无线通信系统来说都是至关重要的因素,是系统工作的基础。为此,首先讲述标签频率范围测试的内容,并通过测试步骤的说明来展示这一类测试如何进行。

1.测试目的

验证待测试标签在频率860~960MHz的范围内,是否可以从读写器接收能量并且与读写器进行通信。(这里同时考虑我国专用频段:840~845MHz。)

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)DR:8.

(2)M:1(FM0编码)。

(3)Trext:1(有导言单音)。

(4)Tari(μs):25.

(5)PW(μs):12.5.

(6)RTcal(μs):62.5.

(7)TRcal(µs):100.

3.测试结果探讨

首先,有些标签的频率范围还是会超出协议规定范围的,如图2-21所示的标签A在842.5MHz 频率下的返回信号波形,还是可以正确解码的。其次,图 2-22 给出了另外一款标签B在866~915MHz频率下的返回信号波形,相关参数还是有一定差异的。尤其是在返回信号强度方面,这应与标签天线设计的谐振频率有关。

▶ 图2-21 中心频率为842.5MHz下标签A的返回信号

▶ 图2-22 标签B在不同频率下的返回信号波形

2.6.2 标签解调能力

由于ISO/IEC 18000-6C协议规定了前向链路可采用三种调制方式,因此对于标签来说,必须同时具备对这三种调制方法(DSB-ASK、SSB-ASK、PR-ASK)的解调能力,为此,在本小节中将对标签的解调能力进行分析。

1.测试目的

验证待测试标签是否能对三种调制方式DSB-ASK、SSB-ASK和PR-ASK的信号进行正确解调。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK、DSB-ASK、SSB-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)DR:8.

(2)M:1(FM0编码)。

(3)Trext:1(有导言单音)。

(4)Tari(µs):25.

(5)PW(µs):12.5.

(6)RTcal(µs):62.5.

(7)TRcal(μs):100.

3.测试结果分析

这里仍以标签频率范围测试中所使用的标签A和标签B为例,由于标签频率范围测试时使用的是PR-ASK方式,所以PR-ASK方式下的测试结果请参见2.6.1节的分析。这里主要讨论其他两种方式,首先分析DSB-ASK方式,图2-23为标签A在915MHz中心频率下DSB-ASK调制下的测试图,从图中可以看到,Query命令信号调制方式确实为DSB-ASK方式,可正确解码,但是标签A并无返回信号,而在同样的测试条件下,当信号调制方式为PR-ASK时,A标签是有返回信号的。图2-24为标签B在915MHz中心频率下DSB-ASK调制下的测试图,从图中可以看出,标签B有返回信号,图1-25为该段信号的解码分析,可以看出返回信号可正确解码,这说明标签B在当前的测试条件下对DSB-ASK调制方式是可以正确解调的。

▶ 图2-23 标签A在DSB-ASK调制方式下的测试图

▶ 图2-24 标签B在DSB-ASK调制方式下的测试图

▶ 图2-25 标签B在DSB-ASK方式下的返回信号解码

2.6.3 标签信号占空比

占空比对于标签信号而言是一项重要的通信参数,ISO/IEC 18000-6C协议对此也有严格的约束。本小节将对这项标签功能参数进行测试分析。

1.测试目的

目的是验证待测标签在FM0编码和Miller编码时的占空比,是否在最大值55%和最小值45%之间(正常参考值为50%)。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)M:1(FM0编码)、2、4、8(Miller编码)。

(2)Trext:0(无导言单音)。

(3)PW(μs):0.5*Tari.

(4)RTcal(μs):3*Tari.

(5)LF(kHz):

① 640(DR=64/3,Tari=6.25μs,TRcal=33.3μs);

② 320(DR=64/3,Tari=12.5μs,TRcal=66.7μs);

③ 40(DR=8,Tari=25μs,TRcal=200μs).

3.测试结果分析

图2-26为标签A在中心频率为915MHz、链路频率LF为40kHz(DR=8,Tari=25μs,TRcal=200μs)下的返回信号捕获分析画面,这里采用的是Miller编码(M=2),所以实际上后向链路的数据传输率为20kbps,这可以从R3308A的自动分析结果中得以验证。而图2-27为图2-26中捕获的标签返回信号的占空比分析画面,左下角的表格中“Duty(%)”即为捕获信号每个包络的占空比,从中可以分析标签A在上述测试条件下是符合协议要求的。

▶ 图2-26 标签A采用Miller编码(M=2)时返回信号分析

▶ 图2-27 标签A采用Miller编码(M=2)时返回信号占空比分析

图2-28为标签A在中心频率为915MHz,链路频率LF为40kHz(DR=8,Tari=25μs,TRcal=200μs),编码方式为Miller编码(M=4)时的返回信号捕获分析画面,首先可以看到在高Tari值、高TRcal值(即链路频率较低)时,同样位数的标签返回信号时间会显著增加,如图中右侧椭圆框所标出的2.70ms,这说明使用Miller调制副载波编码时,Tari值要尽量小,TRcal值也要尽量小,这对标签电路设计来说就更加复杂,另外,此时的后向链路数据传输速率为链路频率的四分之一。图2-29为图2-28中捕获的标签返回信号的占空比分析画面,应当注意的是,这里Tektronix R3308A频谱分析仪提供的是对每个包络的占空比,而Miller编码的占空比需要考虑多个包络,可以通过包络特性表中的“on”与“off”列来计算,推出实际编码的占空比参数。

▶ 图2-28 标签A采用Miller编码(M=4)时返回信号分析

▶ 图2-29 标签A采用Miller编码(M=4)时返回信号占空比分析

2.6.4 标签导言信号波形

在无线系统信号处理中,如何找到有意义信号的起始点是非常关键的。标签信号是通过反向散射方式传递的,信号往往比较微弱,良好的导言信号对于读写器识别是非常重要的,因此在本节中介绍对标签导言信号的分析与测试。

1.测试目的

验证待测标签在分别采用FM0和Miller编码时导言信号波形是否符合ISO18000-6C协议要求。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)M:1(FM0编码)、2、4、8(Miller编码)。

(2)Trext:0 (无导言单音)、1(有导言单音)。

(3)Tari(μs):25.

(4)PW(μs):12.5.

(5)RTcal(μs):62.5.

(6)TRcal(μs):100.

3.测试结果分析

这里仍以标签A为例,图2-30为标签A在中心频率915MHz、编码方式为FM0、无导言单音(Trext=0)时的导言信号,从符号表中可以显示出导言信号是正常的,从时域分析图中可以明确地看出导言信号的波形,如图中左上部分椭圆框所示。而图2-31为标签A在中心频率915MHz、编码方式为FM0、有导言单音(Trext=1)时的导言信号,从符号表和时域波形图中都可以看到由12个连续的data-0组成的导言单音信号和导言信号,如图中椭圆框所示。

图2-32为标签A在中心频率915MHz、编码方式为Miller编码(M=2)、无导言单音(Trext=0)时的导言信号,导言信号如图中左上时域分析视图中椭圆框所示,从中还可以看出由4×2(M=2)个频率为链路频率LF的特殊方波组成的起始信号,此时的链路频率为90kHz。而图2-33为标签A在中心频率915MHz、编码方式为Miller编码(M=2)、有导言单音(Trext=1)时的导言信号,导言信号如图中左上时域分析视图中椭圆框所示。

▶ 图2-30 标签A采用FM0编码(Trext=0)时的导言信号

▶ 图2-31 标签A采用FM0编码(Trext=1)时的导言信号

▶ 图2-32 标签A采用Miller编码(M=2,Trext=0)时的导言信号

▶ 图2-33 标签A采用Miller编码(M=2,Trext=1)时的导言信号

2.6.5 标签后向链路频率容限

ISO/IEC 18000-6C协议中后向链路频率的范围是比较宽的,从较低的40kHz到较高的640kHz,同时对链路频率容限的要求也比较严格,容限过大会导致读写器无法正确解调标签信号,为此在本节中将对后向链路频率进行分析测试。

1.测试目的

验证标签后向链路的频率容限是否符合协议要求和频率变化是否在±2.5%之内。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)M:1(FM0编码)。

(2)Trext:0(无导言单音)。

(3)PW(μs):0.5*Tari.

(4)RTcal(μs):3*Tari.

(5)LF(kHz).

① 640(DR=64/3,Tari=6.25μs,TRcal=33.3μs);

② 320(DR=64/3,Tari=12.5μs,TRcal=66.7μs);

③ 40(DR=8,Tari=25μs,TRcal=200μs).

3.测试结果分析

图2-34为标签A在载波频率为915MHz,编码方式为FM0编码,指定链路频率LF为40kHz(Query命令指定)时返回信号的分析图,R3308A频谱分析仪自动分析的Bit Rate为40.7168kHz,由于为FM0编码方式,此时的Bit Rate即为后向链路的实际链路频率LF。进一步可利用R3308A频谱分析仪提供的RF Envelop分析工具对每一个符号进行时间长度分析,如图2-35中左侧椭圆框所示,RF Envelop工具会显示每一个包络的周期(Period),这样可计算出后向链路频率的变化。而图2-36为标签A在载波频率为915MHz,编码方式为FM0编码,指定链路频率LF为640kHz(Query命令指定)时返回信号的频率容限分析图。

▶ 图2-34 标签A在指定链路频率为40kHz时的频率容限分析

▶ 图2-35 标签A在指定链路频率为40kHz时的频率变化分析

▶ 图2-36 标签A在指定链路频率为640kHz时的频率容限与变化分析

2.6.6 标签后向链路时间参数T1

前向链路与后向链路的时序配合关系对RFID系统的正常工作起到至关重要的作用,在ISO/IEC 18000-6C中,时间参数T1代表着标签接收读写器命令并进行处理的时间,协议对此参数有相当严格的规定,为此在本节中对时间参数T1进行分析测试。

1.测试目的

验证后向链路时间参数T1是否在协议规定的范围内。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)M:1(FM0编码)。

(2)Trext:0(无导言单音)。

(3)PW(µs):0.5*Tari.

(4)RTcal(µs):3*Tari.

(5)LF(kHz).

① 640(DR=64/3,Tari=6.25µs,TRcal=33.3µs);

② 320(DR=64/3,Tari=12.5µs,TRcal=66.7µs);

③ 40(DR=8,Tari=25µs,TRcal=200µs).

3.测试结果分析

图2-37为标签A在载波频率为915MHz,编码方式为FM0编码,指定链路频率LF为40kHz(Query命令指定)时Query和标签返回信号的时序分析图,其中椭圆框标记的横线部分即为时间参数T1,其数值为243.59375μs,而此时协议所规定的范围为[243.52μs,256.49μs],显然此时标签A符合协议对T1的要求。而图2-38则是标签A在载波频率为915MHz,编码方式为FM0编码,指定链路频率LF为640kHz(Query命令指定)时Query和标签返回信号的时序分析图,其中T1为18.75μs。

▶ 图2-37 标签A在指定链路频率为40kHz时的时序分析图

▶ 图2-38 标签A在指定链路频率为640kHz时的时序分析图

2.6.7 标签后向链路(读写器前向链路)时间参数T2

在ISO/IEC 18000-6C中,T2时间参数对于标签而言,意味着等待读写器命令的时间,协议对该参数也有着严格的规定,T2时间过长或过短都会引起通信过程失败,为此在本节中对该参数进行分析测试。同时需要注意的是:对于前向链路的读写器来说,T2的意义是读写器内部对标签响应处理的时间。

1.测试目的

验证后向链路的时间参数T2(标签等待读写器命令时间)是否符合协议要求。

2.测试参数设置

1)射频参数

(1)频率(MHz):866、915、922、953、842.5。

(2)EIRP(dBm):最大容许值。

(3)调制方式:PR-ASK。

(4)调制深度:90%。

2)协议参数

(1)M:1(FM0编码)。

(2)Trext:0(无导言单音)。

(3)PW(μs):0.5*Tari

(4)RTcal(μs):3*Tari.

(5)LF(kHz).

① 640(DR=64/3,Tari=6.25μs,TRcal=33.3μs)

② 320(DR=64/3,Tari=12.5μs,TRcal=66.7μs)

③ 40(DR=8,Tari=25μs,TRcal=200μs)

3.测试结果分析

图2-39为利用R3308A频谱分析仪捕获到的Intel R1000读写器与标签C的交互过程,图中显示了一个识别周期中的部分命令与响应交互,从命令的波形宽度可初步判断标记为1的信号为Query命令,标记为2的及其宽度相同的波形为QueryRep命令,标记为3的是标签的RN16响应,而标记为4的信号即为ACK命令,后续标记5的信号为PC+EPC+CRC16。标记为1的信号解码结果如图2-40所示,符号表说明该段信号确实为Query命令信号。标记为3的信号解码结果如图2-41所示,为标签RN16返回信号,链路频率为39.9kHz(编码方式为FM0),可知链路周期为25.1μs。标记为4的信号解码说明为ACK命令(帧同步后命令码为01),如图2-42所示。进一步放大RN16与ACK之间的信号,标记这两个信号之间的间隔,即为T2参数,如图2-43所示,其长度由频谱分析仪的TIMING功能可知为182.1875μs,T2满足协议要求。

▶ 图2-39 一段读写器与标签识别周期分析图

▶ 图2-40 读写器Query命令的解码

▶ 图2-41 标签响应(RN16)解码

▶ 图2-42 读写器ACK命令解码

▶ 图2-43 RFID通信链路时间参数T2分析 5VJRVXyCTOmHD8ZZkH3PxNvR3Gph9bQl9TWBM7eB722zv1SW/oEcjSpRKq1pDQ3i

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