使用实时频谱分析评估和优化射频识别(RFID)系统

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  在RFID系统部署中,主要技术问题是全球互操作能力和放射辐射是否符合标准。本文的主要目的是演示怎么样使用实时频谱分析仪,评估RFID系统是否符合ISO/IEC标准及与国际发射机有关的政府法规(如FCC47 part 15, ARIB STD-T82 和 EN 300 330)。 在本文中,我们专门参考了ISO/IEC 18000-3标准 (13.56 MHz 时 RFID空中接口通信参数)。 因为其他RFID频段的相关法规要求与其非常类似。
  
  RFID 轮询和定时测量
  
  实时频谱分析仪(RSA)允许用户使用空中触发,内存捕获及解调模拟信号和数字信号,查看完整的阅读器与标记交互的时间记录。如果轮询时间延迟,可以分析延迟的原因。在RFID阅读/询问器搜索标记时,其称为“轮询”。与轮询有关的是各种RFID标准中要求的定时指标数量。一个关键定时指标是“周转时间”,包括发送到接收模式及接收到发送模式。简单的增量指标功能使用RSA捕获交互,用来测量从阅读器发送结束到标记响应之间的时间间隔,反之亦然。其他定时指标包括“驻留时间”或“询问器发送功率上倾斜”、“衰减时间”或“询问器发送功率下倾斜”以及“脉冲暂停”定时。这些指标通常采用图2和图3所示的模版形式给出。
  
  动态范围(垂直分辨率)
  
  示波器是RFID应用中非常有用的一种台式工具,而RSA则是为优化RFID系统及进行一致性测试要求的RF测量类型而优化的。
  


  例如,与使用示波器相比,RSA明显提高了动态范围。这在RFID测试中非常重要,因为来自标记的响应频率通常与阅读器相同,但功率电平明显要低得多(约为-80 dB).
  图3说明了RFID系统交互的多域视图。在左上方,我们看到的是频谱图,右上方是频域图,屏幕下方是AM解调。以前,为了在所有这些域中查看信号(频谱图、频域图和解调)。要求使用示波器、扫频分析仪和矢量信号分析仪(VSA)。
  在触发空中信号,并把它存储到内存中后,我们对信号进行分析。参考光标放在阅读器发出的100%ASK调制信号的末尾,第二个标尺放在标记发出的10%负荷调制ASK响应上。在使用5 MHz跨度时,RSA提供了156.25 ns的时域分辨率,足以简便地确定是否符合标准,优化系统的响应时间。
  
  碰撞管理
  
  RSA能够把信号存储在内存中,进行捕获后分析。这特别适合测量具有多个标记的交互,以检验碰撞管理。ISO/IEC 18000-3 第6.2.7.9节要求在390 ms时间内阅读500个标记,它还要求从静态标记开始930 ms内阅读50个数据字。从活动标记开始944 ms内阅读50个数据字。如果只使用PC在交互上打上时戳,测试一致性,那么没有任何方式知道为什么交互需要这么长的时间,如哪一点发生了碰撞,在哪里存在有问题的某个标记。但是,通过使用RSA,并在轮询过程中监测空中接口,在发生碰撞时可以诊断问题,确定原因(如干扰、标记有问题、跳码型错误等)。
  


  泰克RSA3300A系列实时频谱分析仪允许用户设置几秒、几分钟、甚至几个小时的记录长度,具体取决于频率跨度。在采用跳频时,RSA可以无缝捕获和记录15MHz的宽带内的信号,通常可以查看和分析所有RFID上连和下连通道。
  图4是RSA显示的各种标记/阅读器交互画面。如果用户希望,不必发生任何触发事件;RSA将在“自由运行”模式下,在用户设置的整个时间长度内采集数据,而没有任何时间间隔,然后要么重新采集和覆盖数据,要么停止采集、等待用户的进一步输入(存储当前用户、重新采集等)。
  
  调制速率和质量
  
  RSA允许测量和分析询问器和复用/解复用器的调制速率和质量。RFID中使用的调制(根据ISO/IEC 18000-3定义)对下连(从阅读器到标记)一般为ASK(10%或100%)。对上连一般为负荷调制,速率为载波划分定义的速率。负荷调制生成副载波,他采用而进制相移键控(BPSK)调制技术。
  


  在频域中,负荷调制表现为副载频距传输频率的边带偏置。图6是212kHz (13.56MHz÷64)副载波的负荷调制10% ASK。 在右上方,我们看到简单的增量标尺功能显示了负荷调制频率。底部画面读数是10% ASK。 左上方显示了功率随时间变化,可以用来测量传输信号的恒定功率。
  RFID的未来发展将包括更加复杂的调制。随着专用短程通信(DSRC)和其他应用中实现软件定义的无线电(SDR)等技术,RSA的优势将具有更加深远的意义。RSA能够解调复杂的数字信号,如QPSK,GMSK,QAM等等。另外还提供了基带(I,Q)输入,包括平均输入和差分输入,这样SDR调制解调器输出可以直接输入到RSA中。用户可以同时查看三个域(星座,频率,时间或频谱图),并显示信号质量指标(EVM,频率误差),如图7所示。
  
  频率偏差
  
  弯曲标记或把标记放在传导物体和其它阿标记附近,可以解调标记天线,防止其谐振,进而导致不能运行或明显降低运行范围。结果,频率偏差指标对保证符合各种RFID和发射机标准至关重要。
  泰克RSA可以以1HZ分辨率和杰出的精度进行频率测量。例如,13.56MHz RFID询问器的频率精度一般规定在±7KHz。通过简单地启用RSA上的“载频”功能,用户可以滚动通过捕获的阅读器/标记交互,实现±4Hz的测量精度。
  
  占用带宽
  
  与频率偏差指标一样,占用带宽指标保证符合旨在防止干扰其它信号的标准。图9说明了测量的符合ISO/IEC18000-6标准的阅读器信号,其对单一副载波调制信号实现了423.75KHz的占用带宽。
  


  
  询问器传输杂散辐射和EIRP(场强)
  
  RFID阅读器和标记是“故意”发射机,受到许多地区法规的管制,如美国的 FCC 47 part 15。欧洲的 EN 300 330。日本的ARIBSTDT60/T-82。RFID正在日益被全球所接受,其将适用最严格的法规。
  另外还要详细考察人在未与RFID电磁场中时受到的影响,IEEEC.95-1和EN50364等文件对此作出了规定。
  各种法规将规定不同设备的限制。功率通量密度S [mW/cm2], 电场强度E[V/m]和磁场强度H[A/m]可以根据下面的公式进行互换。
  S=E2/3700=37.7H2(1-1)
  


  通过使用定向天线(在某些情况下使用前置放大器),可以测量有效各向同性辐射功率(EIRP)和场强。频率模块触发器允许用户使用鼠标,画出允许EIRP参数,创建合格/不合格模块。如图11所示。
  


  
  总结
  
  泰克实时频谱分析仪(RSA)为处理各类RFID信号的设计人员提供了独特的解决方案和优势。只有RFSA提供了空中触发,内存存储和分析功能,可以帮助设计人员了解全系列RFID询问器和复用/解服用器的行为。RSA是能够随着RFID电路新兴趋势一起发展的解决方案。
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