朱晨 陳成新 李智 朱文章

【摘要】13.56MHz的射頻識別系統(tǒng)是NFC技術(shù)與工作在此頻段的RFID系統(tǒng)的核心，為了保證來自不同制造廠商的模塊與終端的互操作性，需要對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試。本文介紹了13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參照技術(shù)規(guī)范，以系統(tǒng)測試為重點，研究了主要的測試指標(biāo)、測試項目和測試方法。

【關(guān)鍵宇】RFID NFC 系統(tǒng)測試

一、引言

隨著移動支付應(yīng)用的推廣，NFC技術(shù)的熱度持續(xù)升溫。NFC（Near Field Communication，近場通信）技術(shù)是一種短距離高頻率的非接觸式通信技術(shù)，工作中心頻點為13.56MHz，具有連接建立快、安全性高的優(yōu)點。

NFC技術(shù)的核心是RFID（Radio FrequencyIdentification，無線射頻識別）技術(shù)。RFID是一種通過射頻信號自動識別、讀取、寫入目標(biāo)物體信息的技術(shù)，過程快速準(zhǔn)確，無需人工干預(yù)，是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在感知層的核心技術(shù)之一。RFID技術(shù)有多個可選的工作頻段，其中應(yīng)用最為廣泛的為工作中心頻點為13.56MHz的RFID系統(tǒng)，具有多個通信模式，可以支持1.2m左右和lOcm左右兩種不同的最大通信距離。13.56MHz的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是NFC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之一，其中支持短距離通信的協(xié)議與互聯(lián)互通技術(shù)整合演變后，形成了更適用于點對點通信的NFC技術(shù)。

二、13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，組成RFID系統(tǒng)的基本器件是電子標(biāo)簽和讀寫器。RFID系統(tǒng)可以在電子標(biāo)簽和讀寫器之間傳送數(shù)據(jù)。實際應(yīng)用中.RFID系統(tǒng)往往還包括計算機系統(tǒng)或后臺服務(wù)器，用于對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理并反饋決策結(jié)果。

電子標(biāo)簽是一種粘貼或鑲嵌在物品上的電子芯片。每個標(biāo)簽具有惟一的產(chǎn)品電子碼。電子標(biāo)簽一般具有一定的數(shù)據(jù)容量，可以記錄存儲物品信息。

根據(jù)電子標(biāo)簽的供電方式，可以分為無源電子標(biāo)簽、半無源電子標(biāo)簽和有源電子標(biāo)簽。13.56MHz的電子標(biāo)簽一般為無源電子標(biāo)簽，基本工作原理是，讀寫器以廣播方式通過天線連續(xù)向周圍發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的讀寫范圍時，電子標(biāo)簽的天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使標(biāo)簽獲得能量被激活，驅(qū)動后級芯片與讀寫器進(jìn)行通信，以反射的方式向讀寫器發(fā)送自身的編碼等信息。

RFID讀寫器通過天線與電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對電子標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮鳌?/p>

2.2 13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的主要參數(shù)

13.56MHz RFID識別卡主要分為兩大類，一類13.56MHzRFID識別卡符合ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)，讀寫距離小于1.2m。另一類符合ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)后來與互聯(lián)互通技術(shù)整合演化形成了NFC（Near Field Commumcation，近場通信）技術(shù)。NFC技術(shù)和RFID技術(shù)相比，一個重要的區(qū)別在于NFC技術(shù)不再局限于讀寫器對電子標(biāo)簽的讀寫，而是允許數(shù)據(jù)在兩個帶有NFC模塊的設(shè)備之間傳輸。

此外，ISO/IEC 18000-3定義了13.56MHz RFID系統(tǒng)空中接口協(xié)議的通信參數(shù)，ISO/IEC 15693與18000-3協(xié)議兼容。

2.2.1 ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)

NFC技術(shù)的中心工作頻率為13.56MHz±7kHz，提供最高424kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，工作距離小于lOcm。與傳統(tǒng)的非接觸式通信相比，NFC支持actlve-active和active-passive兩種通信方式。NFC相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括智能卡標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 14443和JIS X 6319-4/FeliCa，NFC通信標(biāo)準(zhǔn)ECMA-340和ISO/IEC 18092。NFC在移動支付領(lǐng)域發(fā)展非常迅速，目前已經(jīng)有許多手機搭載了NFC模塊。使用裝有NFC模塊的手機，并安裝相應(yīng)的應(yīng)用軟件，可以直接在支持NFC功能的終端上進(jìn)行支付。主要類型與參數(shù)見表1。

2.2.2 ISO/IEC 18000-3標(biāo)準(zhǔn)和ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)

中心工作頻率為13.56MHz±7kHz，與NFC標(biāo)準(zhǔn)相比，這一類標(biāo)準(zhǔn)支持較遠(yuǎn)的讀寫距離，通信速率較低，因此廣泛用于物品跟蹤、物品防偽、物流運輸、門禁控制等領(lǐng)域。主要類型與參數(shù)見表2與表3。表2符合ISO/IEC 18000-3標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)的主要參數(shù)

三、13.56MHz射頻識別系統(tǒng)測量測試方法

3.1 讀寫器測量測試方法

1、射頻載波頻率

頻譜分析儀連接到校準(zhǔn)線圈，將校準(zhǔn)線圈放置在讀寫器天線上方，頻譜分析儀測量到的校準(zhǔn)線圈感生電壓的頻率即為讀寫器射頻載波頻率。

2、編碼

由讀寫器生產(chǎn)廠家提供編碼檢查程序。運行檢查程序控制讀寫器發(fā)送特定數(shù)據(jù)串，通過校準(zhǔn)線圈在存儲示波器上儲存天線輸出波形，計算天線輸出數(shù)據(jù)比特率、編碼方式。

3、調(diào)制

利用數(shù)字采樣示波器儲存天線輸出波形，觀察并記錄調(diào)制方式和調(diào)制系數(shù)。

4、讀寫器工作場強

將數(shù)字采樣示波器連接到校準(zhǔn)線圈，在數(shù)字采樣示波器上觀察到校準(zhǔn)線圈上產(chǎn)生電壓的大小，調(diào)整被測設(shè)備的功率輸出，使校準(zhǔn)線圈處于最小工作場強操作狀態(tài)，測得此時的場強。

5、讀寫器天線的直線距離

由讀寫器生產(chǎn)廠家根據(jù)《GB-T29797-2013 13.56MHz射頻識別讀寫設(shè)備規(guī)范》附錄B要求，提供天線直線距離的檢查程序。將參考標(biāo)簽置于被測讀寫器天線上方（天線50cm范圍內(nèi)無金屬物），運行檢查程序，讀寫器發(fā)出讀請求信號，參考標(biāo)簽的信號端產(chǎn)生一響應(yīng)信號，該信號可以被讀寫器接收并識別，讀寫器收到參考標(biāo)簽的應(yīng)答信號。調(diào)整參考線圈與讀寫設(shè)備天線之間的距離，重復(fù)以上操作，讀寫器可以接收到正確信號的最遠(yuǎn)距離即為讀寫器的直線距離D。

6、讀寫器天線工作范圍

將被測讀寫器置于開機狀態(tài)，以讀寫器標(biāo)識的天線工作范圍為基準(zhǔn)，將測試裝置的采集天線分別放置于讀寫器標(biāo)識工作范圍的邊沿交匯點、每個邊沿的中點位置以及讀寫范圍的中心位置，記錄測試點的帶載工作場強。

7、場強穩(wěn)定性

將數(shù)字采樣示波器連接到校準(zhǔn)線圈，將校準(zhǔn)線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，在數(shù)字采樣示波器上觀察校準(zhǔn)線圈上產(chǎn)生電壓的變化。

8、非載波信號

將數(shù)字采樣示波器連接到校準(zhǔn)線圈，將校準(zhǔn)線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，在數(shù)字采樣示波器上觀察并記錄校準(zhǔn)線圈上產(chǎn)生電壓的大小。

9、讀寫器接收負(fù)載調(diào)制

將數(shù)字采樣示波器連接到校準(zhǔn)線圈，將校準(zhǔn)線圈放置于讀寫器的工作區(qū)域，通過數(shù)字采樣示波器將采集的讀寫器與標(biāo)簽通信信號進(jìn)行傅里葉變換。

3.2 電子標(biāo)簽測量測試方法

1、識別場強閾值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為O。使用編碼生成器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標(biāo)簽正確識別和響應(yīng)。

2、讀場強閾值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為0。使用編碼生成器向電子標(biāo)簽發(fā)送讀命令塊，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標(biāo)簽正確識別和響應(yīng)。

3、寫場強閡值

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度低于識別場強閾值，典型值為O。使用編碼生成器向電子標(biāo)簽發(fā)送寫命令塊，并逐次增加發(fā)送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標(biāo)簽正確識別和響應(yīng)。

4、最大工作場強

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度設(shè)為識別場強閾值。電子標(biāo)簽暴露于磁場中超過30s。使用編碼生成器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，檢查命令是否可以被電子標(biāo)簽正確識別和響應(yīng)，如果可以則繼續(xù)增加場強，并重復(fù)發(fā)送命令與檢查識別響應(yīng)結(jié)果的過程，直至電子標(biāo)簽無法返回有效響應(yīng)。記錄最后一次電子標(biāo)簽?zāi)軌蛘_返回響應(yīng)時的場強為最大工作場強。對10個電子標(biāo)簽重復(fù)以上實驗，取10個最大工作場強記錄值中的最小值為最終測試結(jié)果。

5、負(fù)載調(diào)制

波形發(fā)生器的頻率設(shè)為13.56MHz，幅度沒為識別場強閾值。使用編碼生成器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，檢查電子標(biāo)簽負(fù)載調(diào)制的協(xié)議一致性。按測試步長調(diào)節(jié)波形發(fā)生器的場強，記錄負(fù)載調(diào)制幅度直至波形發(fā)生器場強達(dá)到最大工作場強。

四、結(jié)論

13.56MHz射頻識別系統(tǒng)的測試方法是NFC與RFID系統(tǒng)測試的基礎(chǔ)，本文分別研究了讀寫器和電子標(biāo)簽的測試方法，可以對系統(tǒng)的主要射頻功能進(jìn)行測試，有助于推進(jìn)NFC和RFID應(yīng)用的普及與規(guī)范化。