13.56MHz射频识别系统测试方法研究

朱晨 陈成新 李智 朱文章

【摘要】13.56MHz的射频识别系统是NFC技术与工作在此频段的RFID系统的核心，为了保证来自不同制造厂商的模块与终端的互操作性，需要对系统性能进行测试。本文介绍了13.56MHz射频识别系统的主要技术标准，参照技术规范，以系统测试为重点，研究了主要的测试指标、测试项目和测试方法。

【关键宇】RFID NFC 系统测试

一、引言

随着移动支付应用的推广，NFC技术的热度持续升温。NFC（Near Field Communication，近场通信）技术是一种短距离高频率的非接触式通信技术，工作中心频点为13.56MHz，具有连接建立快、安全性高的优点。

NFC技术的核心是RFID（Radio FrequencyIdentification，无线射频识别）技术。RFID是一种通过射频信号自动识别、读取、写入目标物体信息的技术，过程快速准确，无需人工干预，是物联网产业在感知层的核心技术之一。RFID技术有多个可选的工作频段，其中应用最为广泛的为工作中心频点为13.56MHz的RFID系统，具有多个通信模式，可以支持1.2m左右和lOcm左右两种不同的最大通信距离。13.56MHz的RFID技术标准是NFC标准的基础之一，其中支持短距离通信的协议与互联互通技术整合演变后，形成了更适用于点对点通信的NFC技术。

二、13.56MHz射频识别系统的基本架构

2.1 系统组成

如图1所示，组成RFID系统的基本器件是电子标签和读写器。RFID系统可以在电子标签和读写器之间传送数据。实际应用中.RFID系统往往还包括计算机系统或后台服务器，用于对获取的数据进行实时处理并反馈决策结果。

电子标签是一种粘贴或镶嵌在物品上的电子芯片。每个标签具有惟一的产品电子码。电子标签一般具有一定的数据容量，可以记录存储物品信息。

根据电子标签的供电方式，可以分为无源电子标签、半无源电子标签和有源电子标签。13.56MHz的电子标签一般为无源电子标签，基本工作原理是，读写器以广播方式通过天线连续向周围发送一定频率的射频信号，当电子标签进入读写器的读写范围时，电子标签的天线产生感应电流，从而使标签获得能量被激活，驱动后级芯片与读写器进行通信，以反射的方式向读写器发送自身的编码等信息。

RFID读写器通过天线与电子标签进行无线通信，可以实现对电子标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

2.2 13.56MHz射频识别系统的主要参数

13.56MHz RFID识别卡主要分为两大类，一类13.56MHzRFID识别卡符合ISO/IEC 15693标准，读写距离小于1.2m。另一类符合ISO/IEC 14443标准，这一标准后来与互联互通技术整合演化形成了NFC（Near Field Commumcation，近场通信）技术。NFC技术和RFID技术相比，一个重要的区别在于NFC技术不再局限于读写器对电子标签的读写，而是允许数据在两个带有NFC模块的设备之间传输。

此外，ISO/IEC 18000-3定义了13.56MHz RFID系统空中接口协议的通信参数，ISO/IEC 15693与18000-3协议兼容。

2.2.1 ISO/IEC 14443标准

NFC技术的中心工作频率为13.56MHz±7kHz，提供最高424kb/s的数据传输速率，工作距离小于lOcm。与传统的非接触式通信相比，NFC支持actlve-active和active-passive两种通信方式。NFC相关的技术标准主要包括智能卡标准ISO/IEC 14443和JIS X 6319-4/FeliCa，NFC通信标准ECMA-340和ISO/IEC 18092。NFC在移动支付领域发展非常迅速，目前已经有许多手机搭载了NFC模块。使用装有NFC模块的手机，并安装相应的应用软件，可以直接在支持NFC功能的终端上进行支付。主要类型与参数见表1。

2.2.2 ISO/IEC 18000-3标准和ISO/IEC 15693标准

中心工作频率为13.56MHz±7kHz，与NFC标准相比，这一类标准支持较远的读写距离，通信速率较低，因此广泛用于物品跟踪、物品防伪、物流运输、门禁控制等领域。主要类型与参数见表2与表3。表2符合ISO/IEC 18000-3标准的RFID系统的主要参数

三、13.56MHz射频识别系统测量测试方法

3.1 读写器测量测试方法

1、射频载波频率

频谱分析仪连接到校准线圈，将校准线圈放置在读写器天线上方，频谱分析仪测量到的校准线圈感生电压的频率即为读写器射频载波频率。

2、编码

由读写器生产厂家提供编码检查程序。运行检查程序控制读写器发送特定数据串，通过校准线圈在存储示波器上储存天线输出波形，计算天线输出数据比特率、编码方式。

3、调制

利用数字采样示波器储存天线输出波形，观察并记录调制方式和调制系数。

4、读写器工作场强

将数字采样示波器连接到校准线圈，在数字采样示波器上观察到校准线圈上产生电压的大小，调整被测设备的功率输出，使校准线圈处于最小工作场强操作状态，测得此时的场强。

5、读写器天线的直线距离

由读写器生产厂家根据《GB-T29797-2013 13.56MHz射频识别读写设备规范》附录B要求，提供天线直线距离的检查程序。将参考标签置于被测读写器天线上方（天线50cm范围内无金属物），运行检查程序，读写器发出读请求信号，参考标签的信号端产生一响应信号，该信号可以被读写器接收并识别，读写器收到参考标签的应答信号。调整参考线圈与读写设备天线之间的距离，重复以上操作，读写器可以接收到正确信号的最远距离即为读写器的直线距离D。

6、读写器天线工作范围

将被测读写器置于开机状态，以读写器标识的天线工作范围为基准，将测试装置的采集天线分别放置于读写器标识工作范围的边沿交汇点、每个边沿的中点位置以及读写范围的中心位置，记录测试点的带载工作场强。

7、场强稳定性

将数字采样示波器连接到校准线圈，将校准线圈放置于读写器的工作区域，在数字采样示波器上观察校准线圈上产生电压的变化。

8、非载波信号

将数字采样示波器连接到校准线圈，将校准线圈放置于读写器的工作区域，在数字采样示波器上观察并记录校准线圈上产生电压的大小。

9、读写器接收负载调制

将数字采样示波器连接到校准线圈，将校准线圈放置于读写器的工作区域，通过数字采样示波器将采集的读写器与标签通信信号进行傅里叶变换。

3.2 电子标签测量测试方法

1、识别场强阈值

波形发生器的频率设为13.56MHz，幅度低于识别场强阈值，典型值为O。使用编码生成器向电子标签发送命令，并逐次增加发送命令的信号幅度，直至命令可以被电子标签正确识别和响应。

2、读场强阈值

波形发生器的频率设为13.56MHz，幅度低于识别场强阈值，典型值为0。使用编码生成器向电子标签发送读命令块，并逐次增加发送命令的信号幅度，直至命令可以被电子标签正确识别和响应。

3、写场强阂值

波形发生器的频率设为13.56MHz，幅度低于识别场强阈值，典型值为O。使用编码生成器向电子标签发送写命令块，并逐次增加发送命令的信号幅度，直至命令可以被电子标签正确识别和响应。

4、最大工作场强

波形发生器的频率设为13.56MHz，幅度设为识别场强阈值。电子标签暴露于磁场中超过30s。使用编码生成器向电子标签发送命令，检查命令是否可以被电子标签正确识别和响应，如果可以则继续增加场强，并重复发送命令与检查识别响应结果的过程，直至电子标签无法返回有效响应。记录最后一次电子标签能够正确返回响应时的场强为最大工作场强。对10个电子标签重复以上实验，取10个最大工作场强记录值中的最小值为最终测试结果。

5、负载调制

波形发生器的频率设为13.56MHz，幅度没为识别场强阈值。使用编码生成器向电子标签发送命令，检查电子标签负载调制的协议一致性。按测试步长调节波形发生器的场强，记录负载调制幅度直至波形发生器场强达到最大工作场强。

四、结论

13.56MHz射频识别系统的测试方法是NFC与RFID系统测试的基础，本文分别研究了读写器和电子标签的测试方法，可以对系统的主要射频功能进行测试，有助于推进NFC和RFID应用的普及与规范化。