RFID测试仪调制指数测量方法*

于磊夏俊雯詹志强陶卫/ .上海交通大学；.上海市在线检测与控制技术重点实验室

RFID测试仪调制指数测量方法*

于磊1，2夏俊雯1，2詹志强2陶卫1/ 1.上海交通大学；2.上海市在线检测与控制技术重点实验室

介绍了RFID技术在国内的计量现状和RFID系统的工作原理，详细分析了RFID标签产品在不同频段范围内的应用情况，提出了RFID测试仪的主要计量参数，着重介绍了数字调制指数的测量。根据RFID信号的帧结构和数字调制方式的定义，从理论上分析了调制指数的测量方法，提出使用数字实时示波器和矢量信号分析仪两种方法进行调制指数的测量，介绍了测量方法和注意事项，并对两种方法的测量结果进行了测量不确定度评定。结果表明，矢量信号分析仪比数字实时示波器更适用于RFID测试仪调制指数的测量。

射频识别；RFID测试仪；调制指数；矢量信号分析仪；数字实时示波器；测量

0　引言

近年来，近距离无线通信技术发展迅猛，广泛应用于物联网产业的方方面面。射频识别（以下简称RFID）技术作为一种近距离无线通信技术，是利用无线电射频信号进行通信的非接触式自动识别技术，主要应用于物流运输、物业管理、生产线和数据采集等活动中。与其他自动识别技术相比，RFID技术识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动的物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。目前，国际上针对RFID技术发布了多个国际标准，包括ISO/IEC 18000、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693等系列，标准内容不断扩充更新。

国内外生产厂家在制造RFID产品过程中，按照标准的要求对RFID测试仪以及RFID标签进行射频指标测试，其中RFID测试仪在RFID标签的生产、测试、研发中被广泛使用，RFID测试仪的性能指标将直接影响到RFID标签的产品质量。为了保证RFID标签产品的一致性和量值准确可靠，需要对RFID测试仪进行量值溯源，而国家尚未发布RFID测试仪检定规程或校准规范。上海市计量测试技术研究院根据多年通信仪器设备的检定/校准经验，利用现有仪器设备对客户的RFID测试仪进行了校准，并在此基础上申请编写国家计量校准规范《射频识别（RFID）测试仪校准规范》。本文主要介绍13.56 MHz频段RFID测试仪调制指数的测量。实际比较和测量不确定度评定结果表明，矢量信号分析仪比数字实时示波器更适用于RFID测试仪调制指数的测量。本文的研究成果已经应用于《射频识别（RFID）测试仪校准规范》。

1　RFID标准

RFID标签工作于多个频段，部分频段的RFID标签包含多个标准。RFID频率范围和对应的标准见表1。

表1　RFID频率范围和对应的标准

125 kHz频段RFID卡，由于其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得，一般情况下阅读距离小于l m，主要用于短距离、低成本的系统，例如动物监管、容器识别、工具识别等，而在其他方面很少使用。同时，125 kHz频段未见专用的RFID测试仪。

13.56 MHz频段和800/900 MHz频段RFID卡目前被广泛使用。13.56 MHz频段RFID卡为人体接近卡，广泛使用的公交IC卡、第二代身份证、考勤卡、门禁系统均工作于13.56 MHz频段。此频段的RFID卡信号传输为感应场方式，无需提供电源，为无源技术的RFID卡，正常工作距离7～15 cm。

800/900 MHz频段RFID卡主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别、供应链上的后勤管理、生产线自动化管理、物流中的货运、仓储管理等方面。信号方式为传输场方式，正常工作距离2～5 m。

随着技术的发展，2.45 GHz和5.8 GHz频段RFID标签的使用量在逐步增加，现在的高速公路电子收费系统（ETC系统）工作于5.8 GHz频段。

13.56 MHz、800/900 MHz频段RFID标签是无源标签，而2.45 GHz和5.8 GHz频段的RFID标签为有源标签。

到目前为止，RFID测试仪的检定规程或者校准规范未见报道。工业和信息化部标准化研究院针对13.56 MHz频率的RFID标签测试系统的校准方法进行了研究，所发表的论文针对测试系统的输出频率、输出场强以及输出信号的波形参数进行校准，其中对波形参数的校准方法为数字实时示波器法。本文采用矢量信号分析仪方法测量RFID测试仪调制指数，并给出了测量结果不确定度的比较。

2　RFID测试仪

RFID测试仪由射频发射器和射频接收器组成。RFID测试仪模拟RFID读写器时，射频发射器发射调制的射频信号，RFID标签（卡）接收到发射信号后进行解调，再发送调制后的信号至射频接收器进行测量。RFID测试仪模拟RFID标签（卡）时，射频接收器收到RFID读写器发射的射频信号后进行解调，再发送调制后的信号至RFID读写器。

选取以下参数作为RFID测试仪的校准项目，并且将其运用于《射频识别（RFID）测试仪校准规范》中：

（1）外观以及工作正常性检查；

（2）输出信号频率校准；

（3）输出信号功率（或场强）校准；

（4）数字调制质量参数校准；

（5）输出信号波形校准；

（6）邻道功率校准；

（7）功率测量校准；

（8）接收机数字调制分析质量参数校准

本文主要介绍数字调制质量参数项目中调制指数的测量方法。

3　调制指数定义

根据GB/T 22351.2-2010 《识别卡 无触点的集成电路卡 邻近式卡 第2部分：空中接口和初始化》，阅读器首先发送连续非调制波（CW），RFID标签接收到CW信号后，将一部分CW信号的能量用于激活标签，阅读器随后发送前导码信号用于信号的接收同步。然后是标志帧开始的信号（SOF）跟随着命令和数据信号，比如发送标签询问和阅读信号。信号为ASK调制方式，当数据发送完成后，以帧结束信号（EOF）结束此次数据传输部分，并保持连续非调制波以供给标签能量。

ASK即幅移键控（Amplitude Shift Keying）是利用载波的幅度变化来传递数字信息。二进制ASK调制信号V（t）可以表示为具有一定波形的二进制序列（二进制数字基带信号）与余弦载波的乘积：

式中：s（t） —— 二进制编码信号，

Ts—— 码元持续时间；

g（t） —— 持续时间的基带脉冲波形；

an—— 第n个符号的电平取值

幅移键控时，载波的振幅按二进制编码在两种状态a0和a1之间切换，a0代表“1”状态，a1代表“0”状态。

调制指数η的定义为

式中：a、b —— 分别是信号幅度的峰值和最小值

由式（2）可知，调制指数的测量可以采用两种方法：方法一是使用仪器如数字实时示波器测量信号幅度的峰值和最小值，再通过式（2）计算调制指数η；方法二是使用矢量信号分析仪中的矢量信号分析软件直接测量η。

4　调制指数的测量方法

4.1使用数字实时示波器测量信号的幅度值a和b计算调制指数

1）仪器连接如图1所示，将RFID测试仪的输出通过电缆连接至数字示波器的输入端。

图1　使用数字实时示波器测量调制指数连接示意

2）适当调节示波器的垂直幅度和扫描时间，利用示波器读取调制信号幅度的峰值a和调制信号幅度的最小值b。

3）利用式（2）计算调制指数η。

注意：由于RFID输出信号为脉冲信号，并包括RFID卡发送回的信号，测量时需要使用示波器的暂停键停止波形的获取以得到正确的波形，可能需要多次测量才能获得正确的波形。

4.2使用矢量信号分析仪测量调制指数

1）仪器连接如图2所示，将RFID测试仪的输出通过电缆连接至矢量信号分析仪的信号输入端。

图2　使用矢量信号分析仪测量调制指数连接示意

2）设定RFID测试仪的输出频率，设定RFID测试仪的输出功率为0 dBm，并选择RFID测试仪发送信号的RFID标准，设定RFID测试仪的信号发送方式为重复发射、加调制，打开RFID测试仪的发射信号。

3）设定矢量信号分析仪的中心频率与RFID测试仪发射频率相同，设定矢量信号分析仪的参考电平为5 dBm。

4）矢量信号分析仪中选择与RFID测试仪相一致的标准，选择前向信号/后向信号解调，读取矢量信号分析仪的调制深度或调制指数。

图3为使用矢量信号分析仪对一次RFID通信过程的RFID调制信号捕获结果。

图3　RFID测试仪发送调制信号捕获

5　测量结果及测量不确定度评定

对使用矢量信号分析仪测量调制指数的测量不确定度进行评定，采用数字实时示波器测量调制指数的测量不确定度参考文献［1］中的数据。

采用矢量信号分析仪测量RFID测试仪输出ASK信号的调制指数，测量不确定度来源主要有三项：分别是矢量信号分析仪测量ASK调制指数误差，矢量信号分析仪的分辨力、测量重复性。

对10次调制指数的测量结果计算得u3= 0.01%。

以上参数互相独立，测量重复性和分辨力选择其中较大值参与不确定度合成，合成不确定度为

扩展不确定度

U = 1.4%（k = 2）

根据参考文献［1］，使用数字实时示波器测量调制指数的测量不确定度为6%。

使用矢量信号分析仪和数字实时示波器测量RFID测试仪调试指数的结果及测量不确定度对比如表2所示。

表2　使用矢量信号分析仪和数字实时示波器测量RFID测试仪调制指数的结果及不确定度对比

测量结果表明，使用短信号分析仪测量RFID测试仪调制指数，其结果和测量不确定度均优于数字实时示波器测量。由于数字实时示波器的AD转换位数低于高动态范围的矢量信号分析仪（频谱分析仪），而且数字实时示波器的本底噪声在测量低电平信号时对测量结果有较大影响，在使用数字实时示波器测量ASK调制指数为90%～100%范围时，测量误差比较大，影响ASK调制信号的调制指数等参数的测量准确度。矢量信号分析仪主要用于矢量调制信号的测量，可以在时域、频域观看到所调制信号参数，并可以专门就某一个调制信号进行测量，动态范围大，测量结果更加准确。

6　结语

在测试突发非连续调制信号时，使用数字实时示波器测量的准确度受本身AD转换位数和本底噪声影响，对测量结果造成较大影响。使用能够解编码的矢量信号分析仪拥有很大的动态范围和极低的本底噪声，能够对RFID调制信号进行解调分析，并对测量时隙进行参数捕获，同时测得多组数据，适用于对RFID测试仪ASK调制信号进行测量。

本文研究成果已运用于国家计量校准规范《射频识别（RFID）测试仪校准规范》。在校准规范中，调制指数η推荐使用矢量信号分析仪测量。

［1］ 邢荣欣. RFID标签专用测试系统的校准［J］. 电子测量技术，2011（03）：101-106.

［2］ Finkenzeller， Klaus. RFID-Handbook Fundamentals and Applications in Contactless Smart Cards and Identification （2nd Edition）［M］.New York： John Wiley and Sons， 2003.

［3］ ISO/IEC JTC1/SC31N. ISO/IEC18000-6-2010 Information technology -- Radio frequency identification for item management -- Part 6：Parameters for air interface communications at 860 MHz to 960 MHz ［S］. Lawrenceville： 2010.

［4］ Harvey Lehpamer. RFID Design Principles［M］. Norwood， ARTECH HOUSE，2008.

［5］ 周晓光，王晓华，王伟. 射频识别（RFID）系统设计、仿真与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［6］ 游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，2004.

Measurement method of modulation index for RFID testers

Yu Lei1，2， Xia Junwen1，2， Zhan Zhiqiang2， Tao Wei1
（1.Shanghai Jiao Tong University； 2. Key Laboratory of Shanghai On-line measurement and control technology）

This article introduces the domestic measurement status of RFID technology and the working principle of RFID system， and makes a detailed analysis on application situation of RFID tag productions in different frequency band. On the basis of these researches， it proposes the main measurement parameters of RFID testers， and then focuses on the measurements of digital modulation index. According to the frame structure of RFID signal and the defnition of digital modulation，the article analyzes the measuring method of modulation index in theory， and puts forword two methods， respectively using digital realtime oscilloscope and vector signal analyzer. Detailed methods and considerations are presented and the uncertainties of measuring results are evaluated. The research results show that the vector signal analyzer is better suited for measuring the modulation index of RFID testers than the digital real-time oscilloscope.

radio frequency identifcation； RFID tester； modulation index；vector signal analyzer； digital real-time oscilloscope； measurement

国家科技部科技支撑项目（2014BAK02B04）