13.56MHz射頻識別系統測試方法研究

朱晨 陳成新 李智 朱文章

【摘要】13.56MHz的射頻識別系統是NFC技術與工作在此頻段的RFID系統的核心，為了保證來自不同制造廠商的模塊與終端的互操作性，需要對系統性能進行測試。本文介紹了13.56MHz射頻識別系統的主要技術標準，參照技術規范，以系統測試為重點，研究了主要的測試指標、測試項目和測試方法。

【關鍵宇】RFID NFC 系統測試

一、引言

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

NFC技術的核心是RFID（Radio FrequencyIdentification，無線射頻識別）技術。RFID是一種通過射頻信號自動識別、讀取、寫入目標物體信息的技術，過程快速準確，無需人工干預，是物聯網產業在感知層的核心技術之一。RFID技術有多個可選的工作頻段，其中應用最為廣泛的為工作中心頻點為13.56MHz的RFID系統，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技術標準是NFC標準的基礎之一，其中支持短距離通信的協議與互聯互通技術整合演變后，形成了更適用于點對點通信的NFC技術。

二、13.56MHz射頻識別系統的基本架構

2.1 系統組成

如圖1所示，組成RFID系統的基本器件是電子標簽和讀寫器。RFID系統可以在電子標簽和讀寫器之間傳送數據。實際應用中.RFID系統往往還包括計算機系統或后臺服務器，用于對獲取的數據進行實時處理并反饋決策結果。

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

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

RFID讀寫器通過天線與電子標簽進行無線通信，可以實現對電子標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。

2.2 13.56MHz射頻識別系統的主要參數

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標準，讀寫距離小于1.2m。另一類符合ISO/IEC 14443標準，這一標準后來與互聯互通技術整合演化形成了NFC（Near Field Commumcation，近場通信）技術。NFC技術和RFID技術相比，一個重要的區別在于NFC技術不再局限于讀寫器對電子標簽的讀寫，而是允許數據在兩個帶有NFC模塊的設備之間傳輸。

此外，ISO/IEC 18000-3定義了13.56MHz RFID系統空中接口協議的通信參數，ISO/IEC 15693與18000-3協議兼容。

2.2.1 ISO/IEC 14443標準

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

2.2.2 ISO/IEC 18000-3標準和ISO/IEC 15693標準

中心工作頻率為13.56MHz±7kHz，與NFC標準相比，這一類標準支持較遠的讀寫距離，通信速率較低，因此廣泛用于物品跟蹤、物品防偽、物流運輸、門禁控制等領域。主要類型與參數見表2與表3。表2符合ISO/IEC 18000-3標準的RFID系統的主要參數

三、13.56MHz射頻識別系統測量測試方法

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

2、編碼

由讀寫器生產廠家提供編碼檢查程序。運行檢查程序控制讀寫器發送特定數據串，通過校準線圈在存儲示波器上儲存天線輸出波形，計算天線輸出數據比特率、編碼方式。

3、調制

利用數字采樣示波器儲存天線輸出波形，觀察并記錄調制方式和調制系數。

4、讀寫器工作場強

將數字采樣示波器連接到校準線圈，在數字采樣示波器上觀察到校準線圈上產生電壓的大小，調整被測設備的功率輸出，使校準線圈處于最小工作場強操作狀態，測得此時的場強。

5、讀寫器天線的直線距離

由讀寫器生產廠家根據《GB-T29797-2013 13.56MHz射頻識別讀寫設備規范》附錄B要求，提供天線直線距離的檢查程序。將參考標簽置于被測讀寫器天線上方（天線50cm范圍內無金屬物），運行檢查程序，讀寫器發出讀請求信號，參考標簽的信號端產生一響應信號，該信號可以被讀寫器接收并識別，讀寫器收到參考標簽的應答信號。調整參考線圈與讀寫設備天線之間的距離，重復以上操作，讀寫器可以接收到正確信號的最遠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，以讀寫器標識的天線工作范圍為基準，將測試裝置的采集天線分別放置于讀寫器標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、場強穩定性

將數字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區域，在數字采樣示波器上觀察校準線圈上產生電壓的變化。

8、非載波信號

將數字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區域，在數字采樣示波器上觀察并記錄校準線圈上產生電壓的大小。

9、讀寫器接收負載調制

將數字采樣示波器連接到校準線圈，將校準線圈放置于讀寫器的工作區域，通過數字采樣示波器將采集的讀寫器與標簽通信信號進行傅里葉變換。

3.2 電子標簽測量測試方法

1、識別場強閾值

波形發生器的頻率設為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簽發送命令，并逐次增加發送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應。

2、讀場強閾值

波形發生器的頻率設為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簽發送讀命令塊，并逐次增加發送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應。

3、寫場強閡值

波形發生器的頻率設為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簽發送寫命令塊，并逐次增加發送命令的信號幅度，直至命令可以被電子標簽正確識別和響應。

4、最大工作場強

波形發生器的頻率設為13.56MHz，幅度設為識別場強閾值。電子標簽暴露于磁場中超過30s。使用編碼生成器向電子標簽發送命令，檢查命令是否可以被電子標簽正確識別和響應，如果可以則繼續增加場強，并重復發送命令與檢查識別響應結果的過程，直至電子標簽無法返回有效響應。記錄最后一次電子標簽能夠正確返回響應時的場強為最大工作場強。對10個電子標簽重復以上實驗，取10個最大工作場強記錄值中的最小值為最終測試結果。

5、負載調制

波形發生器的頻率設為13.56MHz，幅度沒為識別場強閾值。使用編碼生成器向電子標簽發送命令，檢查電子標簽負載調制的協議一致性。按測試步長調節波形發生器的場強，記錄負載調制幅度直至波形發生器場強達到最大工作場強。

四、結論

13.56MHz射頻識別系統的測試方法是NFC與RFID系統測試的基礎，本文分別研究了讀寫器和電子標簽的測試方法，可以對系統的主要射頻功能進行測試，有助于推進NFC和RFID應用的普及與規范化。