Тестирование радиочастотных идентификаторов
Введение
В последнее время быстро растет спрос на радиочастотные идентификаторы. Это связано с падением цен на устройства считывания и чипы, а также с глобальным расширением рынков. Чипы запитываются от устройства считывания (пассивные чипы) или содержат встроенные источники питания (полуактивные и активные чипы). По мере снижения цен на пассивные МОП-чипы с субмикронными размерами элементов быстро возрастает их применение в области учета и других областях. Согласно некоторым оценкам, цены на пассивные чипы будут непрерывно снижаться, поэтому вскоре практически все продаваемые товары будут снабжаться RFID-чипами. В статье рассматриваются исключительно пассивные системы маркировки. Это обусловлено важностью пассивных RFID-чипов, а также связанными с ними уникальными инженерными проблемами.
Когда пассивный чип принимает сигнал вызова со считывающего устройства, он преобразует РЧ-излучение в энергию для запитывания чипа. Затем чип изменяет характеристики поглощения своей антенны, модулирует сигнал и передает его на считывающее устройство при помощи рассеяния (рис. 1). В RFID-системах обычно применяются простые для реализации методы модуляции и схемы кодирования. Но некоторые из них могут быть спектрально неэффективными, где для заданной скорости передачи данных требуется надежная РЧ-полоса пропускания. Перед модуляцией данные необходимо закодировать в последовательный поток информации. Имеется множество доступных схем двоичного кодирования, каждая из которых отличается уникальными преимуществами в спектральных свойствах группового спектра, сложностью кодирования и декодирования и проблемами, связанными с синхронизацией памяти. Пассивные RFID-чипы предъявляют к используемым схемам кодирования достаточно высокие требования. Это обусловлено невозможностью точной синхронизации источников на самом чипе, проблемами, связанными с требованиями к полосе пропускания, и необходимостью передачи максимальной РЧ энергии для запитывания чипа. Наконец, для считывания всех чипов в зоне видимости устройства считывания требуется некий протокол с защитой от конфликтов.
Рис. 1
Обзор тестирования радиочастотных идентификаторов (RFID)
Все RFID-системы связи должны соответствовать нормативным требованиям и действующим стандартам. Но в настоящее время в этом быстро развивающемся секторе промышленности победителей и неудачников разделяет степень оптимизации систем. В данной статье описаны проблемы тестирования, с которыми сталкиваются разработчики RFID-систем связи: тестирование на соответствие нормативным требованиям, соответствие стандартам и оптимизация.
RFID-технологии характеризуются некоторыми необычными проблемами измерений технических характеристик, например, переходных сигналов, неэффективной модуляции в полосе пропускания и данных обратного рассеяния. Как правило, при разработке беспроводных каналов передачи данных применялись анализаторы спектра со свипированием частоты, анализаторы векторных сигналов и осциллографы. Но для RFID-тестирования у каждого из этих инструментов имеются недостатки. С помощью анализаторов спектра со свипированием частоты довольно сложно зарегистрировать и определить переходные РЧ-сигналы. В анализаторах векторных сигналов практически не поддерживаются спектрально неэффективные RFID-модуляции и требования по их декодированию. Быстрые осциллографы характеризуются значительно меньшим динамическим диапазоном измерений и недостатком функций, связанных с модуляцией и декодированием. Анализаторы спектра в реальном времени (RTSA) решают проблемы ограничений, характерных для традиционных измерительных инструментов. Это выполняется за счет оптимизации переходных сигналов и функции надежного срабатывания по определенным спектральным событиям в сложной спектральной среде реального времени, обеспечиваемой режимом запуска по частотному шаблону, запатентованному компанией Tektronix.
Тестирование на соответствие нормативным требованиям
Все производители электронного оборудования должны соблюдать нормативные стандарты стран, в которых продается или эксплуатируется оборудование. Во многих странах нормативное законодательство изменяется с целью отображения уникальных характеристик каналов передачи данных пассивных RFID-чипов. Большинство нормативных органов разрешает передачу устройств непрерывным излучением только при проведении кратковременных испытаний. Пассивным чипам для отправки сигнала непрерывного излучения требуется устройство считывания для запитывания чипа и модуляции при помощи обратного рассеяния. И хотя в пассивных чипах нет типовых передатчиков, они все же создают модулированный сигнал. Но во многих нормативных документах нет упоминаний о модуляции, связанной с устройствами без передатчиков. Требованием стало проведение различных испытаний спектрального излучения, которое явно не указано в стандарте радиочастотной идентификации для устройств считывания.
Согласно правительственным нормативам необходимо контролировать мощность, частоту и полосу пропускания передаваемых сигналов. Эти нормативы предотвращают возникновение критических помех и обеспечивают спектральную независимость каждого передатчика от других пользователей диапазона. Измерение мощности импульсных сигналов проблематично для большинства анализаторов спектра, особенно для анализаторов спектра со свипированием частоты, которые, как правило, используются для измерений такого типа. Проанализировать полностью характеристики мощности пакетной передачи можно при помощи анализаторов спектра в реальном масштабе времени. Анализаторы спектра RTSA также позволяют непосредственно измерять частоту несущей при скачкообразной перестройке частоты сигнала. Анализатор, позволяющий определить модуляцию переходного RFID-сигнала и выполнить нормативные измерения мощности, частоты и полосы пропускания при помощи нажатия нескольких кнопок, значительно упрощает и ускоряет процесс тестирования на совместимость (рис 2). Тестирование на совместимость стандартам гарантирует, что изделие прошло испытание на соответствие. Это исключает необходимость изменения конструкции и проведения повторных испытаний.
Рис. 2
Соответствие стандартам
Для надежного взаимодействия устройства считывания и чипа требуется соответствие промышленным стандартам, например, спецификациям ISO 18000-6, тип C. Это требование приводит к необходимости проведения многих дополнительных испытаний помимо тех, которые требуется провести для соблюдения соответствия правительственным требованиям по спектральному излучению. Испытания на РЧ-соответствие важны для обеспечения надежной взаимосвязи чипов и устройств считывания. На рис. 3 приведен пример настройки тестового взаимодействия между считывающим RFID устройством и RFID-чипом с использованием анализатора спектра RSA3303A и набора пробников.
Рис. 3
Время настройки, необходимое для проведения таких испытаний, можно сократить за счет предварительно запрограммированных испытаний. Например, одним из важных измерений на соответствие стандарту ISO18000-6, тип C, является определение времени включения и отключения. Время нарастания энергии несущей должно быть достаточно коротким и обеспечивать получение чипами количества энергии, достаточного для нормальной работы. Сигнал также должен быстро устанавливаться на стабильном уровне (рис. 4). В конце передачи время спада должно быть достаточно коротким, чтобы не мешать другим передачам.
Рис. 4
В некоторых RFID-устройствах применяются специализированные схемы передачи данных, оптимизированные для определенных областей применения. В таких случаях требуется анализатор с несколькими схемами кодирования и модуляции, которые можно настраивать программным образом в соответствии с используемым форматом сигнала.
Оптимизация
По достижении соответствия базовым спецификациям важно оптимизировать функции RFID-изделий для обеспечения конкурентного преимущества в определенном сегменте рынка. Оценка производительности включает измерение скорости считывания данных с чипа, возможность чипа работать в среде с несколькими устройствами чтения, измерение рабочего расстояния между чипом и устройством считывания. На практике скорость обмена данными между чипом и устройством считывания оказывает влияние непосредственно на потребительское признание. Например, удостоверения на проезд в автобусе с RFID-чипами не получат широкого признания, если время считывания не сократится с пяти секунд менее чем до половины секунды. В промышленном секторе скорость соответствует пропускной способности: чем выше пропускная способность, тем более эффективно используется капитал и трудовые ресурсы. Поскольку пассивные чипы получают энергию от устройств считывания RFID, наличие нескольких устройств считывания может привести к тому, что чип будет пытаться отвечать каждому. Увеличение пропускной способности за счет установки нескольких устройств считывания требует применения протокола с защитой от конфликтов. Наконец, для обеспечения максимального диапазона считывания данных с чипа необходимо свести к минимуму отношение несущая/помеха. Но это может привести к конфликту с необходимостью сохранения мощности в чипе за счет сокращения времени отключения несущей. Эти вопросы оптимизации необходимо решить инженерам применяя измерительное оборудование.
Рассмотрим один конкретный пример — оптимизация скорости передачи данных, также известная как длительность цикла обработки (TAT). Доступная РЧ-мощность, затухание в канале и измененная скорость передачи символов могут увеличивать время, необходимое чипам для ответа на запрос устройства считывания. Чем медленнее ответ, тем больше времени требуется для считывания данных с многих чипов. Быстрое измерение TAT важно в отношении оптимизации скорости RFID-системы.
Длительность цикла обработки можно легко измерить с помощью анализаторов спектра, работающих в реальном времени (рис. 5). Прежде всего, режим запуска по частотному шаблону настраивается для регистрации всего запроса между чипом и устройством считывания. Отношение мощности к времени на анализаторе позволяет просмотреть весь процесс передачи данных. По соглашению интервал
Рис. 5
Времени между завершением одной нисходящей передачи (R > T) и до начала следующей нисходящей передачи представляет собой ТАТ для полудуплексной системы. Размещая один маркер в конце запроса чипа, а второй дельта-маркер в конце обратного рассеяния или в начале следующей передачи данных считывающего устройства, можно выполнить точное измерение длительности цикла обработки. Поддержание наименьшей ТАТ для широчайшего диапазона условий нисходящего канала позволяет максимально увеличить пропускную способность системы.
Анализаторы спектра в реальном времени также имеют возможность демодулировать символы или биты, связанные с запросом к чипу. Пользователю просто нужно выбрать соответствующий RFID-стандарт, тип модуляции и формат декодирования. Анализатор может автоматически определять и отображать скорость передачи данных в канале. Восстановленные символы данных отображаются различным цветом в зависимости от функции, что позволяет еще больше увеличить производительность труда инженеров. Анализаторы спектра в реальном времени автоматически распознают преамбулу и окрашивают ее символы желтым цветом. Это позволяет легко сравнить фактические данные полезной нагрузки с известными значениями.
Заключение
Использование RFID охватывает широкий диапазон технологий и областей применения, многих из которых отличаются от типовых каналов передачи данных. Для быстрого и простого выполнения тестирования на соответствие нормативным требованиям, соответствия стандартам и измерениям для оптимизации требуются соответствующие инструменты. Одним из таких инструментов является анализатор спектра в реальном времени RSA3408A (рис. 6), поддерживающий различные международные RFID стандарты, многодоменные измерения с поправкой времени, пользовательские схемы RFID-связи, демодуляцию различных RFID-сигналов и декодирование символов. Этот инструмент позволяет значительно увеличить производительность труда инженеров и сократить время вывода изделий на рынок. Анализатор спектра в реальном времени идеально подходит для анализа RFID-сигналов, генерируемых устройствами считывания и чипами при испытаниях на соответствие нормативным требованиям по спектральному излучению, при обеспечении соответствия чипа или устройства считывания определенным стандартам связи или при отладке.
Рис. 6
