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UHF RFID 標籤如何通過 ETSI EN 302 208 測試

最近我們時常收到有關「如何進行ETSI EN 302 208測試」等問題,在本篇文章,我首先會說明為什麼這個標準會讓人產生許多困惑,然後我會提出我的建議。其實EN302 208測試既容易又快速,請繼續閱讀以獲取更詳細的資訊!


歷史背景

在歐盟UHF RFID頻段中,EN 302 208是廣為人知的標準,該標準用於描述如何建置和測試RFID設備,以便在歐洲地區宣告該產品為合格的無線電設備。該標準於2004年首次發佈,主要描述了UHF RFID讀寫器的測試要求,同時也簡略提及了RFID標籤相關內容,並制定了超出UHF RFID頻段外的雜訊散射(spurious emissions)的規範標準。這個標準讓日後的讀寫器設計者視為參考依據,並用在ETSI模式中來限制反向連結頻率(BLF, Backscatter Link Frequency),這對標籤設計者的影響相對較小,畢竟,是讀寫器負責設定載波頻率和發射功率大小,並對標籤設置有完整的控制權,對吧?


該標準經過九次版本的更新,現在已經來到了v3.3.1版本,該版本對於標籤頻段外的雜訊散射(spurious emissions)和反射信號(backscatter),分別在ETSI頻段裡的「較低lower」頻段(大約在865 MHz)和「較高upper」頻段(大約在915 MHz),都設定了強度限制。在過去的幾年中,UHF RFID標籤製造商對於生產符合該標準的產品越來越有興趣,這可能是因為RAIN RFID技術已進入了市場許多新的應用領域,而這些應用領域對於遵循國際標準有更嚴格的要求。


感覺有點複雜,為什麼會這樣呢?

對於RFID標籤製造商來說,這個標準一直以來都很難理解,因為它是以傳統的電磁相容性(EMC)標準的形式撰寫,其中包含了許多複雜的內容,例如功率頻譜密度 (power spectral densities)、發射遮罩 (transmit masks) 和頻寬的分辨率 (resolution bandwidths)。


EN302 208所定義的測試單位與我們習慣常用的標籤量測單位,如標籤反向功率 (Power On Tag Reverse) 並不一致,因此增加了測試結果比對上的困難度。然而,最大的困惑來自於這個標準是一個通用標準 (generic standard),這讓該標準內容存在著不同的解釋空間


根據EN302 208標準的要求,要進行UHF RFIID標籤測試其實簡單明確:

1. 在相距標籤20公分的距離下,讀寫器用2W的等效辐射功率(ERP)發射訊號給標籤

2. 記錄標籤的調變頻譜(modulation spectrum)

3. 將測得的結果與限制(規範)值進行比較


需要注意的是,除非讀寫器發送適當的指令,標籤本身不會主動回覆,因此需要以Query、Query+Ack或Query+Ack+ReqRN+Read等形式發送指令。對於較低頻段 (lower band),應該以約300kHz的BLF作為目標,而對於較高頻段 (upper band),則約為600kHz,在Gen2中,實際上這些數值會取四捨五入,分別為320kHz和640kHz,因為這些頻率是所有標籤的IC可以將時鐘信號分頻到特定的頻率,以便與讀寫器進行正確的通信。


當使用頻譜分析儀獲取標籤的回應訊號時會遇到一些問題,因為標籤的回應時間非常短暫僅為幾百微秒(μs)。更加困難的是,標籤的回應與讀寫器指令本身之間的時間間隔只有約30微秒(μs),而且讀寫器指令本身的功率遠高於標籤的回應。因此,如不小心分析了讀寫器指令的任何部分或標籤回應後的任何部分,將會嚴重影響結果的準確性。


那麼,還有哪些需要做解譯呢?

根據標準要求,在載波頻率(carrier frequency)附近應以1kHz的頻寬分辨率(resolution bandwidth)來記錄標籤回應的訊號,這意味著回應時間應該大於1毫秒。然而,在實際應用中很少能夠準確且正確地使用這樣的頻寬分辨率,除非在較低的BLF下搭配一些較高的米勒模式(Miller modes),並使用Lower ETSI頻段。


這帶給我們另一個問題: 在進行測試時,應該使用哪種調變模式和數據內容?是需要在所有模式下都通過測試,還是只需要在一般典型模式(typical mode)下通過,或者只需要選擇其中一種模式通過即可呢?在不同的模式之間,通過或失敗的測試結果可能相差高達15 dB!簡單來說,當標籤反射訊號時,它始終以相同的振幅在兩個固定阻抗狀態之間進行調變,這將產生相同總反射功率的量。然而,不同的是這個功率在頻譜上的分佈或集中方式。在ETSI的測試中,最終記錄的是頻譜中峰值特徵的強度,因此,如果能夠讓功率在不同頻率上均勻分佈,通過測試將更容易實現。


讓我們來比較頻譜的差異

對於ETSI標籤散射測試 (tag emission test),最具挑戰的情況是連續方波訊號(continuous square tone),這意味著使用對稱方波波形進行調變,例如使用FM0調變模式傳送一長串的數字零。同樣的,在米勒調變模式(Miller modes),當讀寫器要求擴展前導碼(preamble)時,也會出現相同的方波調變。標籤的方波反射調變將生成一個傅立葉級數類型的頻譜,幾乎所有的功率都集中在載波頻率+/-(n*BLF)處,其中n為奇數,這是最具挑戰性的測試模式,在Tagformance系統中,從版本13.5開始,它被稱為最壞情況(worst case),如果通過這個測試,則可以認定其他測試也會通過,因此無需測試其他模式,如典型情況(typical case)。


不同編碼類型和數據內容的等效功率反射信號頻譜比較

諷刺的是,當數據封包被隨機化時,用FM0測試也成了最容易的情況(easiest case)。在隨機模式下,0和1以大致均勻的方式隨機分布,這可能會產生一個分散程度非常高的頻譜,這種頻譜沒有可預測的高峰值,可能會超出遮罩並導致測試失敗。


在最壞和最容易的情況之間,存在著所謂米勒模式的兔耳頻譜(rabbit ear)。因解碼靈敏度的關係,M2到M8是市場上讀寫器常用的米勒模式。因此,在Tagformance ETSI 標籤散射測試 (tag emission test)測試中,我們使用具有隨機數據封包的M4作為典型情況(typical case)。


Voyantic 的解決方案

目前,Voyantic在Tagformance系統中提供了兩種測試標籤散射方法,其中一種方法是使用獨立且已校準的頻譜分析儀,這台頻譜分析儀能夠與Tagformance系統同步,只在正確的時間內截取和記錄標籤的回應。


在Tagformance使用者界面中,還提供了另一種測試標籤散射的方法,稱為模擬頻譜(simulated spectrum),儘管名稱如此,實際上它是一種量測標籤反射信號振幅和頻率的方法。這種方法是將量測到的參數套用於重建波形的原型,進而轉換為模擬形式,然後將模擬波形的頻譜與遮罩限制進行比較。這種模擬方法是假設在兩個離散狀態之間存在著銳利的反射調變,並選擇隨機數據封包來代表一般情況。這種方法非常接近於實際情況,而且更重要的是,實際情況只會更加寬容。因此,只要通過模擬測試,就代表可以通過頻譜分析儀的測試,重新創建數據包的優勢在於可以根據需要創建任意長度的數據包,以便使用不同的頻寬分辨率進行分析,這讓用戶可以根據具體需求進行更靈活和準確的測試分析。


Tagformance以模擬的方式展示反射頻譜與ETSI標準關係。根據標準要求,在中心2MHz範圍內使用了更細的1kHz頻寬分辨率(resolution bandwidth).

結論

在UHF RFID標籤設計過程中,可將EN302 208測試當作標籤開發的一部分,因為這個測試快速且簡便。使用模擬頻譜(simulated spectrum)模式測試已經足夠,因為實際情況不會變得更糟。因此,如果通過了模擬頻譜測試,那麼通常也能通過實際測試。


EN302 208測試所需的配置基本上和量測標籤性能的配置是一樣的,使用Tagformance Pro和Voyantic C50暗箱,將標籤放置在量測平台上,就像進行Threshold或Read Range量測一樣,只需幾個簡單的點擊,就可進行標籤散射測試(tag emission test),幾秒鐘後即可獲得量測結果。


最後,我想借這個機會提一下,我們的C50暗箱具有非常好的低反射(low-echoic)旋轉系統,因此,只要擁有Tagformance Pro和C50暗箱就可以量測UHF RFID標籤的基本性能(Threshold or Read Range),以及執行EN302 208和ARC等等測試能力。



本公司在台灣台中實驗室備有完整ETSI RED (ETSI EN 302 208)測試設備,歡迎預約參觀:


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