使用PicoScope示波器的RFID信号测量方案

1  射频识别 (RFID) 调制信号

射频识别(RFID)广泛应用于许多领域，例如物流、供应链管理、资产跟踪等。RFID在进入市场之前必须通过标准规范要求的一致性测试。一致性测试需要诸如示波器、频谱分析仪、矢量网络分析仪等测试和测量仪器。成功完成测试的前提是能够准确、高效地捕获信号。

图1 显示了射频识别(RFID)的基本工作原理。读卡器以指定频率向标签发送射频载波，标签响应调幅信号，该信号携带一些有价值的信息如用户ID、姓名等。

图1 射频识别(RFID)基本工作原理

一种射频识别(RFID)编码方法称为脉冲间隔编码(PIE)，它是基本开关键控(OOK,on-off keying)调制的变体，旨在解决无源标签的电源供给问题，因为无源标签依赖于从读卡器获得的能量来运行其电路。在脉冲间隔编码中，二进制“1”被编码为一个由一段长时间的高电平加上紧随其后一段短时间的断电零电平组成的脉冲，而二进制“0”被编码为一个由一段短时间的高电平加上紧随其后一段同样的短时间的断电零电平组成的脉冲，如图2中的虚线所示波形M(t)所示，基带信号 M(t)被用来调制载波。

图2 脉冲间隔编码

Q因子或品质因数是射频识别(RFID)产品的重要指标之一，它是谐振频率（表示为“fc”）与其 3dB 带宽（表示为“B”）的比率。根据定义B=fc/Q，B*T>=1，因此Q<=fc*T，这里的T如图2所示。

在射频识别(RFID)系统中，具有较高Q因子的天线线圈会产生较高振幅的谐振，因此允许RFID系统在更远的读取范围内进行通信。换句话说，更高的Q因子允许RFID标签或应答器从读取器发射的耦合磁场中提取和存储更多能量。然而，较高的Q因子可能意味着较小的3dB带宽，而较小的3dB带宽可能会导致RFID标签更容易受到天线线圈调谐、互感等变化的影响。

Q因子可以根据fc和T来计算得到，而fc和T则可从示波器如PicoScope示波器采集到的RFID调制波形中测量得到。下图3显示了使用PicoScope 3406D示波器采集的13.56MHz RFID调制波形。测试前应设置示波器工作在合适的存储深度下以捕获足够长的数据，从而确保波形中至少包含一个“1”电平和“0”电平，如图3所示的波形中包含有多个“1”电平和“0”电平。但是在一些自动化或者大规模测试中，测试效率变得更加重要，若能精准的只捕获一个“1”电平或“0”电平，则可减少数据总量以及计算量，即可提高测试效率。示波器中的高级触发功能可以帮助我们精准的捕获那些我们真正感兴趣的事件和波形。PicoScope示波器的标配应用软件PicoScope 7软件和自定义软件开发套件SDK中均支持多种高级触发功能。PicoScope示波器被非常普遍的用于在大规模生产测试场景中通过SDK编程来定制自动化测试解决方案。

图3 RFID调制信号

2  使用高级电平漏失触发捕获RFID信号

电平漏失触发是PicoScope示波器中的高级触发功能之一。它可以先检测到一个边沿，然后在指定时间后触发，条件是该指定时间内没有新的边沿被检测到。该高级触发功能对于需要在脉冲串末尾实现触发会非常有用。如下图4所示，PicoScope示波器在400mV阈值处检测到一个下降沿，然后在距这个下降沿阈值位置后60us的位置触发，在此期间没有出现其它边沿。

图4 使用PicoScope示波器的电平漏失触发捕获脉冲信号

RFID调制信号中的“1”或“0”电平与上图4中的信号具有相同的特征。所以电平漏失触发也适用于它们。如图5所示，使用电平漏失触发可以准确捕获我们真正感兴趣的RFID调制波形中的有用事件。通过使用高级触发功能精准捕获到需要使用的波形，避免了使用传统的方法即捕获大量数据并根据波形特征定制算法搜索所需要的事件，从而提高了数据处理效率。

图5 使用PicoScope示波器电平漏失触发捕获RFID信号

PicoScope示波器标配有多种高级触发功能，可对多种多样的异常事件实现高效、精准的捕获。下表简要介绍了PicoScope示波器所标配的一些高级触发功能。

	窗口触发检测波形进入或离开一个电压范围的时刻。这使您可以同时搜索过压和欠压。在左图中，以4.5伏和5.5伏的阈值电平监控一个5伏电源，当电源电压波形正向越过5.5伏阈值电平或负向越过4.5伏阈值电平时PicoScope示波器将触发。
	脉冲宽度触发使您能够触发捕获指定宽度的脉冲。这对于查找同步控制信号中的罕见事件（例如写使能）或查找脉宽调制信号中的极值非常有用。在左图中，触发器设置为正脉冲宽度，大于70 ns。在 50 ns 脉冲流中检测到了 100 ns 脉冲。
	间隔触发可帮助您找到丢失或时间错误的边沿。左图显示了两个缺失一个脉冲的 4 MHz 时钟波形示例。您可以使用脉冲宽度触发功能来搜索左图（上）波形中的因缺失脉冲而变宽的正脉冲以及左图（下）波形中的因缺失脉冲而变宽的负脉冲，但间隔触发功能可以让您同时找到这两个错误，而无需更改触发类型。设置间隔触发为上升时间且间隔时间大于 300 ns时，示波器在检测到这两种情况时均会触发，触发点为长间隔后的第一个上升沿。
	窗口脉冲宽度触发是窗口触发和脉冲宽度触发的组合。它检测信号在一个指定的时间段内何时进入或离开一个电压范围。在左图中，标称±700 mV 信号偶尔会出现过压和欠压，但我们将驻留时间设置为大于 100 ns，以便仅检测到超出此范围的异常宽脉冲。
	窗口漏失触发可以检测信号何时进入指定的电压范围并在该范围内停留指定的时间。在左图中，窗口漏失触发设置为 300 ns 延迟，窗口为 600 mV 至 800 mV。它忽略了短暂进入窗口的第一个脉冲，以及保持在窗口下方的第一个漏失，而当信号在窗口内保持超过 300 ns 时被检测到。
	欠幅触发检测超过第一个阈值，然后返回低于该阈值而不超过第二个阈值的脉冲。如果此类脉冲违反接收器的最低接收高电平要求，则可能会导致逻辑电路出现问题。
	逻辑触发可以检测示波器多个输入的多种逻辑组合。应用于每个输入的条件可各不相同。在左图中，逻辑触发设置为：通道 A，电平，高于 0 V；通道 B，电平，低于 0 V，与逻辑。触发条件在迹线中间、时刻为 0 时变为真，此时通道 A 的信号电平高于 0 V，同时通道 B 的信号电平低于 0 V。

3  测试RFID信号Q因子

图6 RFID脉冲长度测量

在图5中，我们使用PicoScope 7 软件中的自动频率测量参数测量该RFID信号的频率。结果是13.56MHz。

在图6中，我们在PicoScope 7软件中用标尺测量得到T值为2.945us。然后我们就可以计算出Q值：Q<=fc * T=13.56MHz * 2.945us = 40

为了使RFID系统处于可持续的操作读取范围内，RFID读卡器的时间t2应满足最小和最大时间要求。如果时间t2高于最大要求，则其Q因子值太低，必须增加。如果时间t2低于最小要求，则其Q因子太高，需要降低。

由于我们没有专门针对RFID测试开发自动化一致性测试软件，因此我们在PicoScope 7软件中手动测量了RFID信号的参数。Pico Technology除了提供标准的示波器以外，也同时为用户创建一个稳定且强大的数据采集平台，以便他们有机会灵活的基于PicoScope示波器开发自己的应用程序。鉴于此，除了标配的PicoScope 7应用软件外，PicoScope示波器还提供强大的软件开发套件（SDK）。基于SDK，用户可简单、灵活、高效的开发高度定制化的自动测试解决方案。

4  基于PicoScope SDK自定义RFID测试方案

PicoScope 示波器提供了大多数台式示波器所不具备的互连性和定制性。SDK（软件开发套件）允许用户基于PicoScope示波器为他们的特定项目创建自定义应用程序，这使得PicoScope已不仅仅是一台常规的示波器。在SDK下使用时，PicoScope示波器性能更加强大。例如，可以在流模式下连续长时间采集数据，速度高达312MS/s；内存最大可分为200万段；用户可以设置高级组合触发功能；可以通过程序控制示波器标配的函数发生器或任意波形发生器产生波形。 Pico Technology提供专业的技术支持以及全面的代码示例（可以在github.com/picotech下找到），这使得基于PicoScope示波器的自定义开发变得更加容易。

包括 PicoScope 示波器在内的所有 Pico 产品均附带免费的软件开发套件 (SDK)。SDK 包括适用于 Windows 的驱动程序，以及适用于大多数产品的 macOS、Linux 和 Raspberry Pi (ARM7) 驱动程序，这些驱动通过应用程序编程接口 (API) 充分的开放仪器硬件给用户进行直接的控制。它允许用户使用C、C#、C++和Python等常用的编程语言编写自己的软件来控制仪器。代码示例托管在Pico Technology GitHub 页面上。此外我们的网站上还拥有一个活跃的论坛，用户可以在这里交流有关PicoScope示波器及Pico其它产品编程的想法和知识。该 SDK 还可用于将 Pico 仪器与行业广受欢迎的分析和测试自动化软件包（例如 MathWorks MATLAB、NI LabVIEW 和 Microsoft Excel）连接起来。图7所示为使用 MathWorks 控制和编程 PicoScope示波器的示例。

图7 使用MathWorks控制和编程PicoScope示波器

图8为某用户基于PicoScope 3000D系列示波器开发的基于ISO14443和NFC FORUM的自动化RFID测试解决方案，该方案主要用于对RFID信号的物理层参数进行一致性测试。

图8 基于PicoScope 3000D示波器自定义RFID一致性测试方案

图9 PicoScope 3000D 示波器

关于 Pico Technology

Pico Technology是高性能电子测试仪器的全球领先制造商。源于英国剑桥强大电子工程传统，自创立以来，通过创建和领导创新的基于PC的测试仪器，比克实现了连续34年的增长。其独特的解决方案和完整的产品线为电子工程师提供了高性能且经济高效的工具，涵盖了从物理层到协议层的整个设计验证周期：

具有内置AWG，FG，逻辑分析仪，频谱分析仪，串行协议分析仪的实时示波器，提供高达16位ADC分辨率，4G超深存储器，8个高分辨率通道和真正的差分探测。紧凑的33 GHz采样示波器使工程师能够轻松实现TDR特征阻抗测试，眼图和时钟恢复等。 PicoVNA（矢量网络分析仪），RF Synthesizer（射频信号合成器）和PicoConnect高带宽探头可扩展到RF应用。此外，还有最畅销的Pico Logger系列数据记录仪产品。

SDK允许用户与实现测试自动化的其它仪器一起开发自定义应用程序。终身免费软件和5年保修可保护客户的投资。

比克科技是未来。