RFID設計/部署挑戰艱鉅　頻譜分析儀把關系統效能

無線射頻辨識技術在商業化的應用領域進展已超過20年，關於其發展起源可追溯到二次大戰期間 (1940年代)所採用的敵我識別系統。而到近代的次微米積體電路與數位通訊科技的大幅進展，才使得無線射頻辨識科技的應用趨於普遍(圖1)。舉凡在精準的供應鏈管理、交易的即時支付系統，到售後行銷情報上所展現的魅力，無一不是植基於此一技術的快速擴散而得，如供應鏈管理自動化、停車場管理自動化系統，以及農業生產自動化等垂直市場上導入無線網路的趨勢也正如火如荼地快速發展，例如在大賣場之所有生鮮產品品質與安全性的及時監測系統應用，乃至於從生產作業現場的供應系統到消費者取得產品時的即時品質資訊，可藉由無線射頻辨識系統的各種應用科技來充分整合生產管理資訊與客戶關係管理系統，達到客戶在消費任何產品時能夠分享到與產品廠商一樣多資訊的目的(圖2)。

圖1　無線射頻辨識系統科技與相關的資料連結應用已經遍布在我們的生活周遭

圖2　在RFID應用中，標籤、讀取器與後端資訊系統是不可或缺的鐵三角

廣義來講，無線射頻辨識技術涵蓋的系統範圍為對物件辨識的功能，包括電子收費系統、寵物植入式晶片標籤與產品安全標籤等，皆為各種形式的無線射頻辨識系統。不管其系統實際的建置形式如何，RFID總不脫無線射頻資料連結與通訊科技的範疇。在資料連結功能的實作類型上，可大致分為被動式與主動式兩大類，前者是指透過無線射頻訊號供應運作所需電力的被動式標籤，後者則是指內建電池，可主動將訊號傳輸到數公尺以外的電池供電式標籤，有些無線射頻辨識系統甚至於可應用手機衛星定位系統與衛星通訊來追蹤全球之高價值目標，因此可應用在無線射頻辨識系統上的科技是相當具有多元性的。  

RFID部署/設計挑戰不容輕忽  

當前無線射頻辨識系統與近場通訊的相關應用科技正面臨著特殊工程上的量測挑戰，舉凡暫態訊號、調變不足的頻寬、反向散射的資料與被動式標籤等種種應用技術上的規格需求，皆須仰賴不同於傳統量測的方法才能解決。  

在發展無線射頻辨識系統的過程中，頻譜分析儀已成為一種提供無線射頻辨識系統之專屬性量測的問題解決配套方案，而這樣的配套方案不但在無線射頻辨識系統方面，同時也對近場通訊的應用元件發展發揮重要的引導作用。正因為頻譜分析儀能夠快速診斷出形成中的問題、進行部署前主要測試性能的評估與支援其標籤與讀取系統的高效率生產，因此頻譜分析儀實為無線射頻辨識系統開發、部署的關鍵工具。  

一套無線射頻辨識系統主要是由無線射頻辨識標籤、讀取器與後端資訊處理系統所組成，而包含了晶片與軟質天線所封裝成的無線射頻辨識標籤，則可針對讀取器所發出的電磁訊號加以應答，並進行資訊的傳送處理與儲存等功能。在可攜式技術的快速發展下，讀取裝置與設備已被設計成具有相容於各種個人電腦資訊網路平台架構的可攜式設備，例如從低頻到高頻的主動式的無線射頻辨識標籤都可裝上電池，並搭配各種立體形狀設計的薄型天線，以因應不同據點的商品在進銷存作業時系統工作環境的資料傳輸的需求。  

另一方面，在大眾運輸系統的便利付費設施上也已大量仰賴無線射頻辨識系統，例如內建無線射頻辨識功能的智慧型整合式晶片卡(如悠遊卡)已在全球各大都會廣為採用。至於無電池供電的超高頻無線射頻辨識標籤則在全球物流整合之運籌體系上發揮了物件搜尋與安全監控的主要功能。由於每日的使用量極為龐大，故在小型線圈的天線設計上必須能應付各種物流體系高效率與多元性的作業環境，從而達到充分節省時間與人力等作業管理成本的目的。  

雖然無線射頻辨識系統在物流的資訊整合與作業控制上已能夠扮演積極的角色，然而在實際的應用上仍面臨各種技術性的挑戰，其中尚待克服的主要課題包括訊號量測的規格制定、標準程序的規範，到無線射頻辨識系統與標籤的設計。  

天線材質/指向影響甚鉅  

就無線射頻辨識系統與標籤的設計製造而言，主要難題是天線材質對所收發之電磁波場型穩定性的影響，尤其是在無電池供電的超高頻無線射頻辨識標籤上，其天線設計與製造品質的良窳決定了各種在RFID系統與標籤之間電磁功率與訊號傳輸的通訊品質。  

此外，無線射頻辨識標籤所貼附的物件材質往往也會影響電磁訊號傳送時的反射與折射條件，乃至於在不同訊號收發距離與角度時的強度衰變效應，同時無線射頻電磁波在任何作業環境中往往也難以避免收發天線之間的多重路徑干擾問題。  

其次，天線的指向往往也對無線射頻電磁波的收發品質產生決定性的影響。雖然RFID系統可以提供優於傳統條碼標籤在非直視性、非接觸式與多重標籤能同步讀取的功能。然而RFID系統與標籤之間的資料讀取性能卻受限於RFID系統天線與標籤天線之間的相對距離與角度，因為天線的指向方位會大幅地影響到收發電磁波功率的場型，例如將標籤放在垂直於RFID系統的位置會擋住無線射頻訊號的傳送，而在RFID系統天線與標籤天線之間的物件阻隔也會嚴重衰減訊號的強度並影響其資料的有效讀取距離。事實上，在各種物件追蹤系統應用的作業環境上，往往無法及時且精確的對準所有天線的指向方位，而且這種考量也不實際，因此造成在只有一套單一指向方位的RFID系統與標籤不易讀取到正確的訊號。  

最後，RFID系統與標籤的研發設計人員也飽受在同步無線射頻訊號傳送過程中所產生的訊號碰撞問題所苦，故使其在系統設計的考量理論上是以每次讀取一次的方式來提高訊號讀取的成功率。而若要解決RFID系統能夠在同時讀取大量的超高頻無線射頻辨識標籤資料，則勢必要在訊號碰撞問題與同時讀取大量標籤的效能限制上進行權衡。  

標籤供電設計為另一棘手挑戰  

RFID目前在產品設計研發與部署上，仍有許多常見的技術難題必須留心克服，如讀取設備端的基頻往往會產生大幅之直流補償訊號，導致敏感的放大器或數位模組進入飽和區，而關於其他在無線射頻辨識系統之被動式標籤上所遭遇的難題，則為如何從接收到的無線射頻訊號上的能量來進行標籤的供電動作。即使在次微米互補金屬氧化物半導體(CMOS)元件上所消耗的功率極低，在數公尺遠的訊號傳輸上亦須達-10～-15dBm方可行。更複雜的部分，則為各國法規對最大有效等向式輻射功率(EIRP)的限制不盡相同，而在標籤上足以供電的能量所影響到的不只是讀取資料的有效距離，同時亦影響到高電壓寫入標籤上之快閃記憶體所需的時間。  

從近年來無線射頻辨識系統的規格標準發展方向來看，即可嗅出業界對於該如何因應法規歧異問題與供電不足問題的重視程度，同時也在調變、編碼與通訊協定等相關技術上，陸續提出改進之道以防止標籤產生供電不足的困境。  

操作頻段涵蓋125k～13.56MHz的無線射頻辨識系統是無線射頻辨識系統之近場與低資料傳輸容量的典型應用案例，其操作原理乃藉由無線射頻識別卡上的感應線圈式天線在近場磁通鏈結之有效範圍內進行資料的傳輸(圖3)。

圖3　由線圈天線所製成之RFID標籤可經由短距離的近場磁通量感應鏈達成電磁功率傳輸的目的。

因此，只要擁有一部高效能的頻譜分析儀就能使得無線射頻辨識標籤製造廠商輕鬆地建立其標籤測試的生產線，同時也能滿足標籤設計工程師在開發被動式標籤之高效能天線所能發揮的技術性能耐。至於在915M～2.45GHz之間頻率範圍的無線射頻辨識系統方面，其應用特性則包括可進行遠場與較高資料傳輸速率之無線射頻辨識系統，這部分的科技早已應用於遠場電磁波耦合的訊息傳輸 (圖4)。

圖4　無線射頻辨識系統亦可藉由遠場電磁波耦合作用實現資料傳輸。

頻譜分析儀為RFID設計/部署關鍵

無線射頻辨識的系統工程師往往須克服各式各樣的設計挑戰，才能順利將產品推出上市。首先，產品必然會面臨當地法規中有關電磁輻射頻譜上對頻率的管制(圖5)。其次，讀取設備與標籤的互動必須可靠與穩定。要達到這樣的效能，則讀取設備與標籤的規格設計上就必須符合合適的工業標準。最後，以競爭策略的考量來看，無線射頻辨識系統的性能必須依照其所訴求的特定應用市場區隔來進行最佳化，具體目標為達到單位時間的交易量最大化。為了達成此一目標，必須盡可能在一裝設有密集的讀取設備之環境中運作，或是將讀取設備的通訊距離延伸得更遠。因此，驗證頻譜分析儀與無線射頻辨識系統的應用分析工具成為無線射頻辨識系統測試方面不可或缺的一環。

圖5　不同應用與各國法規歧異使得RFID工作頻段非常多樣化，亦造成系統設計上的挑戰。

在RFID設計/部署作業所使用的頻譜分析儀必須具備極優異的微弱訊號捕捉能力，因為RFID應用所處的射頻環境中往往充斥著各種背景雜訊。以目前的技術水準，頻譜分析儀若能提供在-117dBm@1GHz的條件下捕捉微弱訊號的能力，即可稱為優異。有些頻譜分析儀還會內建前置增益放大器，進一步將其背景雜訊性能降低到-137dBm準位，藉此擴展其量測範圍。此外，為了應付現場測試的考驗，提升系統驗證流程的執行速度，量測自動化也是不可或缺的一環。目前有些儀器供應商所提供的方案必須仰賴外部電腦控制才能實現量測自動化的目標，也有些已經將該功能內建的頻譜分析儀產品，讓使用者不僅可透過面板上的鍵盤來定義其所適用的巨集並能將其極大部分存成指令程式集，而其每個程式皆包含了終止的指令可隨意進行停止量測的步驟以便觀察其量測結果。  

礙於篇幅，本文僅先從RFID的應用與目前在研發/部署上所面臨挑戰進行概略性的介紹，之後將詳細探討頻譜分析儀如何能協助RFID設計/系統整合業者解決其所面臨的難題，例如天線製造商在遇到無線射頻辨識系統應用於手機系統中時，如何運用頻譜分析儀或搭配網路分析儀來進行技術規格評估作業，以克服標籤設計上的挑戰。  

(本文作者任職於固緯電子)