隨著設備價格下滑和全球市場規模擴大，無線射頻辨識系統(RFID)應用正快速成長，而隨著嵌入式RFID應用日廣，Ubiquitous ID Center和T-Engine Forum等協調機構也陸續出現，GSM協會(GSM Association)更將以嵌入式RFID 為基礎的近距離無線通訊(NFC)功能納為手機標準之一。
RFID設計的一大挑戰，是在複雜或嚴苛的射頻(RF)環境中獲得最佳傳輸量或資料讀取速度。被動式RFID標籤雖然可回應範圍內的任一部或多部讀取器所提出的資料讀取需求，但由於必須導入通訊協定以進行這項動作，因而使其通訊行為變得更為複雜，若無適合的設備將難以測試。
此外，當RFID與無線蜂巢網路、無線區域網路(WLAN)、藍牙(Bluetooth)或ZigBee技術整合於相同裝置上時，嵌入式RFID系統須能夠正常運作。最後，也須考量到相同頻帶中其他使用者的干擾。
回散射技術為被動式RFID之核心
圖1為典型的零差式讀取器或標籤讀取器系統方塊圖。RFID讀取器是一個會向標籤發送經過傳輸載波調變的精確頻率的訊號源。而在讀取器的接收端，則負責進行回散射I和Q訊號至基頻的單頻轉換，並轉換為接收的ID資料。
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| 圖1 典型的零差式讀取器或標籤讀取器系統方塊圖 |
最簡單的RFID系統包括標籤(可為被動式)和讀取器。架構上，讀取被動式標籤和傳統的全雙工資料連結有些不同。不像傳統的主動式資料連結，被動式標籤要靠接收的RF能量供電。被動式標籤也不會自行產生傳輸載波訊號，而是在稱為回散射 (Backscattering)的過程中，將讀取器傳送來的一些電力調送到標籤(圖2)。
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| 圖2 被動式標籤回散射讀取器的連續波載波，透過改變天線的吸收特性加以調變，並整流RF能量，產生小量電力來運作標籤。 |
藉由將標籤天線的負載從吸收改成反射，即可調變來自讀取器的連續波形(CW)訊號。這項程序很類似利用鏡子反射太陽光線，以此作為訊號發送給位於遠處的人。因此標籤不須具備精確的頻率訊號源和耗電的發送器。由於讀取器和標籤共用相同的頻率，因此必須輪流傳送資訊。
由於從標籤(T)到讀取器(R)(以下用T=>R表示)的上行鏈路，是從讀取器的CW訊號進行調變，因此可使用跳頻等展頻式技術。由於共用相同的本機振盪器訊號，因此接收器在進行直接降頻轉換時，將自動移除讀取器訊號上的任何展頻或跳頻。
出現多重標籤、多重讀取器和干擾時，這個簡單的系統會變得更為複雜。以下將檢視這些部署問題帶來的兩項RFID設計挑戰。
多重讀取器和密集模式環境挑戰艱鉅
RFID的系統環境可以分為單一讀取器、多讀取器以及密集讀取器三種模式，其中單一讀取器表示在單一環境中只存在一個讀取器；多讀取器則是指單一環境中存在多個讀取器，但同步運作的讀取器數量少於可用的通道數目；密集讀取器同樣是在單一環境中存在多個讀取器，但是在這種模式中所使用的讀取器數量多於可用通道數，因此是技術挑戰最艱鉅的RFID環境。許多RFID系統會在多個讀取器或密集模式環境中執行。
由於被動式RFID標籤具備寬頻性質，因此要以密集式(多重)讀取器站台的系統架構來讀取這類標籤時，會面臨一些挑戰。因為被動式標籤可能會試著回應所有向其提出詢問的讀取器，但標籤讀取器具備特定的系統運作頻率，使標籤回應特定讀取器的能力相對受限，所以在運作環境中會很容易發生讀取器與標籤的干擾，也就是其中讀取器RF訊號衰減少於90dBc(開放空間半徑周圍約1公里)的區域。因此許多讀取器在實際應用時都會變成在密集模式的環境中運作。
在使用固定式讀取器和經過精確頻譜規畫的倉庫應用中，來自鄰近1公里範圍內的干擾情況可以減到最小。但由於要永遠保持安全抑制距離是有難度的，例如在環境中出現行動RFID裝置，就會使整個環境變成密集讀取器模式。因此，找出RFID系統將座落或部署的環境中存在哪些訊號，並了解出現干擾時的讀取器和標籤行為，是非常重要的。
為了因應這種環境，適用於密集環境的ISO18000-6C讀取器，將經常切換為米勒調變副載波(MMS)編碼。這種複雜的編碼可提供更多的每位元轉態，在出現雜訊時可更容易解碼，但往往必須付出頻寬做為代價。
目前有三種不同的MMS設計可使用，分別是Miller-2、Miller-4和Miller-8，其中的數字代表定義資料符號的反散射鏈結頻率(BLF)期間數目。例如，若使用最慢的40kHz BLF，Miller-8的資料速率為BLF/8=5kbit/s。在如此慢的速率下，若要傳輸96位元的EPC資料格式，則16位元的錯誤檢查將花上22.4毫秒，等於每秒的標籤讀取次數不到四十五次。若包含前向鏈結命令等所有資源耗用時，實際的讀取次數甚至會更少。
某些法規的限制，將進一步導致這類系統的實際讀取次數變得更低，例如美國聯邦通訊傳播委員會(FCC)的FCC Part 15法案便規定，射頻系統必須以平均10或20秒間占用單一頻段400毫秒的模式運作，對RFID讀取器而言，這意味著即使有某一頻率的讀取工作在這400毫秒期間無法完成，也必須空出現有頻段並跳到不同頻率。
符合ISO18000-7運作的讀取器和標籤則採用不同的方式運作，透過傳輸率較慢、較長時間射頻傳輸，來克服訊號干擾的問題。例如採用同級商業版ISO18185標準的貨櫃應用，其將最大傳輸期間增加為60秒，且傳輸間至少須維持10秒的靜止期(FCC Part 15.240)。在如此慢的傳輸速率下，完整傳輸128kbyte的必要資料以辨識貨櫃的所有內裝物，可能要花上兩分鐘。根據這項標準使用的標籤為主動式，表示這些標籤具有電路板內建電源供應器，而且和被動式標籤相較，容易以更高的功率位準輻射。
上述兩種技術都暗示著，RFID的測試解決方案必須能在一段相對較長的時間內蒐集脈衝訊號的詳細射頻資料。
AWG與RTSA攜手建立密集模式環境模擬
使用任意波形產生器(AWG)即可模擬密集模式環境，可針對現代化的AWG進行程式設計，以直接在整個高頻(HF)和超高頻(UHF)頻帶產生RFID訊號，因此可使用單一儀器，模擬多個讀取器或多個標籤的多種訊號。這可減少設定多部訊號產生器的時間和成本。
能進行這項工作的分析裝置常必須具備相當深的記憶體，以擷取所有的長時間互動。標籤讀取器通常會嘗試提出多重詢問，也可能命令標籤降低其鏈結頻率，以確認標籤如某些實作中所要求的空出通道。即時頻譜分析儀(RTSA)由於具備100秒以上的記憶體深度，因此可直接驗證ISO18000-7的60秒傳輸和10秒的靜止期，並進行詳細的錯誤狀況分析。
測試工程師也可使用即時頻譜分析儀的多重擷取功能來分析跳頻和叢發訊號(圖3)。在此種模式中，即時頻譜分析儀經過設定，只要發生跳頻和相關觸發，即擷取使用者定義期間的資料，這項功能若結合極高的頻譜更新率(每秒超過四萬八千次)，即可擷取、分析跳頻RFID訊號並進行調變。
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| 圖3 以即時頻譜分析儀進行377ms的跳頻/叢發時序量測，在頻譜圖顯示中使用標記(右方)。 |
在擷取到射頻訊號後，工程師即可加以分析，瞭解在目前的射頻環境中，讀取器和標籤是否如預期中的運作，以及未如預期的原因。量測讀取器和標籤間的位元時間、連續波型時間和響應時間(稱為往返時間)，可對讀取器和標籤的互動和傳輸量，取得重要的深入解析。查看頻率事件的振幅突波，有助於找出錯誤的根源。若特定位元未正確解碼，是不是因為波頻調變(FSK)或振幅調變(ASK)中出現了錯誤？在各種類型的資料間建立起關聯，將有助於回答這類問題。
現代化的即時頻譜分析儀(RTSA)可建立頻域、時域、符號和其他類型的資料關聯，以進行複雜射頻環境和實體層互動的大量快速分析。對於自動改變資料率的ISO18000-6C(EPC GEN2)訊號，這些儀器可自動偵測符號速率，並突顯標頭，讓分析工作更加容易(圖4)。
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| 圖4 測試 ISO18000-6C(EPC GEN2) 時的自動資料率選擇。右下方多個P表示標頭，每一個P用來在可見時表示訊框同步。 |
RFID同頻干擾亦不容輕忽
RFID收發器必須符合產生干擾的當地法規，設計時也必須達成最佳耐干擾性。由於世界各地分配的頻譜各有不同，從新加坡和歐洲的2MHz到北美的26MHz，使得世界各個不同地區偏好採用不同的調變方式和防碰撞技術。
RFID讀取器的跳頻(FH)和載波偵聽(LBT)/同步化，是用來實行防碰撞和減少自我干擾的兩種方式。跳頻在美國是根據FCC 47 CFG第一篇第十五條LBT使用，而在大部分歐洲國家，則是根據ETSI EN 302 208-1同步實行。
在容易受到突發干擾的環境中，這些訊號本來就容易突然出現，因此在真實環境中有效分析RFID訊號，會是一項複雜的工作。要對這種環境進行監控的最佳技術之一是數位螢光技術(DPX)。這項技術採用極快速的圖框率，並用顏色表示訊號密度或停駐時間，可以獨特的方式檢視複雜環境中的脈衝射頻訊號。
圖5為模擬的複雜射頻環境，該環境是透過在讀取器的讀取範圍內放置眾多標籤所建立出來的。僅須監控讀取器跳頻輸出30秒鐘，就能夠發現許多資訊。畫面中底部深色訊號持續存在，顯示基準雜訊和數個干擾訊號出現於畫面的底部。根據右下角的訊號密度刻表顯示，淺色訊號(在本範例中大部分是突發性干擾)會出現約一半的時間，密度刻表左邊半透明的訊號則不常出現，這些訊號大部分是RFID訊號，代表讀取器和一組標籤間的通訊。在此，調變類型是振幅調變(ASK)，較高的脈衝是1，較低的脈衝是0。DPX提供傳統掃描分析儀上所沒有的訊號能見度。
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| 圖5 DPX 顯示畫面可顯示在出現多種干擾時，標籤讀取器和標籤間的複雜互動。這個顯示畫面顯示標籤正在無干擾訊號的情況下進行回應。 |
在圖5螢幕畫面中，讀取器在干擾不多的頻率上成功地運作，會先看到大部分的RFID脈衝只出現在乾淨的頻率上，接著，若檢視大部分RFID脈衝上的其他顏色，即可看出成功RFID傳輸的延長停駐時間。從這個實際量測結果可以斷定，所有成功的輪詢都是在無干擾訊號、訊號對雜訊比更高的頻率完成。這可清楚地顯示，為何在干擾最少的環境中，成功讀取標籤的機率也隨之提高。
進行頻率規畫以將各讀取器限制在某些通道時，可使用DPX來確保調變旁波帶的位準，不會對共置讀取器所使用的通道造成干擾。圖5中心的讀取器和標籤訊號，涵蓋了寬頻譜範圍，和在其他通道中相較，停駐的時間更長。更亮的訊號裙帶，代表更高的訊號密度，也表示更長的停駐時間，這可能是鄰近通道讀取失敗的導因，應採取措施，確保讀取器中的濾波功能足以免除此項干擾。
RFID應用日廣 環境模擬重要性隨之提升
RFID訊號本來就容易處於複雜或甚至嚴苛的射頻環境中。其訊號的脈衝性質，讓使用傳統頻譜分析儀進行分析變得困難。透過AWG和RTSA，測試團隊可實際有效地模擬和分析多重讀取器、密集模式環境與常見的干擾訊號。這項技術可用來確保在嚴苛的條件下，獲致可靠的RFID通訊和傳輸量。
(本文作者任職於太克科技)