Rigol Technologies Oszilloskop-Messungen in NFC-Anwendungen

Bild 1: Das elektromagnetische Feld wird mit einer Nahfeldsonde empfangen und mit einem Rigol-Oszilloskop der DS4000er-Serie erfasst.
Bild 1: Das elektromagnetische Feld wird mit einer Nahfeldsonde empfangen und mit einem Rigol-Oszilloskop der DS4000er-Serie erfasst.

Auch ohne zusätzliche Analyse-Optionen erledigen die meisten Oszilloskope bereits in der Standardversion viele grundlegende Messungen, die für das Schaltungsdesign aktueller Technologien maßgeblich sind. Das wird am Beispiel der RFID/NFC-Technik deutlich, wie Thomas Rottach von Rigol im Folgenden aufzeigt.

WLAN, Bluetooth und RFID/NFC sind mittlerweile allgegenwärtige Technologien. Bei letzterem handelt es sich um eine Form der Nahfeldkommunikation (Near Field Communication), die nur bis zu einer Entfernung von ein paar Zentimetern funktioniert. Weil dadurch ein unbemerktes »Abhören« fast nicht möglich ist, und aufgrund der Einfachheit der Herstellung wird NFC als »Enabler«-Technologie gehandelt.

Meist sind NFC-Tags – wie etwa Chipkarten – passive Objekte, das heißt, sie benötigen keine eigene Spannungsversorgung. Die Gegenstelle (mit Spannungsversorgung) sendet ein elektromagnetisches Feld aus. Durch eine Spule im passiven Element wird aus diesem Feld die für die Kommunikation nötige Energie durch Induktion generiert. Die Mittenfrequenz des elektromagnetischen Felds liegt bei 13,56 MHz. Die Informationen sind per An-Aus-Umtastung (On-Off-Shift-Keying - OOSK) oder Amplituden-Umtastung (Amplitude Shift Keying - ASK) digital auf das Trägersignal aufmoduliert. Die Übertragungsdatenraten sind auf 106, 212 oder 424 kBit/s festgelegt.

Aufgrund der niedrigen Trägerfrequenz können viele der Messungen während der Entwicklung oder in der Produktion einfach mit einem Oszilloskop erledigt werden, beispielsweise die Messung der induzierten Spannung am passiven NFC-Tag oder auch die Frequenzgenauigkeit des Trägers. Auch für einfache Funktionstests oder Timing-Tests eignen sich Oszilloskope. Eine Demodulation ist nicht möglich, aber mit einigen Tricks kann man die Funktionsweise überprüfen und damit auch die gesendeten Daten auslesen.

Was braucht man alles?
 

Neben einem Oszilloskop mit ausreichender Bandbreite, Speichertiefe und den passenden Mathematikfunktionen ist es während der Entwicklungs- und Designphase hilfreich, einen Signalgenerator zur Verfügung zu haben. Es muss nicht zwingend ein HF-Generator sein, ein Funktionsgenerator mit der Möglichkeit, ASK zu modulieren, oder auch ein Arbiträr-Generator können zum Beispiel die »Basisstation« bzw. das »Polling«-Device emulieren. In einfachen Fällen kann auch ein im Oszilloskop integrierter Arbiträr-Generator ausreichen. Falls man die Möglichkeit hat, ein passendes Signal mit dem Oszilloskop zu erfassen, kann man es direkt in den Generator laden und zum Test verwenden. Alternativ erstellt man sich die beschriebenen Signale offline am PC und lädt die Daten in den arbiträren Generator.

Beispiel: Zeiterfassung per NFC-Tag

Wie solche Messungen aussehen können, zeigt das Beispiel eines Zeiterfassungssystems mit NFC-Tag-Buchung. Zunächst wird das ausgesendete Feld der Erfassungseinheit im Ruhezustand bzw. im Polling Mode aufgezeichnet. Das Feld wird mit einer Nahfeldsonde empfangen und mit einem Rigol-Oszilloskop der DS4000er-Serie erfasst (Bild 1).

 

Dank des standardmäßigen Speichers von 140 MPunkten konnte eine Sequenz von 140 ms mit einer Abtastrate von 1 GSample/s (Bild 2, grüner Kreis) aufgezeichnet werden. Der Vorteil der immer noch hohen Abtastrate kommt zum Tragen, wenn stark vergrößert werden muss. Im Beispiel zeigt das Bild das aufgezeichnete Signal um den Faktor 500.000 gestreckt. Die Details der Trägerfrequenz können hier klar dargestellt bzw. bewertet werden. 

Bild 3 zeigt die Polling-Sequenz des abgestrahlten Feldes. Jetzt kann man die komplette Zeitbuchung aufzeichnen. Dazu nähert man das NFC-Tag an die Basisstation an. Die Nahfeldsonde befindet sich dann zwischen Station und NFC-Tag. Sobald das passive Teil genug Energie gesammelt hat, reagiert das System und eine Kommunikation wird aufgebaut. 

Bild 4 zeigt die letzten Takte des Pollings der Station und die ersten Daten, die vom individuellen Time Chip zurückkommen (Load Modulation). Damit können Aussagen über Timing und Funktionalität getroffen werden. In dem Beispiel messen wir an einem fertigen System und haben somit keinen Zugang zum Innenleben des passiven Teils. Während der Entwicklung ist dies anders, und man wird auch parallel zum Funktionstest noch die aus dem Feld gewonnene Leistung abgreifen und z.B. die Spannung am Kanal 2 des Oszilloskops beobachten. Ein Schritt weiter ist die Überprüfung der Richtigkeit der Daten. Dies kann nicht direkt mit dem Oszilloskop decodiert werden. Mit Hilfe des Taktes, kombiniert mit der Mathematikfunktion des Oszilloskops kann man die Datenbits gut lesbar darstellen. In unserem Beispiel werden die Daten des Mitarbeiters durch Load Modulation Manchester-codiert übertragen. Die Grafik zeigt exemplarisch, wie die entsprechende Kurvenform aussieht und wie 1 und 0 codiert werden. 

Der Oszilloskop-Screenshot (Bild 5) zeigt das aufgenommene Signal (gelb) und den dazugehörigen Takt (türkis). Die lilafarbene Kurve zeigt die einfache mathematische Verknüpfung des Taktes mit dem aufgenommenen Signal. Aufgrund der Struktur der Modulation entsteht ein Ergebnis, das es einfach macht, eine codierte Null von einer codierten Eins zu unterscheiden. Zur Verdeutlichung wurden manuell (in weiß) die entsprechenden Werte in die Grafik eingetragen. Mit diesem Trick kann man auch ohne echte Dekodierungsfunktion eine grafische Auswertung durchführen. Für diese und viele weitere Anwendungen in Entwicklung und Produktion bietet Rigol Oszilloskope mit Bandbreiten von 50 MHz bis 1 GHz, mit zwei oder vier analogen Eingangskanälen, mit Abtastraten von 1 bis 5 GSample/s, mit und ohne integriertem 16-Kanal-Logikanalysator an; einige Modelle sind zudem mit einem zweikanaligen arbiträren Funktionsgenerator ausgestattet.

 

Thomas Rottach ist Application Engineer von Rigol Technologies EU.