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实现非接触资讯交换,NFC射频测试扮演重要角色

2018年07月25日

  近距离无线通讯(NFC)将现有的非接触式辨识技术与互联互通技术相结合并加以发展,由索尼(Sony)与恩智浦半导体(NXP)(前身为Philips)共同研发。NFC可广泛用于各种资讯交换,例如电话号码、图像、MP3档、数字式授权、电子钱包、广告资讯、产品资讯等。这种资讯交换可在两个具有NFC功能的电子设备(如手机)之间进行,抑或于具有NFC功能的手机和与其相容并位于近距离内的无线射频辨识系统(RFID)晶片卡或读取器之间完成。NFC被用作控制获取资讯的密钥以及诸如电子收费、通行证、访问控制以及各种数据交换等服务,将可以彻底改变人们的生活模式与习惯。

  NFC应用包罗万象

  NFC工作在以13.56MHz为中心的频段,并在约10公分范围内提供速率达424kbit/s的数据传输。与工作在该频段的传统式非接触式技术(只有主动被动式通讯)不同,具有NFC功能的电子设备之间的通讯可以是主动主动式(端对端技术),也可以是主动被动式。因此,NFC意味着一个在RFID网域的连接。此外,NFC与被广泛使用的智能卡基础架构向后兼容,如基于ISO/IEC 14443 A(像NXP的MIFARE技术)和ISO/IEC 14443 B的架构,同时也与Sony的FeliCa卡(JIS X 6319-4)相容。实现NFC设备之间的资讯交换,在标准ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通讯协议。NFC论坛于2004年由NXP、Sony及诺基亚(Nokia)共同创办,并藉此协调和促进NFC技术的发展。NFC论坛还制定保证各种NFC设备及服务之间互联互通的技术规范。所有上述的标准(ISO/IEC 14443 A、B、ISO/IEC 18092以及JIS X 6319-4/FeliCa)都被涵盖在内,并自2010年12月起,NFC论坛为NFC设备的兼容性提供证明。

  为确保手机与不同厂家的RFID晶片卡之间的互联互操作性,须要对各种NFC设备进行协议及射频测试。其中射频测试主要包括测量有关时间方面的参数、载频与查询模式下的讯号强度和接收灵敏度、负载调变参数(收听讯号的强度)等。

  简易性广泛应用

  在前面已提及一些NFC应用。其中最显著特点是使用的简易性:只须简单接触或靠近具有NFC功能的设备,便可启动所需的服务。以下是一些典型的应用。

  .行动式付费

  用NFC手机购票或付计程车费用,以及在非接触式售货点用NFC手机付费,或将收据存入NFC手机。

  .权限及访问控制

  将电子密钥权限证明资讯存入NFC手机、访问保密机构、登录保密电脑、开车门、设置居家办公室。

  .数据传输与交换

  在各种NFC设备之间进行数据传输(端对端数据交换)如在NFC手机、数字相机、笔记本电脑间交换名片;把相机靠近打印机并印出照片。

  .启动其他服务

  例如为数据传输启动其他通讯连接、设置蓝牙(Bluetooth)及无线局域网络(WLAN)连接。

  .读取资讯

  将智能型广告中的时间表、地图存入NFC手机,或者位置存入NFC手机,如停车位置。

  .购票

  把各种票券存入NFC手机,如电影,音乐会,体育比赛等等。

  NFC数据传播原理

  与RFID标准14443及FeliCa相似,NFC使用感应耦合,类似变压器的原理,如图1所示,NFC利用两个导电线圈的磁场以耦合查询设备(激励设备)与收听设备(目标设备)。

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  图1 查询设备(激励设备)与收听设备(目标设备)之结构配置

  NFC工作频率是13.56MHz,传输速率106kbit/s(部分地可达到212kbit/s甚至424kbit/s)。调变方式为不同调变深度的OOK(100%或10%)及二进位相移键控(BPSK)。

  查询设备的功率与数据传输

  被动系统(如处于被动卡仿真模式下的NFC手机)进行传输时,其藉以查询设备的13.56MHz载波讯号作为驱动能源。查询设备的调变方式为ASK。在NFC端对端模式下,双方都处于查询状态,其讯号都被加以调变及编码。此时,所需功率相对减少,因为每个NFC设备都有各自的能源供给,并且传输结束后载波讯号自动停止发射。

  收听设备数据传输

  由于查询设备与收听设备的线圈之间的耦合,被动的收听设备同样作用于主动的查询设备。收听设备的阻抗变化,直接会影响查询设备天线端电压幅度或相位变化,而查询设备可检测此变化,这就是负载调变技术。使用848kHz辅助载波的负载调变用于收听模式(如ISO/IEC 14443),其中辅助载波由基带讯号加以调变,并以此改变收听设备的阻抗。图2显示负载调变的频谱。调变方式为ASK(如ISO/IEC 14443 A PICC)或BPSK(如14443 B PICC)。此外,还有第三种被动模式,它与FeliCa兼容,其负载调变不使用辅助载波,而为直接作用于13.56MHz载波的ASK调变。

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  图2 基于13.56MHz载波并使用848kHz辅助载波的负载调变,而图中的三角形表示载波及辅助载波的调变频谱(由于NFC使用时分多路通讯,三组谱线并不同时出现)

  调变方式与编码

  如图3~5所示,其调变方式为不同调变深度的OOK(100%或10%)及BPSK(如ISO/IEC 14443 B PICC)。

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  图3 100%调变深度的ASK

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  图4 10%调变深度的ASK

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  图5 BPSK调变

  如图6所示,NFC使用NRZ-L、变形米勒(Modified Miller)以及Manchester编码。NRZ-L编码的一个位若是高电位即代表逻辑1,低电位则代表逻辑0。曼彻斯特(Manchester)编码将每一个位分成两段,逻辑1的前半段为高电位,后半段为低电位。逻辑0的前半段为低电位,后半段为高电位。

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  图6 NFC使用三种编码中的一种:NRZ-L、Modified Miller或Manchester(请参见表1和表2)

  Modified Miller编码也将每一个位分成两段,逻辑1后半段的起始有一个低电位脉冲,而逻辑0以一个低电位脉冲开始。其中的例外是,当逻辑1之后为逻辑0时,不出现逻辑0的低电位脉冲,讯号保持为高电位。

  图7显示使用ASK调变及Manchester编码的负载调变(如处于被动卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A设备)。

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  图7 使用辅助载波的负载调变在时域及频域的图示

  NFC标准/标签类型多样

  以下将进一步针对NFC标准的演进以及其主要的工作模式、标签类型进行更详细的说明。

  NFC标准的沿革

  三大标准ISO/IEC 14443 A,ISO/IEC 14443 B以及JIS X 6319-4皆属于RFID标准,由不同公司(NXP、Infineon及Sony)提出。第一个射频NFC标准是ECMA 340,并基于ISO/IEC 14443 A与JIS X 6319-4的空中接口。之后,ECMA 340被编入标准ISO/IEC 18092。与此同时,信用卡的主要发卡公司(Europay、Mastercard、Visa)也开始推广基于ISO/IEC 14443 A与ISO/IEC 14443 B的付费标准EMVCo。在NFC论坛上,两大群体将空中接口一致化,并分别命名为NFC-A(基于ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(基于ISO/IEC 14443 B)以及NFC-F(基于FeliCa)。图8和图9分别显示了NFC射频与协议标准以及测试规范的沿革过程。

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  图8 NFC射频标准的沿革

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  图9 NFC协议标准的沿革

  调变与编码工作模式

  如图10所示,NFC有三种主要的工作模式,一为被动卡仿真模式(被动模式),这时NFC设备就如同与现存标准相容的非接触式卡片。其二为端对端模式,两个NFC设备进行资讯交换。与读写模式相比,激励设备(查询设备)所需功率相对减少,因为目标设备(收听设备)也有自己的能源供给。最后是读写模式(主动模式),NFC设备处于主动状态,对现存的被动式RFID标签进行读写。

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  图10 NFC的工作模式

  上述的每一种模式都可以与下面的任意一种传输技术相互结合:NFC-A(与ISO/IEC 14443 A)向后兼容、NFC-B(与ISO/IEC 14443 B)向后兼容、NFC-F(与JIS X 6319-4)向后兼容。为支持所有各种不同技术,如图11显示,处于查询模式下的NFC设备首先用相应的请求讯号试探NFC-A,NFC-B以及NFC-F标签的反应。当从相容设备得到反应后,NFC设备便依照标准建立通讯模式(NFC-A,NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通讯模式(主动或被动)、传输技术(NFC-A,-B,-F)以及传输速率(比特率)的不同,进行相应的编码与调变。

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  图11 查询模式下辨识过程之流程图(主要流程)

  表1列出对应于NFC-A、-B和-F传输技术的编码,以及调变和数据速率

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  NFC标签分四种类型

  NFC标签是被动设备,可用于与NFC主动设备进行通讯。NFC标签主要用于广告,以及用于存储数量不大的资讯并将资讯传送给NFC主动设备等领域。依照不同的格式和容量,NFC标签被分为四种基本类型并以类型1~4命名(表2)。其格式分别基于ISO 14443的类型A与B以及Sony的FeliCa。

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