NFC的架構(gòu)與規(guī)范

近年來(lái)由于手機(jī)的功能與普及度快速的成長(zhǎng)，使早期的電子錢(qián)包有了推廣的機(jī)會(huì)點(diǎn)。NFC的演進(jìn)取自于RFID的特定頻段，由于手機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用使的NFC可在較快的時(shí)間點(diǎn)取得標(biāo)準(zhǔn)接口與平臺(tái)，本文將針對(duì)NFC的架構(gòu)與規(guī)范做討論。

　　NFC應(yīng)用

　　電子付費(fèi)系統(tǒng)中，目前應(yīng)用于手機(jī)系統(tǒng)上最完整的解決方案是以NFC(near field communication)為主，市場(chǎng)上也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品流通著，如NOKIA3220、Samsung SGH-X700、VISA WAVE及臺(tái)北捷運(yùn)優(yōu)游卡等，皆是兼容于NFC系統(tǒng)。除了個(gè)人識(shí)別與電子付費(fèi)系統(tǒng)外，NFC也在數(shù)據(jù)傳輸與交換上有了一些吸引人的功能，例如：電子海報(bào)的數(shù)據(jù)下載(包括入場(chǎng)卷、會(huì)展信息)。此外，NFC還可以作為藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)及輸入密碼的簡(jiǎn)化功能，若是使用者具有負(fù)載NFC的藍(lán)牙設(shè)備，即可將NFC分別靠近兩組具有NFC的藍(lán)牙設(shè)備，如此即可不需要透過(guò)藍(lán)牙搜尋及輸入密碼的配對(duì)過(guò)程即可快速連結(jié)。目前韓國(guó)、中國(guó)及歐美已經(jīng)在電信業(yè)者、芯片商與手機(jī)制造商的合作下于公交付費(fèi)系統(tǒng)中進(jìn)行多次的驗(yàn)證，預(yù)期NFC將有快速的成長(zhǎng)。

　　NFC架構(gòu)

　　NFC的操作頻率為13.56MHz，而操作距離約為10cm之內(nèi);而NFC的規(guī)范制定取至于RFID 13.56MHz的頻段，早期運(yùn)用此頻段包括Philips MiFARE(ISO 1443A)、ISO 1443B、ISO15693、ISO18000-3及Sony Felica。由于非接觸卡應(yīng)用于個(gè)人數(shù)據(jù)識(shí)別或電子付費(fèi)系統(tǒng)中強(qiáng)調(diào)于安全機(jī)制，而近乎于貼近卡片閱讀器系統(tǒng)的近場(chǎng)通信及是將13.56MHz中短距系統(tǒng)的部分加以整合，所以最后市場(chǎng)上所見(jiàn)的即為Philips MiFARE(ISO 1443A)及Sony Felica，早期這兩家系統(tǒng)各自發(fā)展互不兼容，直到近年才將兩種規(guī)格合并并制定了NFC規(guī)范ECMA340/ISO18092(NFCIP1，NFC Interface and protocol 1)。此規(guī)范相容于現(xiàn)有Philips MiFARE(ISO 1443A)及Sony Felica。

　　NFC工作頻率為13.56MHz、ASK調(diào)變，傳輸速率可分為106kbps/212kbps/424kbps三種，通信模式可分為主動(dòng)模式與被動(dòng)模式，主動(dòng)模式是指發(fā)起設(shè)備(initiator)與目標(biāo)設(shè)備(target)皆可自身電源供應(yīng)產(chǎn)生RF field，而被動(dòng)模式下則是發(fā)起設(shè)備自身供應(yīng)電源產(chǎn)生RF field;而目標(biāo)設(shè)備則利用全波整流線(xiàn)路將發(fā)起端的RF field之能量轉(zhuǎn)換為DC來(lái)供應(yīng)自己的電源。值得一提的是，在被動(dòng)模式下為了要滿(mǎn)足省電的要求所以采用了負(fù)載調(diào)變(Load modulation)的方式，此調(diào)變方式可以達(dá)到省電的效果。

　　在使用上因?yàn)镹FC的使用通常會(huì)遇到使用尖峰時(shí)期，會(huì)了避免不同的發(fā)起端或目標(biāo)端同時(shí)溝通造成數(shù)據(jù)鏈路錯(cuò)誤，所以NFC采用了一種機(jī)制listen before talk。此機(jī)制會(huì)讓當(dāng)發(fā)起端設(shè)備要發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)前，先偵測(cè)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)判斷是否有其它的設(shè)備正在溝通中，這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)稱(chēng)為RF Collision Avoidance (RFCA)，其動(dòng)作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)時(shí)會(huì)偵測(cè)外界磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)門(mén)坎強(qiáng)度時(shí)(Hthreshold=0.1875A/m)則會(huì)停止詢(xún)問(wèn)，直至外界強(qiáng)度降至門(mén)坎值以下。若是低于臨界值才會(huì)開(kāi)始發(fā)出詢(xún)問(wèn)指令，偵測(cè)的時(shí)間為T(mén)IDT+nTRFW，n為0～3的機(jī)率取樣：TRFW=512/fc(RF waiting time)，TIDT>4096/fc(initial delay time)。當(dāng)發(fā)起設(shè)備在TIDT+nTRFW內(nèi)沒(méi)有偵測(cè)到超過(guò)門(mén)坎強(qiáng)度的磁場(chǎng)，則會(huì)先發(fā)射TIRFG的未調(diào)變RF field之后再發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號(hào)，其中TIRFG必須大于5ms。

　　NFC規(guī)范調(diào)變

　　在此將針對(duì)NFC RF interface做敘述，首先要先介紹EMCA340與EMCA356兩種標(biāo)準(zhǔn)，EMCA340中敘述NFC相關(guān)協(xié)議，這里先引入數(shù)據(jù)封標(biāo)作討論，NFC數(shù)據(jù)分包分為兩種類(lèi)型，一為106kpbs、一為212/424kbps。

　　由于NFC 106kbps為100% ASK調(diào)變，所以對(duì)整個(gè)High/Low信號(hào)的封包結(jié)構(gòu)都有相當(dāng)詳細(xì)的定義。其中幾個(gè)參數(shù)包括從100%下降到5% Am時(shí)間(t1)、5% Am持續(xù)時(shí)間(t2)、Am由5%上升至60%時(shí)間(t4)即overshoot 的范圍。而212/424kbps則是8%～30%的調(diào)變率。

　　RF測(cè)試kit

　　1. Calibration coil：coil的功能在于驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中，待測(cè)物所發(fā)射出的信號(hào)是否為正確的強(qiáng)度與調(diào)變。此Coil為一簡(jiǎn)單的天線(xiàn)架構(gòu)，當(dāng)然EMCA也詳細(xì)的規(guī)定了所有的尺寸，由此coil所測(cè)出的值為0.32V (RMS)=1A/m(磁場(chǎng)強(qiáng)度)。

　　2. Field Generating Antenna：kit用于磁場(chǎng)的發(fā)射，圖中還包含了一組天線(xiàn)匹配線(xiàn)路。

　　3. Sense coil：sense coil用于量測(cè)待測(cè)物的磁場(chǎng)強(qiáng)度與調(diào)變。

　　4. Reference device：reference device用于測(cè)試DUT的標(biāo)準(zhǔn)件。RF測(cè)試程序

　　1. 發(fā)起設(shè)備power測(cè)試：

　　此測(cè)項(xiàng)在測(cè)試由發(fā)起設(shè)備所供給的磁場(chǎng)強(qiáng)度是否供給目標(biāo)物足夠的工作電源。

　　將信號(hào)由generating antenna調(diào)整發(fā)射，于右端的calibration coil量測(cè)到的強(qiáng)度為Hmax(7.5A/m)，此時(shí)再將reference device配合power測(cè)試線(xiàn)路調(diào)整C2使線(xiàn)路共振點(diǎn)位于19MHz(此部份在規(guī)范中并無(wú)詳述為何調(diào)整至19MHz，在此推論若19MHz可達(dá)到3V輸出則當(dāng)目標(biāo)物為13.56MHz時(shí)其電壓一定會(huì)超高3V，此因該為取其下限值)，放置于DUT位置，調(diào)整線(xiàn)路R2使的由C3所得到之電壓值為3V。此時(shí)Reference device已經(jīng)完成，之后再將此卡用來(lái)量測(cè)發(fā)起設(shè)備，將此卡放至于發(fā)起設(shè)備所標(biāo)注之超作范圍，在此超作范圍內(nèi)任意位置所量測(cè)到的電壓值(C3)皆不可超過(guò)3V。至于Hmin測(cè)試則與max大致相同，不同處為將reference device共振頻率調(diào)至13.56MHz及所量測(cè)知電壓值皆須超過(guò)3V。

　　2. 目標(biāo)物的load modulation 測(cè)試：

　　(1)被動(dòng)模式

　　● 106kbps：此測(cè)試為驗(yàn)證目標(biāo)物可正確調(diào)變出波形，先將calibration coil放置于下側(cè)外緣，確定generating antenna所發(fā)射之波形與強(qiáng)度正確無(wú)誤，此時(shí)再將待測(cè)目標(biāo)物放置于上側(cè)外緣，編輯一個(gè)ECMA340 所定義之SENS_REQ波型由generating antenna發(fā)射并在待測(cè)目標(biāo)物會(huì)回送一個(gè)SENS_RES信號(hào)，如此即可透過(guò)二個(gè)sense coil量測(cè)到信號(hào)，此量測(cè)架構(gòu)因考量回傳之負(fù)載調(diào)變信號(hào)微弱，所以利用兩個(gè)sense coil之間電壓差做計(jì)算，由于兼容系問(wèn)題，所以在106kbps延續(xù)MiFARE使用副載波(subcarrier)的調(diào)變作被動(dòng)目標(biāo)物的回傳信號(hào)，所以量測(cè)點(diǎn)應(yīng)于fc+fs與fc-fs(fc=13.56MHz，fs=fc/16)。

　　● 212/424kbps：高速的調(diào)變信號(hào)量測(cè)方式則與106kbps十分相似，只是將量測(cè)擷取位置改為fc，因?yàn)榇藘煞N傳輸速度下并無(wú)使用副載波調(diào)變

　　(2)主動(dòng)模式

　　主動(dòng)模式的測(cè)試與被動(dòng)模式上并無(wú)太大的差異，由于是主動(dòng)模式所以加測(cè)了目標(biāo)物的RF field發(fā)射的時(shí)間，指令下達(dá)的時(shí)間……等。

　　3. 發(fā)起設(shè)備的load modulation 測(cè)試：此測(cè)試在于驗(yàn)證發(fā)起設(shè)備的調(diào)變機(jī)制，可分為主動(dòng)模式發(fā)射與被動(dòng)模式接收兩種。

　　(1) 主動(dòng)模式發(fā)射：將calibration coil放置于發(fā)起設(shè)備所定義的任意位置，而所量測(cè)的波型皆需符合ECMA340所定的規(guī)范。

　　(2) 被動(dòng)模式接收：此為測(cè)試發(fā)起設(shè)備可以正確的接收被動(dòng)目標(biāo)物所回傳的信號(hào)。利用圖7-2的load modulation 測(cè)試線(xiàn)路所做成的reference device，先將對(duì)應(yīng)C3電壓與距離的關(guān)系以圖8的架構(gòu)校正好，之后即可將此卡與發(fā)起設(shè)備的待測(cè)物做量測(cè)，測(cè)試由reference device所發(fā)出的調(diào)變信號(hào)于待測(cè)物端的接收情況。在此只能對(duì)部分的測(cè)試項(xiàng)目做討論而詳細(xì)的測(cè)試請(qǐng)參考ECMA。

　　NFC系統(tǒng)與芯片開(kāi)發(fā)

　　目前市場(chǎng)上所能見(jiàn)到的NFC最為積極推動(dòng)的包括了Philips、NOKIA、Sony與Samsung，而這幾家廠(chǎng)商皆有產(chǎn)品于市場(chǎng)上，包括Philips PN511/PN531、NOKIA 3220，RFMD也預(yù)計(jì)于RF4100與RF4113兩個(gè)具有NFC功能的單芯片，RF4100為藍(lán)牙與NFC整合的系統(tǒng)芯片，具有高整合度的手機(jī)應(yīng)用界面，而RF4113則為NFC系統(tǒng)芯片。RF4100尺寸為5mm×5mm的BGA與3.7mm×3.7mm WLCSP。預(yù)期NFC將會(huì)為手機(jī)應(yīng)用層面帶入一個(gè)新紀(jì)元。