實(shí)現(xiàn)非接觸資訊交換NFC射頻測(cè)試扮要角

近距離無(wú)線通訊(NFC)將現(xiàn)有的非接觸式辨識(shí)技術(shù)與互聯(lián)互通技術(shù)相結(jié)合并加以發(fā)展，由索尼(Sony)與恩智浦半導(dǎo)體(NXP)(前身為Philips)共同研發(fā)。NFC可廣泛用于各種資訊交換，例如電話號(hào)碼、圖像、MP3檔、數(shù)字式授權(quán)、電子錢(qián)包、廣告資訊、產(chǎn)品資訊等。這種資訊交換可在兩個(gè)具有NFC功能的電子設(shè)備(如手機(jī))之間進(jìn)行，抑或于具有NFC功能的手機(jī)和與其相容并位于近距離內(nèi)的無(wú)線射頻辨識(shí)系統(tǒng)(RFID)晶片卡或讀取器之間完成。NFC被用作控制獲取資訊的密鑰以及諸如電子收費(fèi)、通行證、訪問(wèn)控制以及各種數(shù)據(jù)交換等服務(wù)，將可以徹底改變?nèi)藗兊纳钅Ｊ脚c習(xí)慣。

NFC應(yīng)用包羅萬(wàn)象

NFC工作在以13.56MHz為中心的頻段，并在約10公分范圍內(nèi)提供速率達(dá)424kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。與工作在該頻段的傳統(tǒng)式非接觸式技術(shù)(只有主動(dòng)被動(dòng)式通訊)不同，具有NFC功能的電子設(shè)備之間的通訊可以是主動(dòng)主動(dòng)式(端對(duì)端技術(shù))，也可以是主動(dòng)被動(dòng)式。因此，NFC意味著一個(gè)在RFID網(wǎng)域的連接。此外，NFC與被廣泛使用的智能卡基礎(chǔ)架構(gòu)向后兼容，如基于ISO/IEC 14443 A(像NXP的MIFARE技術(shù))和ISO/IEC 14443 B的架構(gòu)，同時(shí)也與Sony的FeliCa卡(JIS X 6319-4)相容。實(shí)現(xiàn)NFC設(shè)備之間的資訊交換，在標(biāo)準(zhǔn)ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通訊協(xié)議。NFC論壇于2004年由NXP、Sony及諾基亞(Nokia)共同創(chuàng)辦，并藉此協(xié)調(diào)和促進(jìn)NFC技術(shù)的發(fā)展。NFC論壇還制定保證各種NFC設(shè)備及服務(wù)之間互聯(lián)互通的技術(shù)規(guī)范。所有上述的標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC 14443 A、B、ISO/IEC 18092以及JIS X 6319-4/FeliCa)都被涵蓋在內(nèi)，并自2010年12月起，NFC論壇為NFC設(shè)備的兼容性提供證明。

為確保手機(jī)與不同廠家的RFID晶片卡之間的互聯(lián)互操作性，須要對(duì)各種NFC設(shè)備進(jìn)行協(xié)議及射頻測(cè)試。其中射頻測(cè)試主要包括測(cè)量有關(guān)時(shí)間方面的參數(shù)、載頻與查詢模式下的訊號(hào)強(qiáng)度和接收靈敏度、負(fù)載調(diào)變參數(shù)(收聽(tīng)訊號(hào)的強(qiáng)度)等。

簡(jiǎn)易性廣泛應(yīng)用

在前面已提及一些NFC應(yīng)用。其中最顯著特點(diǎn)是使用的簡(jiǎn)易性：只須簡(jiǎn)單接觸或靠近具有NFC功能的設(shè)備，便可啟動(dòng)所需的服務(wù)。以下是一些典型的應(yīng)用。

.行動(dòng)式付費(fèi)

用NFC手機(jī)購(gòu)票或付計(jì)程車費(fèi)用，以及在非接觸式售貨點(diǎn)用NFC手機(jī)付費(fèi)，或?qū)⑹論?jù)存入NFC手機(jī)。

.權(quán)限及訪問(wèn)控制

將電子密鑰權(quán)限證明資訊存入NFC手機(jī)、訪問(wèn)保密機(jī)構(gòu)、登錄保密電腦、開(kāi)車門(mén)、設(shè)置居家辦公室。

.數(shù)據(jù)傳輸與交換

在各種NFC設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(端對(duì)端數(shù)據(jù)交換)如在NFC手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、筆記本電腦間交換名片;把相機(jī)靠近打印機(jī)并印出照片。

.啟動(dòng)其他服務(wù)

例如為數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)其他通訊連接、設(shè)置藍(lán)牙(Bluetooth)及無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)連接。

.讀取資訊

將智能型廣告中的時(shí)間表、地圖存入NFC手機(jī)，或者位置存入NFC手機(jī)，如停車位置。

.購(gòu)票

把各種票券存入NFC手機(jī)，如電影，音樂(lè)會(huì)，體育比賽等等。

NFC數(shù)據(jù)傳播原理

與RFID標(biāo)準(zhǔn)14443及FeliCa相似，NFC使用感應(yīng)耦合，類似變壓器的原理，如圖1所示，NFC利用兩個(gè)導(dǎo)電線圈的磁場(chǎng)以耦合查詢?cè)O(shè)備(激勵(lì)設(shè)備)與收聽(tīng)設(shè)備(目標(biāo)設(shè)備)。

圖1 查詢?cè)O(shè)備(激勵(lì)設(shè)備)與收聽(tīng)設(shè)備(目標(biāo)設(shè)備)之結(jié)構(gòu)配置

NFC工作頻率是13.56MHz，傳輸速率106kbit/s(部分地可達(dá)到212kbit/s甚至424kbit/s)。調(diào)變方式為不同調(diào)變深度的OOK(100%或10%)及二進(jìn)位相移鍵控(BPSK)。

查詢?cè)O(shè)備的功率與數(shù)據(jù)傳輸

被動(dòng)系統(tǒng)(如處于被動(dòng)卡仿真模式下的NFC手機(jī))進(jìn)行傳輸時(shí)，其藉以查詢?cè)O(shè)備的13.56MHz載波訊號(hào)作為驅(qū)動(dòng)能源。查詢?cè)O(shè)備的調(diào)變方式為ASK。在NFC端對(duì)端模式下，雙方都處于查詢狀態(tài)，其訊號(hào)都被加以調(diào)變及編碼。此時(shí)，所需功率相對(duì)減少，因?yàn)槊總€(gè)NFC設(shè)備都有各自的能源供給，并且傳輸結(jié)束后載波訊號(hào)自動(dòng)停止發(fā)射。

收聽(tīng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

由于查詢?cè)O(shè)備與收聽(tīng)設(shè)備的線圈之間的耦合，被動(dòng)的收聽(tīng)設(shè)備同樣作用于主動(dòng)的查詢?cè)O(shè)備。收聽(tīng)設(shè)備的阻抗變化，直接會(huì)影響查詢?cè)O(shè)備天線端電壓幅度或相位變化，而查詢?cè)O(shè)備可檢測(cè)此變化，這就是負(fù)載調(diào)變技術(shù)。使用848kHz輔助載波的負(fù)載調(diào)變用于收聽(tīng)模式(如ISO/IEC 14443)，其中輔助載波由基帶訊號(hào)加以調(diào)變，并以此改變收聽(tīng)設(shè)備的阻抗。圖2顯示負(fù)載調(diào)變的頻譜。調(diào)變方式為ASK(如ISO/IEC 14443 A PICC)或BPSK(如14443 B PICC)。此外，還有第三種被動(dòng)模式，它與FeliCa兼容，其負(fù)載調(diào)變不使用輔助載波，而為直接作用于13.56MHz載波的ASK調(diào)變。

圖2 基于13.56MHz載波并使用848kHz輔助載波的負(fù)載調(diào)變，而圖中的三角形表示載波及輔助載波的調(diào)變頻譜(由于NFC使用時(shí)分多路通訊，三組譜線并不同時(shí)出現(xiàn))

調(diào)變方式與編碼

如圖3～5所示，其調(diào)變方式為不同調(diào)變深度的OOK(100%或10%)及BPSK(如ISO/IEC 14443 B PICC)。

圖3 100%調(diào)變深度的ASK

圖4 10%調(diào)變深度的ASK

圖5 BPSK調(diào)變

如圖6所示，NFC使用NRZ-L、變形米勒(Modified Miller)以及Manchester編碼。NRZ-L編碼的一個(gè)位若是高電位即代表邏輯1，低電位則代表邏輯0。曼徹斯特(Manchester)編碼將每一個(gè)位分成兩段，邏輯1的前半段為高電位，后半段為低電位。邏輯0的前半段為低電位，后半段為高電位。

圖6 NFC使用三種編碼中的一種：NRZ-L、Modified Miller或Manchester(請(qǐng)參見(jiàn)表1和表2)

Modified Miller編碼也將每一個(gè)位分成兩段，邏輯1后半段的起始有一個(gè)低電位脈沖，而邏輯0以一個(gè)低電位脈沖開(kāi)始。其中的例外是，當(dāng)邏輯1之后為邏輯0時(shí)，不出現(xiàn)邏輯0的低電位脈沖，訊號(hào)保持為高電位。

圖7顯示使用ASK調(diào)變及Manchester編碼的負(fù)載調(diào)變(如處于被動(dòng)卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A設(shè)備)。

圖7 使用輔助載波的負(fù)載調(diào)變?cè)跁r(shí)域及頻域的圖示

NFC標(biāo)準(zhǔn)/標(biāo)簽類型多樣

以下將進(jìn)一步針對(duì)NFC標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以及其主要的工作模式、標(biāo)簽類型進(jìn)行更詳細(xì)的說(shuō)明。

NFC標(biāo)準(zhǔn)的沿革

三大標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 14443 A，ISO/IEC 14443 B以及JIS X 6319-4皆屬于RFID標(biāo)準(zhǔn)，由不同公司(NXP、Infineon及Sony)提出。第一個(gè)射頻NFC標(biāo)準(zhǔn)是ECMA 340，并基于ISO/IEC 14443 A與JIS X 6319-4的空中接口。之后，ECMA 340被編入標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18092。與此同時(shí)，信用卡的主要發(fā)卡公司(Europay、Mastercard、Visa)也開(kāi)始推廣基于ISO/IEC 14443 A與ISO/IEC 14443 B的付費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)EMVCo。在NFC論壇上，兩大群體將空中接口一致化，并分別命名為NFC-A(基于ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(基于ISO/IEC 14443 B)以及NFC-F(基于FeliCa)。圖8和圖9分別顯示了NFC射頻與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試規(guī)范的沿革過(guò)程。

圖8 NFC射頻標(biāo)準(zhǔn)的沿革

圖9 NFC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的沿革

調(diào)變與編碼工作模式

如圖10所示，NFC有三種主要的工作模式，一為被動(dòng)卡仿真模式(被動(dòng)模式)，這時(shí)NFC設(shè)備就如同與現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)相容的非接觸式卡片。其二為端對(duì)端模式，兩個(gè)NFC設(shè)備進(jìn)行資訊交換。與讀寫(xiě)模式相比，激勵(lì)設(shè)備(查詢?cè)O(shè)備)所需功率相對(duì)減少，因?yàn)槟繕?biāo)設(shè)備(收聽(tīng)設(shè)備)也有自己的能源供給。最后是讀寫(xiě)模式(主動(dòng)模式)，NFC設(shè)備處于主動(dòng)狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)存的被動(dòng)式RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫(xiě)。

圖10 NFC的工作模式

上述的每一種模式都可以與下面的任意一種傳輸技術(shù)相互結(jié)合：NFC-A(與ISO/IEC 14443 A)向后兼容、NFC-B(與ISO/IEC 14443 B)向后兼容、NFC-F(與JIS X 6319-4)向后兼容。為支持所有各種不同技術(shù)，如圖11顯示，處于查詢模式下的NFC設(shè)備首先用相應(yīng)的請(qǐng)求訊號(hào)試探NFC-A，NFC-B以及NFC-F標(biāo)簽的反應(yīng)。當(dāng)從相容設(shè)備得到反應(yīng)后，NFC設(shè)備便依照標(biāo)準(zhǔn)建立通訊模式(NFC-A，NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通訊模式(主動(dòng)或被動(dòng))、傳輸技術(shù)(NFC-A，-B，-F)以及傳輸速率(比特率)的不同，進(jìn)行相應(yīng)的編碼與調(diào)變。

圖11 查詢模式下辨識(shí)過(guò)程之流程圖(主要流程)

表1列出對(duì)應(yīng)于NFC-A、-B和-F傳輸技術(shù)的編碼，以及調(diào)變和數(shù)據(jù)速率

NFC標(biāo)簽分四種類型

NFC標(biāo)簽是被動(dòng)設(shè)備，可用于與NFC主動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通訊。NFC標(biāo)簽主要用于廣告，以及用于存儲(chǔ)數(shù)量不大的資訊并將資訊傳送給NFC主動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。依照不同的格式和容量，NFC標(biāo)簽被分為四種基本類型并以類型1～4命名(表2)。其格式分別基于ISO 14443的類型A與B以及Sony的FeliCa。