增強(qiáng)型NFC技術(shù)如何提高移動(dòng)設(shè)備的互操作性通過率

在過去的數(shù)十年里，數(shù)以億計(jì)的人在他們的皮夾、錢包或手提包中放有非接觸式卡片。首批非接觸式卡片是價(jià)格低廉、如信用卡般大小的塑料卡片，被用于控制人們出入火車、電車或公交車的權(quán)限。它使用起來快速、便利，于是理所當(dāng)然大受消費(fèi)者的歡迎。在過去十年中，非接觸式技術(shù)已延伸至支付卡（如：借記卡、信用卡和充值卡），用于加快報(bào)攤、咖啡店和便利店等快節(jié)奏零售環(huán)境中的交易速度。

事實(shí)上，廣泛采用非接觸式技術(shù)的條件已臻于完善：

* 消費(fèi)者了解并接受這項(xiàng)技術(shù)

* 非接觸式讀卡器已被大量安裝（在銷售點(diǎn)終端設(shè)備、驗(yàn)票處及其他地點(diǎn)）

* 數(shù)以千計(jì)的零售商、銀行、交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商及其它機(jī)構(gòu)，都已使用這類非接觸式通訊基礎(chǔ)設(shè)施，用于付費(fèi)管理和出入控制。

然而，有一個(gè)重要元素被忽略了：許多消費(fèi)者不管到哪里都會(huì)隨身攜帶一個(gè)智能手機(jī)。理論上，它可以仿真非接觸式卡片，讓用戶能用一個(gè)設(shè)備取代多張卡片。

對(duì)于商家及交通服務(wù)商而言，這是非常可取的：以可下載的應(yīng)用程序取代卡片，可以省下提供卡片的成本；再者，當(dāng)消費(fèi)者感到愈加便利時(shí)，會(huì)加速這項(xiàng)技術(shù)的普及，進(jìn)而有助于商家及交通服務(wù)商增加營收并改善營運(yùn)效率。

手機(jī)制造商也同樣熱切地希望能在他們的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)非接觸技術(shù)，以增加其設(shè)備的價(jià)值并提高他們對(duì)消費(fèi)者的吸引力。

這項(xiàng)技術(shù)的初次嘗試是在21世紀(jì)初，源于近場(chǎng)通訊技術(shù)（Near Field Communications，NFC）的發(fā)布。NFC技術(shù)是在NFC論壇支持下的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，它和仿真卡片一樣，都可以支持讀卡器模式，使設(shè)備可以讀取NFC標(biāo)簽及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（peer-to-peer）模式。

但是早期的的應(yīng)用沒有適當(dāng)考慮手機(jī)的電氣和機(jī)械限制。特別是作為NFC讀卡器，相對(duì)于專用的NFC讀卡器，例如非接觸式支付終端，手機(jī)針對(duì)天線所能提供的電能和可用的空間要少很多。要使手機(jī)達(dá)到與讀取器相當(dāng)?shù)男苁窍喈?dāng)困難的。

不過，更重要的是缺乏一個(gè)受客戶歡迎的手機(jī)應(yīng)用。簡(jiǎn)單來說，就是手機(jī)使用者不知道拿口袋里的NFC讀卡器做什么。

如果手機(jī)可以作為NFC標(biāo)簽使用，便能仿真多種非接觸式卡片。同時(shí)，它還將成為一個(gè)廣受歡迎和使用的應(yīng)用：消費(fèi)者不僅能用自己最愛的設(shè)備出入建筑物、火車和公交車，還能用它在商店付費(fèi)、使用優(yōu)惠券和積累點(diǎn)數(shù)。

所以，智能手機(jī)制造商要如何實(shí)現(xiàn)可靠的NFC標(biāo)簽功能呢？讓我們先了解下NFC標(biāo)簽是如何與讀卡器進(jìn)行通訊的。

非接觸卡片的被動(dòng)負(fù)載調(diào)制

NFC技術(shù)需要一對(duì)天線的電感耦合。耦合系數(shù)為k，代表一對(duì)讀卡器/卡片天線組耦合的易感程度。系數(shù)的值介于0與1之間，主要是依據(jù)天線的幾何參數(shù)和天線之間的距離而定。

在正常情況下，當(dāng)卡片的天線小于讀取器天線時(shí)，無論與讀卡器天線的特定距離為何，耦合系數(shù)都會(huì)與卡片天線的表面積呈正比：表面越大，耦合系數(shù)越大。

當(dāng)使用一般的“被動(dòng)負(fù)載調(diào)變（PLM）”方式來傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，k的數(shù)值通常需介于0.03和0.3之間。

非接觸式NFC交易是一連串的讀卡器指令，每一個(gè)指令后面都會(huì)有一個(gè)來自卡片的應(yīng)答。PLM被用于非接觸式卡片以及除了Apple iPhone 6 及iPhone 6 Plus所有現(xiàn)有的NFC手機(jī)，其運(yùn)作是借由切換至卡片天線的被動(dòng)（電阻或電容）負(fù)載實(shí)現(xiàn)（請(qǐng)見圖1）。一個(gè)默認(rèn)負(fù)載會(huì)響應(yīng)非調(diào)制狀態(tài)，而開關(guān)負(fù)載會(huì)響應(yīng)調(diào)制狀態(tài)。當(dāng)讀卡器和卡片天線電感耦合時(shí)，讀卡器的接收器能感測(cè)到這些負(fù)載變化，并將之解碼以從信號(hào)中抽取信息。

圖1：實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式負(fù)載調(diào)制的電路。

在制作NFC系統(tǒng)時(shí)，將負(fù)載調(diào)制幅度納入考慮是很重要的：這是讀卡器接收機(jī)所感測(cè)到的調(diào)變和非調(diào)變電壓的差異 （請(qǐng)見圖3）。如果這幅度降至特定的最小值之下，接收機(jī)則將無法可靠地感測(cè)到卡片信號(hào)調(diào)變。所有其他部份都是相等的，k的數(shù)值越大，則負(fù)載調(diào)變幅度越大。

當(dāng)被用于非接觸式卡片中時(shí)，PLM可以穩(wěn)定地輸出充足的負(fù)載調(diào)變幅度。非接觸式卡片的標(biāo)準(zhǔn)尺寸一般是ID-1，為一張信用卡大小。其中內(nèi)嵌一個(gè)大天線，針對(duì)現(xiàn)今的讀卡器能提供6厘米的接收范圍。的確，非接觸式卡片系統(tǒng)的性能非常優(yōu)良，使用者無需將非接觸式卡片從皮夾或手提包中拿出來，便可在公共交通系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)驗(yàn)票操作。

事實(shí)上，消費(fèi)者期望非接觸式系統(tǒng)能運(yùn)作得更為迅速實(shí)時(shí)且完全可靠，讓他們的非接觸式裝置能從各個(gè)方向接近讀取器，無論是通過手持、或是當(dāng)設(shè)備是完全隱藏在皮夾或皮包里。

這對(duì)智能手機(jī)制造者則構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。因?yàn)槭謾C(jī)中包含許多無線電設(shè)備和天線，且是被包覆在金屬中。手機(jī)的電路板上密布著各種組件，而且消費(fèi)者需要的更大顯示屏幕及電池正占據(jù)越來越多的可用空間。

這樣的環(huán)境對(duì)于PLM而言可說是完全不適合。局促的空間尺寸只容得下微小的天線。各種各樣的金屬和相互干擾的射頻信號(hào)也會(huì)嚴(yán)重影響手機(jī)和讀卡器天線耦合的能力。

這一情況帶來的結(jié)果便是糟糕的消費(fèi)體驗(yàn)：交易常常失敗或者得花上好幾秒才能完成，而且消費(fèi)者被迫得從皮包中拿出手機(jī)并小心翼翼地靠近讀卡器，這讓他們覺得很不方便。

如何補(bǔ)償?shù)婉詈舷禂?shù)

設(shè)計(jì)上的限制阻礙手機(jī)制造商尋求增加k數(shù)值的嘗試，如以上所示，這些嘗試都需大幅增加手機(jī)NFC天線面積。

因此，欲提升手機(jī)的卡片仿真模式的效能，相關(guān)努力多集中于增加負(fù)載調(diào)變幅度。而現(xiàn)在已經(jīng)找到了一個(gè)可行的方法，叫做主動(dòng)負(fù)載調(diào)變（AcTIve Load ModulaTIon， ALM）。

ALM利用移動(dòng)設(shè)備的電池電源進(jìn)行供電。在ALM中，一個(gè)和讀卡器磁場(chǎng)同步的載波信號(hào)會(huì)在調(diào)變狀態(tài)期間被傳送，并且在非調(diào)變狀態(tài)期間關(guān)閉（請(qǐng)見圖2）。這種運(yùn)作方式叫做AND模式。而這在更高效的技術(shù)版本中被稱作XOR模式，該模式下一個(gè)和讀卡器磁場(chǎng)同步的信號(hào)會(huì)在調(diào)變狀態(tài)期間被傳送，而在非調(diào)變狀態(tài)期間則是傳送一個(gè)180° 相移信號(hào)。相較于AND模式，XOR模式使讀取器所感測(cè)到的負(fù)載調(diào)變強(qiáng)度翻倍。如此，就能使用小得多的天線。

ALM 信號(hào)被耦合至讀卡器的天線。根據(jù)其與讀卡器磁場(chǎng)的相位差，耦合ALM信號(hào)或是增加或是減小讀卡器的信號(hào)，以形成負(fù)載調(diào)變信號(hào)。

ALM的主要優(yōu)點(diǎn)就是，它能在耦合系數(shù)低于100倍的情況下，達(dá)到與PLM設(shè)備相同的負(fù)載調(diào)變幅度 （請(qǐng)見圖3）。

圖2：主動(dòng)負(fù)載調(diào)變電路圖。

圖3：ALM能使用小于典型PLM系統(tǒng)天線100倍之多的天線。

一個(gè)典型的非接觸式卡片天線的面積為4，000mm2，可以成功實(shí)現(xiàn)PLM。ALM電路則能以僅僅40mm2的天線在讀卡器接收機(jī)達(dá)到相同的負(fù)載調(diào)變幅度，提供同樣的消費(fèi)者體驗(yàn)。

對(duì)于手機(jī)制造商而言，這種尺寸的天線成本幾近于0 ——它甚至可實(shí)現(xiàn)在主板上印刷電路板天線。它不需要鐵氧體屏蔽。就比較來看，具有鐵氧體和連接器的大型天線的成本將近1美元。再者，NFC 天線可放在對(duì)用戶而言最好的位置。例如當(dāng)放在后置鏡頭附近時(shí)，用戶只需要將手機(jī)頂部輕觸讀卡器即可。

相對(duì)而言，放在智能手機(jī)背蓋或電池中的大型天線是造成用戶失望的原因。一般而言，他們會(huì)將手機(jī)拿在手中，所以手機(jī)天線無法準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)讀卡器天線。當(dāng)他們將手機(jī)掃過非接觸式讀取器前面時(shí)，交易會(huì)失敗。所以用戶必須學(xué)會(huì)將手機(jī)小心翼翼地很靠近讀卡器，非接觸式傳輸才能成功——這樣的動(dòng)作和使用非接觸式卡片的體驗(yàn)相當(dāng)不同。

圖4：小型天線可以輕易放入設(shè)備中，提供最佳用戶體驗(yàn)。

在圖4中，讀卡器天線被標(biāo)記為黃色。基于PLM的解決方案所需的大型天線則是被標(biāo)記為橘色，是手握裝置的地方。相對(duì)而言，ALM解決方案所使用的小型天線則是被標(biāo)記為紅色，它的位置非常理想，能成功完成NFC交易。

由于能使用非常小的天線，ALM 也非常適合用于可穿戴設(shè)備中?？纱┐髟O(shè)備的空間有限，只能容納小型天線，然而采用小型天線的PLM解決方案不能提供令人滿意的通訊范圍。

交通和支付系統(tǒng)讀寫器互操作性的改善

Ams（艾邁斯）開發(fā)的一系列NFC標(biāo)簽?zāi)MIC采用了ALM的運(yùn)作原理，所有產(chǎn)品皆采用了其“增強(qiáng)型NFC”技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用到最新的智能手機(jī)中時(shí)，增強(qiáng)型NFC用40mm2的天線來匹配非接觸式卡片的性能。

然而天線尺寸的縮小并非是增強(qiáng)型NFC唯一的好處，它也能支持負(fù)載調(diào)變信號(hào)的各種電氣參數(shù)，包括：

* 自動(dòng)功率控制（AutomaTIc Power Control）功能，當(dāng)手機(jī)接近讀卡器時(shí)（換句話說，就是耦合系數(shù)變高時(shí)），這個(gè)功能可減少輸出電壓，從而防止讀卡器接收機(jī)的飽和。

* 根據(jù)讀卡器的磁場(chǎng)配置主動(dòng)負(fù)載調(diào)變（AcTIve Load Modulation）信號(hào)的相位差，這可以提高手機(jī)在幾乎離開讀取器的范圍時(shí)交易的可靠度。

* 可設(shè)定的靈敏度以及支持各種不同外觀尺寸的天線。極低的靈敏度能確保讀卡器至卡片的鏈接絕對(duì)不會(huì)對(duì)交易范圍造成限制。

* 精確的計(jì)時(shí)機(jī)制，這能確保讀卡器指令和卡片響應(yīng)之間的延遲符合非接觸式標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的嚴(yán)苛限制。這個(gè)機(jī)制能補(bǔ)償發(fā)生在NFC控制器端的各種變化。

* 自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control），能提供讀卡器信號(hào)的正確解調(diào)變，并容納終端設(shè)計(jì)，特別是公共運(yùn)輸系統(tǒng)的各種變化。

所有的這些功能都能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配置，以提供相對(duì)于既有NFC解決方案更高的互操作性通過率。當(dāng)應(yīng)用于付費(fèi)手續(xù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)百分之百的通過率。

此外，增強(qiáng)型NFC 技術(shù)提供一種方法，讓代工制造商能適應(yīng)已安裝讀取器的不一致性，這是由于非接觸式支付卡交易標(biāo)準(zhǔn)EMVCo的不斷修改。（對(duì)于已運(yùn)作十年的銷售點(diǎn)終端而言，這并不稀奇。）隨著老化，讀卡器的效能也會(huì)發(fā)生變化，而讀取器效能的差異也可能源自于制造和安裝的不一致性。

極小的天線也能避免讀取器天線失諧的問題，而大型天線會(huì)發(fā)生這種問題。EMVCo對(duì)非接觸式通訊范圍的要求已從4cm放寬至最小2cm，主要針對(duì)采用較差性能PLM解決方案的 NFC手機(jī)。而這幾乎無法達(dá)到使用者的期望。不過幸運(yùn)的是，這個(gè)放寬的標(biāo)準(zhǔn)在未來是沒有必要的，因?yàn)樵鰪?qiáng)型NFC 將能讓 NFC 手機(jī)的效能和傳統(tǒng)的非接觸卡片一樣好，甚至是更佳。

ams的NFC booster IC- AS3922可提供 ALM技術(shù)，能用于UICC和microSD NFC連接卡。這讓沒有內(nèi)設(shè)NFC功能的手機(jī)和小型配件都可以模擬非接觸式卡片。

AS3923及 AS39230作為 NFC控制器的附加組件被集合于電子設(shè)備中，主要是用來取代控制器的模擬前端（請(qǐng)見圖4）。AS39230也支持NFC的主動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式及卡片模擬。

在ams的實(shí)際操作中，ALM對(duì)于電池運(yùn)作壽命幾乎沒有影響，因?yàn)樵鰪?qiáng)型NFC組件會(huì)維持省電模式，直到它偵測(cè)到非接觸式交易的發(fā)生。

數(shù)字IC制造商也試圖實(shí)現(xiàn)ALM，然而ALM系統(tǒng)所需的模擬電路非常不適合先進(jìn)數(shù)字IC的超小電路特性，因此，集成ALM的數(shù)字安全組件（Secure Elements）或NFC控制器的負(fù)載調(diào)變效能都很差。相對(duì)而言，ams電子組件采用的純粹模擬電路能提供最佳的效能，可滿足習(xí)慣于使用便捷非接觸式卡片的消費(fèi)者對(duì)非接觸式技術(shù)的期望，因此該組件已被用于現(xiàn)今市場(chǎng)上最頂尖的智能手機(jī)中。

圖5：增強(qiáng)型NFC 被用于主NFC控制器的附加芯片（AS3923）中。

結(jié)論

非接觸式卡片現(xiàn)今已被廣泛用于公共運(yùn)輸系統(tǒng)，以及商店的非接觸付費(fèi)交易中。數(shù)以億計(jì)的消費(fèi)者隨身帶著一個(gè)智能手機(jī)，理論上它可以模擬智能卡，讓用戶能用隨身攜帶的單一裝置來取代多張卡片。

要在智能手機(jī)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)非接觸式卡片功能，可以說是充滿了挑戰(zhàn)。非接觸式卡片用于與非接觸式讀寫器通訊的被動(dòng)式負(fù)載調(diào)變方法需要使用大型天線，且需要為射頻信號(hào)提供良好環(huán)境。然而智能手機(jī)的空間狹小、格局擁擠，布滿金屬物件且會(huì)受到射頻干擾。

因此，智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備制造商已轉(zhuǎn)向另一種實(shí)現(xiàn)NFC非接觸式通訊的方式：主動(dòng)式負(fù)載調(diào)變。這篇文章旨在描述主動(dòng)式負(fù)載調(diào)變的運(yùn)作方式，并說明此種方式應(yīng)用于智能手機(jī)中的好處。