全面解析NFC技術(shù)規(guī)范及測試要求

　　近場通信（Near Field CommunicaTIon，NFC），又稱近距離無線通信，是一種短距離的高頻無線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸（在十厘米內(nèi)）交換數(shù)據(jù)。這個技術(shù)由免接觸式射頻識別（RFID）演變而來，并向下兼容RFID，主要用于手機(jī)等手持設(shè)備中提供M2M（Machine to Machine）的通信。由于近場通訊具有天然的安全性，因此，NFC技術(shù)被認(rèn)為在手機(jī)支付等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。近年來由于手機(jī)的功能與普及度快速的成長，使早期的電子錢包有了推廣的機(jī)會點(diǎn)。NFC的演進(jìn)取自于RFID的特定頻段，由于手機(jī)的市場應(yīng)用使的NFC可在較快的時間點(diǎn)取得標(biāo)準(zhǔn)接口與平臺，本文將針對NFC的架構(gòu)與規(guī)范做一簡要討論。

　　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為主，市場上也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品流通著。除了個人識別與電子付費(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：電子海報的數(shù)據(jù)下載（包括入場卷、會展信息）。此外，NFC還可以作為藍(lán)牙設(shè)備配對及輸入密碼的簡化功能，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藍(lán)牙搜尋及輸入密碼的配對過程即可快速連結(jié)。目前韓國在歐美已經(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)行多次的驗證。

　　NFC—技術(shù)特點(diǎn)：

　　與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區(qū)別。首先，NFC是一種提供輕松、安全、迅速的通信的無線連接技術(shù)，其傳輸范圍比 RFID小，RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米、甚至幾十米，但由于NFC采取了獨(dú)特的信號衰減技術(shù)，相對于RFID來說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)。 其次，NFC與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，目前已經(jīng)成為得到越來越多主要廠商支持的正式標(biāo)準(zhǔn)。再次，NFC還是一種近距離連接協(xié)議，提供各種設(shè)備間輕松、安全、迅速而自動的通信。與無線世界中的其他連接方式相比，NFC是一種近距離的私密通信方式。最后，RFID更多的被應(yīng)用在生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理上，而NFC則在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用。

　　NFC、紅外和藍(lán)牙同為非接觸傳輸方式，它們具有各自不同的技術(shù)特征，可以用于各種不同的目的，其技術(shù)本身沒有優(yōu)劣差別。

　　NFC手機(jī)內(nèi)置NFC芯片，比原先僅作為標(biāo)簽使用的RFID更增加了數(shù)據(jù)雙向傳送的功能，這個進(jìn)步使得其更加適合用于電子貨幣支付的;特別是RFID所不能實現(xiàn)的，相互認(rèn)證和動態(tài)加密和一次性鑰匙（OTP）能夠在NFC上實現(xiàn)。NFC技術(shù)支持多種應(yīng)用，包括移動支付與交易、對等式通信及移動中信息訪問等。通過NFC手機(jī)，人們可以在任何地點(diǎn)、任何時間，通過任何設(shè)備，與他們希望得到的娛樂服務(wù)與交易聯(lián)系在一起，從而完成付款，獲取海報信息等。NFC設(shè)備可以用作非接觸式智能卡、智能卡的讀寫器終端以及設(shè)備對設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其應(yīng)用主要可分為以下四個基本類型：用于付款和購票、用于電子票證、用于智能媒體以及用于交換、傳輸數(shù)據(jù)。

　　NFC—相關(guān)近距通信技術(shù)的比較

　　和傳統(tǒng)的近距通訊相比，近場通訊（NFC）就有天然的安全性，以及連接建立的快速性，具體對比如下表：

　　NFC藍(lán)牙紅外

　　網(wǎng)絡(luò)類型點(diǎn)對點(diǎn)單點(diǎn)對多點(diǎn)點(diǎn)對點(diǎn)

　　使用距離≤0.1m≤10m≤1m

　　速度106， 212， 424 kbps

　　規(guī)劃速率可達(dá)868 kbps

　　721 kbps 115kbps2.1 Mbps~1.0 Mbps

　　建立時間《 0.1s6s0.5s

　　安全性具備， 硬件實現(xiàn)具備，軟件實現(xiàn)不具備， 使用IRFM 時除外

　　通信模式主動-主動/被動主動－主動主動－主動

　　成本低中低

　　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RFID13.56MHz的頻段，早期運(yùn)用此頻段包括 PhilipsMiFARE（ISO1443A）、ISO1443B、ISO15693、ISO18000-3及SonyFelica。由于非接觸卡應(yīng)用于個人數(shù)據(jù)識別或電子付費(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，所以最后市場上所見的即為PhilipsMiFARE（ISO1443A）及SonyFelica，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，NFCinterfaceandprotocol1）。此規(guī)范相容于現(xiàn)有 PhilipsMiFARE（ISO1443A）及SonyFelica。

　　

　　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模式與被動模式，主動模式是指發(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RFfield，而被動模式下則是發(fā)起設(shè)備自身供應(yīng)電源產(chǎn)生RFfield;而目標(biāo)設(shè)備則利用全波整流線路將發(fā)起端的RFfield之能量轉(zhuǎn)換為 DC來供應(yīng)自己的電源。值得一提的是，在被動模式下為了要滿足省電的要求所以采用了負(fù)載調(diào)變（LoadmodulaTIon）的方式，此調(diào)變方式可以達(dá)到省電的效果。

　　在使用上因為NFC的使用通常會遇到使用尖峰時期，會了避免不同的發(fā)起端或目標(biāo)端同時溝通造成數(shù)據(jù)鏈路錯誤，所以NFC采用了一種機(jī)制 listenbeforetalk。此機(jī)制會讓當(dāng)發(fā)起端設(shè)備要發(fā)出詢問信號前，先偵測外界磁場強(qiáng)度來判斷是否有其它的設(shè)備正在溝通中，這種機(jī)制的實現(xiàn)稱為 RF Collision Avoidance（RFCA），其動作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢問信號時會偵測外界磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過門坎強(qiáng)度時 （Hthreshold=0.1875A/m）則會停止詢問，直至外界強(qiáng)度降至門坎值以下。若是低于臨界值才會開始發(fā)出詢問指令，偵測的時間為 TIDT+nTRFW，n為0～3的機(jī)率取樣：TRFW=512/fc（RFwaitingtime），TIDT》4096 /fc（initialdelaytime）。當(dāng)發(fā)起設(shè)備在TIDT+nTRFW內(nèi)沒有偵測到超過門坎強(qiáng)度的磁場，則會先發(fā)射TIRFG的未調(diào)變 RFfield之后再發(fā)出詢問信號，其中TIRFG必須大于5ms。

　　

　　NFC—規(guī)范調(diào)變

　　在此將針對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)分包分為兩種類型，一為106kpbs、一為212/424kbps。

　　

　　

　　由于NFC106kbps為100%ASK調(diào)變，所以對整個High/Low信號的封包結(jié)構(gòu)都有相當(dāng)詳細(xì)的定義。其中幾個參數(shù)包括從100%下降到 5%Am時間（t1）、5%Am持續(xù)時間（t2）、Am由5%上升至60%時間（t4）即overshoot的范圍。而212/424kbps則是 8%～30%的調(diào)變率。

　　RF測試kit：

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

　　

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

　　

　　3.Sense coil：sense coil用于量測待測物的磁場強(qiáng)度與調(diào)變。

　　

　　4.Reference device：圖7為兩種測試標(biāo)準(zhǔn)線路和一組天線coil，此referencedevice用于測試DUT的標(biāo)準(zhǔn)件。其中又包含了兩組測試電路，圖7-2為調(diào)變測試電路，圖7-3為電源測試電路。

　　

　　

　　NFC—RF測試程序

　　1.發(fā)起設(shè)備Power測試：此測項在測試由發(fā)起設(shè)備所供給的磁場強(qiáng)度是否供給目標(biāo)物足夠的工作電源。將信號由generatingantenna 調(diào)整發(fā)射，于右端的calibrationcoil量測到的強(qiáng)度為Hmax（7.5A/m），此時再將referencedevice配合power測試線路調(diào)整C2使線路共振點(diǎn)位于19MHz（此部份在規(guī)范中并無詳述為何調(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時其電壓一定會超高3V，此因該為取其下限值），放置于DUT位置，調(diào)整線路R2使的由C3所得到之電壓值為3V。此時 Referencedevice已經(jīng)完成，之后再將此卡用來量測發(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)任意位置所量測到的電壓值（C3）皆不可超過3V。至于Hmin測試則與max大致相同，不同處為將referencedevice共振頻率調(diào)至13.56MHz及所量測知電壓值皆須超過3V。

　　

　　2.目標(biāo)物的loadmodulation測試：

　　（1）被動模式

　　●106kbps：此測試為驗證目標(biāo)物可正確調(diào)變出波形，先將calibrationcoil放置于下側(cè)外緣，確定generatingantenna所發(fā)射之波形與強(qiáng)度正確無誤，此時再將待測目標(biāo)物放置于上側(cè)外緣，編輯一個ECMA340所定義之SENS_REQ波型由 generatingantenna發(fā)射并在待測目標(biāo)物會回送一個SENS_RES信號，如此即可透過二個sensecoil量測到信號，此量測架構(gòu)因考量回傳之負(fù)載調(diào)變信號微弱，所以利用兩個sensecoil之間電壓差做計算，由于兼容系問題，所以在106kbps延續(xù)MiFARE使用副載波 （subcarrier）的調(diào)變作被動目標(biāo)物的回傳信號，所以量測點(diǎn)應(yīng)于fc+fs與fc-fs（fc=13.56MHz，fs=fc/16）。

　　

　　●212/424kbps：高速的調(diào)變信號量測方式則與106kbps十分相似，只是將量測擷取位置改為fc，因為此兩種傳輸速度下并無使用副載波調(diào)變

　　（2）主動模式

　　主動模式的測試與被動模式上并無太大的差異，由于是主動模式所以加測了目標(biāo)物的RFfield發(fā)射的時間，指令下達(dá)的時間……等。

　　3.發(fā)起設(shè)備的loadmodulation測試：

　　此測試在于驗證發(fā)起設(shè)備的調(diào)變機(jī)制，可分為主動模式發(fā)射與被動模式接收兩種。

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

　?。?）被動模式接收：此為測試發(fā)起設(shè)備可以正確的接收被動目標(biāo)物所回傳的信號。利用圖7-2的loadmodulation測試線路所做成的 referencedevice，先將對應(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)備的待測物做量測，測試由 referencedevice所發(fā)出的調(diào)變信號于待測物端的接收情況。在此只能對部分的測試項目做討論而詳細(xì)的測試請參考ECMA。

　　NFC系統(tǒng)—存在問題

　　1、相容性問題

　　目前不同廠家的NFC設(shè)備的兼容性問題還是比較突出的，這也是NFC論壇目前正在致力于解決的一個重點(diǎn)。其希望通過NFC標(biāo)志認(rèn)證來達(dá)到所有NFC設(shè)備兼容性的統(tǒng)一。

　　2、安全性問題

　　安全的NFC將各種NFC應(yīng)用結(jié)合智慧卡的安全性。重要的機(jī)密資料與數(shù)據(jù)會一直儲存在卡片中安全記憶體的某個區(qū)域，并且只能經(jīng)由NFC裝置授權(quán)，藉由儲存在裝置內(nèi)安全記憶體中的私密金鑰將傳送資料予以加密。

　　3、主動或被動運(yùn)作模式

　　擁有NFC的裝置可以在主動或被動模式下運(yùn)作，一般的行動裝置主要是以被動模式運(yùn)作，可以大幅降低耗電量，并延長電池的續(xù)航力。主動式NFC裝置可以透過內(nèi)部產(chǎn)生的射頻場（RF-field）提供與被動裝置通訊時所需的所有電力，與免接觸式智慧卡的情況相同，擁有相同的電力，確保即使關(guān)掉行動裝置的電源仍可以正常進(jìn)行資料的讀取。

　　4、標(biāo)準(zhǔn)化

　　NFC符合ECMA 340與ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)的開放式平臺技術(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)范NFC裝置的調(diào)制方案、編碼、傳輸速度與RF介面的訊框格式等，以及被動與主動NFC模式初始化過程中資料沖突控制所需的初始化設(shè)定與條件。此外，這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了傳輸協(xié)定，其中包括通訊協(xié)定啟動與資料交換方式等。

　　5、政策問題

　　由于移動支付產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)復(fù)雜，價值鏈的構(gòu)建需要多方參與，在此時間段，產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)者不清晰，金融機(jī)構(gòu)和移動運(yùn)營商的議價能力相當(dāng)，產(chǎn)業(yè)實際投入力度比較低。而由于終端和消費(fèi)環(huán)境的缺乏，用戶體驗較差，用戶通過移動支付購買的物品和服務(wù)并不豐富，目前并沒有給消費(fèi)者帶來真正的便捷。

　　NFC系統(tǒng)—常見認(rèn)證要求

　　目前NFC終端的主要認(rèn)證有CE，F(xiàn)CC和NFC logo認(rèn)證。其中NFC logo認(rèn)證目前還是個自愿認(rèn)證，其實階段主要的測試要求還在于NFC設(shè)備的互聯(lián)互通（IOT）要求。關(guān)于NFC設(shè)備的CE標(biāo)準(zhǔn)為ETSI EN 300 330-1及ETSI EN 300 330-2。而NFC設(shè)備的FCC認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)為FCC PART 15C。具體的測試要求可詳見摩爾實驗室（MORLAB）的專題文章：《CE和FCC認(rèn)證中針對NFC頻段的射頻測試要求》