低成本移動(dòng)支付RFID子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)正在全球尤其是中國(guó)掀起一股產(chǎn)業(yè)化的熱潮,其中的移動(dòng)支付業(yè)務(wù)更是被中國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商視為殺手級(jí)業(yè)務(wù)。移動(dòng)支付,也稱為手機(jī)支付，就是允許用戶使用其移動(dòng)終端（通常是手機(jī)）對(duì)所消費(fèi)的商品或服務(wù)進(jìn)行賬務(wù)支付的一種服務(wù)方式。移動(dòng)支付業(yè)務(wù)是由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商、移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)提供商（MASP）和金融機(jī)構(gòu)共同推出的、構(gòu)建在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)上的一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)應(yīng)用。移動(dòng)支付系統(tǒng)將為每個(gè)移動(dòng)用戶建立一個(gè)與其手機(jī)號(hào)碼關(guān)聯(lián)的支付賬戶，其功能相當(dāng)于電子錢包,為移動(dòng)用戶提供了一個(gè)通過手機(jī)進(jìn)行交易支付和身份認(rèn)證的途徑。用戶通過撥打電話、發(fā)送短信或者使用WAP功能接人移動(dòng)支付系統(tǒng),移動(dòng)支付系統(tǒng)將此次交易的要求傳送給MASP,由MASP確定此次交易的金額，并通過移動(dòng)支付系統(tǒng)通知用戶，在用戶確認(rèn)后，付費(fèi)方式可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，如直接轉(zhuǎn)入銀行、用戶電話賬單或者實(shí)時(shí)在專用預(yù)付賬戶上借記，這些都將由移動(dòng)支付系統(tǒng)（或與用戶和MASP開戶銀行的主機(jī)系統(tǒng)協(xié)作）來(lái)完成。由于無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在移動(dòng)支付都采用非接觸式移動(dòng)支付方案，可釆用博通集成電路的2.4GHz無(wú)線收發(fā)器BK2421實(shí)現(xiàn)低成本的移動(dòng)支付RFID系統(tǒng)。

1非接觸式移動(dòng)支付系統(tǒng)組成

移動(dòng)支付包含支付開始、支付認(rèn)證和支付確認(rèn)等相關(guān)流程。非接觸式移動(dòng)支付系統(tǒng)則由接入系統(tǒng)、認(rèn)證中心、移動(dòng)支付平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)提供商和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)五部分組成，圖1所示是移動(dòng)支付系統(tǒng)框圖。

圖1移動(dòng)支付系統(tǒng)組成框圖

接入系統(tǒng)包括RFID標(biāo)簽、可運(yùn)行移動(dòng)支付軟件的手機(jī)以及可讀取RFID的POS終端機(jī)。其中RFID卡和RFIDPOS機(jī)屬于RFID子系統(tǒng)。RFIDPOS機(jī)通過RFID技術(shù)來(lái)讀取用戶信息，并利用PSTN.GPRS等方式與移動(dòng)支付平臺(tái)相聯(lián)接。手機(jī)用戶利用手機(jī)移動(dòng)支付軟件，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)支付平臺(tái)進(jìn)行信息通信，完成支付。

22.4GHz無(wú)線收發(fā)器BK2421

BK2421屬于2.4GHzISM頻段的單芯片無(wú)線收發(fā)器，它采用高達(dá)2Mb/s的通信速率和獨(dú)特的通信協(xié)議，集成了無(wú)線射頻收發(fā)前端、頻率綜合器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、1對(duì)6星形通信協(xié)議以及電源管理等，其內(nèi)部組成如圖2所示。相比其他2.4GHz短距離無(wú)線通信技術(shù)（如藍(lán)牙、WiFi等），它以非常低的功耗實(shí)現(xiàn)高速率無(wú)線傳輸。接收器正常工作電流為17mA,發(fā)射器輸出功率0dBm的電流為14mA,關(guān)機(jī)狀態(tài)電流為3/A。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但使BK2421保持了2.4GHz頻段其他通信協(xié)議優(yōu)良的射頻性能，而且簡(jiǎn)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗的RFID產(chǎn)品應(yīng)用。

圖2 BK2421組成框圖

BK2421集成有兩種調(diào)制方式，分別為CPGF-SK調(diào)制和CPFSK調(diào)制。在抗干擾方面,BK2421集成有干擾檢測(cè)功能和異步搜索頻率等算法，進(jìn)一步降低干擾的概率。一般情況下，采用BK2421的無(wú)線產(chǎn)品能夠不受干擾的影響，完全保持通信連續(xù)性。

表1為BK2421與采用其他通信協(xié)議的產(chǎn)品基本性能比較。從表中可以看出-BK2421無(wú)線通信性能如通信速率，通信距離等與釆用另外3種通信協(xié)議的產(chǎn)品性能不相上下，甚至某些性能更優(yōu)。由于BK2421采用自己獨(dú)特的通信協(xié)議，無(wú)需為了滿足特定的協(xié)議而增加額外的設(shè)計(jì)，所以它根據(jù)實(shí)際需求而優(yōu)化了整個(gè)芯片設(shè)計(jì)，降低了產(chǎn)品復(fù)雜度；另外高達(dá)2Mb/s的通信速率大大減小了每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)射時(shí)間，從而降低了功耗，同時(shí)BK2421采用低中頻接收架構(gòu)和鎖相環(huán)發(fā)射架構(gòu)，進(jìn)一步降低產(chǎn)品功耗。相比釆用另外三種協(xié)議的產(chǎn)品，基于BK2421所完成的短距離無(wú)線產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，功耗極低。

表1 BK2421與采用其他通信協(xié)議的產(chǎn)品基本性能比較

3采用BK2421設(shè)計(jì)基于RF-SIM的移動(dòng)支付子系統(tǒng)

RFID子系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器和RFID應(yīng)用支撐軟件系統(tǒng)組成。RFID標(biāo)簽和RFID閱讀器之間的無(wú)線通信技術(shù)主要有NFC、SIMpass和RF-SIM。其中RF-SIM技術(shù)是將包括天線在內(nèi)的RFID射頻模塊與傳統(tǒng)SIM卡功能集成在一張SIM卡上，在實(shí)現(xiàn)普通S1M卡功能的同時(shí)也能通過射頻模塊完成各種移動(dòng)支付。由于RF-SIM釆用2.4GHz頻段完成移動(dòng)支付的空中通信，具有傳輸速率高、頻道多、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、同時(shí)支持主動(dòng)和被動(dòng)感應(yīng)、安全數(shù)據(jù)傳輸與藍(lán)牙、WiFi無(wú)沖突等優(yōu)點(diǎn)，所以基于RF-SIM的移動(dòng)支付系統(tǒng)將會(huì)得到更快的發(fā)展，未來(lái)有希望成為三大運(yùn)營(yíng)商的首選標(biāo)準(zhǔn)。

由于BK2421集成度非常高，外加簡(jiǎn)單的MCU控制芯片就可以快速設(shè)計(jì)出RFID子系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)，圖3即為基于BK2421的RF-SIM硬件系統(tǒng)框圖。手機(jī)SIM卡上的MCU通過SP1控制其BK2421與RFID閱讀器內(nèi)的BK2421互相通信，從而使SIM卡與RFID閱讀器可以完成安全認(rèn)證和數(shù)據(jù)交換。

4設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

BK2421同時(shí)集成了1對(duì)6星型通信協(xié)議，故可簡(jiǎn)化協(xié)議和軟件設(shè)計(jì),用戶可以發(fā)揮其軟件優(yōu)勢(shì)，根據(jù)需求開發(fā)自己的通信協(xié)議，以固件的方式實(shí)現(xiàn)基帶控制器。該系統(tǒng)基本能夠滿足移動(dòng)支付對(duì)RFID子系統(tǒng)的各種要求，如高傳輸速率、超低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等。但是由于實(shí)際通信時(shí)，SIM卡要求放置在各種類型手機(jī)中，不同手機(jī)型號(hào)對(duì)應(yīng)不同無(wú)線環(huán)境，SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離會(huì)隨著環(huán)境不同而變化。如果設(shè)計(jì)前沒有考慮該因素，可能導(dǎo)致SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離急劇縮短，甚至不能滿足產(chǎn)品要求。根據(jù)BK2421的技術(shù)文檔，可以釆用下面給出幾種方法提高SIM卡在手機(jī)內(nèi)與讀卡器互聯(lián)通信的距離。

圖3  基于BK2421的RF-SIM硬件系統(tǒng)框圖

(1)優(yōu)化PCB天線設(shè)計(jì)

由于BK2421內(nèi)嵌在S1M卡中，所以其天線只能用PCB走線實(shí)現(xiàn)。一般SIM卡放置在手機(jī)中間，如果其上下存在金屬片或者大面積走線，會(huì)導(dǎo)致PCB天線的輻射效率急劇惡化并會(huì)改變天線諧振頻率。如果設(shè)計(jì)天線時(shí)沒有考慮上述因素，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)通信距離會(huì)顯著縮短，甚至無(wú)法通信。所以PCB天線設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：

① 做到尺寸與波長(zhǎng)相關(guān)，在相同的外圍環(huán)境下使其諧振在工作頻率2.4GHz內(nèi)端口易于匹配；

② 減少損耗，即將天線盡量孤立于其他金屬以外預(yù)留天線匹配器件；

③ 由于實(shí)際天線工作環(huán)境和設(shè)計(jì)環(huán)境不一樣,實(shí)際天線諧振頻率可能會(huì)偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)，顯然工作頻點(diǎn)不在諧振點(diǎn)上會(huì)導(dǎo)致BK2421與天線之間存在比較大反射而降低傳輸效率，從而縮短通信距離。這時(shí)需要通過調(diào)整天線匹配器件使諧振頻率重新回到設(shè)計(jì)目標(biāo)2.4GHz。

(2)優(yōu)化BK2421調(diào)制頻偏

增大調(diào)制頻偏可以提高BK2421的靈敏度。BK2421已經(jīng)根據(jù)一般應(yīng)用情況優(yōu)化調(diào)制方式和頻偏，達(dá)到最佳靈敏度，同時(shí)滿足FCC15.247,249和ETSI300328對(duì)2.4GHz頻譜的規(guī)范要求?？紤]到特殊情況下需要更高的靈敏度，可以通過調(diào)整調(diào)制頻偏來(lái)優(yōu)化靈敏度，進(jìn)一步提高SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離。

5結(jié)語(yǔ)

隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線短距離產(chǎn)品進(jìn)入超低功耗、高通信速率的時(shí)代。博通集成電路的2.4GHz無(wú)線收發(fā)器BK2421具有高傳輸速率、超低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等性能，特別適合迅速發(fā)展起來(lái)的超低功耗無(wú)線市場(chǎng)需求，是目前非常適合于RF-SIM并可用于手機(jī)付費(fèi)的芯片。