二代身份證專用芯片噪聲檢測及標定方法研究

　　摘 要：第二代身份證射頻卡芯片在工作場強內(nèi)不可避免地會產(chǎn)生噪聲，可能會影響卡片與讀卡器系統(tǒng)的正常工作。本文從理論上詳細分析了卡片調(diào)制信號幅值與讀卡器靈敏度的關(guān)系，提出了一種卡片噪聲的檢測和標定方法。這有利于合理地匹配不同廠家的卡片與讀卡機具，改善兼容性，對二代證的大量應(yīng)用具有重要意義。

　　引言

　　我國第二代居民身份證(簡稱“二代證”)采用了符合ISO14443 Type B 通訊協(xié)議的近耦合射頻識別(RFID)技術(shù)，載波頻率為13.56MHz，工作場強為1.5~7.5A/m，卡片調(diào)制副載波頻率為847kHz。射頻卡(非接觸IC 卡)在實際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在檢測國內(nèi)各廠家研制的二代證樣卡時，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)不同廠家的芯片噪聲水平相差很大，有的甚至影響了卡片與讀卡器的正常通信。也就是說，當(dāng)卡片處于讀卡器天線的工作場強范圍內(nèi)，尤其是在近場情況下，讀卡器與卡尚未進行通訊時，卡片天線兩端的電壓(電流)交流信號峰峰值會發(fā)生波動，波動頻率可能為847kHz，或是其整數(shù)倍頻(或分頻)。造成波動的主要原因是芯片電源穩(wěn)定性差，或者芯片功耗波動太大。如果卡片線圈內(nèi)的電流信號峰峰值波動達到一定值，尤其是847kHz 頻率的波動時，讀卡器就可能將其放大到與有效信號相當(dāng)?shù)姆邓?，這樣就會嚴重影響讀卡器的工作，大大增加讀卡器解調(diào)電路的設(shè)計難度。

　　本文首先簡單介紹了Type B 射頻卡系統(tǒng)的通信原理，之后分析了卡片調(diào)制信號以及與噪聲和讀卡器靈敏度之間的關(guān)系，提出了噪聲檢測方法和可行的噪聲標定方法，并對此進行了詳細討論。

　　圖1 近耦合射頻卡系統(tǒng)等效電路圖

　　圖2 調(diào)制深度曲線

　　近耦合射頻卡通信原理

　　卡片與讀卡器之間是通過近電感耦合來進行通訊的。也就是說，當(dāng)讀卡器向卡片發(fā)送指令時，讀卡器天線線圈流過的電流會根據(jù)指令發(fā)生相應(yīng)的變化，場中的卡片就會感應(yīng)到此變化，并解調(diào)出指令信號，之后對指令信號進行處理并發(fā)出響應(yīng)；當(dāng)卡片向讀卡器發(fā)送響應(yīng)信號時，卡片會根據(jù)響應(yīng)信號通過負載調(diào)制的方式改變卡片線圈流過的電流，讀卡器天線線圈就會感應(yīng)到卡線圈電流的變化，并進行解調(diào)處理，得到卡片響應(yīng)信號。

　　讀卡器一般將兩個邊帶信號中的一個847kHz 頻率成分通過濾波器從載波信號中分離出來，但是實際上并不存在理想的濾波器。這樣，疊加在載波上的847kHz 附近頻帶上的信號(包括調(diào)制信號和噪聲信號)都會通過讀卡器的濾波器，從而被放大。其中，847kHz 附近頻帶上的噪聲信號主要是由于芯片內(nèi)部邏輯電路工作時功耗的周期性波動而引起的。特別的，對于CPU 卡片來說，由于指令的周期性操作，可能引起電源周期性波動，更嚴重的會對EEPROM 進行操作。因此，在芯片設(shè)計階段，就應(yīng)該認真對待電源的穩(wěn)定與功耗問題。

　　卡片調(diào)制信號分析與檢測

　　理論分析

　　近耦合射頻卡與讀卡器通信的簡單等效電路原理圖如圖1 所示。其中，R1、C1、L1 和R2、C2、L2 分別為讀卡器和卡片天線諧振電路中的等效電阻、電容和電感；Z2 為芯片等效阻抗負載；M 為互感；u 和i 分別為電壓和電流(指的是電壓和電流交流信號幅值)。當(dāng)L1 和C1 滿足諧振時，有：

　　(1)讀卡器通過對u1(天線兩端電壓)進行檢波、濾波、放大和解調(diào)處理得到卡片發(fā)出的數(shù)據(jù)。在讀卡器接收信號期間，u0 保持不變。在L1 和C1 滿足諧振條件的情況下，下文將對卡片的調(diào)制深度與讀卡器接收端u1 的關(guān)系進行分析。

　　如果卡片與讀卡器天線位置固定，則耦合系數(shù)確定，即互感M 不變。根據(jù)式(1)可知，只有卡片線圈電流i2 影響u1 的值。因此，當(dāng)卡片向讀卡器返回響應(yīng)信息時，可以通過負載(電阻或者電容)調(diào)制改變Z2，從而改變i2 的值；

　　當(dāng)改變卡片與讀卡器天線線圈間的距離時，也即改變了通過卡片線圈的有效磁場強度Heff。由，可知Heff 的改變意味著M 的改變，但它們之間并不是線性關(guān)系，因為當(dāng)讀卡器線圈與卡片線圈位置發(fā)生變化時，i1 也會發(fā)生變化。由式(1)有

　　(2)0、A、N 和Heff 分別表示空氣中的磁導(dǎo)率、卡片線圈面積、卡片線圈匝數(shù)和有效磁場強度，，都是不變的量。當(dāng)Heff=H0 時，卡片在無調(diào)制狀態(tài)下，讀卡器天線線圈電流為i10，卡片線圈電流為i20，u1 的值記為u10。當(dāng)卡片調(diào)制時，其相應(yīng)的量記為Hm、i1m、i2m 和u1m，有i2m=i20+苅2、i1m=i10+苅1、Hm=H0+艸，u1m=u10+苪1?？ㄆ{(diào)制狀態(tài)下與非調(diào)制狀態(tài)下讀卡器線圈感應(yīng)電壓之差苪1 為：μ上式中

　　(3)實際上，由于i20I10、艸H、苅1i10、苅2i20，因此可近似如下：

　　(4)由上式可以看出，如果苅2 與H0 為線性關(guān)系，即苅2=m/H0，那么苪1 基本接近一個常數(shù)b1?m/i10。但是由于苅2 與苅1(或艸)會向相反的方向變化，因此，在不同的場強下，如果想得到相同的苪1，就需要對苅2=m/H0 進行修正。由ISO14443-2 給出的卡片負載調(diào)制深度幅值為30/H1.2mV(峰值)，可以近似地推導(dǎo)出苅2=m/H1.2。

　　調(diào)制深度曲線

　　ISO/IEC 14443-2:2001(E)中規(guī)定，如果采用ISO10373-6 標準描述的方法，在不同的磁場強度H 下，卡片負載調(diào)制深度幅值(副載波頻率為847kHz)不應(yīng)該低于30/H1.2mV(峰值)，其中H 是磁場強度(A/m rms)。

　　根據(jù)標準要求，繪制如圖2 所示的調(diào)制深度曲線。曲線1 為標準要求的卡片理想調(diào)制深度曲線30/H1.2；曲線4 為預(yù)計的實際卡片調(diào)制深度曲線；曲線2 為預(yù)計的實際讀卡機具靈敏度曲線；曲線3 為預(yù)計的卡片芯片噪聲曲線(只針對847kHz 頻率點)。為保證卡片與讀卡機具間的兼容性，上述4 條曲線應(yīng)該存在如下關(guān)系：標準曲線1 可通過10373 測試平臺進行標定，其它曲線都必須以其為參考；實際卡片調(diào)制深度曲線4 應(yīng)該在曲線1 之上(可以是曲線1)；讀卡機具靈敏度曲線2 應(yīng)該在曲線1 之下(可以是曲線1)；卡片噪聲曲線3 不應(yīng)該高于曲線2 的一半，這樣，才可能不會影響讀卡機具的正常工作，因此曲線3 要與曲線2 相互配合，才能增強讀卡器的抗噪聲能力。

　　以上曲線描述的是13.56MHz847kHz 的兩個邊帶上的信號幅值，都是理想的曲線。曲線1 描述的是卡片應(yīng)該發(fā)出的有用信號調(diào)制深度的最小值，根據(jù)前面的理論分析可知，這條曲線映射到讀卡器接收端大致上為一個點。也就是說，如果卡片的負載調(diào)制深度滿足曲線1，那么無論卡片在1.5~7.5A/m 范圍內(nèi)哪一個距離工作，讀卡器接收到的信號都應(yīng)該是基本相同的。對于卡片的噪聲，不僅僅是847kHz 頻率點影響讀卡器接收，實際上847kHz 附近其它頻率點上的噪聲也會影響讀卡器的接收，并在讀卡器接收端的時域信號上表現(xiàn)出來。因此，僅僅定義曲線3 是不夠的。在頻域上，應(yīng)該定義一個847kHz 附近的帶寬，在時域上應(yīng)該通過一個標準的讀卡器來標定卡片噪聲大小。

　　另外，卡片靜態(tài)(在場中處于非通訊狀態(tài))噪聲可能較小，但在卡片工作(特別是對EEPROM 進行讀寫操作)狀態(tài)下的動態(tài)噪聲可能很大，以至影響正常通訊。因此，在標定卡片噪聲時，不僅需要標定847KHz 邊帶上的噪聲幅值，也應(yīng)該標定卡片可能出現(xiàn)的最大時域噪聲。

　　卡片噪聲檢測方法

　　根據(jù)實際在屏蔽室中的測量結(jié)果，由于噪聲信號幅值很小(示波器測量值1mV 左右)，而且示波器的測量精度有限，導(dǎo)致測量結(jié)果的可靠性降低，因此，利用10373 測試平臺無法檢測出卡片噪聲，需要通過間接手段進行測量。測量讀卡器模擬部分放大輸出(中間經(jīng)過空間磁場耦合、檢波、濾波、模擬放大過程)，就可以對卡片噪聲(尤其是847kHz 頻率點附近帶寬上的頻率成分)進 行間接測量。

　　本文提出的檢測步驟如下：構(gòu)造一臺標準的讀卡器，利用示波器測量并記錄讀卡器上模擬放大器輸出端的本體噪聲；將卡片放在讀卡器線圈中心上方的不同位置，在模擬放大器輸出端間接檢測卡片靜態(tài)噪聲；在卡片與讀卡器通訊狀態(tài)下，在模擬放大器輸出端間接檢測卡片動態(tài)噪聲，通訊指令為ALOHA、ATTRIB