淺析NFC的架構(gòu)與規(guī)范

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。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)范做討論。

NFC應(yīng)用

電子付費系統(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(nearfieldcommunication)為主，市場上也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品流通著，如NOKIA3220、SamsungSGH-X700、VISAWAVE及臺北捷運優(yōu)游卡等，皆是兼容于NFC系統(tǒng)。除了個人識別與電子付費系統(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、中國及歐美已經(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系統(tǒng)中進(jìn)行多次的驗證，預(yù)期NFC將有快速的成長。

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RFCollisionAvoidance(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NFCRFinterface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.Calibrationcoil：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.FieldGeneratingAntenna：kit用于磁場的發(fā)射，圖中還包含了一組天線匹配線路。

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

4.Referencedevice：referencedevice用于測試DUT的標(biāo)準(zhǔn)件。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。

(1)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。
(2)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)與芯片開發(fā)

目前市場上所能見到的NFC最為積極推動的包括了Philips、NOKIA、Sony與Samsung，而這幾家廠商皆有產(chǎn)品于市場上，包括PhilipsPN511/PN531、NOKIA3220，RFMD也預(yù)計于RF4100與RF4113兩個具有NFC功能的單芯片，RF4100為藍(lán)牙與NFC整合的系統(tǒng)芯片，具有高整合度的手機(jī)應(yīng)用界面，而RF4113則為NFC系統(tǒng)芯片。RF4100尺寸為5mm×5mm的BGA與3.7mm×3.7mmWLCSP。預(yù)期NFC將會為手機(jī)應(yīng)用層面帶入一個新紀(jì)元。