NFC技術(shù)介紹及其射頻測試方法

NFC將現(xiàn)有的非接觸式識別技術(shù)與互聯(lián)互通技術(shù)相結(jié)合并加以發(fā)展，由索尼(Sony)與恩智浦半導(dǎo)體(NXP)(前身為Philips)共同研發(fā)。NFC可廣泛用于各種信息交換，例如電話號碼、圖像、MP3文件、數(shù)字式授權(quán)、電子錢包、廣告信息、產(chǎn)品信息等。這種信息交換可在兩個具有NFC功能的電子設(shè)備(如手機(jī))之間進(jìn)行，抑或于具有NFC功能的手機(jī)和與其兼容并位于近距離內(nèi)的無線射頻識別系統(tǒng)(RFID)芯片卡或讀取器之間完成。NFC被用作控制獲取信息的密鑰以及諸如電子收費(fèi)、通行證、訪問控制以及各種數(shù)據(jù)交換等服務(wù)，將可以徹底改變?nèi)藗兊纳钅Ｊ脚c習(xí)慣。

NFC應(yīng)用包羅萬象

NFC工作在以13.56MHz為中心的頻段，并在約10公分范圍內(nèi)提供速率達(dá)424kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。與工作在該頻段的傳統(tǒng)式非接觸式技術(shù)(只有主動被動式通信)不同，具有NFC功能的電子設(shè)備之間的通信可以是主動主動式(端對端技術(shù))，也可以是主動被動式。因此，NFC意味著一個在RFID網(wǎng)域的連接。此外，NFC與被廣泛使用的智能卡基礎(chǔ)架構(gòu)向后兼容，如基于ISO/IEC 14443 A(像NXP的MIFARE技術(shù))和ISO/IEC 14443 B的架構(gòu)，同時也與Sony的FeliCa卡(JIS X 6319-4)相容。實(shí)現(xiàn)NFC設(shè)備之間的信息交換，在標(biāo)準(zhǔn)ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通信協(xié)議。NFC論壇于2004年由NXP、Sony及諾基亞(Nokia)共同創(chuàng)辦，并藉此協(xié)調(diào)和促進(jìn)NFC技術(shù)的發(fā)展。NFC論壇還制定保證各種NFC設(shè)備及服務(wù)之間互聯(lián)互通的技術(shù)規(guī)范。所有上述的標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC 14443 A、B、ISO/IEC 18092以及JIS X 6319-4/FeliCa)都被涵蓋在內(nèi)，并自2010年12月起，NFC論壇為NFC設(shè)備的兼容性提供證明。

為確保手機(jī)與不同廠家的RFID芯片卡之間的互聯(lián)互操作性，須要對各種NFC設(shè)備進(jìn)行協(xié)議及射頻測試。其中射頻測試主要包括測量有關(guān)時間方面的參數(shù)、載頻與查詢模式下的信號強(qiáng)度和接收靈敏度、負(fù)載調(diào)變參數(shù)(收聽信號的強(qiáng)度)等。

簡易性廣泛應(yīng)用

在前面已提及一些NFC應(yīng)用。其中最顯著特點(diǎn)是使用的簡易性：只須簡單接觸或靠近具有NFC功能的設(shè)備，便可啟動所需的服務(wù)。以下是一些典型的應(yīng)用。

·移動支付
用NFC手機(jī)購票或付出租車費(fèi)用，以及在非接觸式售貨點(diǎn)用NFC手機(jī)付費(fèi)，或?qū)⑹論?jù)存入NFC手機(jī)。

·權(quán)限及訪問控制
將電子密鑰權(quán)限證明信息存入NFC手機(jī)、訪問保密機(jī)構(gòu)、登錄保密計(jì)算機(jī)、開車門、設(shè)置居家辦公室。

·數(shù)據(jù)傳輸與交換
在各種NFC設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(端對端數(shù)據(jù)交換)如在NFC手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、筆記本電腦間交換名片；把相機(jī)靠近打印機(jī)并印出照片。

·啟動其他服務(wù)
例如為數(shù)據(jù)傳輸啟動其他通信連接、設(shè)置藍(lán)牙(Bluetooth)及無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)連接。

·讀取信息
將智能型廣告中的時間表、地圖存入NFC手機(jī)，或者位置存入NFC手機(jī)，如停車位置。

·購票
把各種票券存入NFC手機(jī)，如電影，音樂會，體育比賽等等。

NFC數(shù)據(jù)傳輸原理

與RFID標(biāo)準(zhǔn)14443及FeliCa相似，NFC使用感應(yīng)耦合，類似變壓器的原理，如圖1所示，NFC利用兩個導(dǎo)電線圈的磁場以耦合查詢設(shè)備(激勵設(shè)備)與收聽設(shè)備(目標(biāo)設(shè)備)。

圖1 查詢設(shè)備(激勵設(shè)備)與收聽設(shè)備(目標(biāo)設(shè)備)的結(jié)構(gòu)配置

NFC工作頻率是13.56MHz，傳輸速率106kbit/s(部分地可達(dá)到212kbit/s甚至424kbit/s)。調(diào)變方式為不同調(diào)變深度的OOK(100%或10%)及二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)。

查詢設(shè)備的功率與數(shù)據(jù)傳輸

被動系統(tǒng)(如處于被動卡仿真模式下的NFC手機(jī))進(jìn)行傳輸時，其借以查詢設(shè)備的13.56MHz載波信號作為驅(qū)動能源。查詢設(shè)備的調(diào)變方式為ASK。在NFC端對端模式下，雙方都處于查詢狀態(tài)，其信號都被加以調(diào)變及編碼。此時，所需功率相對減少，因?yàn)槊總€NFC設(shè)備都有各自的能源供給，并且傳輸結(jié)束后載波信號自動停止發(fā)射。

收聽設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸

由于查詢設(shè)備與收聽設(shè)備的線圈之間的耦合，被動的收聽設(shè)備同樣作用于主動的查詢設(shè)備。收聽設(shè)備的阻抗變化，直接會影響查詢設(shè)備天線端電壓幅度或相位變化，而查詢設(shè)備可檢測此變化，這就是負(fù)載調(diào)變技術(shù)。使用848kHz輔助載波的負(fù)載調(diào)變用于收聽模式(如ISO/IEC 14443)，其中輔助載波由基帶信號加以調(diào)變，并以此改變收聽設(shè)備的阻抗。圖2顯示負(fù)載調(diào)變的頻譜。調(diào)變方式為ASK(如ISO/IEC 14443 A PICC)或BPSK(如14443 B PICC)。此外，還有第三種被動模式，它與FeliCa兼容，其負(fù)載調(diào)變不使用輔助載波，而為直接作用于13.56MHz載波的ASK調(diào)變。

圖2 基于13.56MHz載波并使用848kHz輔助載波的負(fù)載調(diào)變，而圖中的三角形表示載波及輔助載波的調(diào)變頻譜(由于NFC使用時分多路通信，三組譜線并不同時出現(xiàn))。

調(diào)變方式與編碼

如圖3～5所示，其調(diào)變方式為不同調(diào)變深度的OOK(100%或10%)及BPSK(如ISO/IEC 14443 B PICC)。

圖3 100%調(diào)變深度的ASK

圖4 10%調(diào)變深度的ASK

圖5 BPSK調(diào)變

如圖6所示，NFC使用NRZ-L、變形米勒(Modified Miller)以及Manchester編碼。NRZ-L編碼的一個位若是高電位即代表邏輯1，低電位則代表邏輯0。曼徹斯特(Manchester)編碼將每一個位分成兩段，邏輯1的前半段為高電位，后半段為低電位。邏輯0的前半段為低電位，后半段為高電位。

圖6 NFC使用三種編碼中的一種：NRZ-L、Modified Miller或Manchester(請參見表1和表2)。

Modified Miller編碼也將每一個位分成兩段，邏輯1后半段的起始有一個低電位脈沖，而邏輯0以一個低電位脈沖開始。其中的例外是，當(dāng)邏輯1之后為邏輯0時，不出現(xiàn)邏輯0的低電位脈沖，信號保持為高電位。

圖7顯示使用ASK調(diào)變及Manchester編碼的負(fù)載調(diào)變(如處于被動卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A設(shè)備)。

圖7 使用輔助載波的負(fù)載調(diào)變在時域及頻域的圖示

NFC標(biāo)準(zhǔn)/標(biāo)簽類型多樣

以下將進(jìn)一步針對NFC標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)以及其主要的工作模式、卷標(biāo)類型進(jìn)行更詳細(xì)的說明。

NFC標(biāo)準(zhǔn)的沿革

三大標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 14443 A，ISO/IEC 14443 B以及JIS X 6319-4皆屬于RFID標(biāo)準(zhǔn)，由不同公司(NXP、Infineon及Sony)提出。第一個射頻NFC標(biāo)準(zhǔn)是ECMA 340，并基于ISO/IEC 14443 A與JIS X 6319-4的空中接口。之后，ECMA 340被編入標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 18092。與此同時，信用卡的主要發(fā)卡公司(Europay、Mastercard、Visa)也開始推廣基于ISO/IEC 14443 A與ISO/IEC 14443 B的付費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)EMVCo。在NFC論壇上，兩大群體將空中接口一致化，并分別命名為NFC-A(基于ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(基于ISO/IEC 14443 B)以及NFC-F(基于FeliCa)。圖8和圖9分別顯示了NFC射頻與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以及測試規(guī)范的沿革過程。

圖8 NFC射頻標(biāo)準(zhǔn)的沿革

圖9 NFC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的沿革

調(diào)變與編碼工作模式

如圖10所示，NFC有三種主要的工作模式，一為被動卡仿真模式(被動模式)，這時NFC設(shè)備就如同與現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)兼容的非接觸式卡片。其二為端對端模式，兩個NFC設(shè)備進(jìn)行信息交換。與讀寫模式相比，激勵設(shè)備(查詢設(shè)備)所需功率相對減少，因?yàn)槟繕?biāo)設(shè)備(收聽設(shè)備)也有自己的能源供給。最后是讀寫模式(主動模式)，NFC設(shè)備處于主動狀態(tài)，對現(xiàn)存的被動式RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫。

圖10 NFC的工作模式

上述的每一種模式都可以與下面的任意一種傳輸技術(shù)相互結(jié)合：NFC-A(與ISO/IEC 14443 A)向后兼容、NFC-B(與ISO/IEC 14443 B)向后兼容、NFC-F(與JIS X 6319-4)向后兼容。為支持所有各種不同技術(shù)，如圖11顯示，處于查詢模式下的NFC設(shè)備首先用相應(yīng)的請求信號試探NFC-A，NFC-B以及NFC-F標(biāo)簽的反應(yīng)。當(dāng)從兼容設(shè)備得到反應(yīng)后，NFC設(shè)備便依照標(biāo)準(zhǔn)建立通信模式(NFC-A，NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通信模式(主動或被動)、傳輸技術(shù)(NFC-A，-B，-F)以及傳輸速率(比特率)的不同，進(jìn)行相應(yīng)的編碼與調(diào)變。

圖11 查詢模式下識別過程的流程圖(主要流程)

表1列出對應(yīng)于NFC-A、-B和-F傳輸技術(shù)的編碼，以及調(diào)變和數(shù)據(jù)速率。

NFC標(biāo)簽分四種類型

NFC標(biāo)簽是被動設(shè)備，可用于與NFC主動設(shè)備進(jìn)行通信。NFC標(biāo)簽主要用于廣告，以及用于存儲數(shù)量不大的信息并將信息傳送給NFC主動設(shè)備等領(lǐng)域。依照不同的格式和容量，NFC卷標(biāo)被分為四種基本類型并以類型1～4命名(表2)。其格式分別基于ISO 14443的類型A與B以及Sony的FeliCa。

NFC射頻測量至為關(guān)鍵

為確保NFC設(shè)備的功能符合各種標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行一系列的射頻測量以及綜合的協(xié)議測量。依照NFC模擬測試規(guī)范草案，射頻測量須由參考設(shè)備予以規(guī)定(即NFC論壇的參考收聽器和NFC論壇的參考查詢器)。這些參考設(shè)備相當(dāng)于NFC的典型設(shè)備。其處于查詢及收聽模式，且天線大小各異，用以提供定義明確的、有可比性的測量。為測試NFC設(shè)備的收聽及查詢模式，NFC論壇規(guī)定了下面兩種方案，請見圖12、13。

圖12 NFC設(shè)備的收聽模式測量配置

圖13 NFC設(shè)備的查詢模式測量配置

NFC參考設(shè)備

當(dāng)與適當(dāng)?shù)男盘栐春凸Ψ畔噙B接時，NFC論壇的參考查詢設(shè)備即向待測收聽設(shè)備發(fā)送指令。測試儀器隨即捕獲并分析待測物的反應(yīng)。NFC論壇的參考查詢設(shè)備有三種不同的天線線圈設(shè)計(jì)，并基于標(biāo)準(zhǔn)EMVCo PCD)(針對查詢器Poller-0)，以及ISO標(biāo)準(zhǔn)化的PICC天線線圈設(shè)計(jì)的兩種補(bǔ)償型(針對查詢器Poller-3和6)，請見圖14、15。

圖14 NFC論壇的參考查詢器

圖15 NFC論壇參考收聽器

NFC論壇的參考收聽設(shè)備分析待測查詢設(shè)備所發(fā)送的信號。為了分析信號的頻率與波形，NFC論壇的參考收聽設(shè)備配有感應(yīng)線圈。利用由適當(dāng)?shù)耐饨有盘栐?如任意波形發(fā)生器)所產(chǎn)生的負(fù)載調(diào)變的不同電平，N??FC論壇的參考收聽設(shè)備也能向待測物發(fā)送信息。

查詢設(shè)備的工作范圍是指至少在此范圍(空間)內(nèi)，NFC設(shè)備之間能夠依照規(guī)范實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。圖16顯示了工作范圍的具體定義。

圖16 NFC工作范圍的定義

NFC設(shè)備的射頻測量

NFC模擬測試規(guī)范草案規(guī)定了有關(guān)于NFC設(shè)備的型號認(rèn)證的射頻測量。以下是最重要的射頻測試項(xiàng)目：在主動式查詢模式下，包括有載頻精度測量、功率測量(在查詢模式下，必須有足夠的功率輸出)、波形特性測量(有關(guān)時間方面參數(shù)的測量，如上升及下降沿時間)、??負(fù)載調(diào)變靈敏度測量(查詢設(shè)備需能夠在規(guī)定的最小電平下正確接收負(fù)載調(diào)變)、門檻電平測量(待測查詢設(shè)備需能夠在遇到特定強(qiáng)度的外加電磁場時停止工作)。

在被動式收聽模式下，則有負(fù)載調(diào)變測量(負(fù)載調(diào)變的強(qiáng)度須處于所要求的范圍內(nèi)收聽設(shè)備的應(yīng)答)、功率接收測量(收聽設(shè)備需能夠在惡劣的條件下做出正確應(yīng)答)、幀時延測量(對于NFC-A模式中的防撞算法尤其重要)，幀時延是從查詢指令之終止，直到處于被動卡仿真模式下的NFC手機(jī)開始傳送為止的響應(yīng)時間。只要手機(jī)可以支持，必須針對不同模式(NFC-A、NFC-B及NFC-F)進(jìn)行以上所有的測量。

NFC手機(jī)測試實(shí)例

以下部分將表述針對手機(jī)在查詢及收聽模式下的測試方案。

手機(jī)在查詢模式下的測試方案

NFC論壇的參考收聽器被用來測試NFC手機(jī)。如圖17所示，借由適當(dāng)?shù)母咝阅苤?strong>示波器如羅德與施瓦茨(R&S)RTO可檢測功率、載頻以及調(diào)變波形。高性能示波器的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于其綜合的觸發(fā)功能，因此無須使用外部觸發(fā)。適當(dāng)?shù)男盘柣蝾l譜分析儀(如R&S FSV)亦可在零跨頻模式下，借助外部觸發(fā)對載頻功率及調(diào)變波形進(jìn)行測量。此外，頻譜分析儀還可用于測量雜散輻射。

圖17 NFC手機(jī)在查詢模式下的測試方案(簡化圖式)，用以測試載頻、功率、調(diào)變波形以及負(fù)載調(diào)變靈敏度等參數(shù)。

為測量負(fù)載調(diào)變靈敏度，適當(dāng)?shù)木哂腥我獠ㄐ喂δ苤漕l信號產(chǎn)生器(如R&S SMBV100A)將產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽?yīng)答信號SENS_RES(SENSE RESPONSE)，以作為對于由NFC設(shè)備所發(fā)出的詢問信號SEL_REQ(Select Request )的應(yīng)答，信號產(chǎn)生器則由示波器予以觸發(fā)。

收聽模式測試方案

如圖18所示，NFC論壇的參考查詢設(shè)備被用來測試在收聽模式(被動卡仿真模式)下的NFC手機(jī)。適當(dāng)?shù)木哂腥我獠ㄐ喂δ苤漕l信號產(chǎn)生器(如R&S SMBV100A)將可以產(chǎn)生查詢信號。借由脈沖程序軟件R&S SMx-K6，可以輕松地產(chǎn)生或者更改指令序列(如SENS_REQ、SDD_REQ、SEL_REQ、Pol_REQ等)，用以激勵處于被動模式下的手機(jī)。相應(yīng)的測試方案以及波形文件隨即可得。為了能夠提供足夠的功率給待測物，須使用功放。

圖18 針對在被動卡仿真模式下的NFC手機(jī)之測試方案，用以測試負(fù)載調(diào)變與幀時延等參數(shù)。

示波器/信號分析儀測試結(jié)果

以下部分將表述針對NFC手機(jī)的??測試結(jié)果，并以此說明示波器R??&S RTO及信號分析儀R&S FSV的功能。

·查詢模式下功率及載頻的測試

如圖19所顯示，針對具有NFC技術(shù)的手機(jī)在查詢模式下的功率測量結(jié)果。其中，載頻的測試結(jié)果也以圖17所示之測試方案，借由NFC論壇的參考設(shè)備而同時獲得。

圖19 借助示波器R&S RTO的并行測量實(shí)例，針對NFC設(shè)備在查詢模式下的功率測量(上面的圖形)及載頻測量(下面的圖形)。

·查詢模式下波形特性測量

圖20顯示借由示波器R&S RTO，在查詢模式下波形特性的測量實(shí)例。其中，以光標(biāo)1(位于5%處)和光標(biāo)2(位于90%處)得到上升沿時間575納秒(ns)。

圖20 借助示波器R&S RTO，在查詢模式下波形特性(上升沿時間)的測量實(shí)例。

·收聽模式下幀時延測量

圖21顯示圖18所示之測試方案，借由示波器R&S RTO，針對NFC手機(jī)在被動卡仿真模式下幀時延的測量實(shí)例。上面的圖形顯示Select Request信號(由任意波形產(chǎn)生器發(fā)送)以及隨后的NFC手機(jī)在被動卡仿真模式下之響應(yīng)(負(fù)載調(diào)變)。下面的圖形則是將畫面放大的顯示，即從Select Request信號的最后一個位，直到響應(yīng)的第一個位為止的時間范圍。以兩個光標(biāo)(光標(biāo)1和光標(biāo)2)測量得到幀時延(86.51μs)。在兩個光標(biāo)之間的波形幅度變化是NFC手機(jī)在被動卡仿真模式下所產(chǎn)生的寄生負(fù)載調(diào)變。

圖21 針對NFC手機(jī)在被動模式(14443 PICC卡仿真模式)下幀時延的測量實(shí)例，上面的部份顯示首先是Select Request信號，接著是連續(xù)波信號(NFC手機(jī)所產(chǎn)生的寄生負(fù)載調(diào)變) ，最后是NFC手機(jī)的??響應(yīng)。

如前文所述，幀時延也可借由頻譜分析儀以零跨頻進(jìn)行測量。圖22顯示由R&S FSV所測之結(jié)果。標(biāo)志M1位于查詢信號最后一個??位的上升邊緣，差量標(biāo)志D2位于收聽信號的第一個位并顯示幀時延(86.28μs)。

圖22 借助頻譜分析儀R&S FSV進(jìn)行幀時延測量的實(shí)例，差量標(biāo)志D2測量從查詢指令的終止，直到手機(jī)在卡仿真模式下發(fā)送的起始之響應(yīng)時間(86.28μs)。

·收聽模式下負(fù)載調(diào)變的測量

如圖23所示，NFC之負(fù)載調(diào)變是13.56MHz查詢信號包絡(luò)的平均最大值與平均最小值之差。圖24顯示使用示波器及頻譜分析儀(如圖25)對負(fù)載調(diào)變的測試。由于頻譜分析儀測得信號的均方根值，其示值須乘以系數(shù)1.41而得到示波器所示之峰值。

圖23 依照NFC論壇的負(fù)載調(diào)變定義

圖24 使用示波器R&S RTO測量負(fù)載調(diào)變，以兩條標(biāo)志線測量查詢信號包絡(luò)的平均最大值與平均最小值之差(本例為61.1毫伏特(mV))

圖25 使用頻譜分析儀R&S FSV測量負(fù)載調(diào)變：在零跨頻模式下，兩條標(biāo)志線D1與D2測得最大與最小均值，即負(fù)載調(diào)變的均方根值=D1與D2之差= 153-110毫伏=43毫伏，而負(fù)載調(diào)變=43毫伏×1.41 = 60.6毫伏(如上所述)。