3G手機技術(shù)發(fā)展與設計架構(3)

　　2004年由Philips、Sony發(fā)起、Nokia隨即唿應的近接無(wú)線(xiàn)感應技術(shù)：近場(chǎng)通信（Near Field Communication；NFC），在經(jīng)過(guò)一（2005）年的沈潛發(fā)展后，于2006年逐漸成熟展露，預計在未來(lái)的絕大多數手機中，NFC都將是基本的功效機制，就連3G手機也無(wú)從例外。

　　▲NFC介面技術(shù)也可用來(lái)充當非接觸、近接感應式的傳輸埠，其中「Peer-to-Peer」的點(diǎn)對點(diǎn)模式便是為此而設計。圖中的女性用具有NFC介面的移動(dòng)電話(huà)來(lái)近接具有NFC介面的液晶電視，如此電話(huà)內的圖像資料即可感應傳輸至電視，并加以顯示。

　　從某種角度看，NFC可說(shuō)是手機內SIM（Subscriber Identity Module）卡的另一個(gè)延伸介面，SIM卡本體性質(zhì)上是種接觸性的智能卡（Smart Card），且僅與手機接觸連接，而NFC技術(shù)卻有機會(huì )讓SIM卡從原有的接觸介面再延伸出另一個(gè)非接觸（Contact-less）的無(wú)線(xiàn)感應介面，如同將IC電話(huà)卡、健?？?、統一超商的i-Cash等接觸性智能卡，再附加上可以感應接觸的悠游卡能力，使原有的智能卡變成雙介面（Dual Interface）的使用型態(tài)。

　　▲NFC論壇于今（2006）年6月正式對外公布的NFC技術(shù)構圖，圖中的最底層為無(wú)線(xiàn)射頻層，可適用于各種不同的非接觸智能卡，最上層則是因應各種不同應用而設立的應用模式層，而居于最底與最頂之間的則是各種資料格式與傳輸協(xié)定的規范標準。

　　特別是在今（2006）年8月，由支持NFC技術(shù)的業(yè)者所組成的NFC論壇（NFC Forum）正式對外釋出四份關(guān)于NFC的技術(shù)文件，使NFC從過(guò)去單純的技術(shù)與應用概念外，有了更清晰具體的實(shí)現方向，同時(shí)也使NFC技術(shù)與3G手機的結合有了更有利的進(jìn)展。

　　▲PHILIPS半導體公司針對NFC所首次提出的應用晶片（原文稱(chēng)為：Device，裝置。對岸方面稱(chēng)為：器件）：PN511，PN511在供貨上提供兩種型態(tài)的封裝：HVQFN32（SOT617-1）與HVQFN40（SOT618），圖中即是HVQFN32封裝的上視（Top View）圖。

　　這四份技術(shù)規格文件到底為何，主要有：

　　1. NDEF（NFC Data Exchange Format）技術(shù)規格－制訂合乎NFC論壇定義、規范的NFC裝置（Device）、NFC標簽（Tag）的共通資料格式（common data format）。

　　2. RTD（NFC Record Type Definition）技術(shù)規格－規范、定義用于信息（Message）的資料記錄型態(tài)，「信息」主要是用在合乎NFC裝置（合乎NFC論壇的規范）之間的通信，以及NFC裝置與NFC標簽之間的通信。

　　3. NFC Text RTD技術(shù)規格－規范、定義用于裝置（具有NFC功效機制）的純文字式記錄。

　　4. NFC URI RTD技術(shù)規格－有關(guān)具備N(xiāo)FC功效的裝置要素的網(wǎng)際網(wǎng)路資源參照。

　　附註：更具體而言，NFC由Philips、Sony提出后，也在2003年12月8日通過(guò)ISO/IEC（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission）機構的審核而成為國際標準，另外也在2004年3月18日由ECMA（European Computer Manufacturers Association）認定為歐洲標準，而陸陸續續通過(guò)的標準編列有ECMA-340（NFCIP-1）、ECMA-352（NFCIP-2）、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 18092、ISO/IEC 21481。

　　附註：NFC中所言的「Field，場(chǎng)」其實(shí)是指電磁感應的磁場(chǎng)（Magnetic field），「Near，近」則是指近接、靠近之意。

　　▲PN511的典型應用設計電路圖。圖中PN511透過(guò)Host（主控）介面與左端的微處理器相連，右端則透過(guò)RC諧振電路與無(wú)線(xiàn)模擬感應傳輸用天線(xiàn)進(jìn)行連接。

　　■NFC技術(shù)架構

　　NFC論壇除了發(fā)布四個(gè)技術(shù)規格文件外，同（2006）年更早之前的6月5日，NFC論壇也為NFC技術(shù)發(fā)表更完整詳盡的技術(shù)架構（Technology Architecture）。

　　在NFC的技術(shù)構圖中，最底處為無(wú)線(xiàn)射頻層（RF Layer），即是所有今日流行普及的感應式智能卡標準，包括有：ISO 18092、ISO 14443 Type A（即Philips的Mifare，現有悠游卡即屬此類(lèi)）、ISO 14443 Type B、FeliCa（Sony發(fā)創(chuàng )）等。

　　而最頂的部分則是應用層，即是各種的智能卡傳輸應用模式，例如有：點(diǎn)對點(diǎn)模式（Peer-to-Peer Mode）、讀寫(xiě)模式（Read/Write Mode）、NFC Card實(shí)效模擬模式（NFC Card Emulation Mode）等，其中NFC Card實(shí)效模擬模式即是移動(dòng)裝置用的智能卡相容模式（Smart Card Capability for Mobile Devices）。

　　至于介于「最底的無(wú)線(xiàn)射頻層」與「最頂的應用模式層」之間的是格式、協(xié)定層，前述的四項規格發(fā)布中，幾乎都是針對應用上「讀寫(xiě)模式」的需求而研擬，如RTD（Record Type Definition）、NDEF（Data Exchange Format）等，除此之外在點(diǎn)對點(diǎn)的運用上需要LLCP（Logical Link Control Protocol）協(xié)定。而所謂的點(diǎn)對點(diǎn)運用有些類(lèi)似USB隨身碟，只是現有的USB隨身碟是實(shí)際的連接埠接觸，NFC介面＋LLCP協(xié)定則是一種無(wú)線(xiàn)感應式連接的隨身碟。

　　▲S2C介面可說(shuō)是針對NFC安全防護需求而增訂的標準，可以讓既有的NFC介面與安全加密性晶片（Secure IC）相連，過(guò)程中僅需要透過(guò)兩條數字實(shí)體接線(xiàn)即可，此二線(xiàn)分別是SigIn的輸入線(xiàn)及SigOut的輸出線(xiàn)。

　　■NFC應用晶片

　　這二、三年來(lái)，NFC的規格表現及應用概念已廣被說(shuō)明，在此不再贅述，對于NFC的使用者而言，只要將具備N(xiāo)FC功效機能的手機，當成內嵌一張悠游卡的方式來(lái)運用即可，不過(guò)對電子設計工程師而言，除了關(guān)注、關(guān)切NFC標準與實(shí)際發(fā)展外，NFC相關(guān)的應用晶片也是當重視的一環(huán)，因為不同的NFC應用需要使用不同類(lèi)型、取向的NFC晶片。

　　雖然NFC的發(fā)起業(yè)者是Philips、Sony，但真正有研發(fā)、產(chǎn)制NFC晶片的業(yè)者只有Philips，Sony也只是NFC晶片的應用、使用者，尚無(wú)打算自行研制NFC晶片，其次才有Infineon投入NFC晶片。

　　若以Philips來(lái)說(shuō)，Philips已經(jīng)推出了四款的NFC應用晶片：PN511、PN512、PN531、PN532，由此可知Philips是現階段最積極推行NFC的晶片業(yè)者，以下我們進(jìn)一步檢視此四款晶片的異同，即可瞭解NFC實(shí)際技術(shù)的發(fā)展進(jìn)度。

　　◆操作距離

　　以正規的標準而言，NFC在被動(dòng)感應（Passive Mode，被動(dòng)模式）時(shí)的最遠距離應是10cm，主動(dòng)感應（Active Mode，主動(dòng)模式）的最遠距離應是20cm，不過(guò)Philips的PN511/512/531/532的實(shí)際表現卻是減半：被動(dòng)下5cm，主動(dòng)下10cm。

　　◆實(shí)體介面

　　NFC一端是非接觸式的無(wú)線(xiàn)感應介面，另一端則必須是實(shí)際、實(shí)體接線(xiàn)的傳輸介面，此方面NFC晶片有多種選擇，包括：串列介面（Serial Bus）、I2C介面、SPI介面、八位元并列介面（8-bit Parallel Bus）、以及USB介面等。

　　其中串列介面是最基礎且最普遍的，無(wú)論是PN511/512/531/532都具備，NFC晶片所用的串列介面在傳輸速度上最快可達1.228Mbps，此速度因應現行NFC可說(shuō)是綽綽有余，NFC現有最快僅424kbps，未來(lái)將往848kbps邁進(jìn)。

　　其次是I2C，I2C同樣是Philips所發(fā)創(chuàng )，一般而言I2C最快為400kbps，不過(guò)之后也有更高速的3.4Mbps（1998年以后的2.0版），若以400kbps來(lái)因應NFC，很明顯會(huì )有瓶頸的出現，不過(guò)即便如此仍適合用在一些低速性的傳輸應用上，如一般性的「讀寫(xiě)模式」、「智慧卡相容模式」等，但卻不適合用在「點(diǎn)對點(diǎn)模式」。

　　雖然高速版的I2C更能因應NFC高速傳輸的需求，但很耐人尋味的，Philips較早推出的PN511、PN512確實(shí)具有高速I(mǎi)2C的（3.4Mbps）傳輸能力，但更之后推出的PN531、PN532卻僅有標準的400kbps傳輸能力，高速能力則不具備，關(guān)于此筆者推測應是兩點(diǎn)考量：用電（高速傳輸的功耗可能太大）、成本（裸晶電路面積的精?。?。

　　至于SPI介面，SPI介面的傳輸率更高，最高達5Mbps，且MMC（MultiMediaCard）記憶卡、SD（Secure Digital）記憶卡等也能相容支援SPI介面，因此在已經(jīng)具備MMC、SD記憶卡存取設計的裝置上，最適合直接採行SPI介面的方式來(lái)擴展、實(shí)現NFC介面。此外雖然也有支援USB介面，但速率模式上最高只至Full Speed（全速）的12Mbps，而無(wú)須到High Speed（高速）的480Mbps。

　　◆FIFO（First In First Out）

　　為了避免接軌介面的傳輸能夠平順，NFC晶片內也會(huì )具備FIFO來(lái)因應，無(wú)論是PN511、PN512、PN531、PN532都具備64Bytes的CL FIFO深度。進(jìn)一步的，PN531、PN532還額外提供了串列介面、SPI介面所用的FIFO，此方面的深度達180Bytes。

　　◆相關(guān)整合

　　積體電路的「積體」亦即「整合」，因此NFC晶片內也是盡可能整合各種可能的電路需求，以NFC晶片來(lái)說(shuō)，包括內建無(wú)線(xiàn)感應需求的模擬介面電路、低消散的電壓調節器（LDO Voltage Regulator，俗稱(chēng)：降壓器）、微控制器（如80C51）、以及搭配微控制器執行運作之用的RAM/ROM存儲器。

　　■S2C介面

　　S2C介面的全名是「SigIn-SigOut-Connection」，這是一個(gè)針對NFC無(wú)線(xiàn)感應傳輸所增訂的安全加密防護介面，因此也有人稱(chēng)此為「Secure NFC」，此一技術(shù)提案主要是避免NFC標簽（即NFC卡）與NFC裝置（即NFC讀卡機、存取器）兩者在感應時(shí)，被其他有心人士從中、從旁對傳輸資料進(jìn)行攔竊，特別是今日的手機SIM卡、IC智能卡都已經(jīng)普遍採行加密設計，即是Secure IC，如此就更需要Secure NFC的搭配、對應。

　　▲S2C介面不僅適用于NFC，傳統的非接觸、無(wú)線(xiàn)感應式智能卡也同樣適用。此外，S2C介面與NFC介面的連接可以相當的直簡(jiǎn)，過(guò)程中在實(shí)體設計上幾乎不用再行設計轉接、配接，傳輸協(xié)定上也不用再行轉換。

　　更具體來(lái)說(shuō)，S2C僅有兩條實(shí)體接線(xiàn)，一條為SigIn，另一條為SigOut，NFC介面以其前端無(wú)線(xiàn)射頻橋接，之后透過(guò)此兩條數字線(xiàn)路與Secure IC（加密型晶片）的存取器連接。

　　此外，S2C對加密防護資料方面有不同的編碼風(fēng)格，包括A型、B型、F型，且各型的編碼都可以支援NFC的各種傳輸模式（點(diǎn)對點(diǎn)模式、讀寫(xiě)模式、智能卡相容模式），以及NFC的各種型態(tài)、資料傳輸率等，同時(shí)也適用于非NFC但NFC相容的標準，如ISO/IEC 14443。

　　▲S2C介面提供了A、B、F等多種風(fēng)格型態(tài)的資料加密編碼法，圖中所示的即是F型的安全編碼，包括F型編碼的在調變傳輸后的類(lèi)比波形，以及對應到SigIn/Out數位傳輸線(xiàn)路上的信號。

　　更重要的是，Secure NFC（S2C）介面不需要再行任何的介面轉接、配接，或者是通信傳輸協(xié)定的轉換等，且線(xiàn)路精簡(jiǎn)（僅兩條線(xiàn)路），不會(huì )為設計、制造增添太多的心力與成本。

　　不過(guò)，即便NFC的安全加密傳輸尚未完備，但Philips現有的PN511、PN512、PN531、PN532也并非完全沒(méi)有安全加密能力，由于NFC相容于過(guò)往的ISO/IEC 14443 Type A（Philips的Mifare），Mifare自身也有基礎（Classic）的安全防護加密機制，NFC也支援此一機制。

　　■試行發(fā)展近況

　　最后，具備N(xiāo)FC功效的手機與應用服務(wù)，確實(shí)已經(jīng)在全球各地試行驗證，包括在荷蘭的首都：阿姆斯特丹、南韓的首都：首爾（過(guò)去稱(chēng)為：漢城）、德國的哈瑙市（Hanau）、中國大陸的廈門(mén)等地方試行，而臺灣的臺北市方面也有意將現有悠游卡升級成NFC，并允許用NFC手機適用于現有的捷運、公車(chē)、停車(chē)場(chǎng)等付費系統上。

　　至于服務(wù)試行外，支援NFC的新款手機也在逐漸增多中，最率先力挺NFC的Nokia自是不用多說(shuō)，除此之外包括Samsung、Motorola、NEC等業(yè)者的新款手機也都支援NFC，國內的BenQ（明基）也一樣支持。

　　▲NFC也強調感應辨識的反應速度，如此才能用于高人潮流量的交通票務(wù)感應上。圖為NFC充當電子車(chē)票的應用意境圖。