二代身份證專(zhuān)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(chǎng)強內不可避免地會(huì )產(chǎn)生噪聲，可能會(huì )影響卡片與讀卡器系統的正常工作。本文從理論上詳細分析了卡片調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(chǎng)家的卡片與讀卡機具，改善兼容性，對二代證的大量應用具有重要意義。

　　引言

　　我國第二代居民身份證(簡(jiǎn)稱(chēng)“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(chǎng)強為1.5~7.5A/m，卡片調制副載波頻率為847kHz。射頻卡(非接觸IC 卡)在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應用。在檢測國內各廠(chǎng)家研制的二代證樣卡時(shí)，技術(shù)人員發(fā)現不同廠(chǎng)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(shuō)，當卡片處于讀卡器天線(xiàn)的工作場(chǎng)強范圍內，尤其是在近場(chǎng)情況下，讀卡器與卡尚未進(jìn)行通訊時(shí)，卡片天線(xiàn)兩端的電壓(電流)交流信號峰峰值會(huì )發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)頻率可能為847kHz，或是其整數倍頻(或分頻)。造成波動(dòng)的主要原因是芯片電源穩定性差，或者芯片功耗波動(dòng)太大。如果卡片線(xiàn)圈內的電流信號峰峰值波動(dòng)達到一定值，尤其是847kHz 頻率的波動(dòng)時(shí)，讀卡器就可能將其放大到與有效信號相當的幅值水平，這樣就會(huì )嚴重影響讀卡器的工作，大大增加讀卡器解調電路的設計難度。

　　本文首先簡(jiǎn)單介紹了Type B 射頻卡系統的通信原理，之后分析了卡片調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(jìn)行了詳細討論。

　　圖1 近耦合射頻卡系統等效電路圖

　　圖2 調制深度曲線(xiàn)

　　近耦合射頻卡通信原理

　　卡片與讀卡器之間是通過(guò)近電感耦合來(lái)進(jìn)行通訊的。也就是說(shuō)，當讀卡器向卡片發(fā)送指令時(shí)，讀卡器天線(xiàn)線(xiàn)圈流過(guò)的電流會(huì )根據指令發(fā)生相應的變化，場(chǎng)中的卡片就會(huì )感應到此變化，并解調出指令信號，之后對指令信號進(jìn)行處理并發(fā)出響應；當卡片向讀卡器發(fā)送響應信號時(shí)，卡片會(huì )根據響應信號通過(guò)負載調制的方式改變卡片線(xiàn)圈流過(guò)的電流，讀卡器天線(xiàn)線(xiàn)圈就會(huì )感應到卡線(xiàn)圈電流的變化，并進(jìn)行解調處理，得到卡片響應信號。

　　讀卡器一般將兩個(gè)邊帶信號中的一個(gè)847kHz 頻率成分通過(guò)濾波器從載波信號中分離出來(lái)，但是實(shí)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(包括調制信號和噪聲信號)都會(huì )通過(guò)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部邏輯電路工作時(shí)功耗的周期性波動(dòng)而引起的。特別的，對于CPU 卡片來(lái)說(shuō)，由于指令的周期性操作，可能引起電源周期性波動(dòng)，更嚴重的會(huì )對EEPROM 進(jìn)行操作。因此，在芯片設計階段，就應該認真對待電源的穩定與功耗問(wèn)題。

　　卡片調制信號分析與檢測

　　理論分析

　　近耦合射頻卡與讀卡器通信的簡(jiǎn)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(xiàn)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L1 和C1 滿(mǎn)足諧振時(shí)，有：

　　(1)讀卡器通過(guò)對u1(天線(xiàn)兩端電壓)進(jìn)行檢波、濾波、放大和解調處理得到卡片發(fā)出的數據。在讀卡器接收信號期間，u0 保持不變。在L1 和C1 滿(mǎn)足諧振條件的情況下，下文將對卡片的調制深度與讀卡器接收端u1 的關(guān)系進(jìn)行分析。

　　如果卡片與讀卡器天線(xiàn)位置固定，則耦合系數確定，即互感M 不變。根據式(1)可知，只有卡片線(xiàn)圈電流i2 影響u1 的值。因此，當卡片向讀卡器返回響應信息時(shí)，可以通過(guò)負載(電阻或者電容)調制改變Z2，從而改變i2 的值；

　　當改變卡片與讀卡器天線(xiàn)線(xiàn)圈間的距離時(shí)，也即改變了通過(guò)卡片線(xiàn)圈的有效磁場(chǎng)強度Heff。由，可知Heff 的改變意味著(zhù)M 的改變，但它們之間并不是線(xiàn)性關(guān)系，因為當讀卡器線(xiàn)圈與卡片線(xiàn)圈位置發(fā)生變化時(shí)，i1 也會(huì )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率、卡片線(xiàn)圈面積、卡片線(xiàn)圈匝數和有效磁場(chǎng)強度，，都是不變的量。當Heff=H0 時(shí)，卡片在無(wú)調制狀態(tài)下，讀卡器天線(xiàn)線(xiàn)圈電流為i10，卡片線(xiàn)圈電流為i20，u1 的值記為u10。當卡片調制時(shí)，其相應的量記為Hm、i1m、i2m 和u1m，有i2m=i20+苅2、i1m=i10+苅1、Hm=H0+艸，u1m=u10+苪1?？ㄆ{制狀態(tài)下與非調制狀態(tài)下讀卡器線(xiàn)圈感應電壓之差苪1 為：μ上式中

　　(3)實(shí)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(xiàn)性關(guān)系，即苅2=m/H0，那么苪1 基本接近一個(gè)常數b1?m/i10。但是由于苅2 與苅1(或艸)會(huì )向相反的方向變化，因此，在不同的場(chǎng)強下，如果想得到相同的苪1，就需要對苅2=m/H0 進(jìn)行修正。由ISO14443-2 給出的卡片負載調制深度幅值為30/H1.2mV(峰值)，可以近似地推導出苅2=m/H1.2。

　　調制深度曲線(xiàn)

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

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

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

　　另外，卡片靜態(tài)(在場(chǎng)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(jìn)行讀寫(xiě)操作)狀態(tài)下的動(dòng)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(shí)，不僅需要標定847KHz 邊帶上的噪聲幅值，也應該標定卡片可能出現的最大時(shí)域噪聲。

　　卡片噪聲檢測方法

　　根據實(shí)際在屏蔽室中的測量結果，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，導致測量結果的可靠性降低，因此，利用10373 測試平臺無(wú)法檢測出卡片噪聲，需要通過(guò)間接手段進(jìn)行測量。測量讀卡器模擬部分放大輸出(中間經(jīng)過(guò)空間磁場(chǎng)耦合、檢波、濾波、模擬放大過(guò)程)，就可以對卡片噪聲(尤其是847kHz 頻率點(diǎn)附近帶寬上的頻率成分)進(jìn) 行間接測量。

　　本文提出的檢測步驟如下：構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(xiàn)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(dòng)態(tài)噪聲，通訊指令為ALOHA、ATTRIB