NFC的規范與測試詳細介紹

　近年來(lái)由于手機的功能與普及度快速的成長(cháng)，使早期的電子錢(qián)包有了推廣的機會(huì )點(diǎn)。NFC的演進(jìn)取自于RFID的特定頻段，由于手機的市場(chǎng)應用使的NFC可在較快的時(shí)間點(diǎn)取得標準接口與平臺，本文將針對NFC的架構與規范做討論。

　　NFC應用

　　電子付費系統中，目前應用于手機系統上最完整的解決方案是以NFC(nearfieldcommunication)為主，市場(chǎng)上也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品流通著(zhù)，如NOKIA3220、SamsungSGH-X700、VISAWAVE及臺北捷運優(yōu)游卡等，皆是兼容于NFC系統。除了個(gè)人識別與電子付費系統外，NFC也在數據傳輸與交換上有了一些吸引人的功能，例如：電子海報的數據下載(包括入場(chǎng)卷、會(huì )展信息)。此外，NFC還可以作為藍牙設備配對及輸入密碼的簡(jiǎn)化功能，若是使用者具有負載NFC的藍牙設備，即可將NFC分別靠近兩組具有NFC的藍牙設備，如此即可不需要透過(guò)藍牙搜尋及輸入密碼的配對過(guò)程即可快速連結。目前韓國、中國及歐美已經(jīng)在電信業(yè)者、芯片商與手機制造商的合作下于公交付費系統中進(jìn)行多次的驗證，預期NFC將有快速的成長(cháng)。

　　NFC架構

　　NFC的操作頻率為13.56MHz，而操作距離約為10cm之內;而NFC的規范制定取至于RFID13.56MHz的頻段，早期運用此頻段包括PhilipsMiFARE(ISO1443A)、ISO1443B、ISO15693、ISO18000-3及SonyFelica。由于非接觸卡應用于個(gè)人數據識別或電子付費系統中強調于安全機制，而近乎于貼近卡片閱讀器系統的近場(chǎng)通信及是將13.56MHz中短距系統的部分加以整合，所以最后市場(chǎng)上所見(jiàn)的即為PhilipsMiFARE(ISO1443A)及SonyFelica，早期這兩家系統各自發(fā)展互不兼容，直到近年才將兩種規格合并并制定了NFC規范ECMA340/ISO18092(NFCIP1，NFCInterfaceandprotocol1)。此規范相容于現有PhilipsMiFARE(ISO1443A)及SonyFelica。

　　NFC工作頻率為13.56MHz、ASK調變，傳輸速率可分為106kbps/212kbps/424kbps三種，通信模式可分為主動(dòng)模式與被動(dòng)模式，主動(dòng)模式是指發(fā)起設備(initiator)與目標設備(target)皆可自身電源供應產(chǎn)生RFfield，而被動(dòng)模式下則是發(fā)起設備自身供應電源產(chǎn)生RFfield;而目標設備則利用全波整流線(xiàn)路將發(fā)起端的RFfield之能量轉換為DC來(lái)供應自己的電源。值得一提的是，在被動(dòng)模式下為了要滿(mǎn)足省電的要求所以采用了負載調變(Loadmodulation)的方式，此調變方式可以達到省電的效果。

　　在使用上因為NFC的使用通常會(huì )遇到使用尖峰時(shí)期，會(huì )了避免不同的發(fā)起端或目標端同時(shí)溝通造成數據鏈路錯誤，所以NFC采用了一種機制listenbeforetalk。此機制會(huì )讓當發(fā)起端設備要發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號前，先偵測外界磁場(chǎng)強度來(lái)判斷是否有其它的設備正在溝通中，這種機制的實(shí)現稱(chēng)為RFCollisionAvoidance(RFCA)，其動(dòng)作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號時(shí)會(huì )偵測外界磁場(chǎng)，當磁場(chǎng)強度超過(guò)門(mén)坎強度時(shí)(Hthreshold=0.1875A/m)則會(huì )停止詢(xún)問(wèn)，直至外界強度降至門(mén)坎值以下。若是低于臨界值才會(huì )開(kāi)始發(fā)出詢(xún)問(wèn)指令，偵測的時(shí)間為T(mén)IDT+nTRFW，n為0～3的機率取樣：TRFW=512/fc(RFwaitingtime)，TIDT>4096/fc(initialdelaytime)。當發(fā)起設備在TIDT+nTRFW內沒(méi)有偵測到超過(guò)門(mén)坎強度的磁場(chǎng)，則會(huì )先發(fā)射TIRFG的未調變RFfield之后再發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號，其中TIRFG必須大于5ms。

　　NFC規范調變

　　在此將針對NFCRFinterface做敘述，首先要先介紹EMCA340與EMCA356兩種標準，EMCA340中敘述NFC相關(guān)協(xié)議，這里先引入數據封標作討論，NFC數據分包分為兩種類(lèi)型，一為106kpbs、一為212/424kbps。

　　由于NFC106kbps為100%ASK調變，所以對整個(gè)High/Low信號的封包結構都有相當詳細的定義。其中幾個(gè)參數包括從100%下降到5%Am時(shí)間(t1)、5%Am持續時(shí)間(t2)、Am由5%上升至60%時(shí)間(t4)即overshoot的范圍。而212/424kbps則是8%～30%的調變率。

　　RF測試kit

　　1.Calibrationcoil：coil的功能在于驗證測試過(guò)程中，待測物所發(fā)射出的信號是否為正確的強度與調變。此Coil為一簡(jiǎn)單的天線(xiàn)架構，當然EMCA也詳細的規定了所有的尺寸，由此coil所測出的值為0.32V(RMS)=1A/m(磁場(chǎng)強度)。
2.FieldGeneratingAntenna：kit用于磁場(chǎng)的發(fā)射，圖中還包含了一組天線(xiàn)匹配線(xiàn)路。

　　3.Sensecoil：sensecoil用于量測待測物的磁場(chǎng)強度與調變。

　　4.Referencedevice：referencedevice用于測試DUT的標準件。

　　RF測試程序

　　1.發(fā)起設備Power測試：

　　此測項在測試由發(fā)起設備所供給的磁場(chǎng)強度是否供給目標物足夠的工作電源。

　　將信號由generatingantenna調整發(fā)射，于右端的calibrationcoil量測到的強度為Hmax(7.5A/m)，此時(shí)再將referencedevice配合power測試線(xiàn)路調整C2使線(xiàn)路共振點(diǎn)位于19MHz(此部份在規范中并無(wú)詳述為何調整至19MHz，在此推論若19MHz可達到3V輸出則當目標物為13.56MHz時(shí)其電壓一定會(huì )超高3V，此因該為取其下限值)，放置于DUT位置，調整線(xiàn)路R2使的由C3所得到之電壓值為3V。此時(shí)Referencedevice已經(jīng)完成，之后再將此卡用來(lái)量測發(fā)起設備，將此卡放至于發(fā)起設備所標注之超作范圍，在此超作范圍內任意位置所量測到的電壓值(C3)皆不可超過(guò)3V。至于Hmin測試則與max大致相同，不同處為將referencedevice共振頻率調至13.56MHz及所量測知電壓值皆須超過(guò)3V。

　　2.目標物的loadmodulation測試：

　　(1)被動(dòng)模式

　　●106kbps：此測試為驗證目標物可正確調變出波形，先將calibrationcoil放置于下側外緣，確定generatingantenna所發(fā)射之波形與強度正確無(wú)誤，此時(shí)再將待測目標物放置于上側外緣，編輯一個(gè)ECMA340所定義之SENS_REQ波型由generatingantenna發(fā)射并在待測目標物會(huì )回送一個(gè)SENS_RES信號，如此即可透過(guò)二個(gè)sensecoil量測到信號，此量測架構因考量回傳之負載調變信號微弱，所以利用兩個(gè)sensecoil之間電壓差做計算，由于兼容系問(wèn)題，所以在106kbps延續MiFARE使用副載波(subcarrier)的調變作被動(dòng)目標物的回傳信號，所以量測點(diǎn)應于fc+fs與fc-fs(fc=13.56MHz，fs=fc/16)。

　　●212/424kbps：高速的調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(wú)使用副載波調變

　　(2)主動(dòng)模式

　　主動(dòng)模式的測試與被動(dòng)模式上并無(wú)太大的差異，由于是主動(dòng)模式所以加測了目標物的RFfield發(fā)射的時(shí)間，指令下達的時(shí)間……等。

　　3.發(fā)起設備的loadmodulation測試：此測試在于驗證發(fā)起設備的調變機制，可分為主動(dòng)模式發(fā)射與被動(dòng)模式接收兩種。

　　(1)主動(dòng)模式發(fā)射：將calibrationcoil放置于發(fā)起設備所定義的任意位置，而所量測的波型皆需符合ECMA340所定的規范。

　　(2)被動(dòng)模式接收：此為測試發(fā)起設備可以正確的接收被動(dòng)目標物所回傳的信號。利用圖7-2的loadmodulation測試線(xiàn)路所做成的referencedevice，先將對應C3電壓與距離的關(guān)系以圖8的架構校正好，之后即可將此卡與發(fā)起設備的待測物做量測，測試由referencedevice所發(fā)出的調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的測試請參考ECMA。

　　NFC系統與芯片開(kāi)發(fā)

　　目前市場(chǎng)上所能見(jiàn)到的NFC最為積極推動(dòng)的包括了Philips、NOKIA、Sony與Samsung，而這幾家廠(chǎng)商皆有產(chǎn)品于市場(chǎng)上，包括PhilipsPN511/PN531、NOKIA3220，RFMD也預計于RF4100與RF4113兩個(gè)具有NFC功能的單芯片，RF4100為藍牙與NFC整合的系統芯片，具有高整合度的手機應用界面，而RF4113則為NFC系統芯片。RF4100尺寸為5mm×5mm的BGA與3.7mm×3.7mmWLCSP。預期NFC將會(huì )為手機應用層面帶入一個(gè)新紀元。