NFC技術介紹及其射頻測試方法

NFC將現有的非接觸式識別技術與互聯互通技術相結合并加以發展，由索尼(Sony)與恩智浦半導體(NXP)(前身為Philips)共同研發。NFC可廣泛用于各種信息交換，例如電話號碼、圖像、MP3文件、數字式授權、電子錢包、廣告信息、產品信息等。這種信息交換可在兩個具有NFC功能的電子設備(如手機)之間進行，抑或于具有NFC功能的手機和與其兼容并位于近距離內的無線射頻識別系統(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、通行證、訪問控制以及各種數據交換等服務，將可以徹底改變人們的生活模式與習慣。

NFC應用包羅萬象

NFC工作在以13.56MHz為中心的頻段，并在約10公分范圍內提供速率達424kbit/s的數據傳輸。與工作在該頻段的傳統式非接觸式技術(只有主動被動式通信)不同，具有NFC功能的電子設備之間的通信可以是主動主動式(端對端技術)，也可以是主動被動式。因此，NFC意味著一個在RFID網域的連接。此外，NFC與被廣泛使用的智能卡基礎架構向后兼容，如基于ISO/IEC 14443 A(像NXP的MIFARE技術)和ISO/IEC 14443 B的架構，同時也與Sony的FeliCa卡(JIS X 6319-4)相容。實現NFC設備之間的信息交換，在標準ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通信協議。NFC論壇于2004年由NXP、Sony及諾基亞(Nokia)共同創辦，并藉此協調和促進NFC技術的發展。NFC論壇還制定保證各種NFC設備及服務之間互聯互通的技術規范。所有上述的標準(ISO/IEC 14443 A、B、ISO/IEC 18092以及JIS X 6319-4/FeliCa)都被涵蓋在內，并自2010年12月起，NFC論壇為NFC設備的兼容性提供證明。

為確保手機與不同廠家的RFID芯片卡之間的互聯互操作性，須要對各種NFC設備進行協議及射頻測試。其中射頻測試主要包括測量有關時間方面的參數、載頻與查詢模式下的信號強度和接收靈敏度、負載調變參數(收聽信號的強度)等。

簡易性廣泛應用

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

·移動支付
用NFC手機購票或付出租車費用，以及在非接觸式售貨點用NFC手機付費，或將收據存入NFC手機。

·權限及訪問控制
將電子密鑰權限證明信息存入NFC手機、訪問保密機構、登錄保密計算機、開車門、設置居家辦公室。

·數據傳輸與交換
在各種NFC設備之間進行數據傳輸(端對端數據交換)如在NFC手機、數字相機、筆記本電腦間交換名片；把相機靠近打印機并印出照片。

·啟動其他服務
例如為數據傳輸啟動其他通信連接、設置藍牙(Bluetooth)及無線局域網絡(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，或者位置存入NFC手機，如停車位置。

·購票
把各種票券存入NFC手機，如電影，音樂會，體育比賽等等。

NFC數據傳輸原理

與RFID標準14443及FeliCa相似，NFC使用感應耦合，類似變壓器的原理，如圖1所示，NFC利用兩個導電線圈的磁場以耦合查詢設備(激勵設備)與收聽設備(目標設備)。

圖1 查詢設備(激勵設備)與收聽設備(目標設備)的結構配置

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

查詢設備的功率與數據傳輸

被動系統(如處于被動卡仿真模式下的NFC手機)進行傳輸時，其借以查詢設備的13.56MHz載波信號作為驅動能源。查詢設備的調變方式為ASK。在NFC端對端模式下，雙方都處于查詢狀態，其信號都被加以調變及編碼。此時，所需功率相對減少，因為每個NFC設備都有各自的能源供給，并且傳輸結束后載波信號自動停止發射。

收聽設備數據傳輸

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

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

調變方式與編碼

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

圖3 100%調變深度的ASK

圖4 10%調變深度的ASK

圖5 BPSK調變

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，當邏輯1之后為邏輯0時，不出現邏輯0的低電位脈沖，信號保持為高電位。

圖7顯示使用ASK調變及Manchester編碼的負載調變(如處于被動卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A設備)。

圖7 使用輔助載波的負載調變在時域及頻域的圖示

NFC標準/標簽類型多樣

以下將進一步針對NFC標準的演進以及其主要的工作模式、卷標類型進行更詳細的說明。

NFC標準的沿革

三大標準ISO/IEC 14443 A，ISO/IEC 14443 B以及JIS X 6319-4皆屬于RFID標準，由不同公司(NXP、Infineon及Sony)提出。第一個射頻NFC標準是ECMA 340，并基于ISO/IEC 14443 A與JIS X 6319-4的空中接口。之后，ECMA 340被編入標準ISO/IEC 18092。與此同時，信用卡的主要發卡公司(Europay、Mastercard、Visa)也開始推廣基于ISO/IEC 14443 A與ISO/IEC 14443 B的付費標準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射頻與協議標準以及測試規范的沿革過程。

圖8 NFC射頻標準的沿革

圖9 NFC協議標準的沿革

調變與編碼工作模式

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設備就如同與現存標準兼容的非接觸式卡片。其二為端對端模式，兩個NFC設備進行信息交換。與讀寫模式相比，激勵設備(查詢設備)所需功率相對減少，因為目標設備(收聽設備)也有自己的能源供給。最后是讀寫模式(主動模式)，NFC設備處于主動狀態，對現存的被動式RFID標簽進行讀寫。

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相互結合：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，如圖11顯示，處于查詢模式下的NFC設備首先用相應的請求信號試探NFC-A，NFC-B以及NFC-F標簽的反應。當從兼容設備得到反應后，NFC設備便依照標準建立通信模式(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(NFC-A，-B，-F)以及傳輸速率(比特率)的不同，進行相應的編碼與調變。

圖11 查詢模式下識別過程的流程圖(主要流程)

表1列出對應于NFC-A、-B和-F傳輸技術的編碼，以及調變和數據速率。

NFC標簽分四種類型

NFC標簽是被動設備，可用于與NFC主動設備進行通信。NFC標簽主要用于廣告，以及用于存儲數量不大的信息并將信息傳送給NFC主動設備等領域。依照不同的格式和容量，NFC卷標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射頻測量至為關鍵

為確保NFC設備的功能符合各種標準，必須進行一系列的射頻測量以及綜合的協議測量。依照NFC模擬測試規范草案，射頻測量須由參考設備予以規定(即NFC論壇的參考收聽器和NFC論壇的參考查詢器)。這些參考設備相當于NFC的典型設備。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設備的收聽及查詢模式，NFC論壇規定了下面兩種方案，請見圖12、13。

圖12 NFC設備的收聽模式測量配置

圖13 NFC設備的查詢模式測量配置

NFC參考設備

當與適當的信號源和功放相連接時，NFC論壇的參考查詢設備即向待測收聽設備發送指令。測試儀器隨即捕獲并分析待測物的反應。NFC論壇的參考查詢設備有三種不同的天線線圈設計，并基于標準EMVCo PCD)(針對查詢器Poller-0)，以及ISO標準化的PICC天線線圈設計的兩種補償型(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論壇的參考收聽設備分析待測查詢設備所發送的信號。為了分析信號的頻率與波形，NFC論壇的參考收聽設備配有感應線圈。利用由適當的外接信號源(如任意波形發生器)所產生的負載調變的不同電平，N??FC論壇的參考收聽設備也能向待測物發送信息。

查詢設備的工作范圍是指至少在此范圍(空間)內，NFC設備之間能夠依照規范實現互聯互通。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設備的射頻測量

NFC模擬測試規范草案規定了有關于NFC設備的型號認證的射頻測量。以下是最重要的射頻測試項目：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(有關時間方面參數的測量，如上升及下降沿時間)、??負載調變靈敏度測量(查詢設備需能夠在規定的最小電平下正確接收負載調變)、門檻電平測量(待測查詢設備需能夠在遇到特定強度的外加電磁場時停止工作)。

在被動式收聽模式下，則有負載調變測量(負載調變的強度須處于所要求的范圍內收聽設備的應答)、功率接收測量(收聽設備需能夠在惡劣的條件下做出正確應答)、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手機開始傳送為止的響應時間。只要手機可以支持，必須針對不同模式(NFC-A、NFC-B及NFC-F)進行以上所有的測量。

NFC手機測試實例

以下部分將表述針對手機在查詢及收聽模式下的測試方案。

手機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。如圖17所示，借由適當的高性能之示波器如羅德與施瓦茨(R&S)RTO可檢測功率、載頻以及調變波形。高性能示波器的獨特優點在于其綜合的觸發功能，因此無須使用外部觸發。適當的信號或頻譜分析儀(如R&S FSV)亦可在零跨頻模式下，借助外部觸發對載頻功率及調變波形進行測量。此外，頻譜分析儀還可用于測量雜散輻射。

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

為測量負載調變靈敏度，適當的具有任意波形功能之射頻信號產生器(如R&S SMBV100A)將產生適當的應答信號SENS_RES(SENSE RESPONSE)，以作為對于由NFC設備所發出的詢問信號SEL_REQ(Select Request )的應答，信號產生器則由示波器予以觸發。

收聽模式測試方案

如圖18所示，NFC論壇的參考查詢設備被用來測試在收聽模式(被動卡仿真模式)下的NFC手機。適當的具有任意波形功能之射頻信號產生器(如R&S SMBV100A)將可以產生查詢信號。借由脈沖程序軟件R&S SMx-K6，可以輕松地產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。相應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手機之測試方案，用以測試負載調變與幀時延等參數。

示波器/信號分析儀測試結果

以下部分將表述針對NFC手機的??測試結果，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技術的手機在查詢模式下的功率測量結果。其中，載頻的測試結果也以圖17所示之測試方案，借由NFC論壇的參考設備而同時獲得。

圖19 借助示波器R&S RTO的并行測量實例，針對NFC設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例。其中，以光標1(位于5%處)和光標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手機在被動卡仿真模式下幀時延的測量實例。上面的圖形顯示Select Request信號(由任意波形產生器發送)以及隨后的NFC手機在被動卡仿真模式下之響應(負載調變)。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，直到響應的第一個位為止的時間范圍。以兩個光標(光標1和光標2)測量得到幀時延(86.51μs)。在兩個光標之間的波形幅度變化是NFC手機在被動卡仿真模式下所產生的寄生負載調變。

圖21 針對NFC手機在被動模式(14443 PICC卡仿真模式)下幀時延的測量實例，上面的部份顯示首先是Select Request信號，接著是連續波信號(NFC手機所產生的寄生負載調變) ，最后是NFC手機的??響應。

如前文所述，幀時延也可借由頻譜分析儀以零跨頻進行測量。圖22顯示由R&S FSV所測之結果。標志M1位于查詢信號最后一個??位的上升邊緣，差量標志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進行幀時延測量的實例，差量標志D2測量從查詢指令的終止，直到手機在卡仿真模式下發送的起始之響應時間(86.28μs)。

·收聽模式下負載調變的測量

如圖23所示，NFC之負載調變是13.56MHz查詢信號包絡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)對負載調變的測試。由于頻譜分析儀測得信號的均方根值，其示值須乘以系數1.41而得到示波器所示之峰值。

圖23 依照NFC論壇的負載調變定義

圖24 使用示波器R&S RTO測量負載調變，以兩條標志線測量查詢信號包絡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測量負載調變：在零跨頻模式下，兩條標志線D1與D2測得最大與最小均值，即負載調變的均方根值=D1與D2之差= 153-110毫伏=43毫伏，而負載調變=43毫伏×1.41 = 60.6毫伏(如上所述)。