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“增强型NFC”技术如何让移动设备可靠地仿真非接触式卡片

在过去的数十年里,数以亿计的人在他们的皮夹、钱包或手提包中放有非接触式卡片。首批非接触式卡片是价格低廉、如信用卡般大小的塑料卡片,被用于控制人们出入火车、电车或公交车的权限。它使用起来快速、便利,于是理所当然大受消费者的欢迎。在过去十年中,非接触式技术已延伸至支付卡(如:借记卡、信用卡和充值卡),用于加快报摊、咖啡店和便利店等快节奏零售环境中的交易速度。

  事实上,广泛采用非接触式技术的条件已臻于完善:

  * 消费者了解并接受这项技术

  * 非接触式读卡器已被大量安装(在销售点终端设备、验票处及其他地点)

  * 数以千计的零售商、银行、交通网络运营商及其它机构,都已使用这类非接触式通讯基础设施,用于付费管理和出入控制。

  然而,有一个重要元素被忽略了:许多消费者不管到哪里都会随身携带一个智能手机。理论上,它可以仿真非接触式卡片,让用户能用一个设备取代多张卡片。

  对于商家及交通服务商而言,这是非常可取的:以可下载的应用程序取代卡片,可以省下提供卡片的成本;再者,当消费者感到愈加便利时,会加速这项技术的普及,进而有助于商家及交通服务商增加营收并改善营运效率。

  手机制造商也同样热切地希望能在他们的设备中实现非接触技术,以增加其设备的价值并提高他们对消费者的吸引力。

  这项技术的初次尝试是在21世纪初,源于近场通讯技术(Near Field Communications,NFC)的发布。NFC技术是在NFC论坛支持下的一项标准技术,它和仿真卡片一样,都可以支持读卡器模式,使设备可以读取NFC标签及点对点(peer-to-peer)模式。

  但是早期的的应用没有适当考虑手机的电气和机械限制。特别是作为NFC读卡器,相对于专用的NFC读卡器,例如非接触式支付终端,手机针对天线所能提供的电能和可用的空间要少很多。要使手机达到与读取器相当的效能是相当困难的。

  不过,更重要的是缺乏一个受客户欢迎的手机应用。简单来说,就是手机使用者不知道拿口袋里的NFC读卡器做什么。

  如果手机可以作为NFC标签使用,便能仿真多种非接触式卡片。同时,它还将成为一个广受欢迎和使用的应用:消费者不仅能用自己最爱的设备出入建筑物、火车和公交车,还能用它在商店付费、使用优惠券和积累点数。

  所以,智能手机制造商要如何实现可靠的NFC标签功能呢?让我们先了解下NFC标签是如何与读卡器进行通讯的。

  非接触卡片的被动负载调制

  NFC技术需要一对天线的电感耦合。耦合系数为k,代表一对读卡器/卡片天线组耦合的易感程度。系数的值介于0与1之间,主要是依据天线的几何参数和天线之间的距离而定。

  在正常情况下,当卡片的天线小于读取器天线时,无论与读卡器天线的特定距离为何,耦合系数都会与卡片天线的表面积呈正比:表面越大,耦合系数越大。

  当使用一般的“被动负载调变(PLM)”方式来传输数据时,k的数值通常需介于0.03和0.3之间。

  非接触式NFC交易是一连串的读卡器指令,每一个指令后面都会有一个来自卡片的应答。PLM被用于非接触式卡片以及除了Apple iPhone 6 及iPhone 6 Plus所有现有的NFC手机,其运作是藉由切换至卡片天线的被动(电阻或电容)负载实现(请见图1)。一个默认负载会响应非调制状态,而开关负载会响应调制状态。当读卡器和卡片天线电感耦合时,读卡器的接收器能感测到这些负载变化,并将之解码以从信号中抽取信息。

图1:实现被动式负载调制的电路。

  在制作NFC系统时,将负载调制幅度纳入考虑是很重要的:这是读卡器接收机所感测到的调变和非调变电压的差异 (请见图3)。如果这幅度降至特定的最小值之下,接收机则将无法可靠地感测到卡片信号调变。所有其他部份都是相等的,k的数值越大,则负载调变幅度越大。

  当被用于非接触式卡片中时,PLM可以稳定地输出充足的负载调变幅度。非接触式卡片的标准尺寸一般是ID-1,为一张信用卡大小。其中内嵌一个大天线,针对现今的读卡器能提供6厘米的接收范围。的确,非接触式卡片系统的性能非常优良,使用者无需将非接触式卡片从皮夹或手提包中拿出来,便可在公共交通系统中实现验票操作。

  事实上,消费者期望非接触式系统能运作得更为迅速实时且完全可靠,让他们的非接触式装置能从各个方向接近读取器,无论是通过手持、或是当设备是完全隐藏在皮夹或皮包里。

  这对智能手机制造者则构成了极大的挑战。因为手机中包含许多无线电设备和天线,且是被包覆在金属中。手机的电路板上密布着各种组件,而且消费者需要的更大显示屏幕及电池正占据越来越多的可用空间。

  这样的环境对于PLM而言可说是完全不适合。局促的空间尺寸只容得下微小的天线。各种各样的金属和相互干扰的射频信号也会严重影响手机和读卡器天线耦合的能力。

  这一情况带来的结果便是糟糕的消费体验:交易常常失败或者得花上好几秒才能完成,而且消费者被迫得从皮包中拿出手机并小心翼翼地靠近读卡器,这让他们觉得很不方便。

  如何补偿低耦合系数

  设计上的限制阻碍手机制造商寻求增加k数值的尝试,如以上所示,这些尝试都需大幅增加手机NFC天线面积。

  因此,欲提升手机的卡片仿真模式的效能,相关努力多集中于增加负载调变幅度。而现在已经找到了一个可行的方法,叫做主动负载调变(Active Load Modulation, ALM)。

  ALM利用移动设备的电池电源进行供电。在ALM中,一个和读卡器磁场同步的载波信号会在调变状态期间被传送,并且在非调变状态期间关闭(请见图2)。这种运作方式叫做AND模式。而这在更高效的技术版本中被称作XOR模式,该模式下一个和读卡器磁场同步的信号会在调变状态期间被传送,而在非调变状态期间则是传送一个180° 相移信号。相较于AND模式,XOR模式使读取器所感测到的负载调变强度翻倍。如此,就能使用小得多的天线。

  ALM 信号被耦合至读卡器的天线。根据其与读卡器磁场的相位差,耦合ALM信号或是增加或是减小读卡器的信号,以形成负载调变信号。

  ALM的主要优点就是,它能在耦合系数低于100倍的情况下,达到与PLM设备相同的负载调变幅度 (请见图3)。

图2:主动负载调变电路图。

图3:ALM能使用小于典型PLM系统天线100倍之多的天线。

  一个典型的非接触式卡片天线的面积为4,000mm2,可以成功实现PLM。ALM电路则能以仅仅40mm2的天线在读卡器接收机达到相同的负载调变幅度,提供同样的消费者体验。

  对于手机制造商而言,这种尺寸的天线成本几近于0 ——它甚至可实现在主板上印刷电路板天线。它不需要铁氧体屏蔽。就比较来看,具有铁氧体和连接器的大型天线的成本将近1美元。再者,NFC 天线可放在对用户而言最好的位置。例如当放在后置镜头附近时,用户只需要将手机顶部轻触读卡器即可。

  相对而言,放在智能手机背盖或电池中的大型天线是造成用户失望的原因。一般而言,他们会将手机拿在手中,所以手机天线无法准确对准读卡器天线。当他们将手机扫过非接触式读取器前面时,交易会失败。所以用户必须学会将手机小心翼翼地很靠近读卡器,非接触式传输才能成功——这样的动作和使用非接触式卡片的体验相当不同。

图4:小型天线可以轻易放入设备中,提供最佳用户体验。

  在图4中,读卡器天线被标记为黄色。基于PLM的解决方案所需的大型天线则是被标记为橘色,是手握装置的地方。相对而言,ALM解决方案所使用的小型天线则是被标记为红色,它的位置非常理想,能成功完成NFC交易。

  由于能使用非常小的天线,ALM 也非常适合用于可穿戴设备中。可穿戴设备的空间有限,只能容纳小型天线,然而采用小型天线的PLM解决方案不能提供令人满意的通讯范围。

  交通和支付系统读写器互操作性的改善

  Ams(艾迈斯)开发的一系列NFC标签模拟IC采用了ALM的运作原理,所有产品皆采用了其“增强型NFC”技术。当应用到最新的智能手机中时,增强型NFC用40mm2的天线来匹配非接触式卡片的性能。

  然而天线尺寸的缩小并非是增强型NFC唯一的好处,它也能支持负载调变信号的各种电气参数,包括:

  * 自动功率控制(Automatic Power Control)功能,当手机接近读卡器时(换句话说,就是耦合系数变高时),这个功能可减少输出电压,从而防止读卡器接收机的饱和。

  * 根据读卡器的磁场配置主动负载调变(Active Load Modulation)信号的相位差,这可以提高手机在几乎离开读取器的范围时交易的可靠度。

  * 可设定的灵敏度以及支持各种不同外观尺寸的天线。极低的灵敏度能确保读卡器至卡片的链接绝对不会对交易范围造成限制。

  * 精确的计时机制,这能确保读卡器指令和卡片响应之间的延迟符合非接触式标准所规定的严苛限制。这个机制能补偿发生在NFC控制器端的各种变化。

  * 自动增益控制(Automatic Gain Control),能提供读卡器信号的正确解调变,并容纳终端设计,特别是公共运输系统的各种变化。

  所有的这些功能都能实现动态配置,以提供相对于既有NFC解决方案更高的互操作性通过率。当应用于付费手续时,可以实现百分之百的通过率。

  此外,增强型NFC 技术提供一种方法,让代工制造商能适应已安装读取器的不一致性,这是由于非接触式支付卡交易标准EMVCo的不断修改。(对于已运作十年的销售点终端而言,这并不稀奇。)随着老化,读卡器的效能也会发生变化,而读取器效能的差异也可能源自于制造和安装的不一致性。

  极小的天线也能避免读取器天线失谐的问题,而大型天线会发生这种问题。EMVCo对非接触式通讯范围的要求已从4cm放宽至最小2cm,主要针对采用较差性能PLM解决方案的 NFC手机。而这几乎无法达到使用者的期望。不过幸运的是,这个放宽的标准在未来是没有必要的,因为增强型NFC 将能让 NFC 手机的效能和传统的非接触卡片一样好,甚至是更佳。

  ams的NFC booster IC- AS3922可提供 ALM技术,能用于UICC和microSD NFC连接卡。这让没有内设NFC功能的手机和小型配件都可以模拟非接触式卡片。

  AS3923及 AS39230作为 NFC控制器的附加组件被集合于电子设备中,主要是用来取代控制器的模拟前端(请见图4)。AS39230也支持NFC的主动点对点模式及卡片模拟。

  在ams的实际操作中,ALM对于电池运作寿命几乎没有影响,因为增强型NFC组件会维持省电模式,直到它侦测到非接触式交易的发生。

  数字IC制造商也试图实现ALM,然而ALM系统所需的模拟电路非常不适合先进数字IC的超小电路特性,因此,集成ALM的数字安全组件(Secure Elements)或NFC控制器的负载调变效能都很差。相对而言,ams电子组件采用的纯粹模拟电路能提供最佳的效能,可满足习惯于使用便捷非接触式卡片的消费者对非接触式技术的期望,因此该组件已被用于现今市场上最顶尖的智能手机中。

图5:增强型NFC 被用于主NFC控制器的附加芯片(AS3923)中。

  结论

  非接触式卡片现今已被广泛用于公共运输系统,以及商店的非接触付费交易中。数以亿计的消费者随身带着一个智能手机,理论上它可以模拟智能卡,让用户能用随身携带的单一装置来取代多张卡片。

  要在智能手机环境中实现非接触式卡片功能,可以说是充满了挑战。非接触式卡片用于与非接触式读写器通讯的被动式负载调变方法需要使用大型天线,且需要为射频信号提供良好环境。然而智能手机的空间狭小、格局拥挤,布满金属物件且会受到射频干扰。

  因此,智能手机和可穿戴设备制造商已转向另一种实现NFC非接触式通讯的方式:主动式负载调变。这篇文章旨在描述主动式负载调变的运作方式,并说明此种方式应用于智能手机中的好处。

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