實現非接觸資訊交換 NFC射頻測試扮要角
近距離無線通訊(NFC)將現有的非接觸式辨識技術與互聯互通技術相結合並加以發展，由索尼(Sony)與恩智浦半導體(NXP)(前身為Philips)共同研發。NFC可廣泛用於各種資訊交換，例如電話號碼、圖像、MP3檔、數位式授權、電子錢包、廣告資訊、產品資訊等。這種資訊交換可在兩個具有NFC功能的電子設備(如手機)之間進行，抑或於具有NFC功能的手機和與其相容並位於近距離內的無線射頻辨識系統(RFID)晶片卡或讀取器之間完成。NFC被用作控制獲取資訊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，並在約10公分範圍內提供速率達424kbit/s的數據傳輸。與工作在該頻段的傳統式非接觸式技術(只有主動被動式通訊)不同，具有NFC功能的電子設備之間的通訊可以是主動主動式(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與被廣泛使用的智慧卡基礎架構向後兼容，如基於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設備之間的資訊交換，在標準ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通訊協議。NFC論壇於2004年由NXP、Sony及諾基亞(Nokia)共同創辦，並藉此協調和促進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範。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，並自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晶片卡之間的互聯互通性，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訊號強度和接收靈敏度、負載調變參數(收聽訊號的強度)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。
．行動式付費
用NFC手機購票或付計程車費用，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資訊存入NFC手機、訪問保密機構、登錄保密電腦、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、數位相機、筆記型電腦間交換名片；把相機靠近印表機並印出照片。
．啟動其他服務
例如為數據傳輸啟動其他通訊連接、設置藍牙(Bluetooth)及無線區域網路(WLAN)連接。
．讀取資訊
將智慧型廣告中的時間表、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數據傳播原理
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)。
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| 圖1 查詢設備(激勵設備)與收聽設備(目標設備)之結構配置 |
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%)及二進位相移鍵控(BPSK)。
查詢設備的功率與數據傳輸
被動系統(如處於被動卡仿真模式下的NFC手機)進行傳輸時，其藉以查詢設備的13.56MHz載波訊號作為驅動能源。查詢設備的調變方式為ASK。在NFC端對端模式下，雙方都處於查詢狀態，其訊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，並且傳輸結束後載波訊號自動停止發射。
收聽設備數據傳輸
由於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於主動的查詢設備。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於收聽模式(如ISO/IEC 14443)，其中輔助載波由基帶訊號加以調變，並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相容，其負載調變不使用輔助載波，而為直接作用於13.56MHz載波的ASK調變。
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| 圖2 基於13.56MHz載波並使用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(由於NFC使用時分多路通訊，三組譜線並不同時出現)。 |
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)。
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| 圖3 100%調變深度的ASK |
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| 圖4 10%調變深度的ASK |
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| 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編碼的一個位元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)編碼將每一個位元分成兩段，邏輯1的前半段為高電位，後半段為低電位。邏輯0的前半段為低電位，後半段為高電位。
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| 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編碼也將每一個位元分成兩段，邏輯1後半段的起始有一個低電位脈衝，而邏輯0以一個低電位脈衝開始。其中的例外是，當邏輯1之後為邏輯0時，不出現邏輯0的低電位脈衝，訊號保持為高電位。
圖7顯示使用ASK調變及Manchester編碼的負載調變(如處於被動卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A設備)。
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| 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/標籤類型多樣
以下將進一步針對NFC標準的演進以及其主要的工作模式、標籤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皆屬於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，並基於ISO/IEC 14443 A與JIS X 6319-4的空中接口。之後，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)也開始推廣基於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，並分別命名為NFC-A(基於ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(基於ISO/IEC 14443 B)以及NFC-F(基於FeliCa)。圖8和圖9分別顯示了NFC射頻與協議標準以及測試規範的沿革過程。
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| 圖8 NFC射頻標準的沿革 |
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| 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相容的非接觸式卡片。其二為端對端模式，兩個NFC設備進行資訊交換。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。最後是讀寫模式(主動模式)，NFC設備處於主動狀態，對現存的被動式RFID標籤進行讀寫。
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| 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)向後兼容、NFC-B(與ISO/IEC 14443 B)向後兼容、NFC-F(與JIS X 6319-4)向後兼容。為支持所有各種不同技術，如圖11顯示，處於查詢模式下的NFC設備首先用相應的請求訊號試探NFC-A，NFC-B以及NFC-F標籤的反應。當從相容設備得到反應後，NFC設備便依照標準建立通訊模式(NFC-A，NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通訊模式(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。
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| 圖11 查詢模式下辨識過程之流程圖(主要流程) |
表1列出對應於NFC-A、-B和-F傳輸技術的編碼，以及調變和數據速率。
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NFC標籤分四種類型
NFC標籤是被動設備，可用於與NFC主動設備進行通訊。NFC標籤主要用於廣告，以及用於存儲數量不大的資訊並將資訊傳送給NFC主動設備等領域。依照不同的格式和容量，NFC標籤被分為四種基本類型並以類型1～4命名(表2)。其格式分別基於ISO 14443的類型A與B以及Sony的FeliCa。
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NFC射頻測量至為關鍵
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模擬測試規範草案，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)。這些參考設備相當於NFC的典型設備。其處於查詢及收聽模式，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。
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| 圖12 NFC設備的收聽模式測量配置 |
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| 圖13 NFC設備的查詢模式測量配置 |
NFC參考設備
當與適當的訊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。測試儀器隨即捕獲並分析待測物的反應。NFC論壇的參考查詢設備有三種不同的天線線圈設計，並基於標準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。
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| 圖14 NFC論壇的參考查詢器 |
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| 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訊號。為了分析訊號的頻率與波形，NFC論壇的參考收聽設備配有感應線圈。利用由適當的外接訊號源(如任意波形發生器)所產生的負載調變的不同電平，NFC論壇的參考收聽設備也能向待測物發送訊息。
查詢設備的工作範圍是指至少在此範圍(空間)內，NFC設備之間能夠依照規範實現互聯互通。圖16顯示了工作範圍的具體定義。
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| 圖16 NFC工作範圍之定義 |
NFC設備的射頻測量
NFC模擬測試規範草案規定了有關於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於所要求的範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(對於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，直到處於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，藉由適當的高性能之示波器如羅德史瓦茲(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於其綜合的觸發功能，因此無須使用外部觸發。適當的訊號或頻譜分析儀(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，頻譜分析儀還可用於測量雜散輻射。
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| 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訊號產生器(如R&S SMBV100A)將產生適當的應答訊號SENS_RES(SENSE RESPONSE)，以作為對於由NFC設備所發出的詢問訊號SEL_REQ(Select Request)之應答，訊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訊號產生器(如R&S SMBV100A)將可以產生查詢訊號。藉由脈衝程序軟體R&S SMx-K6，可以輕鬆地產生或者更改指令序列(如SENS_REQ、SDD_REQ、SEL_REQ、Pol_REQ等)，用以激勵處於被動模式下的手機。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。
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| 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/訊號分析儀測試結果
以下部分將表述針對NFC手機的測試結果，並以此說明示波器R&S RTO及訊號分析儀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，藉由NFC論壇的參考設備而同時獲得。
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| 圖19 藉由示波器R&S RTO的並行測量實例，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顯示藉由示波器R&S RTO，在查詢模式下波形特性的測量實例。其中，以光標1(位於5%處)和光標2(位於90%處)得到上升沿時間575奈秒(ns)。
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| 圖20 藉由示波器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，藉由示波器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訊號(由任意波形產生器發送)以及隨後的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訊號的最後一個位元，直到響應的第一個位元為止的時間範圍。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。
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| 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訊號，接著是連續波訊號(NFC手機所產生的寄生負載調變)，最後是NFC手機的響應。 |
如前文所述，幀時延也可藉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。標誌M1位於查詢訊號最後一個位元的上升邊緣，差量標誌D2位於收聽訊號的第一個位元並顯示幀時延(86.28μs)。
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| 圖22 藉由頻譜分析儀R&S FSV進行幀時延測量之實例，差量標誌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查詢訊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。由於頻譜分析儀測得訊號的均方根值，其示值須乘以係數1.41而得到示波器所示之峰值。
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| 圖23 依照NFC論壇的負載調變定義 |
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| 圖24 使用示波器R&S RTO測量負載調變，以兩條標誌線測量查詢訊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)) |
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| 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，兩條標誌線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)。 |
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