|
在過(guò)去的數十年里，數以?xún)|計的人在他們的皮夾、錢(qián)包或手提包中放有非接觸式卡片。首批非接觸式卡片是價(jià)格低廉、如信用卡般大小的塑料卡片，被用于控制人們出入火車(chē)、電車(chē)或公交車(chē)的權限。它使用起來(lái)快速、便利，于是理所當然大受消費者的歡迎。在過(guò)去十年中，非接觸式技術(shù)已延伸至支付卡(如：借記卡、信用卡和充值卡)，用于加快報攤、咖啡店和便利店等快節奏零售環(huán)境中的交易速度。 事實(shí)上，廣泛采用非接觸式技術(shù)的條件已臻于完善： * 消費者了解并接受這項技術(shù) * 非接觸式讀卡器已被大量安裝(在銷(xiāo)售點(diǎn)終端設備、驗票處及其他地點(diǎn)) * 數以千計的零售商、銀行、交通網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商及其它機構，都已使用這類(lèi)非接觸式通訊基礎設施，用于付費管理和出入控制。 然而，有一個(gè)重要元素被忽略了：許多消費者不管到哪里都會(huì )隨身攜帶一個(gè)智能手機。理論上，它可以仿真非接觸式卡片，讓用戶(hù)能用一個(gè)設備取代多張卡片。 對于商家及交通服務(wù)商而言，這是非�？扇〉模阂钥上螺d的應用程序取代卡片，可以省下提供卡片的成本；再者，當消費者感到愈加便利時(shí)，會(huì )加速這項技術(shù)的普及，進(jìn)而有助于商家及交通服務(wù)商增加營(yíng)收并改善營(yíng)運效率。 手機制造商也同樣熱切地希望能在他們的設備中實(shí)現非接觸技術(shù)，以增加其設備的價(jià)值并提高他們對消費者的吸引力。 這項技術(shù)的初次嘗試是在21世紀初，源于近場(chǎng)通訊技術(shù)(Near Field Communications，NFC)的發(fā)布。NFC技術(shù)是在NFC論壇支持下的一項標準技術(shù)，它和仿真卡片一樣，都可以支持讀卡器模式，使設備可以讀取NFC標簽及點(diǎn)對點(diǎn)(peer-to-peer)模式。 但是早期的的應用沒(méi)有適當考慮手機的電氣和機械限制。特別是作為NFC讀卡器，相對于專(zhuān)用的NFC讀卡器，例如非接觸式支付終端，手機針對天線(xiàn)所能提供的電能和可用的空間要少很多。要使手機達到與讀取器相當的效能是相當困難的。 不過(guò)，更重要的是缺乏一個(gè)受客戶(hù)歡迎的手機應用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是手機使用者不知道拿口袋里的NFC讀卡器做什么。 如果手機可以作為NFC標簽使用，便能仿真多種非接觸式卡片。同時(shí)，它還將成為一個(gè)廣受歡迎和使用的應用：消費者不僅能用自己最?lèi)?ài)的設備出入建筑物、火車(chē)和公交車(chē)，還能用它在商店付費、使用優(yōu)惠券和積累點(diǎn)數。 所以，智能手機制造商要如何實(shí)現可靠的NFC標簽功能呢？讓我們先了解下NFC標簽是如何與讀卡器進(jìn)行通訊的。 非接觸卡片的被動(dòng)負載調制 NFC技術(shù)需要一對天線(xiàn)的電感耦合。耦合系數為k，代表一對讀卡器/卡片天線(xiàn)組耦合的易感程度。系數的值介于0與1之間，主要是依據天線(xiàn)的幾何參數和天線(xiàn)之間的距離而定。 在正常情況下，當卡片的天線(xiàn)小于讀取器天線(xiàn)時(shí)，無(wú)論與讀卡器天線(xiàn)的特定距離為何，耦合系數都會(huì )與卡片天線(xiàn)的表面積呈正比：表面越大，耦合系數越大。 當使用一般的“被動(dòng)負載調變(PLM)”方式來(lái)傳輸數據時(shí)，k的數值通常需介于0.03和0.3之間。 非接觸式NFC交易是一連串的讀卡器指令，每一個(gè)指令后面都會(huì )有一個(gè)來(lái)自卡片的應答。PLM被用于非接觸式卡片以及除了Apple iPhone 6 及iPhone 6 Plus所有現有的NFC手機，其運作是藉由切換至卡片天線(xiàn)的被動(dòng)(電阻或電容)負載實(shí)現(請見(jiàn)圖1)。一個(gè)默認負載會(huì )響應非調制狀態(tài)，而開(kāi)關(guān)負載會(huì )響應調制狀態(tài)。當讀卡器和卡片天線(xiàn)電感耦合時(shí)，讀卡器的接收器能感測到這些負載變化，并將之解碼以從信號中抽取信息。 
圖1：實(shí)現被動(dòng)式負載調制的電路。 在制作NFC系統時(shí)，將負載調制幅度納入考慮是很重要的：這是讀卡器接收機所感測到的調變和非調變電壓的差異 (請見(jiàn)圖3)。如果這幅度降至特定的最小值之下，接收機則將無(wú)法可靠地感測到卡片信號調變。所有其他部份都是相等的，k的數值越大，則負載調變幅度越大。 當被用于非接觸式卡片中時(shí)，PLM可以穩定地輸出充足的負載調變幅度。非接觸式卡片的標準尺寸一般是ID-1，為一張信用卡大小。其中內嵌一個(gè)大天線(xiàn)，針對現今的讀卡器能提供6厘米的接收范圍。的確，非接觸式卡片系統的性能非常優(yōu)良，使用者無(wú)需將非接觸式卡片從皮夾或手提包中拿出來(lái)，便可在公共交通系統中實(shí)現驗票操作。 事實(shí)上，消費者期望非接觸式系統能運作得更為迅速實(shí)時(shí)且完全可靠，讓他們的非接觸式裝置能從各個(gè)方向接近讀取器，無(wú)論是通過(guò)手持、或是當設備是完全隱藏在皮夾或皮包里。 這對智能手機制造者則構成了極大的挑戰。因為手機中包含許多無(wú)線(xiàn)電設備和天線(xiàn)，且是被包覆在金屬中。手機的電路板上密布著(zhù)各種組件，而且消費者需要的更大顯示屏幕及電池正占據越來(lái)越多的可用空間。 這樣的環(huán)境對于PLM而言可說(shuō)是完全不適合。局促的空間尺寸只容得下微小的天線(xiàn)。各種各樣的金屬和相互干擾的射頻信號也會(huì )嚴重影響手機和讀卡器天線(xiàn)耦合的能力。 這一情況帶來(lái)的結果便是糟糕的消費體驗：交易常常失敗或者得花上好幾秒才能完成，而且消費者被迫得從皮包中拿出手機并小心翼翼地靠近讀卡器，這讓他們覺(jué)得很不方便。 如何補償低耦合系數 設計上的限制阻礙手機制造商尋求增加k數值的嘗試，如以上所示，這些嘗試都需大幅增加手機NFC天線(xiàn)面積。 因此，欲提升手機的卡片仿真模式的效能，相關(guān)努力多集中于增加負載調變幅度。而現在已經(jīng)找到了一個(gè)可行的方法，叫做主動(dòng)負載調變(Active Load Modulation, ALM)。 ALM利用移動(dòng)設備的電池電源進(jìn)行供電。在A(yíng)LM中，一個(gè)和讀卡器磁場(chǎng)同步的載波信號會(huì )在調變狀態(tài)期間被傳送，并且在非調變狀態(tài)期間關(guān)閉(請見(jiàn)圖2)。這種運作方式叫做AND模式。而這在更高效的技術(shù)版本中被稱(chēng)作XOR模式，該模式下一個(gè)和讀卡器磁場(chǎng)同步的信號會(huì )在調變狀態(tài)期間被傳送，而在非調變狀態(tài)期間則是傳送一個(gè)180° 相移信號。相較于A(yíng)ND模式，XOR模式使讀取器所感測到的負載調變強度翻倍。如此，就能使用小得多的天線(xiàn)。 ALM 信號被耦合至讀卡器的天線(xiàn)。根據其與讀卡器磁場(chǎng)的相位差，耦合ALM信號或是增加或是減小讀卡器的信號，以形成負載調變信號。 ALM的主要優(yōu)點(diǎn)就是，它能在耦合系數低于100倍的情況下，達到與PLM設備相同的負載調變幅度 (請見(jiàn)圖3)。
圖2：主動(dòng)負載調變電路圖。
圖3：ALM能使用小于典型PLM系統天線(xiàn)100倍之多的天線(xiàn)。 一個(gè)典型的非接觸式卡片天線(xiàn)的面積為4,000mm2，可以成功實(shí)現PLM。ALM電路則能以?xún)H僅40mm2的天線(xiàn)在讀卡器接收機達到相同的負載調變幅度，提供同樣的消費者體驗。 對于手機制造商而言，這種尺寸的天線(xiàn)成本幾近于0 ——它甚至可實(shí)現在主板上印刷電路板天線(xiàn)。它不需要鐵氧體屏蔽。就比較來(lái)看，具有鐵氧體和連接器的大型天線(xiàn)的成本將近1美元。再者，NFC 天線(xiàn)可放在對用戶(hù)而言最好的位置。例如當放在后置鏡頭附近時(shí)，用戶(hù)只需要將手機頂部輕觸讀卡器即可。 相對而言，放在智能手機背蓋或電池中的大型天線(xiàn)是造成用戶(hù)失望的原因。一般而言，他們會(huì )將手機拿在手中，所以手機天線(xiàn)無(wú)法準確對準讀卡器天線(xiàn)。當他們將手機掃過(guò)非接觸式讀取器前面時(shí)，交易會(huì )失敗。所以用戶(hù)必須學(xué)會(huì )將手機小心翼翼地很靠近讀卡器，非接觸式傳輸才能成功——這樣的動(dòng)作和使用非接觸式卡片的體驗相當不同。
圖4：小型天線(xiàn)可以輕易放入設備中，提供最佳用戶(hù)體驗。 在圖4中，讀卡器天線(xiàn)被標記為黃色�；赑LM的解決方案所需的大型天線(xiàn)則是被標記為橘色，是手握裝置的地方。相對而言，ALM解決方案所使用的小型天線(xiàn)則是被標記為紅色，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線(xiàn)，ALM 也非常適合用于可穿戴設備中�？纱┐髟O備的空間有限，只能容納小型天線(xiàn)，然而采用小型天線(xiàn)的PLM解決方案不能提供令人滿(mǎn)意的通訊范圍。 交通和支付系統讀寫(xiě)器互操作性的改善 Ams(艾邁斯)開(kāi)發(fā)的一系列NFC標簽模擬IC采用了ALM的運作原理，所有產(chǎn)品皆采用了其“增強型NFC”技術(shù)。當應用到最新的智能手機中時(shí)，增強型NFC用40mm2的天線(xiàn)來(lái)匹配非接觸式卡片的性能。 然而天線(xiàn)尺寸的縮小并非是增強型NFC唯一的好處，它也能支持負載調變信號的各種電氣參數，包括： * 自動(dòng)功率控制(Automatic Power Control)功能，當手機接近讀卡器時(shí)(換句話(huà)說(shuō)，就是耦合系數變高時(shí))，這個(gè)功能可減少輸出電壓，從而防止讀卡器接收機的飽和。 * 根據讀卡器的磁場(chǎng)配置主動(dòng)負載調變(Active Load Modulation)信號的相位差，這可以提高手機在幾乎離開(kāi)讀取器的范圍時(shí)交易的可靠度。 * 可設定的靈敏度以及支持各種不同外觀(guān)尺寸的天線(xiàn)。極低的靈敏度能確保讀卡器至卡片的鏈接絕對不會(huì )對交易范圍造成限制。 * 精確的計時(shí)機制，這能確保讀卡器指令和卡片響應之間的延遲符合非接觸式標準所規定的嚴苛限制。這個(gè)機制能補償發(fā)生在NFC控制器端的各種變化。 * 自動(dòng)增益控制(Automatic Gain Control)，能提供讀卡器信號的正確解調變，并容納終端設計，特別是公共運輸系統的各種變化。 所有的這些功能都能實(shí)現動(dòng)態(tài)配置，以提供相對于既有NFC解決方案更高的互操作性通過(guò)率。當應用于付費手續時(shí)，可以實(shí)現百分之百的通過(guò)率。 此外，增強型NFC 技術(shù)提供一種方法，讓代工制造商能適應已安裝讀取器的不一致性，這是由于非接觸式支付卡交易標準EMVCo的不斷修改。(對于已運作十年的銷(xiāo)售點(diǎn)終端而言，這并不稀奇。)隨著(zhù)老化，讀卡器的效能也會(huì )發(fā)生變化，而讀取器效能的差異也可能源自于制造和安裝的不一致性。 極小的天線(xiàn)也能避免讀取器天線(xiàn)失諧的問(wèn)題，而大型天線(xiàn)會(huì )發(fā)生這種問(wèn)題。EMVCo對非接觸式通訊范圍的要求已從4cm放寬至最小2cm，主要針對采用較差性能PLM解決方案的 NFC手機。而這幾乎無(wú)法達到使用者的期望。不過(guò)幸運的是，這個(gè)放寬的標準在未來(lái)是沒(méi)有必要的，因為增強型NFC 將能讓 NFC 手機的效能和傳統的非接觸卡片一樣好，甚至是更佳。 ams的NFC booster IC- AS3922可提供 ALM技術(shù)，能用于UICC和microSD NFC連接卡。這讓沒(méi)有內設NFC功能的手機和小型配件都可以模擬非接觸式卡片。 AS3923及 AS39230作為 NFC控制器的附加組件被集合于電子設備中，主要是用來(lái)取代控制器的模擬前端(請見(jiàn)圖4)。AS39230也支持NFC的主動(dòng)點(diǎn)對點(diǎn)模式及卡片模擬。 在ams的實(shí)際操作中，ALM對于電池運作壽命幾乎沒(méi)有影響，因為增強型NFC組件會(huì )維持省電模式，直到它偵測到非接觸式交易的發(fā)生。 數字IC制造商也試圖實(shí)現ALM，然而ALM系統所需的模擬電路非常不適合先進(jìn)數字IC的超小電路特性，因此，集成ALM的數字安全組件(Secure Elements)或NFC控制器的負載調變效能都很差。相對而言，ams電子組件采用的純粹模擬電路能提供最佳的效能，可滿(mǎn)足習慣于使用便捷非接觸式卡片的消費者對非接觸式技術(shù)的期望，因此該組件已被用于現今市場(chǎng)上最頂尖的智能手機中。
圖5：增強型NFC 被用于主NFC控制器的附加芯片(AS3923)中。 結論 非接觸式卡片現今已被廣泛用于公共運輸系統，以及商店的非接觸付費交易中。數以?xún)|計的消費者隨身帶著(zhù)一個(gè)智能手機，理論上它可以模擬智能卡，讓用戶(hù)能用隨身攜帶的單一裝置來(lái)取代多張卡片。 要在智能手機環(huán)境中實(shí)現非接觸式卡片功能，可以說(shuō)是充滿(mǎn)了挑戰。非接觸式卡片用于與非接觸式讀寫(xiě)器通訊的被動(dòng)式負載調變方法需要使用大型天線(xiàn)，且需要為射頻信號提供良好環(huán)境。然而智能手機的空間狹小、格局擁擠，布滿(mǎn)金屬物件且會(huì )受到射頻干擾。 因此，智能手機和可穿戴設備制造商已轉向另一種實(shí)現NFC非接觸式通訊的方式：主動(dòng)式負載調變。這篇文章旨在描述主動(dòng)式負載調變的運作方式，并說(shuō)明此種方式應用于智能手機中的好處。 作者介紹 Nicolas Cordier是ams的無(wú)線(xiàn)工程師，于美國加州庫比提諾（Cupertino）總部工作。他于2002年畢業(yè)于法國里昂應用科學(xué)學(xué)院(INSA Lyon)，獲頒工程文憑，專(zhuān)精于通信領(lǐng)域。他的職業(yè)生涯始于在終端產(chǎn)業(yè)擔任無(wú)線(xiàn)工程師，負責設計移動(dòng)電話(huà)，之后成為硬件工程技術(shù)主管，負責設計銷(xiāo)售點(diǎn)終端。2008年，他轉職至半導體產(chǎn)業(yè)，歷任各種職務(wù)，例如：NFC系統驗證主管及客戶(hù)支持專(zhuān)家等。 |
