第二代身份證射頻卡芯片的噪聲檢測和可行的噪聲標(biāo)定方法

第二代身份證射頻卡芯片在工作場強(qiáng)內(nèi)不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，可能會(huì)影響卡片與讀卡器系統(tǒng)的正常工作。本文從理論上詳細(xì)分析了卡片調(diào)制信號(hào)幅值與讀卡器靈敏度的關(guān)系，提出了一種卡片噪聲的檢測和標(biāo)定方法。這有利于合理地匹配不同廠家的卡片與讀卡機(jī)具，改善兼容性，對(duì)二代證的大量應(yīng)用具有重要意義。

我國第二代居民身份證（簡稱“二代證”）采用了符合ISO14443 Type B 通訊協(xié)議的近耦合射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，載波頻率為13.56MHz，工作場強(qiáng)為1.5“7.5A/m，卡片調(diào)制副載波頻率為847kHz。射頻卡（非接觸IC 卡）在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在檢測國內(nèi)各廠家研制的二代證樣卡時(shí)，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)不同廠家的芯片噪聲水平相差很大，有的甚至影響了卡片與讀卡器的正常通信。也就是說，當(dāng)卡片處于讀卡器天線的工作場強(qiáng)范圍內(nèi)，尤其是在近場情況下，讀卡器與卡尚未進(jìn)行通訊時(shí)，卡片天線兩端的電壓（電流）交流信號(hào)峰峰值會(huì)發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)頻率可能為847kHz，或是其整數(shù)倍頻（或分頻）。造成波動(dòng)的主要原因是芯片電源穩(wěn)定性差，或者芯片功耗波動(dòng)太大。如果卡片線圈內(nèi)的電流信號(hào)峰峰值波動(dòng)達(dá)到一定值，尤其是847kHz 頻率的波動(dòng)時(shí)，讀卡器就可能將其放大到與有效信號(hào)相當(dāng)?shù)姆邓?，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響讀卡器的工作，大大增加讀卡器解調(diào)電路的設(shè)計(jì)難度。

本文首先簡單介紹了Type B 射頻卡系統(tǒng)的通信原理，之后分析了卡片調(diào)制信號(hào)以及與噪聲和讀卡器靈敏度之間的關(guān)系，提出了噪聲檢測方法和可行的噪聲標(biāo)定方法，并對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)討論。

圖1 近耦合射頻卡系統(tǒng)等效電路圖

圖2 調(diào)制深度曲線

近耦合射頻卡通信原理

卡片與讀卡器之間是通過近電感耦合來進(jìn)行通訊的。也就是說，當(dāng)讀卡器向卡片發(fā)送指令時(shí)，讀卡器天線線圈流過的電流會(huì)根據(jù)指令發(fā)生相應(yīng)的變化，場中的卡片就會(huì)感應(yīng)到此變化，并解調(diào)出指令信號(hào)，之后對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出響應(yīng)；當(dāng)卡片向讀卡器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)時(shí)，卡片會(huì)根據(jù)響應(yīng)信號(hào)通過負(fù)載調(diào)制的方式改變卡片線圈流過的電流，讀卡器天線線圈就會(huì)感應(yīng)到卡線圈電流的變化，并進(jìn)行解調(diào)處理，得到卡片響應(yīng)信號(hào)。

讀卡器一般將兩個(gè)邊帶信號(hào)中的一個(gè)847kHz 頻率成分通過濾波器從載波信號(hào)中分離出來，但是實(shí)際上并不存在理想的濾波器。這樣，疊加在載波上的847kHz 附近頻帶上的信號(hào)（包括調(diào)制信號(hào)和噪聲信號(hào)）都會(huì)通過讀卡器的濾波器，從而被放大。其中，847kHz 附近頻帶上的噪聲信號(hào)主要是由于芯片內(nèi)部邏輯電路工作時(shí)功耗的周期性波動(dòng)而引起的。特別的，對(duì)于CPU 卡片來說，由于指令的周期性操作，可能引起電源周期性波動(dòng)，更嚴(yán)重的會(huì)對(duì)EEPROM 進(jìn)行操作。因此，在芯片設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該認(rèn)真對(duì)待電源的穩(wěn)定與功耗問題。

卡片調(diào)制信號(hào)分析與檢測

理論分析

近耦合射頻卡與讀卡器通信的簡單等效電路原理圖如圖1 所示。其中，R1、C1、L1 和R2、C2、L2 分別為讀卡器和卡片天線諧振電路中的等效電阻、電容和電感；Z2 為芯片等效阻抗負(fù)載；M 為互感；u 和i 分別為電壓和電流（指的是電壓和電流交流信號(hào)幅值）。當(dāng)L1 和C1 滿足諧振時(shí)，有：

讀卡器通過對(duì)u1（天線兩端電壓）進(jìn)行檢波、濾波、放大和解調(diào)處理得到卡片發(fā)出的數(shù)據(jù)。在讀卡器接收信號(hào)期間，u0 保持不變。在L1 和C1 滿足諧振條件的情況下，下文將對(duì)卡片的調(diào)制深度與讀卡器接收端u1 的關(guān)系進(jìn)行分析。

如果卡片與讀卡器天線位置固定，則耦合系數(shù)確定，即互感M 不變。根據(jù)式（1）可知，只有卡片線圈電流i2 影響u1 的值。因此，當(dāng)卡片向讀卡器返回響應(yīng)信息時(shí)，可以通過負(fù)載（電阻或者電容）調(diào)制改變Z2，從而改變i2 的值；

當(dāng)改變卡片與讀卡器天線線圈間的距離時(shí)，也即改變了通過卡片線圈的有效磁場強(qiáng)度Heff。由M*i1=（u0*A*N）*Heff，可知Heff 的改變意味著M 的改變，但它們之間并不是線性關(guān)系，因?yàn)楫?dāng)讀卡器線圈與卡片線圈位置發(fā)生變化時(shí)，i1 也會(huì)發(fā)生變化。由式（1）有

由上式可以看出，如果苅2 與H0 為線性關(guān)系，即苅2=m/H0，那么苪1 基本接近一個(gè)常數(shù)b1？m/i10。但是由于苅2 與苅1（或艸）會(huì)向相反的方向變化，因此，在不同的場強(qiáng)下，如果想得到相同的苪1，就需要對(duì)苅2=m/H0 進(jìn)行修正。由ISO14443-2 給出的卡片負(fù)載調(diào)制深度幅值為30/H1.2mV（峰值），可以近似地推導(dǎo)出苅2=m/H1.2。

調(diào)制深度曲線

ISO/IEC 14443-2:2001（E）中規(guī)定，如果采用ISO10373-6 標(biāo)準(zhǔn)描述的方法，在不同的磁場強(qiáng)度H 下，卡片負(fù)載調(diào)制深度幅值（副載波頻率為847kHz）不應(yīng)該低于30/H1.2mV（峰值），其中H 是磁場強(qiáng)度（A/m rms）。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，繪制如圖2 所示的調(diào)制深度曲線。曲線1 為標(biāo)準(zhǔn)要求的卡片理想調(diào)制深度曲線30/H1.2；曲線4 為預(yù)計(jì)的實(shí)際卡片調(diào)制深度曲線；曲線2 為預(yù)計(jì)的實(shí)際讀卡機(jī)具靈敏度曲線；曲線3 為預(yù)計(jì)的卡片芯片噪聲曲線（只針對(duì)847kHz 頻率點(diǎn)）。為保證卡片與讀卡機(jī)具間的兼容性，上述4 條曲線應(yīng)該存在如下關(guān)系：標(biāo)準(zhǔn)曲線1 可通過10373 測試平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，其它曲線都必須以其為參考；實(shí)際卡片調(diào)制深度曲線4 應(yīng)該在曲線1 之上（可以是曲線1）；讀卡機(jī)具靈敏度曲線2 應(yīng)該在曲線1 之下（可以是曲線1）；卡片噪聲曲線3 不應(yīng)該高于曲線2 的一半，這樣，才可能不會(huì)影響讀卡機(jī)具的正常工作，因此曲線3 要與曲線2 相互配合，才能增強(qiáng)讀卡器的抗噪聲能力。

以上曲線描述的是13.56MHz847kHz 的兩個(gè)邊帶上的信號(hào)幅值，都是理想的曲線。曲線1 描述的是卡片應(yīng)該發(fā)出的有用信號(hào)調(diào)制深度的最小值，根據(jù)前面的理論分析可知，這條曲線映射到讀卡器接收端大致上為一個(gè)點(diǎn)。也就是說，如果卡片的負(fù)載調(diào)制深度滿足曲線1，那么無論卡片在1.5”7.5A/m 范圍內(nèi)哪一個(gè)距離工作，讀卡器接收到的信號(hào)都應(yīng)該是基本相同的。對(duì)于卡片的噪聲，不僅僅是847kHz 頻率點(diǎn)影響讀卡器接收，實(shí)際上847kHz 附近其它頻率點(diǎn)上的噪聲也會(huì)影響讀卡器的接收，并在讀卡器接收端的時(shí)域信號(hào)上表現(xiàn)出來。因此，僅僅定義曲線3 是不夠的。在頻域上，應(yīng)該定義一個(gè)847kHz 附近的帶寬，在時(shí)域上應(yīng)該通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器來標(biāo)定卡片噪聲大小。

另外，卡片靜態(tài)（在場中處于非通訊狀態(tài)）噪聲可能較小，但在卡片工作（特別是對(duì)EEPROM 進(jìn)行讀寫操作）狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)噪聲可能很大，以至影響正常通訊。因此，在標(biāo)定卡片噪聲時(shí)，不僅需要標(biāo)定847KHz 邊帶上的噪聲幅值，也應(yīng)該標(biāo)定卡片可能出現(xiàn)的最大時(shí)域噪聲。

卡片噪聲檢測方法

根據(jù)實(shí)際在屏蔽室中的測量結(jié)果，由于噪聲信號(hào)幅值很?。?a target="_blank">示波器測量值1mV 左右），而且示波器的測量精度有限，導(dǎo)致測量結(jié)果的可靠性降低，因此，利用10373 測試平臺(tái)無法檢測出卡片噪聲，需要通過間接手段進(jìn)行測量。測量讀卡器模擬部分放大輸出（中間經(jīng)過空間磁場耦合、檢波、濾波、模擬放大過程），就可以對(duì)卡片噪聲（尤其是847kHz 頻率點(diǎn)附近帶寬上的頻率成分）進(jìn) 行間接測量。

本文提出的檢測步驟如下：構(gòu)造一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器，利用示波器測量并記錄讀卡器上模擬放大器輸出端的本體噪聲；將卡片放在讀卡器線圈中心上方的不同位置，在模擬放大器輸出端間接檢測卡片靜態(tài)噪聲；在卡片與讀卡器通訊狀態(tài)下，在模擬放大器輸出端間接檢測卡片動(dòng)態(tài)噪聲，通訊指令為ALOHA、ATTRIB、READ SN、GET RANDOM 等；通過上述操作間接檢測并記錄卡片的最大相對(duì)時(shí)域噪聲。

卡片噪聲標(biāo)定方法

利用上述方法可以間接地檢測出卡片的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)噪聲，但是不能與曲線1 相比較。為了描繪出卡片噪聲曲線3，應(yīng)該確定一個(gè)噪聲標(biāo)定方法。本文介紹如下方法進(jìn)行間接等效標(biāo)定。

1） 利用一個(gè)參考PICC 或者正?？ㄆ?，按照ISO10373-6 中描述的方法對(duì)讀卡器進(jìn)行標(biāo)定，利用10373 測試平臺(tái)測量出參考PICC 在某一個(gè)場強(qiáng)H1 下的調(diào)制深度值，并調(diào)節(jié)PICC 上調(diào)制負(fù)載，使得負(fù)載調(diào)制深度在曲線1 上；

2） 將參考PICC 放入讀卡器線圈上方帶載等效場強(qiáng)為H1 的平面處，讀卡器發(fā)送ALOHA 信號(hào)，觀察讀卡器模擬輸出端的信號(hào)，測量并記錄卡片在響應(yīng)期間內(nèi)的有用信號(hào)，調(diào)節(jié)讀卡器增益使得觀察到的信號(hào)為合理值Vamp0（與讀卡器中模擬放大器供電電源有關(guān)）；

3） 利用上節(jié)描述的方法對(duì)卡片在不同狀態(tài)下的噪聲進(jìn)行測量，并記錄測量值（電壓峰峰值和847kHz 附近的頻譜）；

4） 將在讀卡器場強(qiáng)為H（d）（d 表示卡片與讀卡器線圈間的距離）時(shí)測量得到的最大噪聲值Vn（d）（電壓峰峰值）與Vamp0 比較，得到最大噪聲與理想信號(hào)的比值x（d）；

5） 利用曲線1 可以計(jì)算出讀卡器上H（d）處的等效噪聲值（847kHz 頻率點(diǎn)），從而可以觀察等效噪聲是否在曲線3 下面：

以上所描述的方法在實(shí)際上是可行的，可是在頻域和時(shí)域上存在一個(gè)矛盾，因此需要解釋如下：

1） 圖2 中的曲線是在頻率點(diǎn)847kHz（13.56MHz847kHz）上的曲線；

2） 實(shí)際上，847kHz 附近頻譜上的噪聲也會(huì)影響讀卡器接收；

3） 根據(jù)上節(jié)描述的方法測量到的讀卡器放大輸出時(shí)域信號(hào)，并不是一個(gè)頻率點(diǎn)，而是所有頻譜上的噪聲在時(shí)域上的疊加；

4） 圖2 中曲線3 描述的是工作場強(qiáng)范圍內(nèi)載波頻率兩邊847kHz 頻率點(diǎn)上的噪聲，利用上述標(biāo)定方法可將讀卡器接收端的時(shí)域信號(hào)等效到曲線3 上，也就意味著將卡片發(fā)出的847kHz 附近頻譜上的噪聲在讀卡器接收端都測量出來，然后又等效到了847kHz 頻率點(diǎn)上；

5） 這里描述的標(biāo)定方法在某種程度上依賴于一個(gè)合理的讀卡器。值得指出的是，如果卡片噪聲曲線在讀卡器靈敏度曲線的一半之上，并不意味著卡片不能工作，但是可能意味著卡片工作不穩(wěn)定。因?yàn)樽x卡器的噪聲處理能力也會(huì)影響系統(tǒng)通訊過程。

結(jié)語

本文從理論及實(shí)驗(yàn)角度分析了卡片調(diào)制深度曲線、卡片噪聲曲線與讀卡器靈敏度曲線之間的關(guān)系，提出了一種間接測量卡片噪聲的方法，以及一種可行的標(biāo)定卡片噪聲的方案，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了討論，這對(duì)大生產(chǎn)中射頻卡與讀卡機(jī)具的合理匹配提供了很好的理論基礎(chǔ)。此外，本文提出的方法在理論上仍然缺少嚴(yán)密性，但具有相當(dāng)大的實(shí)際價(jià)值，需要進(jìn)一步補(bǔ)充和完善。