全面解析NFC技術(shù)規(guī)范及測(cè)試要求

　　近場(chǎng)通信（Near Field Communication，NFC），又稱近距離無(wú)線通信，是一種短距離的高頻無(wú)線通信技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸（在十厘米內(nèi)）交換數(shù)據(jù)。這個(gè)技術(shù)由免接觸式射頻識(shí)別（RFID）演變而來(lái)，并向下兼容RFID，主要用于手機(jī)等手持設(shè)備中提供M2M（Machine to Machine）的通信。由于近場(chǎng)通訊具有天然的安全性，因此，NFC技術(shù)被認(rèn)為在手機(jī)支付等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。近年來(lái)由于手機(jī)的功能與普及度快速的成長(zhǎng)，使早期的電子錢包有了推廣的機(jī)會(huì)點(diǎn)。NFC的演進(jìn)取自于RFID的特定頻段，由于手機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用使的NFC可在較快的時(shí)間點(diǎn)取得標(biāo)準(zhǔn)接口與平臺(tái)，本文將針對(duì)NFC的架構(gòu)與規(guī)范做一簡(jiǎn)要討論。

　　NFC—應(yīng)用：

　　電子付費(fèi)系統(tǒng)中，目前應(yīng)用于手機(jī)系統(tǒng)上最完整的解決方案是以NFC為主，市場(chǎng)上也已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品流通著。除了個(gè)人識(shí)別與電子付費(fèi)系統(tǒng)外，NFC也在數(shù)據(jù)傳輸與交換上有了一些吸引人的功能，例如：電子海報(bào)的數(shù)據(jù)下載（包括入場(chǎng)卷、會(huì)展信息）。此外，NFC還可以作為藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)及輸入密碼的簡(jiǎn)化功能，若是使用者具有負(fù)載NFC的藍(lán)牙設(shè)備，即可將NFC分別靠近兩組具有NFC的藍(lán)牙設(shè)備，如此即可不需要透過(guò)藍(lán)牙搜尋及輸入密碼的配對(duì)過(guò)程即可快速連結(jié)。目前韓國(guó)在歐美已經(jīng)在電信業(yè)者、芯片商與手機(jī)制造商的合作下于公交付費(fèi)系統(tǒng)中進(jìn)行多次的驗(yàn)證。

　　NFC—技術(shù)特點(diǎn)：

　　與RFID一樣，NFC信息也是通過(guò)頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在很大的區(qū)別。首先，NFC是一種提供輕松、安全、迅速的通信的無(wú)線連接技術(shù)，其傳輸范圍比 RFID小，RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米、甚至幾十米，但由于NFC采取了獨(dú)特的信號(hào)衰減技術(shù)，相對(duì)于RFID來(lái)說(shuō)NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)。 其次，NFC與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，目前已經(jīng)成為得到越來(lái)越多主要廠商支持的正式標(biāo)準(zhǔn)。再次，NFC還是一種近距離連接協(xié)議，提供各種設(shè)備間輕松、安全、迅速而自動(dòng)的通信。與無(wú)線世界中的其他連接方式相比，NFC是一種近距離的私密通信方式。最后，RFID更多的被應(yīng)用在生產(chǎn)、物流、跟蹤、資產(chǎn)管理上，而NFC則在門禁、公交、手機(jī)支付等領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著巨大的作用。

　　NFC、紅外和藍(lán)牙同為非接觸傳輸方式，它們具有各自不同的技術(shù)特征，可以用于各種不同的目的，其技術(shù)本身沒(méi)有優(yōu)劣差別。

　　NFC手機(jī)內(nèi)置NFC芯片，比原先僅作為標(biāo)簽使用的RFID更增加了數(shù)據(jù)雙向傳送的功能，這個(gè)進(jìn)步使得其更加適合用于電子貨幣支付的;特別是RFID所不能實(shí)現(xiàn)的，相互認(rèn)證和動(dòng)態(tài)加密和一次性鑰匙（OTP）能夠在NFC上實(shí)現(xiàn)。NFC技術(shù)支持多種應(yīng)用，包括移動(dòng)支付與交易、對(duì)等式通信及移動(dòng)中信息訪問(wèn)等。通過(guò)NFC手機(jī)，人們可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間，通過(guò)任何設(shè)備，與他們希望得到的娛樂(lè)服務(wù)與交易聯(lián)系在一起，從而完成付款，獲取海報(bào)信息等。NFC設(shè)備可以用作非接觸式智能卡、智能卡的讀寫(xiě)器終端以及設(shè)備對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，其應(yīng)用主要可分為以下四個(gè)基本類型：用于付款和購(gòu)票、用于電子票證、用于智能媒體以及用于交換、傳輸數(shù)據(jù)。

　　NFC—相關(guān)近距通信技術(shù)的比較

　　和傳統(tǒng)的近距通訊相比，近場(chǎng)通訊（NFC）就有天然的安全性，以及連接建立的快速性，具體對(duì)比如下表：

　　NFC藍(lán)牙紅外

　　網(wǎng)絡(luò)類型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

　　使用距離≤0.1m≤10m≤1m

　　速度106， 212， 424 kbps

　　規(guī)劃速率可達(dá)868 kbps

　　721 kbps 115kbps2.1 Mbps~1.0 Mbps

　　建立時(shí)間《 0.1s6s0.5s

　　安全性具備， 硬件實(shí)現(xiàn)具備，軟件實(shí)現(xiàn)不具備， 使用IRFM 時(shí)除外

　　通信模式主動(dòng)-主動(dòng)/被動(dòng)主動(dòng)－主動(dòng)主動(dòng)－主動(dòng)

　　成本低中低

　　NFC—架構(gòu)：

　　NFC的操作頻率為13.56MHz，而操作距離約為10cm之內(nèi);而NFC的規(guī)范制定取至于RFID13.56MHz的頻段，早期運(yùn)用此頻段包括 PhilipsMiFARE（ISO1443A）、ISO1443B、ISO15693、ISO18000-3及SonyFelica。由于非接觸卡應(yīng)用于個(gè)人數(shù)據(jù)識(shí)別或電子付費(fèi)系統(tǒng)中強(qiáng)調(diào)于安全機(jī)制，而近乎于貼近卡片閱讀器系統(tǒng)的近場(chǎng)通信及是將13.56MHz中短距系統(tǒng)的部分加以整合，所以最后市場(chǎng)上所見(jiàn)的即為PhilipsMiFARE（ISO1443A）及SonyFelica，早期這兩家系統(tǒng)各自發(fā)展互不兼容，直到近年才將兩種規(guī)格合并并制定了 NFC規(guī)范ECMA340/ISO18092（NFCIP1，NFCinterfaceandprotocol1）。此規(guī)范相容于現(xiàn)有 PhilipsMiFARE（ISO1443A）及SonyFelica。

　　NFC工作頻率為13.56MHz、ASK調(diào)變，傳輸速率可分為106kbps/212kbps/424kbps三種，通信模式可分為主動(dòng)模式與被動(dòng)模式，主動(dòng)模式是指發(fā)起設(shè)備（initiator）與目標(biāo)設(shè)備（target）皆可自身電源供應(yīng)產(chǎn)生RFfield，而被動(dòng)模式下則是發(fā)起設(shè)備自身供應(yīng)電源產(chǎn)生RFfield;而目標(biāo)設(shè)備則利用全波整流線路將發(fā)起端的RFfield之能量轉(zhuǎn)換為 DC來(lái)供應(yīng)自己的電源。值得一提的是，在被動(dòng)模式下為了要滿足省電的要求所以采用了負(fù)載調(diào)變（Loadmodulation）的方式，此調(diào)變方式可以達(dá)到省電的效果。

　　在使用上因?yàn)镹FC的使用通常會(huì)遇到使用尖峰時(shí)期，會(huì)了避免不同的發(fā)起端或目標(biāo)端同時(shí)溝通造成數(shù)據(jù)鏈路錯(cuò)誤，所以NFC采用了一種機(jī)制 listenbeforetalk。此機(jī)制會(huì)讓當(dāng)發(fā)起端設(shè)備要發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)前，先偵測(cè)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)判斷是否有其它的設(shè)備正在溝通中，這種機(jī)制的實(shí)現(xiàn)稱為 RF Collision Avoidance（RFCA），其動(dòng)作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)時(shí)會(huì)偵測(cè)外界磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)門坎強(qiáng)度時(shí) （Hthreshold=0.1875A/m）則會(huì)停止詢問(wèn)，直至外界強(qiáng)度降至門坎值以下。若是低于臨界值才會(huì)開(kāi)始發(fā)出詢問(wèn)指令，偵測(cè)的時(shí)間為 TIDT+nTRFW，n為0～3的機(jī)率取樣：TRFW=512/fc（RFwaitingtime），TIDT》4096 /fc（initialdelaytime）。當(dāng)發(fā)起設(shè)備在TIDT+nTRFW內(nèi)沒(méi)有偵測(cè)到超過(guò)門坎強(qiáng)度的磁場(chǎng)，則會(huì)先發(fā)射TIRFG的未調(diào)變 RFfield之后再發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，其中TIRFG必須大于5ms。

　　NFC—規(guī)范調(diào)變

　　在此將針對(duì)NFC RF interface做敘述，首先要先介紹EMCA340與EMCA356兩種標(biāo)準(zhǔn)，EMCA340中敘述NFC相關(guān)協(xié)議，這里先引入數(shù)據(jù)封標(biāo)作討論，NFC數(shù)據(jù)分包分為兩種類型，一為106kpbs、一為212/424kbps。

　　由于NFC106kbps為100%ASK調(diào)變，所以對(duì)整個(gè)High/Low信號(hào)的封包結(jié)構(gòu)都有相當(dāng)詳細(xì)的定義。其中幾個(gè)參數(shù)包括從100%下降到 5%Am時(shí)間（t1）、5%Am持續(xù)時(shí)間（t2）、Am由5%上升至60%時(shí)間（t4）即overshoot的范圍。而212/424kbps則是 8%～30%的調(diào)變率。

　　RF測(cè)試kit：

　　1.Calibration coil：coil的功能在于驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中，待測(cè)物所發(fā)射出的信號(hào)是否為正確的強(qiáng)度與調(diào)變。此Coil為一簡(jiǎn)單的天線架構(gòu)，當(dāng)然EMCA也詳細(xì)的規(guī)定了所有的尺寸，由此coil所測(cè)出的值為0.32V（RMS）=1A/m（磁場(chǎng)強(qiáng)度）。

　　2.Field Generating Antenna：kit用于磁場(chǎng)的發(fā)射，圖中還包含了一組天線匹配線路。

　　3.Sense coil：sense coil用于量測(cè)待測(cè)物的磁場(chǎng)強(qiáng)度與調(diào)變。

　　4.Reference device：圖7為兩種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)線路和一組天線coil，此referencedevice用于測(cè)試DUT的標(biāo)準(zhǔn)件。其中又包含了兩組測(cè)試電路，圖7-2為調(diào)變測(cè)試電路，圖7-3為電源測(cè)試電路。

　　NFC—RF測(cè)試程序

　　1.發(fā)起設(shè)備Power測(cè)試：此測(cè)項(xiàng)在測(cè)試由發(fā)起設(shè)備所供給的磁場(chǎng)強(qiáng)度是否供給目標(biāo)物足夠的工作電源。將信號(hào)由generatingantenna 調(diào)整發(fā)射，于右端的calibrationcoil量測(cè)到的強(qiáng)度為Hmax（7.5A/m），此時(shí)再將referencedevice配合power測(cè)試線路調(diào)整C2使線路共振點(diǎn)位于19MHz（此部份在規(guī)范中并無(wú)詳述為何調(diào)整至19MHz，在此推論若19MHz可達(dá)到3V輸出則當(dāng)目標(biāo)物為 13.56MHz時(shí)其電壓一定會(huì)超高3V，此因該為取其下限值），放置于DUT位置，調(diào)整線路R2使的由C3所得到之電壓值為3V。此時(shí) Referencedevice已經(jīng)完成，之后再將此卡用來(lái)量測(cè)發(fā)起設(shè)備，將此卡放至于發(fā)起設(shè)備所標(biāo)注之超作范圍，在此超作范圍內(nèi)任意位置所量測(cè)到的電壓值（C3）皆不可超過(guò)3V。至于Hmin測(cè)試則與max大致相同，不同處為將referencedevice共振頻率調(diào)至13.56MHz及所量測(cè)知電壓值皆須超過(guò)3V。

　　2.目標(biāo)物的loadmodulation測(cè)試：

　　（1）被動(dòng)模式

　　●106kbps：此測(cè)試為驗(yàn)證目標(biāo)物可正確調(diào)變出波形，先將calibrationcoil放置于下側(cè)外緣，確定generatingantenna所發(fā)射之波形與強(qiáng)度正確無(wú)誤，此時(shí)再將待測(cè)目標(biāo)物放置于上側(cè)外緣，編輯一個(gè)ECMA340所定義之SENS_REQ波型由 generatingantenna發(fā)射并在待測(cè)目標(biāo)物會(huì)回送一個(gè)SENS_RES信號(hào)，如此即可透過(guò)二個(gè)sensecoil量測(cè)到信號(hào)，此量測(cè)架構(gòu)因考量回傳之負(fù)載調(diào)變信號(hào)微弱，所以利用兩個(gè)sensecoil之間電壓差做計(jì)算，由于兼容系問(wèn)題，所以在106kbps延續(xù)MiFARE使用副載波 （subcarrier）的調(diào)變作被動(dòng)目標(biāo)物的回傳信號(hào)，所以量測(cè)點(diǎn)應(yīng)于fc+fs與fc-fs（fc=13.56MHz，fs=fc/16）。

　　●212/424kbps：高速的調(diào)變信號(hào)量測(cè)方式則與106kbps十分相似，只是將量測(cè)擷取位置改為fc，因?yàn)榇藘煞N傳輸速度下并無(wú)使用副載波調(diào)變

　　（2）主動(dòng)模式

　　主動(dòng)模式的測(cè)試與被動(dòng)模式上并無(wú)太大的差異，由于是主動(dòng)模式所以加測(cè)了目標(biāo)物的RFfield發(fā)射的時(shí)間，指令下達(dá)的時(shí)間……等。

　　3.發(fā)起設(shè)備的loadmodulation測(cè)試：

　　此測(cè)試在于驗(yàn)證發(fā)起設(shè)備的調(diào)變機(jī)制，可分為主動(dòng)模式發(fā)射與被動(dòng)模式接收兩種。

　?。?）主動(dòng)模式發(fā)射：將calibrationcoil放置于發(fā)起設(shè)備所定義的任意位置，而所量測(cè)的波型皆需符合ECMA340所定的規(guī)范。

　?。?）被動(dòng)模式接收：此為測(cè)試發(fā)起設(shè)備可以正確的接收被動(dòng)目標(biāo)物所回傳的信號(hào)。利用圖7-2的loadmodulation測(cè)試線路所做成的 referencedevice，先將對(duì)應(yīng)C3電壓與距離的關(guān)系以圖8的架構(gòu)校正好，之后即可將此卡與發(fā)起設(shè)備的待測(cè)物做量測(cè)，測(cè)試由 referencedevice所發(fā)出的調(diào)變信號(hào)于待測(cè)物端的接收情況。在此只能對(duì)部分的測(cè)試項(xiàng)目做討論而詳細(xì)的測(cè)試請(qǐng)參考ECMA。

　　NFC系統(tǒng)—存在問(wèn)題

　　1、相容性問(wèn)題

　　目前不同廠家的NFC設(shè)備的兼容性問(wèn)題還是比較突出的，這也是NFC論壇目前正在致力于解決的一個(gè)重點(diǎn)。其希望通過(guò)NFC標(biāo)志認(rèn)證來(lái)達(dá)到所有NFC設(shè)備兼容性的統(tǒng)一。

　　2、安全性問(wèn)題

　　安全的NFC將各種NFC應(yīng)用結(jié)合智慧卡的安全性。重要的機(jī)密資料與數(shù)據(jù)會(huì)一直儲(chǔ)存在卡片中安全記憶體的某個(gè)區(qū)域，并且只能經(jīng)由NFC裝置授權(quán)，藉由儲(chǔ)存在裝置內(nèi)安全記憶體中的私密金鑰將傳送資料予以加密。

　　3、主動(dòng)或被動(dòng)運(yùn)作模式

　　擁有NFC的裝置可以在主動(dòng)或被動(dòng)模式下運(yùn)作，一般的行動(dòng)裝置主要是以被動(dòng)模式運(yùn)作，可以大幅降低耗電量，并延長(zhǎng)電池的續(xù)航力。主動(dòng)式NFC裝置可以透過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生的射頻場(chǎng)（RF-field）提供與被動(dòng)裝置通訊時(shí)所需的所有電力，與免接觸式智慧卡的情況相同，擁有相同的電力，確保即使關(guān)掉行動(dòng)裝置的電源仍可以正常進(jìn)行資料的讀取。

　　4、標(biāo)準(zhǔn)化

　　NFC符合ECMA 340與ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式平臺(tái)技術(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)范NFC裝置的調(diào)制方案、編碼、傳輸速度與RF介面的訊框格式等，以及被動(dòng)與主動(dòng)NFC模式初始化過(guò)程中資料沖突控制所需的初始化設(shè)定與條件。此外，這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了傳輸協(xié)定，其中包括通訊協(xié)定啟動(dòng)與資料交換方式等。

　　5、政策問(wèn)題

　　由于移動(dòng)支付產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)復(fù)雜，價(jià)值鏈的構(gòu)建需要多方參與，在此時(shí)間段，產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)者不清晰，金融機(jī)構(gòu)和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的議價(jià)能力相當(dāng)，產(chǎn)業(yè)實(shí)際投入力度比較低。而由于終端和消費(fèi)環(huán)境的缺乏，用戶體驗(yàn)較差，用戶通過(guò)移動(dòng)支付購(gòu)買的物品和服務(wù)并不豐富，目前并沒(méi)有給消費(fèi)者帶來(lái)真正的便捷。

　　NFC系統(tǒng)—常見(jiàn)認(rèn)證要求

　　目前NFC終端的主要認(rèn)證有CE，F(xiàn)CC和NFC logo認(rèn)證。其中NFC logo認(rèn)證目前還是個(gè)自愿認(rèn)證，其實(shí)階段主要的測(cè)試要求還在于NFC設(shè)備的互聯(lián)互通（IOT）要求。關(guān)于NFC設(shè)備的CE標(biāo)準(zhǔn)為ETSI EN 300 330-1及ETSI EN 300 330-2。而NFC設(shè)備的FCC認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)為FCC PART 15C。具體的測(cè)試要求可詳見(jiàn)摩爾實(shí)驗(yàn)室（MORLAB）的專題文章：《CE和FCC認(rèn)證中針對(duì)NFC頻段的射頻測(cè)試要求》