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NFC技術(shù)由免接觸式射頻識別(RFID)演變而來，RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米、甚至幾十米，只能實(shí)現(xiàn)信息的讀取以及判定，而NFC技術(shù)則強(qiáng)調(diào)的是信息交互。近場通信是工作在13.56MHz頻率運(yùn)行于20厘米距離內(nèi)，其傳輸速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三種。
近場通信論壇定義了三種操作模式(PDF)：
點(diǎn) 對點(diǎn)模式(P2P mode)：支持兩個近場通信設(shè)備之間相互通訊，實(shí)現(xiàn)信息交換和文件共享。
讀卡器模式(Reader/writer mode)：使近場能訊設(shè)備能從海報或者展覽信息電子標(biāo)簽上讀取相關(guān)信息。
卡模式(Card emulation)：近場通信設(shè)備能像智能卡一樣，允許用戶支付零售購物和交通費(fèi)用。
NFC手機(jī)內(nèi)置NFC芯片，組成RFID模塊的一部分，可以當(dāng)作RFID無源標(biāo)簽使用，用來支付費(fèi)用;也可以當(dāng)作RFID讀寫器用作數(shù)據(jù)交換與采集。
從應(yīng)用模式上分NFC卡模擬、讀寫器、點(diǎn)對點(diǎn)三種模式?？M模式通常又被稱為被讀模式，手機(jī)終端可以模擬成為一張普通的非接觸卡被POS機(jī)讀取，此模式下通常是繼承了現(xiàn)在廣泛使用的應(yīng)用，例如銀行卡、門禁卡、公交卡等，以NFC手機(jī)作為載體并發(fā)揮手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)、多媒體、人機(jī)交互方面的優(yōu)勢，應(yīng)用場景也與現(xiàn)有方式類似;讀寫器模式通常又被稱為主讀模式，手機(jī)終端可以讀取一張非接觸卡或者一個非接觸標(biāo)簽中的內(nèi)容，此模式下既可能繼承了現(xiàn)有的應(yīng)用，例如將NFC手機(jī)當(dāng)做POS機(jī)去讀取現(xiàn)有的銀行卡、公交卡，又可以是NFC最新定義的應(yīng)用場景，例如利用NFC手機(jī)讀取NFC定義的標(biāo)
簽中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電子名片、電子海報、WIFI連接等功能;點(diǎn)對點(diǎn)模式是指兩個手機(jī)終端在近距離內(nèi)通過觸碰直接傳遞數(shù)據(jù)，這是NFC定義的一種新模式，與藍(lán)牙、WIFI相比有近距離和配置簡單兩個特點(diǎn)，理論上可以通過簡單觸碰實(shí)現(xiàn)兩部手機(jī)間任何數(shù)據(jù)的交互，例如同步日程表、位置共享、名片交換等功能。
NFC原理
NFC架構(gòu)及涉及的標(biāo)準(zhǔn)
手機(jī)終端的NFC功能由NFC Controller、NFC協(xié)議棧、SE、SE訪問API、SE訪問控制及AP訪問SE芯片構(gòu)成，其主要功能如下：
1. NFC Controller：即NFC芯片，實(shí)現(xiàn)NFC卡模擬、讀寫器、點(diǎn)對點(diǎn)模式所定義的模擬、數(shù)字協(xié)議的處理;
2. NFC協(xié)議棧：配置NFC芯片工作模式并實(shí)現(xiàn)NFC Forum定義的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn);
3. SE：即安全芯片，所有涉及敏感數(shù)據(jù)、加密運(yùn)算等業(yè)務(wù)(如銀行卡、公交卡)均需要單獨(dú)安全芯片處理;
4. SE訪問API：向客戶端開放訪問SE的接口，以實(shí)現(xiàn)余額讀取、空中充值等功能;
5. SE訪問控制：對SE訪問進(jìn)行控制和授權(quán)，保障SE安全;
6. AP訪問SE芯片：客戶端通過應(yīng)用處理器訪問SE時的接口芯片，采用SE種類不同時該芯片也會有所不同，如SIM卡為SE時，此芯片即為Modem。 上述不同模塊是可以組合的，從而實(shí)現(xiàn)不同的NFC功能，大致可分為簡單NFC、具有SE的NFC兩種類型：
簡單NFC是指僅具有NFC Controller和NFC協(xié)議棧的NFC終端，由于不具備SE，這種終端僅能支持上篇博文中提到的NFC讀寫器和點(diǎn)對點(diǎn)功能，實(shí)現(xiàn)諸如名片交換、標(biāo)簽讀取等與安全無關(guān)的NFC功能。由于構(gòu)成簡單，且Android 2.3以上原生系統(tǒng)即已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這些功能，目前市場上多數(shù)的NFC終端都是這種簡單NFC。相比簡單NFC，具有SE的NFC終端均集成了單獨(dú)的安全芯片SE，除讀寫器、點(diǎn)對點(diǎn)模式外，可支持卡模擬模式引入的安全應(yīng)用(如銀行卡、公交卡等)，既可支持POS機(jī)上的非接觸刷卡，又可以支持客戶端對SE的訪問，實(shí)現(xiàn)SE中存儲的銀行卡、公交卡的余額讀取、空中充值等功能。
毫無疑問，具有SE功能的NFC終端是目前用戶、運(yùn)營商、銀行更為關(guān)注的，不同機(jī)構(gòu)在推動NFC終端時，采取的SE方式也是不同，目前看SE主要有三種類型，即SIM卡、終端內(nèi)置SE芯片和MicroSD卡，分別代表運(yùn)營商、終端廠家、銀行從自身在產(chǎn)業(yè)鏈中所處位置，及在推動NFC終端初期時很自然的反應(yīng)。應(yīng)該講從目前發(fā)展的情況看，運(yùn)營商推動的以SIM卡為SE的NFC終端方案(即俗稱的SWP方案)發(fā)展最快最好，以運(yùn)營商行業(yè)組織GSMA協(xié)會牽頭，世界上超過50家運(yùn)營商(包括中國移動、中國聯(lián)通及歐洲、美國、日韓主流運(yùn)營商)宣布支持該方案，目前全球銷售的終端近4000萬部，預(yù)計(jì)13年會有持續(xù)的發(fā)展。后續(xù)將以目前最為主流的以SIM卡為SE的NFC終端方案(SWP方案)談一下NFC終端具體支持的協(xié)議。NFC-SWP終端指的是支持SWP-SIM卡的NFC終端，也即以SIM卡做為SE的NFC終端。NFC-SWP終端從架構(gòu)上看分為NFC非接觸部分與SIM卡訪問接口兩部分：
NFC-SWP終端架構(gòu)
(一)NFC非接觸部分
由圖1中NFC Controller、NFC協(xié)議棧及SIM卡組成，提供NFC卡模擬、讀寫器及點(diǎn)對點(diǎn)功能，其中SIM卡主要在卡模式下起到了一個安全模塊的作用，目前在讀寫器及點(diǎn)對點(diǎn)模式下尚未發(fā)揮作用。NFC終端不同模式下信息路由機(jī)制是不同的，在NFC終端工作在卡模擬模式時，外界POS機(jī)發(fā)送的信號會通過NFC Controller轉(zhuǎn)發(fā)到SIM卡中處理，而當(dāng)NFC終端工作在讀寫器、點(diǎn)對點(diǎn)模式時，從外部卡片或手機(jī)讀取的信息將通過NFC Controller轉(zhuǎn)發(fā)到NFC協(xié)議棧解析，最終轉(zhuǎn)交給操作系統(tǒng)或客戶端應(yīng)用程序處理。
NFC非接觸部分的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及測試標(biāo)準(zhǔn)相對較為完善，主要由ISO、NFC Forum、ETSI等標(biāo)準(zhǔn)化組織完成，其中：
l ISO主要負(fù)責(zé)NFC空中接口底層的模擬、數(shù)字協(xié)議，ISO定義的射頻協(xié)議已廣泛應(yīng)用在公交、銀行、政府等行業(yè)
l NFC Forum主要使命是定義新型的NFC設(shè)備，并保證其互通性，NFC Forum主要在ISO協(xié)議之上定義新型NFC設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及鏈路層協(xié)議
l ETSI主要負(fù)責(zé)制定NFC Controller與SE的接口規(guī)范，最初ETSI制定的接口規(guī)范僅限于SIM卡，但目前已作為一種通用的接口規(guī)范廣泛使用在其它形態(tài)的SE中。
NFC的標(biāo)準(zhǔn)相對是比較復(fù)雜的，且在不同NFC工作模式下遵循的標(biāo)準(zhǔn)是不盡相同的，以下是不同模式下應(yīng)遵循的協(xié)議。
模式射頻協(xié)議中間協(xié)議(1)應(yīng)用協(xié)議其它協(xié)議應(yīng)用場景卡模擬模式ISO 14443無行業(yè)規(guī)定(2)ETSI 102.613(SWP)ETSI 102.622(HCI)兼容現(xiàn)有設(shè)備讀寫器模式ISO 14443無行業(yè)規(guī)定無兼容現(xiàn)有設(shè)備ISO 14443NFC Forum Tag Type 1-4NFC Forum NDEFNFC Forum RTDRTD外自定義應(yīng)用協(xié)議(3)與NFC Forum設(shè)備互通點(diǎn)對點(diǎn)模式ISO 18092NFC Forum LLCPNFC Forum SNEPNFC Forum RTDRTD外自定義應(yīng)用協(xié)議與NFC Forum設(shè)備互通注1：中間協(xié)議指NFC Forum設(shè)備間通信所需的鏈路層及數(shù)據(jù)格式協(xié)議注2：指由不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定，不在NFC規(guī)范體系內(nèi)，如PBOC、EMV等注3：NFC RTD規(guī)定了URI、聯(lián)系人等幾種常用的應(yīng)用，這些應(yīng)用已可被Android系統(tǒng)認(rèn)知，不需要特殊的客戶端支持;同時，不同應(yīng)用方也可自定義應(yīng)用協(xié)議，如GPS位置共享，但這些自有的應(yīng)用協(xié)議需要配套的私有客戶端軟件才能識別
從上表也可以看出，一部NFC終端不僅可以與符合NFC Forum協(xié)議的、全新的NFC Forum設(shè)備互通，也可以模擬成一個與普通非接觸IC卡相同的設(shè)備，被存量非接觸POS讀取，從而可以在用戶熟悉的現(xiàn)有非接觸環(huán)境中廣泛使用，減少用戶的進(jìn)入門檻，這對一個新型設(shè)備初期的推廣是非常關(guān)鍵的。
(二)SIM卡訪問接口
由圖1中SE訪問API、SE訪問控制及Modem組成。手機(jī)與普通非接觸IC卡最大的不同體現(xiàn)在擁有網(wǎng)絡(luò)功能和人機(jī)交互兩部分，因此，NFC手機(jī)可以從事傳統(tǒng)非接觸IC所不能完成的豐富業(yè)務(wù)，如空中充值、余額查詢。所有這些業(yè)務(wù)均需要一個技術(shù)前提即需要一個標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡訪問接口，能夠使得應(yīng)用客戶端訪問SIM卡并與SIM卡中的applet進(jìn)行通信。具體講，需要在手機(jī)中支持三個標(biāo)準(zhǔn)：
1、 SIM Alliance Open Mobile API：為應(yīng)用客戶端提供與SIM卡通信的通道
2、 Global Platform/GSMA：Secure Element Access Control：授權(quán)應(yīng)用客戶端訪問SIM卡中對應(yīng)的applet
3、 Modem：需完全支持3GPP 27.007標(biāo)準(zhǔn)，支持打開SIM卡邏輯通道，并能夠在邏輯通信上真正實(shí)現(xiàn)APDU的透傳。
目前，NFC-SWP終端中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行的較好，也有不少NFC-SWP手機(jī)已經(jīng)支持這些標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)事求是的講，由于缺乏上述三個標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)和測試工具，目前NFC手機(jī)對SIM卡訪問接口的支持差強(qiáng)人意。Modem在邏輯通道上對APDU透傳的支持特別需要引起重視，傳統(tǒng)上Modem傳遞的都是ETSI 102.221電信標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的APDU，但在新的NFC手機(jī)架構(gòu)下，Modem的邏輯通道上可能還會傳輸銀行、公交等行業(yè)的APDU，這些APDU的定義可能會與電信標(biāo)準(zhǔn)有一定的差別，也可能超出Modem提供商傳統(tǒng)的知識范圍。因此，從目前情況看，一方面需要手機(jī)特別是Modem提供商能夠充分理解NFC業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，特別是邏輯通道上與傳統(tǒng)電信應(yīng)用的差別，提高產(chǎn)品對邏輯通道上透傳APDU的支持，另一方面，也需要標(biāo)準(zhǔn)化組織、運(yùn)營商及各廠家一起完善測試標(biāo)準(zhǔn)及測試工具，從而促進(jìn)并保證產(chǎn)品的成熟。
終端所產(chǎn)生的無線電頻率正弦波傳遞能量給標(biāo)簽然后從標(biāo)簽中讀取數(shù)據(jù)。NFC啟動后，持續(xù)產(chǎn)生信號中心頻率13.56MHz的正弦波。如果有標(biāo)簽在該正弦波產(chǎn)生的磁場擾動范圍內(nèi)，標(biāo)簽由磁場擾動就會獲得能量，產(chǎn)生原正弦波反頻率或改變頻率屬性的波。手機(jī)探測到這種改變，以知道附近有標(biāo)簽。RFID在很近的距離通信通常被稱為近配對系統(tǒng)。近配對系統(tǒng)的范圍通常是0到1厘米。這意味著標(biāo)簽挨著讀取器或按在讀取器上。這么近距離的好處是標(biāo)簽的電池廠可以發(fā)出很大的能量。這能量足以支持標(biāo)簽通信，而不需要內(nèi)置電源。近配對也利于高度保密的場合。例如帶NFC功能的手機(jī)，帶一個能產(chǎn)生13.56MHz無線電頻率的集成電路，帶有編碼器，解碼器，天線，比較器，還有傳輸能量到標(biāo)簽，并讀取反向散射中的調(diào)制信息的硬件。讀取器持續(xù)產(chǎn)生射頻信號，并觀察收到的射頻信號，讀取其中的信息。
支持NFC的設(shè)備可以在主動或被動模式下交換數(shù)據(jù)。在被動模式下，啟動NFC通信的設(shè)備，也稱為NFC發(fā)起設(shè)備(主設(shè)備)，在整個通信過程中提供射頻場(RF-field)，如圖2所示。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺設(shè)備。另一臺設(shè)備稱為NFC目標(biāo)設(shè)備(從設(shè)備)，不必產(chǎn)生射頻場，而使用負(fù)載調(diào)制(load modulation)技術(shù)，即可以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備。
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個13.56MHz的工作頻率，這是一個免許可國際通用頻帶，是美國ISM帶15/18頻帶之一。數(shù)據(jù)傳輸速率為106、212或424kbps，取決于通訊范圍，在20cm或大約8英寸時傳輸速率最大，實(shí)際通訊范圍只有幾英寸或不大于10cm，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了多種工作模式。
在主動模式下，通訊雙方收發(fā)器加電后，任何一方可以采用“發(fā)送前偵聽”協(xié)議來發(fā)起一個半雙工發(fā)送。在一個以上NFC設(shè)備試圖訪問一個閱讀器時這個功能可以防止沖突，其中一個設(shè)備是發(fā)起者，而其它設(shè)備則是目標(biāo)。
在被動模式下，像RFID標(biāo)簽一樣，目標(biāo)是一個被動設(shè)備。標(biāo)簽從發(fā)起者傳輸?shù)拇艌霁@得工作能量，然后通過調(diào)制磁場將數(shù)據(jù)傳送給發(fā)起者(后掃描調(diào)制，AM的一種)。
在使用上因?yàn)镹FC的使用通常會遇到使用尖峰時期，會了避免不同的發(fā)起端或目標(biāo)端同時溝通造成數(shù)據(jù)鏈路錯誤，所以NFC采用了一種機(jī)制listen before talk。此機(jī)制會讓當(dāng)發(fā)起端設(shè)備要發(fā)出詢問信號前，先偵測外界磁場強(qiáng)度來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)，其動作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢問信號時會偵測外界磁場，當(dāng)磁場強(qiáng)度超過門坎強(qiáng)度時(Hthreshold=0.1875A/m)則會停止詢問，直至外界強(qiáng)度降至門坎值以下。若是低于臨界值才會開始發(fā)出詢問指令，偵測的時間為TIDT+nTRFW，n為0～3的機(jī)率取樣：TRFW=512/fc(RF waiting time)，TIDT>4096/fc(initial delay time)。當(dāng)發(fā)起設(shè)備在TIDT+nTRFW內(nèi)沒有偵測到超過門坎強(qiáng)度的磁場，則會先發(fā)射TIRFG的未調(diào)變RF field之后再發(fā)出詢問信號，其中TIRFG必須大于5ms。
由于NFC 106kbps為100% ASK調(diào)變，所以對整個High/Low信號的封包結(jié)構(gòu)都有相當(dāng)詳細(xì)的定義。其中幾個參數(shù)包括從100%下降到5% Am時間(t1)、5% Am持續(xù)時間(t2)、Am由5%上升至60%時間(t4)即overshoot 的范圍。而212/424kbps則是8%～30%的調(diào)變率。
RF測試
RF測試kit
1. Calibration coil：coil的功能在于驗(yàn)證測試過程中，待測物所發(fā)射出的信號是否為正確的強(qiáng)度與調(diào)變。此Coil為一簡單的天線架構(gòu)，當(dāng)然EMCA也詳細(xì)的規(guī)定了所有的尺寸，由此coil所測出的值為0.32V (RMS)=1A/m(磁場強(qiáng)度)。
2. Field Generating Antenna：kit用于磁場的發(fā)射，圖中還包含了一組天線匹配線路。
3. Sense coil：sense coil用于量測待測物的磁場強(qiáng)度與調(diào)變。
4. Reference device：reference device用于測試DUT的標(biāo)準(zhǔn)件。
RF測試程序
1. 發(fā)起設(shè)備power測試：
此測項(xiàng)在測試由發(fā)起設(shè)備所供給的磁場強(qiáng)度是否供給目標(biāo)物足夠的工作電源。
將信號由generating antenna調(diào)整發(fā)射，于右端的calibration coil量測到的強(qiáng)度為Hmax(7.5A/m)，此時再將reference device配合power測試線路調(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時其電壓一定會超高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Reference device已經(jīng)完成，之后再將此卡用來量測發(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)任意位置所量測到的電壓值(C3)皆不可超過3V。至于Hmin測試則與max大致相同，不同處為將reference device共振頻率調(diào)至13.56MHz及所量測知電壓值皆須超過3V。
2. 目標(biāo)物的load modulation 測試：
(1)被動模式
● 106kbps：此測試為驗(yàn)證目標(biāo)物可正確調(diào)變出波形，先將calibration coil放置于下側(cè)外緣，確定generating antenna所發(fā)射之波形與強(qiáng)度正確無誤，此時再將待測目標(biāo)物放置于上側(cè)外緣，編輯一個ECMA340 所定義之SENS_REQ波型由generating antenna發(fā)射并在待測目標(biāo)物會回送一個SENS_RES信號，如此即可透過二個sense coil量測到信號，此量測架構(gòu)因考量回傳之負(fù)載調(diào)變信號微弱，所以利用兩個sense coil之間電壓差做計(jì)算，由于兼容系問題，所以在106kbps延續(xù)MiFARE使用副載波(subcarrier)的調(diào)變作被動目標(biāo)物的回傳信號，所以量測點(diǎn)應(yīng)于fc+fs與fc-fs(fc=13.56MHz，fs=fc/16)。
● 212/424kbps：高速的調(diào)變信號量測方式則與106kbps十分相似，只是將量測擷取位置改為fc，因?yàn)榇藘煞N傳輸速度下并無使用副載波調(diào)變
(2)主動模式
主動模式的測試與被動模式上并無太大的差異，由于是主動模式所以加測了目標(biāo)物的RF field發(fā)射的時間，指令下達(dá)的時間……等。
3. 發(fā)起設(shè)備的load modulation 測試：此測試在于驗(yàn)證發(fā)起設(shè)備的調(diào)變機(jī)制，可分為主動模式發(fā)射與被動模式接收兩種。
(1) 主動模式發(fā)射：將calibration coil放置于發(fā)起設(shè)備所定義的任意位置，而所量測的波型皆需符合ECMA340所定的規(guī)范。
(2) 被動模式接收：此為測試發(fā)起設(shè)備可以正確的接收被動目標(biāo)物所回傳的信號。利用圖7-2的load modulation 測試線路所做成的reference device，先將對應(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)備的待測物做量測，測試由reference device所發(fā)出的調(diào)變信號于待測物端的接收情況。在此只能對部分的測試項(xiàng)目做討論而詳細(xì)的測試請參考ECMA.
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