NFC技术介绍及其射频测试方法

NFC将现有的非接触式识别技术与互联互通技术相结合并加以发展，由索尼(Sony)与恩智浦半导体(NXP)(前身为Philips)共同研发。NFC可广泛用于各种信息交换，例如电话号码、图像、MP3文件、数字式授权、电子钱包、广告信息、产品信息等。这种信息交换可在两个具有NFC功能的电子设备(如手机)之间进行，抑或于具有NFC功能的手机和与其兼容并位于近距离内的无线射频识别系统(RFID)芯片卡或读取器之间完成。NFC被用作控制获取信息的密钥以及诸如电子收费、通行证、访问控制以及各种数据交换等服务，将可以彻底改变人们的生活模式与习惯。

NFC应用包罗万象

NFC工作在以13.56MHz为中心的频段，并在约10公分范围内提供速率达424kbit/s的数据传输。与工作在该频段的传统式非接触式技术(只有主动被动式通信)不同，具有NFC功能的电子设备之间的通信可以是主动主动式(端对端技术)，也可以是主动被动式。因此，NFC意味着一个在RFID网域的连接。此外，NFC与被广泛使用的智能卡基础架构向后兼容，如基于ISO/IEC 14443 A(像NXP的MIFARE技术)和ISO/IEC 14443 B的架构，同时也与Sony的FeliCa卡(JIS X 6319-4)相容。实现NFC设备之间的信息交换，在标准ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通信协议。NFC论坛于2004年由NXP、Sony及诺基亚(Nokia)共同创办，并藉此协调和促进NFC技术的发展。NFC论坛还制定保证各种NFC设备及服务之间互联互通的技术规范。所有上述的标准(ISO/IEC 14443 A、B、ISO/IEC 18092以及JIS X 6319-4/FeliCa)都被涵盖在内，并自2010年12月起，NFC论坛为NFC设备的兼容性提供证明。

为确保手机与不同厂家的RFID芯片卡之间的互联互操作性，须要对各种NFC设备进行协议及射频测试。其中射频测试主要包括测量有关时间方面的参数、载频与查询模式下的信号强度和接收灵敏度、负载调变参数(收听信号的强度)等。

简易性广泛应用

在前面已提及一些NFC应用。其中最显著特点是使用的简易性：只须简单接触或靠近具有NFC功能的设备，便可启动所需的服务。以下是一些典型的应用。

·移动支付
用NFC手机购票或付出租车费用，以及在非接触式售货点用NFC手机付费，或将收据存入NFC手机。

·权限及访问控制
将电子密钥权限证明信息存入NFC手机、访问保密机构、登录保密计算机、开车门、设置居家办公室。

·数据传输与交换
在各种NFC设备之间进行数据传输(端对端数据交换)如在NFC手机、数字相机、笔记本电脑间交换名片；把相机靠近打印机并印出照片。

·启动其他服务
例如为数据传输启动其他通信连接、设置蓝牙(Bluetooth)及无线局域网络(WLAN)连接。

·读取信息
将智能型广告中的时间表、地图存入NFC手机，或者位置存入NFC手机，如停车位置。

·购票
把各种票券存入NFC手机，如电影，音乐会，体育比赛等等。

NFC数据传输原理

与RFID标准14443及FeliCa相似，NFC使用感应耦合，类似变压器的原理，如图1所示，NFC利用两个导电线圈的磁场以耦合查询设备(激励设备)与收听设备(目标设备)。

图1 查询设备(激励设备)与收听设备(目标设备)的结构配置

NFC工作频率是13.56MHz，传输速率106kbit/s(部分地可达到212kbit/s甚至424kbit/s)。调变方式为不同调变深度的OOK(100%或10%)及二进制相移键控(BPSK)。

查询设备的功率与数据传输

被动系统(如处于被动卡仿真模式下的NFC手机)进行传输时，其借以查询设备的13.56MHz载波信号作为驱动能源。查询设备的调变方式为ASK。在NFC端对端模式下，双方都处于查询状态，其信号都被加以调变及编码。此时，所需功率相对减少，因为每个NFC设备都有各自的能源供给，并且传输结束后载波信号自动停止发射。

收听设备数据传输

由于查询设备与收听设备的线圈之间的耦合，被动的收听设备同样作用于主动的查询设备。收听设备的阻抗变化，直接会影响查询设备天线端电压幅度或相位变化，而查询设备可检测此变化，这就是负载调变技术。使用848kHz辅助载波的负载调变用于收听模式(如ISO/IEC 14443)，其中辅助载波由基带信号加以调变，并以此改变收听设备的阻抗。图2显示负载调变的频谱。调变方式为ASK(如ISO/IEC 14443 A PICC)或BPSK(如14443 B PICC)。此外，还有第三种被动模式，它与FeliCa兼容，其负载调变不使用辅助载波，而为直接作用于13.56MHz载波的ASK调变。

图2 基于13.56MHz载波并使用848kHz辅助载波的负载调变，而图中的三角形表示载波及辅助载波的调变频谱(由于NFC使用时分多路通信，三组谱线并不同时出现)。

调变方式与编码

如图3～5所示，其调变方式为不同调变深度的OOK(100%或10%)及BPSK(如ISO/IEC 14443 B PICC)。

图3 100%调变深度的ASK

图4 10%调变深度的ASK

图5 BPSK调变

如图6所示，NFC使用NRZ-L、变形米勒(Modified Miller)以及Manchester编码。NRZ-L编码的一个位若是高电位即代表逻辑1，低电位则代表逻辑0。曼彻斯特(Manchester)编码将每一个位分成两段，逻辑1的前半段为高电位，后半段为低电位。逻辑0的前半段为低电位，后半段为高电位。

图6 NFC使用三种编码中的一种：NRZ-L、Modified Miller或Manchester(请参见表1和表2)。

Modified Miller编码也将每一个位分成两段，逻辑1后半段的起始有一个低电位脉冲，而逻辑0以一个低电位脉冲开始。其中的例外是，当逻辑1之后为逻辑0时，不出现逻辑0的低电位脉冲，信号保持为高电位。

图7显示使用ASK调变及Manchester编码的负载调变(如处于被动卡仿真模式下的14443 A PICC或NFC-A设备)。

图7 使用辅助载波的负载调变在时域及频域的图示

NFC标准/标签类型多样

以下将进一步针对NFC标准的演进以及其主要的工作模式、卷标类型进行更详细的说明。

NFC标准的沿革

三大标准ISO/IEC 14443 A，ISO/IEC 14443 B以及JIS X 6319-4皆属于RFID标准，由不同公司(NXP、Infineon及Sony)提出。第一个射频NFC标准是ECMA 340，并基于ISO/IEC 14443 A与JIS X 6319-4的空中接口。之后，ECMA 340被编入标准ISO/IEC 18092。与此同时，信用卡的主要发卡公司(Europay、Mastercard、Visa)也开始推广基于ISO/IEC 14443 A与ISO/IEC 14443 B的付费标准EMVCo。在NFC论坛上，两大群体将空中接口一致化，并分别命名为NFC-A(基于ISO/IEC 14443 A)、NFC-B(基于ISO/IEC 14443 B)以及NFC-F(基于FeliCa)。图8和图9分别显示了NFC射频与协议标准以及测试规范的沿革过程。

图8 NFC射频标准的沿革

图9 NFC协议标准的沿革

调变与编码工作模式

如图10所示，NFC有三种主要的工作模式，一为被动卡仿真模式(被动模式)，这时NFC设备就如同与现存标准兼容的非接触式卡片。其二为端对端模式，两个NFC设备进行信息交换。与读写模式相比，激励设备(查询设备)所需功率相对减少，因为目标设备(收听设备)也有自己的能源供给。最后是读写模式(主动模式)，NFC设备处于主动状态，对现存的被动式RFID标签进行读写。

图10 NFC的工作模式

上述的每一种模式都可以与下面的任意一种传输技术相互结合：NFC-A(与ISO/IEC 14443 A)向后兼容、NFC-B(与ISO/IEC 14443 B)向后兼容、NFC-F(与JIS X 6319-4)向后兼容。为支持所有各种不同技术，如图11显示，处于查询模式下的NFC设备首先用相应的请求信号试探NFC-A，NFC-B以及NFC-F标签的反应。当从兼容设备得到反应后，NFC设备便依照标准建立通信模式(NFC-A，NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通信模式(主动或被动)、传输技术(NFC-A，-B，-F)以及传输速率(比特率)的不同，进行相应的编码与调变。

图11 查询模式下识别过程的流程图(主要流程)

表1列出对应于NFC-A、-B和-F传输技术的编码，以及调变和数据速率。

NFC标签分四种类型

NFC标签是被动设备，可用于与NFC主动设备进行通信。NFC标签主要用于广告，以及用于存储数量不大的信息并将信息传送给NFC主动设备等领域。依照不同的格式和容量，NFC卷标被分为四种基本类型并以类型1～4命名(表2)。其格式分别基于ISO 14443的类型A与B以及Sony的FeliCa。

NFC射频测量至为关键

为确保NFC设备的功能符合各种标准，必须进行一系列的射频测量以及综合的协议测量。依照NFC模拟测试规范草案，射频测量须由参考设备予以规定(即NFC论坛的参考收听器和NFC论坛的参考查询器)。这些参考设备相当于NFC的典型设备。其处于查询及收听模式，且天线大小各异，用以提供定义明确的、有可比性的测量。为测试NFC设备的收听及查询模式，NFC论坛规定了下面两种方案，请见图12、13。

图12 NFC设备的收听模式测量配置

图13 NFC设备的查询模式测量配置

NFC参考设备

当与适当的信号源和功放相连接时，NFC论坛的参考查询设备即向待测收听设备发送指令。测试仪器随即捕获并分析待测物的反应。NFC论坛的参考查询设备有三种不同的天线线圈设计，并基于标准EMVCo PCD)(针对查询器Poller-0)，以及ISO标准化的PICC天线线圈设计的两种补偿型(针对查询器Poller-3和6)，请见图14、15。

图14 NFC论坛的参考查询器

图15 NFC论坛参考收听器

NFC论坛的参考收听设备分析待测查询设备所发送的信号。为了分析信号的频率与波形，NFC论坛的参考收听设备配有感应线圈。利用由适当的外接信号源(如任意波形发生器)所产生的负载调变的不同电平，N​​FC论坛的参考收听设备也能向待测物发送信息。

查询设备的工作范围是指至少在此范围(空间)内，NFC设备之间能够依照规范实现互联互通。图16显示了工作范围的具体定义。

图16 NFC工作范围的定义

NFC设备的射频测量

NFC模拟测试规范草案规定了有关于NFC设备的型号认证的射频测量。以下是最重要的射频测试项目：在主动式查询模式下，包括有载频精度测量、功率测量(在查询模式下，必须有足够的功率输出)、波形特性测量(有关时间方面参数的测量，如上升及下降沿时间)、​​负载调变灵敏度测量(查询设备需能够在规定的最小电平下正确接收负载调变)、门槛电平测量(待测查询设备需能够在遇到特定强度的外加电磁场时停止工作)。

在被动式收听模式下，则有负载调变测量(负载调变的强度须处于所要求的范围内收听设备的应答)、功率接收测量(收听设备需能够在恶劣的条件下做出正确应答)、帧时延测量(对于NFC-A模式中的防撞算法尤其重要)，帧时延是从查询指令之终止，直到处于被动卡仿真模式下的NFC手机开始传送为止的响应时间。只要手机可以支持，必须针对不同模式(NFC-A、NFC-B及NFC-F)进行以上所有的测量。

NFC手机测试实例

以下部分将表述针对手机在查询及收听模式下的测试方案。

手机在查询模式下的测试方案

NFC论坛的参考收听器被用来测试NFC手机。如图17所示，借由适当的高性能之示波器如罗德与施瓦茨(R&S)RTO可检测功率、载频以及调变波形。高性能示波器的独特优点在于其综合的触发功能，因此无须使用外部触发。适当的信号或频谱分析仪(如R&S FSV)亦可在零跨频模式下，借助外部触发对载频功率及调变波形进行测量。此外，频谱分析仪还可用于测量杂散辐射。

图17 NFC手机在查询模式下的测试方案(简化图式)，用以测试载频、功率、调变波形以及负载调变灵敏度等参数。

为测量负载调变灵敏度，适当的具有任意波形功能之射频信号产生器(如R&S SMBV100A)将产生适当的应答信号SENS_RES(SENSE RESPONSE)，以作为对于由NFC设备所发出的询问信号SEL_REQ(Select Request )的应答，信号产生器则由示波器予以触发。

收听模式测试方案

如图18所示，NFC论坛的参考查询设备被用来测试在收听模式(被动卡仿真模式)下的NFC手机。适当的具有任意波形功能之射频信号产生器(如R&S SMBV100A)将可以产生查询信号。借由脉冲程序软件R&S SMx-K6，可以轻松地产生或者更改指令序列(如SENS_REQ、SDD_REQ、SEL_REQ、Pol_REQ等)，用以激励处于被动模式下的手机。相应的测试方案以及波形文件随即可得。为了能够提供足够的功率给待测物，须使用功放。

图18 针对在被动卡仿真模式下的NFC手机之测试方案，用以测试负载调变与帧时延等参数。

示波器/信号分析仪测试结果

以下部分将表述针对NFC手机的​​测试结果，并以此说明示波器R​​&S RTO及信号分析仪R&S FSV的功能。

·查询模式下功率及载频的测试

如图19所显示，针对具有NFC技术的手机在查询模式下的功率测量结果。其中，载频的测试结果也以图17所示之测试方案，借由NFC论坛的参考设备而同时获得。

图19 借助示波器R&S RTO的并行测量实例，针对NFC设备在查询模式下的功率测量(上面的图形)及载频测量(下面的图形)。

·查询模式下波形特性测量

图20显示借由示波器R&S RTO，在查询模式下波形特性的测量实例。其中，以光标1(位于5%处)和光标2(位于90%处)得到上升沿时间575纳秒(ns)。

图20 借助示波器R&S RTO，在查询模式下波形特性(上升沿时间)的测量实例。

·收听模式下帧时延测量

图21显示图18所示之测试方案，借由示波器R&S RTO，针对NFC手机在被动卡仿真模式下帧时延的测量实例。上面的图形显示Select Request信号(由任意波形产生器发送)以及随后的NFC手机在被动卡仿真模式下之响应(负载调变)。下面的图形则是将画面放大的显示，即从Select Request信号的最后一个位，直到响应的第一个位为止的时间范围。以两个光标(光标1和光标2)测量得到帧时延(86.51μs)。在两个光标之间的波形幅度变化是NFC手机在被动卡仿真模式下所产生的寄生负载调变。

图21 针对NFC手机在被动模式(14443 PICC卡仿真模式)下帧时延的测量实例，上面的部份显示首先是Select Request信号，接着是连续波信号(NFC手机所产生的寄生负载调变) ，最后是NFC手机的​​响应。

如前文所述，帧时延也可借由频谱分析仪以零跨频进行测量。图22显示由R&S FSV所测之结果。标志M1位于查询信号最后一个​​位的上升边缘，差量标志D2位于收听信号的第一个位并显示帧时延(86.28μs)。

图22 借助频谱分析仪R&S FSV进行帧时延测量的实例，差量标志D2测量从查询指令的终止，直到手机在卡仿真模式下发送的起始之响应时间(86.28μs)。

·收听模式下负载调变的测量

如图23所示，NFC之负载调变是13.56MHz查询信号包络的平均最大值与平均最小值之差。图24显示使用示波器及频谱分析仪(如图25)对负载调变的测试。由于频谱分析仪测得信号的均方根值，其示值须乘以系数1.41而得到示波器所示之峰值。

图23 依照NFC论坛的负载调变定义

图24 使用示波器R&S RTO测量负载调变，以两条标志线测量查询信号包络的平均最大值与平均最小值之差(本例为61.1毫伏特(mV))

图25 使用频谱分析仪R&S FSV测量负载调变：在零跨频模式下，两条标志线D1与D2测得最大与最小均值，即负载调变的均方根值=D1与D2之差= 153-110毫伏=43毫伏，而负载调变=43毫伏×1.41 = 60.6毫伏(如上所述)。