NFC数据传输原理与调变编码技术

近距离无线通讯(NFC)将现有的非接触式辨识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可广泛用于各种资讯交换，例如电话号码、图像、MP3档、数字式授权、电子钱包、广告资讯、产品资讯等。这种资讯交换可在两个具有NFC功能的电子设备(如手机)之间进行，抑或于具有NFC功能的手机和与其相容并位于近距离内的无线射频辨识系统(RFID)晶片卡或读取器之间完成。NFC被用作控制获取资讯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(只有主动被动式通讯)不同，具有NFC功能的电子设备之间的通讯可以是主动主动式(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设备之间的资讯交换，在标准ECMA-340及ISO/IEC 18092中制定了新的通讯协议。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晶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讯号强度和接收灵敏度、负载调变参数(收听讯号的强度)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。

．行动式付费

用NFC手机购票或付计程车费用，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资讯存入NFC手机、访问保密机构、登录保密电脑、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讯连接、设置蓝牙(Bluetooth)及无线局域网络(WLAN)连接。

．读取资讯

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数据传播原理

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)之结构配置

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%)及二进位相移键控(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，其藉以查询设备的13.56MHz载波讯号作为驱动能源。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，其讯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讯号自动停止发射。

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讯号加以调变，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使用时分多路通讯，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，讯号保持为高电位。

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、标签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相容的非接触式卡片。其二为端对端模式，两个NFC设备进行资讯交换。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讯号试探NFC-A，NFC-B以及NFC-F标签的反应。当从相容设备得到反应后，NFC设备便依照标准建立通讯模式(NFC-A，NFC-B抑或NFC-F模式)。依照通讯模式(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 查询模式下辨识过程之流程图(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主动设备进行通讯。NFC标签主要用于广告，以及用于存储数量不大的资讯并将资讯传送给NFC主动设备等领域。依照不同的格式和容量，NFC标签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。