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第二代身份證射頻卡芯片在工作場強內不可避免地會產生噪聲，可能會影響卡片與讀卡器系統的正常工作。本文從理論上詳細分析了卡片調制信號幅值與讀卡器靈敏度的關系，提出了一種卡片噪聲的檢測和標定方法。這有利于合理地匹配不同廠家的卡片與讀卡機具，改善兼容性，對二代證的大量應用具有重要意義。 我國第二代居民身份證(簡稱“二代證”)采用了符合ISO14443 Type B 通訊協議的近耦合射頻識別(RFID)技術，載波頻率為13.56MHz，工作場強為1.5"7.5A/m，卡片調制副載波頻率為847kHz。射頻卡(非接觸IC 卡)在實際中已經得到了廣泛的應用。在檢測國內各廠家研制的二代證樣卡時，技術人員發現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，當卡片處于讀卡器天線的工作場強范圍內，尤其是在近場情況下，讀卡器與卡尚未進行通訊時，卡片天線兩端的電壓(電流)交流信號峰峰值會發生波動，波動頻率可能為847kHz，或是其整數倍頻(或分頻)。造成波動的主要原因是芯片電源穩定性差，或者芯片功耗波動太大。如果卡片線圈內的電流信號峰峰值波動達到一定值，尤其是847kHz 頻率的波動時，讀卡器就可能將其放大到與有效信號相當的幅值水平，這樣就會嚴重影響讀卡器的工作，大大增加讀卡器解調電路的設計難度。 本文首先簡單介紹了Type B 射頻卡系統的通信原理，之后分析了卡片調制信號以及與噪聲和讀卡器靈敏度之間的關系，提出了噪聲檢測方法和可行的噪聲標定方法，并對此進行了詳細討論。 圖1 近耦合射頻卡系統等效電路圖 圖2 調制深度曲線 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行通訊的。也就是說，當讀卡器向卡片發送指令時，讀卡器天線線圈流過的電流會根據指令發生相應的變化，場中的卡片就會感應到此變化，并解調出指令信號，之后對指令信號進行處理并發出響應；當卡片向讀卡器發送響應信號時，卡片會根據響應信號通過負載調制的方式改變卡片線圈流過的電流，讀卡器天線線圈就會感應到卡線圈電流的變化，并進行解調處理，得到卡片響應信號。 讀卡器一般將兩個邊帶信號中的一個847kHz 頻率成分通過濾波器從載波信號中分離出來，但是實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(包括調制信號和噪聲信號)都會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主要是由于芯片內部邏輯電路工作時功耗的周期性波動而引起的。特別的，對于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，更嚴重的會對EEPROM 進行操作。因此，在芯片設計階段，就應該認真對待電源的穩定與功耗問題。 卡片調制信號分析與檢測 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幅值)。當L1 和C1 滿足諧振時，有： (1)讀卡器通過對u1(天線兩端電壓)進行檢波、濾波、放大和解調處理得到卡片發出的數據。在讀卡器接收信號期間，u0 保持不變。在L1 和C1 滿足諧振條件的情況下，下文將對卡片的調制深度與讀卡器接收端u1 的關系進行分析。 如果卡片與讀卡器天線位置固定，則耦合系數確定，即互感M 不變。根據式(1)可知，只有卡片線圈電流i2 影響u1 的值。因此，當卡片向讀卡器返回響應信息時，可以通過負載(電阻或者電容)調制改變Z2，從而改變i2 的值； 當改變卡片與讀卡器天線線圈間的距離時，也即改變了通過卡片線圈的有效磁場強度Heff。由，可知Heff 的改變意味著M 的改變，但它們之間并不是線性關系，因為當讀卡器線圈與卡片線圈位置發生變化時，i1 也會發生變化。由式(1)有 (2)0、A、N 和Heff 分別表示空氣中的磁導率、卡片線圈面積、卡片線圈匝數和有效磁場強度，，都是不變的量。當Heff=H0 時，卡片在無調制狀態下，讀卡器天線線圈電流為i10，卡片線圈電流為i20，u1 的值記為u10。當卡片調制時，其相應的量記為Hm、i1m、i2m 和u1m，有i2m=i20+苅2、i1m=i10+苅1、Hm=H0+艸，u1m=u10+苪1�？ㄆ{制狀態下與非調制狀態下讀卡器線圈感應電壓之差苪1 為：μ上式中 (3)實際上，由于i20＜＜I10、艸＜＜H、苅1＜＜i10、苅2＜＜i20，因此可近似如下： (4)由上式可以看出，如果苅2 與H0 為線性關系，即苅2=m/H0，那么苪1 基本接近一個常數b1?m/i10。但是由于苅2 與苅1(或艸)會向相反的方向變化，因此，在不同的場強下，如果想得到相同的苪1，就需要對苅2=m/H0 進行修正。由ISO14443-2 給出的卡片負載調制深度幅值為30/H1.2mV(峰值)，可以近似地推導出苅2=m/H1.2。 調制深度曲線 ISO/IEC 14443-2:2001(E)中規定，如果采用ISO10373-6 標準描述的方法，在不同的磁場強度H 下，卡片負載調制深度幅值(副載波頻率為847kHz)不應該低于30/H1.2mV(峰值)，其中H 是磁場強度(A/m rms)。 根據標準要求，繪制如圖2 所示的調制深度曲線。曲線1 為標準要求的卡片理想調制深度曲線30/H1.2；曲線4 為預計的實際卡片調制深度曲線；曲線2 為預計的實際讀卡機具靈敏度曲線；曲線3 為預計的卡片芯片噪聲曲線(只針對847kHz 頻率點)。為保證卡片與讀卡機具間的兼容性，上述4 條曲線應該存在如下關系：標準曲線1 可通過10373 測試平臺進行標定，其它曲線都必須以其為參考；實際卡片調制深度曲線4 應該在曲線1 之上(可以是曲線1)；讀卡機具靈敏度曲線2 應該在曲線1 之下(可以是曲線1)；卡片噪聲曲線3 不應該高于曲線2 的一半，這樣，才可能不會影響讀卡機具的正常工作，因此曲線3 要與曲線2 相互配合，才能增強讀卡器的抗噪聲能力。 以上曲線描述的是13.56MHz847kHz 的兩個邊帶上的信號幅值，都是理想的曲線。曲線1 描述的是卡片應該發出的有用信號調制深度的最小值，根據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點。也就是說，如果卡片的負載調制深度滿足曲線1，那么無論卡片在1.5"7.5A/m 范圍內哪一個距離工作，讀卡器接收到的信號都應該是基本相同的。對于卡片的噪聲，不僅僅是847kHz 頻率點影響讀卡器接收，實際上847kHz 附近其它頻率點上的噪聲也會影響讀卡器的接收，并在讀卡器接收端的時域信號上表現出來。因此，僅僅定義曲線3 是不夠的。在頻域上，應該定義一個847kHz 附近的帶寬，在時域上應該通過一個標準的讀卡器來標定卡片噪聲大小。 另外，卡片靜態(在場中處于非通訊狀態)噪聲可能較小，但在卡片工作(特別是對EEPROM 進行讀寫操作)狀態下的動態噪聲可能很大，以至影響正常通訊。因此，在標定卡片噪聲時，不僅需要標定847KHz 邊帶上的噪聲幅值，也應該標定卡片可能出現的最大時域噪聲。 卡片噪聲檢測方法 根據實際在屏蔽室中的測量結果，由于噪聲信號幅值很小(示波器測量值1mV 左右)，而且示波器的測量精度有限，導致測量結果的可靠性降低，因此，利用10373 測試平臺無法檢測出卡片噪聲，需要通過間接手段進行測量。測量讀卡器模擬部分放大輸出(中間經過空間磁場耦合、檢波、濾波、模擬放大過程)，就可以對卡片噪聲(尤其是847kHz 頻率點附近帶寬上的頻率成分)進 行間接測量。 本文提出的檢測步驟如下：構造一臺標準的讀卡器，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噪聲；在卡片與讀卡器通訊狀態下，在模擬放大器輸出端間接檢測卡片動態噪聲，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時域噪聲。 卡片噪聲標定方法 利用上述方法可以間接地檢測出卡片的靜態和動態噪聲，但是不能與曲線1 相比較。為了描繪出卡片噪聲曲線3，應該確定一個噪聲標定方法。本文介紹如下方法進行間接等效標定。 1) 利用一個參考PICC 或者正�？ㄆ�，按照ISO10373-6 中描述的方法對讀卡器進行標定，利用10373 測試平臺測量出參考PICC 在某一個場強H1 下的調制深度值，并調節PICC 上調制負載，使得負載調制深度在曲線1 上； 2) 將參考PICC 放入讀卡器線圈上方帶載等效場強為H1 的平面處，讀卡器發送ALOHA 信號，觀察讀卡器模擬輸出端的信號，測量并記錄卡片在響應期間內的有用信號，調節讀卡器增益使得觀察到的信號為合理值Vamp0(與讀卡器中模擬放大器供電電源有關)； 3) 利用上節描述的方法對卡片在不同狀態下的噪聲進行測量，并記錄測量值(電壓峰峰值和847kHz 附近的頻譜)； 4) 將在讀卡器場強為H(d)(d 表示卡片與讀卡器線圈間的距離)時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的比值x(d)； 5) 利用曲線1 可以計算出讀卡器上H(d)處的等效噪聲值(847kHz 頻率點)，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際上是可行的，可是在頻域和時域上存在一個矛盾，因此需要解釋如下： 1) 圖2 中的曲線是在頻率點847kHz(13.56MHz847kHz)上的曲線； 2) 實際上，847kHz 附近頻譜上的噪聲也會影響讀卡器接收； 3) 根據上節描述的方法測量到的讀卡器放大輸出時域信號，并不是一個頻率點，而是所有頻譜上的噪聲在時域上的疊加； 4) 圖2 中曲線3 描述的是工作場強范圍內載波頻率兩邊847kHz 頻率點上的噪聲，利用上述標定方法可將讀卡器接收端的時域信號等效到曲線3 上，也就意味著將卡片發出的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 頻率點上； 5) 這里描述的標定方法在某種程度上依賴于一個合理的讀卡器。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定。因為讀卡器的噪聲處理能力也會影響系統通訊過程。 結語 本文從理論及實驗角度分析了卡片調制深度曲線、卡片噪聲曲線與讀卡器靈敏度曲線之間的關系，提出了一種間接測量卡片噪聲的方法，以及一種可行的標定卡片噪聲的方案，并根據實際情況進行了討論，這對大生產中射頻卡與讀卡機具的合理匹配提供了很好的理論基礎。此外，本文提出的方法在理論上仍然缺少嚴密性，但具有相當大的實際價值，需要進一步補充和完善. |
