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在過去的數(shù)十年里，數(shù)以億計的人在他們的皮夾、錢包或手提包中放有非接觸式卡片。首批非接觸式卡片是價格低廉、如信用卡般大小的塑料卡片，被用于控制人們出入火車、電車或公交車的權(quán)限。它使用起來快速、便利，于是理所當(dāng)然大受消費者的歡迎。在過去十年中，非接觸式技術(shù)已延伸至支付卡(如：借記卡、信用卡和充值卡)，用于加快報攤、咖啡店和便利店等快節(jié)奏零售環(huán)境中的交易速度。

事實上，廣泛采用非接觸式技術(shù)的條件已臻于完善：

* 消費者了解并接受這項技術(shù)

* 非接觸式讀卡器已被大量安裝(在銷售點終端設(shè)備、驗票處及其他地點)

* 數(shù)以千計的零售商、銀行、交通網(wǎng)絡(luò)運營商及其它機構(gòu)，都已使用這類非接觸式通訊基礎(chǔ)設(shè)施，用于付費管理和出入控制。

然而，有一個重要元素被忽略了：許多消費者不管到哪里都會隨身攜帶一個智能手機。理論上，它可以仿真非接觸式卡片，讓用戶能用一個設(shè)備取代多張卡片。

對于商家及交通服務(wù)商而言，這是非常可取的：以可下載的應(yīng)用程序取代卡片，可以省下提供卡片的成本；再者，當(dāng)消費者感到愈加便利時，會加速這項技術(shù)的普及，進(jìn)而有助于商家及交通服務(wù)商增加營收并改善營運效率。

手機制造商也同樣熱切地希望能在他們的設(shè)備中實現(xiàn)非接觸技術(shù)，以增加其設(shè)備的價值并提高他們對消費者的吸引力。

這項技術(shù)的初次嘗試是在21世紀(jì)初，源于近場通訊技術(shù)(Near Field Communications，NFC)的發(fā)布。NFC技術(shù)是在NFC論壇支持下的一項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，它和仿真卡片一樣，都可以支持讀卡器模式，使設(shè)備可以讀取NFC標(biāo)簽及點對點(peer-to-peer)模式。

但是早期的的應(yīng)用沒有適當(dāng)考慮手機的電氣和機械限制。特別是作為NFC讀卡器，相對于專用的NFC讀卡器，例如非接觸式支付終端，手機針對天線所能提供的電能和可用的空間要少很多。要使手機達(dá)到與讀取器相當(dāng)?shù)男苁窍喈?dāng)困難的。

不過，更重要的是缺乏一個受客戶歡迎的手機應(yīng)用。簡單來說，就是手機使用者不知道拿口袋里的NFC讀卡器做什么。

如果手機可以作為NFC標(biāo)簽使用，便能仿真多種非接觸式卡片。同時，它還將成為一個廣受歡迎和使用的應(yīng)用：消費者不僅能用自己最愛的設(shè)備出入建筑物、火車和公交車，還能用它在商店付費、使用優(yōu)惠券和積累點數(shù)。

所以，智能手機制造商要如何實現(xiàn)可靠的NFC標(biāo)簽功能呢？讓我們先了解下NFC標(biāo)簽是如何與讀卡器進(jìn)行通訊的。

非接觸卡片的被動負(fù)載調(diào)制

NFC技術(shù)需要一對天線的電感耦合。耦合系數(shù)為k，代表一對讀卡器/卡片天線組耦合的易感程度。系數(shù)的值介于0與1之間，主要是依據(jù)天線的幾何參數(shù)和天線之間的距離而定。

在正常情況下，當(dāng)卡片的天線小于讀取器天線時，無論與讀卡器天線的特定距離為何，耦合系數(shù)都會與卡片天線的表面積呈正比：表面越大，耦合系數(shù)越大。

當(dāng)使用一般的“被動負(fù)載調(diào)變(PLM)”方式來傳輸數(shù)據(jù)時，k的數(shù)值通常需介于0.03和0.3之間。

非接觸式NFC交易是一連串的讀卡器指令，每一個指令后面都會有一個來自卡片的應(yīng)答。PLM被用于非接觸式卡片以及除了Apple iPhone 6 及iPhone 6 Plus所有現(xiàn)有的NFC手機，其運作是藉由切換至卡片天線的被動(電阻或電容)負(fù)載實現(xiàn)(請見圖1)。一個默認(rèn)負(fù)載會響應(yīng)非調(diào)制狀態(tài)，而開關(guān)負(fù)載會響應(yīng)調(diào)制狀態(tài)。當(dāng)讀卡器和卡片天線電感耦合時，讀卡器的接收器能感測到這些負(fù)載變化，并將之解碼以從信號中抽取信息。

 
圖1：實現(xiàn)被動式負(fù)載調(diào)制的電路。

在制作NFC系統(tǒng)時，將負(fù)載調(diào)制幅度納入考慮是很重要的：這是讀卡器接收機所感測到的調(diào)變和非調(diào)變電壓的差異 (請見圖3)。如果這幅度降至特定的最小值之下，接收機則將無法可靠地感測到卡片信號調(diào)變。所有其他部份都是相等的，k的數(shù)值越大，則負(fù)載調(diào)變幅度越大。

當(dāng)被用于非接觸式卡片中時，PLM可以穩(wěn)定地輸出充足的負(fù)載調(diào)變幅度。非接觸式卡片的標(biāo)準(zhǔn)尺寸一般是ID-1，為一張信用卡大小。其中內(nèi)嵌一個大天線，針對現(xiàn)今的讀卡器能提供6厘米的接收范圍。的確，非接觸式卡片系統(tǒng)的性能非常優(yōu)良，使用者無需將非接觸式卡片從皮夾或手提包中拿出來，便可在公共交通系統(tǒng)中實現(xiàn)驗票操作。

事實上，消費者期望非接觸式系統(tǒng)能運作得更為迅速實時且完全可靠，讓他們的非接觸式裝置能從各個方向接近讀取器，無論是通過手持、或是當(dāng)設(shè)備是完全隱藏在皮夾或皮包里。

這對智能手機制造者則構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。因為手機中包含許多無線電設(shè)備和天線，且是被包覆在金屬中。手機的電路板上密布著各種組件，而且消費者需要的更大顯示屏幕及電池正占據(jù)越來越多的可用空間。

這樣的環(huán)境對于PLM而言可說是完全不適合。局促的空間尺寸只容得下微小的天線。各種各樣的金屬和相互干擾的射頻信號也會嚴(yán)重影響手機和讀卡器天線耦合的能力。

這一情況帶來的結(jié)果便是糟糕的消費體驗：交易常常失敗或者得花上好幾秒才能完成，而且消費者被迫得從皮包中拿出手機并小心翼翼地靠近讀卡器，這讓他們覺得很不方便。

如何補償?shù)婉詈舷禂?shù)

設(shè)計上的限制阻礙手機制造商尋求增加k數(shù)值的嘗試，如以上所示，這些嘗試都需大幅增加手機NFC天線面積。

因此，欲提升手機的卡片仿真模式的效能，相關(guān)努力多集中于增加負(fù)載調(diào)變幅度。而現(xiàn)在已經(jīng)找到了一個可行的方法，叫做主動負(fù)載調(diào)變(Active Load Modulation, ALM)。

ALM利用移動設(shè)備的電池電源進(jìn)行供電。在ALM中，一個和讀卡器磁場同步的載波信號會在調(diào)變狀態(tài)期間被傳送，并且在非調(diào)變狀態(tài)期間關(guān)閉(請見圖2)。這種運作方式叫做AND模式。而這在更高效的技術(shù)版本中被稱作XOR模式，該模式下一個和讀卡器磁場同步的信號會在調(diào)變狀態(tài)期間被傳送，而在非調(diào)變狀態(tài)期間則是傳送一個180° 相移信號。相較于AND模式，XOR模式使讀取器所感測到的負(fù)載調(diào)變強度翻倍。如此，就能使用小得多的天線。

ALM 信號被耦合至讀卡器的天線。根據(jù)其與讀卡器磁場的相位差，耦合ALM信號或是增加或是減小讀卡器的信號，以形成負(fù)載調(diào)變信號。

ALM的主要優(yōu)點就是，它能在耦合系數(shù)低于100倍的情況下，達(dá)到與PLM設(shè)備相同的負(fù)載調(diào)變幅度 (請見圖3)。

 
圖2：主動負(fù)載調(diào)變電路圖。

 
圖3：ALM能使用小于典型PLM系統(tǒng)天線100倍之多的天線。

一個典型的非接觸式卡片天線的面積為4,000mm2，可以成功實現(xiàn)PLM。ALM電路則能以僅僅40mm2的天線在讀卡器接收機達(dá)到相同的負(fù)載調(diào)變幅度，提供同樣的消費者體驗。

對于手機制造商而言，這種尺寸的天線成本幾近于0 ——它甚至可實現(xiàn)在主板上印刷電路板天線。它不需要鐵氧體屏蔽。就比較來看，具有鐵氧體和連接器的大型天線的成本將近1美元。再者，NFC 天線可放在對用戶而言最好的位置。例如當(dāng)放在后置鏡頭附近時，用戶只需要將手機頂部輕觸讀卡器即可。

相對而言，放在智能手機背蓋或電池中的大型天線是造成用戶失望的原因。一般而言，他們會將手機拿在手中，所以手機天線無法準(zhǔn)確對準(zhǔn)讀卡器天線。當(dāng)他們將手機掃過非接觸式讀取器前面時，交易會失敗。所以用戶必須學(xué)會將手機小心翼翼地很靠近讀卡器，非接觸式傳輸才能成功——這樣的動作和使用非接觸式卡片的體驗相當(dāng)不同。

 
圖4：小型天線可以輕易放入設(shè)備中，提供最佳用戶體驗。

在圖4中，讀卡器天線被標(biāo)記為黃色。基于PLM的解決方案所需的大型天線則是被標(biāo)記為橘色，是手握裝置的地方。相對而言，ALM解決方案所使用的小型天線則是被標(biāo)記為紅色，它的位置非常理想，能成功完成NFC交易。

由于能使用非常小的天線，ALM 也非常適合用于可穿戴設(shè)備中?？纱┐髟O(shè)備的空間有限，只能容納小型天線，然而采用小型天線的PLM解決方案不能提供令人滿意的通訊范圍。

交通和支付系統(tǒng)讀寫器互操作性的改善

Ams(艾邁斯)開發(fā)的一系列NFC標(biāo)簽?zāi)MIC采用了ALM的運作原理，所有產(chǎn)品皆采用了其“增強型NFC”技術(shù)。當(dāng)應(yīng)用到最新的智能手機中時，增強型NFC用40mm2的天線來匹配非接觸式卡片的性能。

然而天線尺寸的縮小并非是增強型NFC唯一的好處，它也能支持負(fù)載調(diào)變信號的各種電氣參數(shù)，包括：

* 自動功率控制(Automatic Power Control)功能，當(dāng)手機接近讀卡器時(換句話說，就是耦合系數(shù)變高時)，這個功能可減少輸出電壓，從而防止讀卡器接收機的飽和。

* 根據(jù)讀卡器的磁場配置主動負(fù)載調(diào)變(Active Load Modulation)信號的相位差，這可以提高手機在幾乎離開讀取器的范圍時交易的可靠度。

* 可設(shè)定的靈敏度以及支持各種不同外觀尺寸的天線。極低的靈敏度能確保讀卡器至卡片的鏈接絕對不會對交易范圍造成限制。

* 精確的計時機制，這能確保讀卡器指令和卡片響應(yīng)之間的延遲符合非接觸式標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的嚴(yán)苛限制。這個機制能補償發(fā)生在NFC控制器端的各種變化。

* 自動增益控制(Automatic Gain Control)，能提供讀卡器信號的正確解調(diào)變，并容納終端設(shè)計，特別是公共運輸系統(tǒng)的各種變化。

所有的這些功能都能實現(xiàn)動態(tài)配置，以提供相對于既有NFC解決方案更高的互操作性通過率。當(dāng)應(yīng)用于付費手續(xù)時，可以實現(xiàn)百分之百的通過率。

此外，增強型NFC 技術(shù)提供一種方法，讓代工制造商能適應(yīng)已安裝讀取器的不一致性，這是由于非接觸式支付卡交易標(biāo)準(zhǔn)EMVCo的不斷修改。(對于已運作十年的銷售點終端而言，這并不稀奇。)隨著老化，讀卡器的效能也會發(fā)生變化，而讀取器效能的差異也可能源自于制造和安裝的不一致性。

極小的天線也能避免讀取器天線失諧的問題，而大型天線會發(fā)生這種問題。EMVCo對非接觸式通訊范圍的要求已從4cm放寬至最小2cm，主要針對采用較差性能PLM解決方案的 NFC手機。而這幾乎無法達(dá)到使用者的期望。不過幸運的是，這個放寬的標(biāo)準(zhǔn)在未來是沒有必要的，因為增強型NFC 將能讓 NFC 手機的效能和傳統(tǒng)的非接觸卡片一樣好，甚至是更佳。

ams的NFC booster IC- AS3922可提供 ALM技術(shù)，能用于UICC和microSD NFC連接卡。這讓沒有內(nèi)設(shè)NFC功能的手機和小型配件都可以模擬非接觸式卡片。

AS3923及 AS39230作為 NFC控制器的附加組件被集合于電子設(shè)備中，主要是用來取代控制器的模擬前端(請見圖4)。AS39230也支持NFC的主動點對點模式及卡片模擬。

在ams的實際操作中，ALM對于電池運作壽命幾乎沒有影響，因為增強型NFC組件會維持省電模式，直到它偵測到非接觸式交易的發(fā)生。

數(shù)字IC制造商也試圖實現(xiàn)ALM，然而ALM系統(tǒng)所需的模擬電路非常不適合先進(jìn)數(shù)字IC的超小電路特性，因此，集成ALM的數(shù)字安全組件(Secure Elements)或NFC控制器的負(fù)載調(diào)變效能都很差。相對而言，ams電子組件采用的純粹模擬電路能提供最佳的效能，可滿足習(xí)慣于使用便捷非接觸式卡片的消費者對非接觸式技術(shù)的期望，因此該組件已被用于現(xiàn)今市場上最頂尖的智能手機中。

 
圖5：增強型NFC 被用于主NFC控制器的附加芯片(AS3923)中。

結(jié)論

非接觸式卡片現(xiàn)今已被廣泛用于公共運輸系統(tǒng)，以及商店的非接觸付費交易中。數(shù)以億計的消費者隨身帶著一個智能手機，理論上它可以模擬智能卡，讓用戶能用隨身攜帶的單一裝置來取代多張卡片。

要在智能手機環(huán)境中實現(xiàn)非接觸式卡片功能，可以說是充滿了挑戰(zhàn)。非接觸式卡片用于與非接觸式讀寫器通訊的被動式負(fù)載調(diào)變方法需要使用大型天線，且需要為射頻信號提供良好環(huán)境。然而智能手機的空間狹小、格局擁擠，布滿金屬物件且會受到射頻干擾。

因此，智能手機和可穿戴設(shè)備制造商已轉(zhuǎn)向另一種實現(xiàn)NFC非接觸式通訊的方式：主動式負(fù)載調(diào)變。這篇文章旨在描述主動式負(fù)載調(diào)變的運作方式，并說明此種方式應(yīng)用于智能手機中的好處。