非接觸式IC卡的設計技巧

文章出處：http://5052h112.com 作者：語馨 收編   人氣： 發表時間：2011年09月26日

    系統特性 

    將數字化資訊從資訊源傳送至資訊傳輸目的地的無線通信系統，一般都可以進行類似圖1的通信系統模式化分析。通信系統的作業模式可以分成變調方式與編碼方式，但不論哪種方式非接觸式IC卡系統處理的資訊主要是與金融、個人隱私有關的高敏感性數字資料，因此非接觸式IC卡通信系統不允許有方式任何錯誤，要求達到完全無錯誤(error free)水準。 

    雖然非接觸式IC通信系統的資料傳輸距離d只有數十cm，傳輸波長卻高達2.2m(13.56MHz)，因此d<λ<2π成立，這意味著非接觸式IC卡系統使用電磁結合領域，進行數字化金融與個人隱私資料通信，然而這種方式極易因為各種因素，造成其中一方的特性例如阻抗(impedance)的變動影響通信品質。
　 

圖1 通信系統作業模式

    圖2是非接觸式IC卡片用讀寫器(RW: Read & Writer)的動作原理，如圖所示非接觸式IC卡片本身并無電源，因此RW供應電源給IC卡片的同時還必需進行通信作業，RW與loop天線亦即IC卡片的天線變成電磁性結合狀態，RW利用13.56MHz的傳輸波供應電源給IC卡。

    此時RW若傳送資料給IC卡片時，RW會傳輸變調度大約10%左右的ASK(振幅輸變)信號給IC卡片，IC卡片檢測該信號并轉換成資料；反之如果從IC卡片傳送資料給RW時，IC卡片變成從RW接收無變調信號狀態，接著利用IC卡片內的變調器產生負載變動，RW將此負載變動當成自我loop天線，亦即RW的天線的電流、電壓變化檢測并將資料復調。表1是FeilCa的物理層與資料鍊層的主要規格。
　 

圖2 RW的動作原理

表1 物理層與資料鍊層的規格

    接著介紹有關如何達成「完全無錯誤」的電路品質與錯誤控制相關技術。最近幾年強大的錯誤修正技術，使得許多完全無錯誤化的要求獲得實現，由于非接觸式IC卡片通信系統的packet長度高達數百位元，因此錯誤修正效果幾乎被局限在隨機錯誤(random error)范圍，理論上如果能維持比較良好的位元錯誤率，會比採用低編碼效率與不良的修正碼更具實用效果，依此判斷研究人員最后決定採用低冗長度，而且可以對錯誤檢測碼進行再送控制的混合方式，事實上傳統FeilCa也是沿襲上述架構進行錯誤救濟再送控制。

    不過上述方式回路的位元錯誤率會變差，而且再送次數則大幅增加，其結果反而會造成非接觸式IC卡通信系統的通信成功率惡化，例如packet長度為256進行2次再送時，為獲得通信錯誤率10-8，回路的位元錯誤率必需低于10-5，此時若以ASK的非同步檢波獲得10-5的位元錯誤率，S/N比大約需要15dB左右，如此才能確保RW的預期目標。實現以上位元錯誤率目標值的關鍵，是如何對策阻抗(impedance)特性變動的技術，具體內容分別是: 

    ‧非接觸式IC卡片特性變動的對策
    ‧RW設置環境的適應性

    非接觸式IC卡片具備無形狀上限制等特徵，因此最近幾年甚至出現內建非接觸式IC晶片的手錶與list band等商品，依此觀之未來勢必推廣至移動電話等領域，然而RW的廣泛應用卻造成RW的相容性、如何同時辨識復數非接觸式IC卡片、如何設計復數RW之間不會相互干擾等問題成為重要課題，亦即今后必需克服以下問題: 

    ‧支援多樣化媒體與周圍環境的適應性
    ‧復數非接觸式IC卡片的辨識能力
    ‧抑制復數RW之間相互干擾

    對策技術 

    圖3是媒體特性對非接觸式IC卡片通人系統的影響實例，如圖所示它是非接觸式IC卡片－RW之間的距離，與RW－非接觸式IC卡片之間的信號強度對復數個卡片共振頻率fc變數的互動關系，由圖可知fc相異時通信特性相對變大，尤其是fc=15MHz的特性，非接觸式IC卡片－RW之間的距離d=10mm時，信號強度幾乎接近zero cross。
　 

圖3 通信距離與信號強度的關系

    圖4是有關RW天線附近設置鈑金元件對時，RW天線的阻抗受到的影響分析結果，由圖可知由于鈑金元件內部有渦電流流動，因此阻抗成份減少共振頻率數則朝高點方向移動。
　 

圖4 鈑金元件對RW天線的影響

    根據以上測試結果顯示周圍環境對非接觸式IC卡片通信系統的影響非常大，類似自動販賣機、自動提款機等內建RW的系統，必需依照各別設置條件進行參數最佳化設定。

    圖5是研究人員開發的整合電磁界分析與電路分析的系統模擬分析技術，具體方法是將金屬的影響列入考慮，線狀天線與平面線狀天線則利用高頻電磁波電磁界分析軟件，進行RW與卡片天線的自我、相互電感(inductance)與阻抗等定數分析，接著在電路分析時輸入上述定數，進行通信距離與整合阻抗等RW特性分析，如此一來便能夠在試作非接觸式IC卡片之前，作特性預測與RW天線形狀的最佳化設計。
　 

圖5 系統模擬分析手法

    圖6是依照以上分析結果設計的RW電路的實際外觀；圖7是RW的通信距離與非接觸式IC卡片頻率的關系，圖中的試作卡片是指IC卡片頻率可變的卡片天線與卡片晶片構成的測以試用非接觸式IC卡片。根據測試結果顯示針對寬廣的卡片頻率，可以達成90mm以上的通信距離，此外利用定數的最佳化設計，能夠獲得無死角的通信，封裝后的非接觸式IC卡片通信系統，可以隋著設置環境輕易調整減少調整部位。
　 

圖6 RW電路的實際外觀

圖7 RW的通信距離

    如上述非接觸式IC卡片通訊系統要求可以同時辨識復數個IC卡片，達成該要求的技術有兩項分別是: 

    ⒜.防止沖突技術
    ⒝.天線設計與fc的改善

    有關防止沖突技術具體方法是應用slot ALOHA順序取得卡片ID，就能夠徹底解決該問題。

    有關天線設計與fc的改善，主要原因是復數個非接觸式IC卡片重疊時，會產生電磁性耦合現象，進而造成IC卡片的特性出現急遽變動，一般認為天線設計與fc的改善，可以使RW獲得最佳化設計。

    圖8是置物柜鎖匙以非接觸式list band方式執行開、閉的應用范例，如圖所示由于復數個RW鄰近設置，因此其中一個RW可能會影響其它RW。

    圖9是RW之間相互干涉的模式，事實上RW之間相互干涉遭受最大影響是該RW接收來自IC卡片的信號時，鄰近的RW發生down link信號。從RW產生的down link信號分成無變調與ASK變調兩種，如果無變調信號出現預期局與干涉局之間傳輸波頻率差時，會在檢波電路引發混變調沖擊位元現象，所幸的是實際RW的傳輸波頻率偏差大多被抑制在50ppm以下，因此位元的頻率被局限在數百Hz范圍內，加上位元包覆(bit coating)採用Manchester編碼方式，收信機會將低頻領域去除，所以無變調信號實用上并不會構成問題。
　 

圖8 非接觸式IC卡的應用實例

圖9 RW之間的干涉模式

    ASK變調信號的場合，干涉信號的頻率范圍與預期波的頻率范圍重疊，此時即使改善S/N比提高信號輸出，經常發生位元錯誤率毫無改善的結果，常用對策是修改RW的設計降低干涉電力，避免鄰近RW同時動作，不過這類對策容易引發非接觸式IC卡片的反應遲鈍，所以根本對策是進行最佳化設計。