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非接觸式IC卡的設計技巧

文章出處:http://www.nyfzw.net 作者:語馨 收編   人氣: 發表時間:2011年09月26日

[文章內容簡介]:非接觸式IC卡具備輕巧、高速、高保密性等特徵,最近幾年廣泛應用在公車、金融提款機、社區保全、公用電話等領域,有鑑于此本文以非接觸式IC的無線通信為焦點,探討非接觸式IC卡與RW的相容性以及系統的適用性。

    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。
  

通信系統作業模式

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。
  

RW的動作原理

圖2 RW的動作原理

物理層與資料鍊層的規格

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。
  

通信距離與信號強度的關系

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。
  

鈑金元件對RW天線的影響

圖4 鈑金元件對RW天線的影響

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    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。
  

系統模擬分析手法

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。
  

RW電路的實際外觀

圖6 RW電路的實際外觀

RW的通信距離

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。
  

非接觸式IC卡的應用實例

圖8 非接觸式IC卡的應用實例

RW之間的干涉模式

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。

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