“增强型NFC”技术如何让移动设备可靠地仿真非接触式卡片

在过去的数十年里，数以亿计的人在他们的皮夹、钱包或手提包中放有非接触式卡片。首批非接触式卡片是价格低廉、如信用卡般大小的塑料卡片，被用于控制人们出入火车、电车或公交车的权限。它使用起来快速、便利，于是理所当然大受消费者的欢迎。在过去十年中，非接触式技术已延伸至支付卡(如：借记卡、信用卡和充值卡)，用于加快报摊、咖啡店和便利店等快节奏零售环境中的交易速度。

事实上，广泛采用非接触式技术的条件已臻于完善：

* 消费者了解并接受这项技术

* 非接触式读卡器已被大量安装(在销售点终端设备、验票处及其他地点)

* 数以千计的零售商、银行、交通网络运营商及其它机构，都已使用这类非接触式通讯基础设施，用于付费管理和出入控制。

然而，有一个重要元素被忽略了：许多消费者不管到哪里都会随身携带一个智能手机。理论上，它可以仿真非接触式卡片，让用户能用一个设备取代多张卡片。

对于商家及交通服务商而言，这是非常可取的：以可下载的应用程序取代卡片，可以省下提供卡片的成本；再者，当消费者感到愈加便利时，会加速这项技术的普及，进而有助于商家及交通服务商增加营收并改善营运效率。

手机制造商也同样热切地希望能在他们的设备中实现非接触技术，以增加其设备的价值并提高他们对消费者的吸引力。

这项技术的初次尝试是在21世纪初，源于近场通讯技术(Near Field Communications，NFC)的发布。NFC技术是在NFC论坛支持下的一项标准技术，它和仿真卡片一样，都可以支持读卡器模式，使设备可以读取NFC标签及点对点(peer-to-peer)模式。

但是早期的的应用没有适当考虑手机的电气和机械限制。特别是作为NFC读卡器，相对于专用的NFC读卡器，例如非接触式支付终端，手机针对天线所能提供的电能和可用的空间要少很多。要使手机达到与读取器相当的效能是相当困难的。

不过，更重要的是缺乏一个受客户欢迎的手机应用。简单来说，就是手机使用者不知道拿口袋里的NFC读卡器做什么。

如果手机可以作为NFC标签使用，便能仿真多种非接触式卡片。同时，它还将成为一个广受欢迎和使用的应用：消费者不仅能用自己最爱的设备出入建筑物、火车和公交车，还能用它在商店付费、使用优惠券和积累点数。

所以，智能手机制造商要如何实现可靠的NFC标签功能呢？让我们先了解下NFC标签是如何与读卡器进行通讯的。

非接触卡片的被动负载调制

NFC技术需要一对天线的电感耦合。耦合系数为k，代表一对读卡器/卡片天线组耦合的易感程度。系数的值介于0与1之间，主要是依据天线的几何参数和天线之间的距离而定。

在正常情况下，当卡片的天线小于读取器天线时，无论与读卡器天线的特定距离为何，耦合系数都会与卡片天线的表面积呈正比：表面越大，耦合系数越大。

当使用一般的"被动负载调变(PLM)"方式来传输数据时，k的数值通常需介于0.03和0.3之间。

非接触式NFC交易是一连串的读卡器指令，每一个指令后面都会有一个来自卡片的应答。PLM被用于非接触式卡片以及除了Apple iPhone 6 及iPhone 6 Plus所有现有的NFC手机，其运作是藉由切换至卡片天线的被动(电阻或电容)负载实现(请见图1)。一个默认负载会响应非调制状态，而开关负载会响应调制状态。当读卡器和卡片天线电感耦合时，读卡器的接收器能感测到这些负载变化，并将之解码以从信号中抽取信息。

 
图1：实现被动式负载调制的电路。

在制作NFC系统时，将负载调制幅度纳入考虑是很重要的：这是读卡器接收机所感测到的调变和非调变电压的差异 (请见图3)。如果这幅度降至特定的最小值之下，接收机则将无法可靠地感测到卡片信号调变。所有其他部份都是相等的，k的数值越大，则负载调变幅度越大。

当被用于非接触式卡片中时，PLM可以稳定地输出充足的负载调变幅度。非接触式卡片的标准尺寸一般是ID-1，为一张信用卡大小。其中内嵌一个大天线，针对现今的读卡器能提供6厘米的接收范围。的确，非接触式卡片系统的性能非常优良，使用者无需将非接触式卡片从皮夹或手提包中拿出来，便可在公共交通系统中实现验票操作。

事实上，消费者期望非接触式系统能运作得更为迅速实时且完全可靠，让他们的非接触式装置能从各个方向接近读取器，无论是通过手持、或是当设备是完全隐藏在皮夹或皮包里。

这对智能手机制造者则构成了极大的挑战。因为手机中包含许多无线电设备和天线，且是被包覆在金属中。手机的电路板上密布着各种组件，而且消费者需要的更大显示屏幕及电池正占据越来越多的可用空间。

这样的环境对于PLM而言可说是完全不适合。局促的空间尺寸只容得下微小的天线。各种各样的金属和相互干扰的射频信号也会严重影响手机和读卡器天线耦合的能力。

这一情况带来的结果便是糟糕的消费体验：交易常常失败或者得花上好几秒才能完成，而且消费者被迫得从皮包中拿出手机并小心翼翼地靠近读卡器，这让他们觉得很不方便。