“增强型NFC”技术如何让移动设备可靠地仿真非接触式卡片

如何补偿低耦合系数

设计上的限制阻碍手机制造商寻求增加k数值的尝试，如以上所示，这些尝试都需大幅增加手机NFC天线面积。

因此，欲提升手机的卡片仿真模式的效能，相关努力多集中于增加负载调变幅度。而现在已经找到了一个可行的方法，叫做主动负载调变(Active Load Modulation, ALM)。

ALM利用移动设备的电池电源进行供电。在ALM中，一个和读卡器磁场同步的载波信号会在调变状态期间被传送，并且在非调变状态期间关闭(请见图2)。这种运作方式叫做AND模式。而这在更高效的技术版本中被称作XOR模式，该模式下一个和读卡器磁场同步的信号会在调变状态期间被传送，而在非调变状态期间则是传送一个180° 相移信号。相较于AND模式，XOR模式使读取器所感测到的负载调变强度翻倍。如此，就能使用小得多的天线。

ALM 信号被耦合至读卡器的天线。根据其与读卡器磁场的相位差，耦合ALM信号或是增加或是减小读卡器的信号，以形成负载调变信号。

ALM的主要优点就是，它能在耦合系数低于100倍的情况下，达到与PLM设备相同的负载调变幅度 (请见图3)。

 
图2：主动负载调变电路图。

 
图3：ALM能使用小于典型PLM系统天线100倍之多的天线。

一个典型的非接触式卡片天线的面积为4,000mm2，可以成功实现PLM。ALM电路则能以仅仅40mm2的天线在读卡器接收机达到相同的负载调变幅度，提供同样的消费者体验。

对于手机制造商而言，这种尺寸的天线成本几近于0 ——它甚至可实现在主板上印刷电路板天线。它不需要铁氧体屏蔽。就比较来看，具有铁氧体和连接器的大型天线的成本将近1美元。再者，NFC 天线可放在对用户而言最好的位置。例如当放在后置镜头附近时，用户只需要将手机顶部轻触读卡器即可。

相对而言，放在智能手机背盖或电池中的大型天线是造成用户失望的原因。一般而言，他们会将手机拿在手中，所以手机天线无法准确对准读卡器天线。当他们将手机扫过非接触式读取器前面时，交易会失败。所以用户必须学会将手机小心翼翼地很靠近读卡器，非接触式传输才能成功——这样的动作和使用非接触式卡片的体验相当不同。

 
图4：小型天线可以轻易放入设备中，提供最佳用户体验。

在图4中，读卡器天线被标记为黄色。基于PLM的解决方案所需的大型天线则是被标记为橘色，是手握装置的地方。相对而言，ALM解决方案所使用的小型天线则是被标记为红色，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线，ALM 也非常适合用于可穿戴设备中。可穿戴设备的空间有限，只能容纳小型天线，然而采用小型天线的PLM解决方案不能提供令人满意的通讯范围。

交通和支付系统读写器互操作性的改善

Ams(艾迈斯)开发的一系列NFC标签模拟IC采用了ALM的运作原理，所有产品皆采用了其"增强型NFC"技术。当应用到最新的智能手机中时，增强型NFC用40mm2的天线来匹配非接触式卡片的性能。

然而天线尺寸的缩小并非是增强型NFC唯一的好处，它也能支持负载调变信号的各种电气参数，包括：

* 自动功率控制(Automatic Power Control)功能，当手机接近读卡器时(换句话说，就是耦合系数变高时)，这个功能可减少输出电压，从而防止读卡器接收机的饱和。

* 根据读卡器的磁场配置主动负载调变(Active Load Modulation)信号的相位差，这可以提高手机在几乎离开读取器的范围时交易的可靠度。

* 可设定的灵敏度以及支持各种不同外观尺寸的天线。极低的灵敏度能确保读卡器至卡片的链接绝对不会对交易范围造成限制。

* 精确的计时机制，这能确保读卡器指令和卡片响应之间的延迟符合非接触式标准所规定的严苛限制。这个机制能补偿发生在NFC控制器端的各种变化。

* 自动增益控制(Automatic Gain Control)，能提供读卡器信号的正确解调变，并容纳终端设计，特别是公共运输系统的各种变化。

所有的这些功能都能实现动态配置，以提供相对于既有NFC解决方案更高的互操作性通过率。当应用于付费手续时，可以实现百分之百的通过率。

此外，增强型NFC 技术提供一种方法，让代工制造商能适应已安装读取器的不一致性，这是由于非接触式支付卡交易标准EMVCo的不断修改。(对于已运作十年的销售点终端而言，这并不稀奇。)随着老化，读卡器的效能也会发生变化，而读取器效能的差异也可能源自于制造和安装的不一致性。

极小的天线也能避免读取器天线失谐的问题，而大型天线会发生这种问题。EMVCo对非接触式通讯范围的要求已从4cm放宽至最小2cm，主要针对采用较差性能PLM解决方案的 NFC手机。而这几乎无法达到使用者的期望。不过幸运的是，这个放宽的标准在未来是没有必要的，因为增强型NFC 将能让 NFC 手机的效能和传统的非接触卡片一样好，甚至是更佳。

ams的NFC booster IC- AS3922可提供 ALM技术，能用于UICC和microSD NFC连接卡。这让没有内设NFC功能的手机和小型配件都可以模拟非接触式卡片。

AS3923及 AS39230作为 NFC控制器的附加组件被集合于电子设备中，主要是用来取代控制器的模拟前端(请见图4)。AS39230也支持NFC的主动点对点模式及卡片模拟。

在ams的实际操作中，ALM对于电池运作寿命几乎没有影响，因为增强型NFC组件会维持省电模式，直到它侦测到非接触式交易的发生。

数字IC制造商也试图实现ALM，然而ALM系统所需的模拟电路非常不适合先进数字IC的超小电路特性，因此，集成ALM的数字安全组件(Secure Elements)或NFC控制器的负载调变效能都很差。相对而言，ams电子组件采用的纯粹模拟电路能提供最佳的效能，可满足习惯于使用便捷非接触式卡片的消费者对非接触式技术的期望，因此该组件已被用于现今市场上最顶尖的智能手机中。

 
图5：增强型NFC 被用于主NFC控制器的附加芯片(AS3923)中。