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第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究

来源:一卡通世界      作者:周建锁      2010/6/4 23:43:18
    引言

    我国第二代居民身份证(简称“二代证”)采用了符合ISO14443 Type B 通讯协议的近耦合射频识别(RFID)技术,载波频率为13.56MHz,工作场强为1.5~7.5A/m,卡片调制副载波频率为847kHz。射频卡(非接触IC 卡)在实际中已经得到了广泛的应用。在检测国内各厂家研制的二代证样卡时,技术人员发现不同厂家的芯片噪声水平相差很大,有的甚至影响了卡片与读卡器的正常通信。也就是说,当卡片处于读卡器天线的工作场强范围内,尤其是在近场情况下,读卡器与卡尚未进行通讯时,卡片天线两端的电压(电流)交流信号峰峰值会发生波动,波动频率可能为847kHz,或是其整数倍频(或分频)。造成波动的主要原因是芯片电源稳定性差,或者芯片功耗波动太大。如果卡片线圈内的电流信号峰峰值波动达到一定值,尤其是847kHz 频率的波动时,读卡器就可能将其放大到与有效信号相当的幅值水平,这样就会严重影响读卡器的工作,大大增加读卡器解调电路的设计难度。

    本文首先简单介绍了Type B 射频卡系统的通信原理,之后分析了卡片调制信号以及与噪声和读卡器灵敏度之间的关系,提出了噪声检测方法和可行的噪声标定方法,并对此进行了详细讨论。

近耦合射频卡系统等效电路图
 
图1 近耦合射频卡系统等效电路图

调制深度曲线
 
图2 调制深度曲线

    近耦合射频卡通信原理

    卡片与读卡器之间是通过近电感耦合来进行通讯的。也就是说,当读卡器向卡片发送指令时,读卡器天线线圈流过的电流会根据指令发生相应的变化,场中的卡片就会感应到此变化,并解调出指令信号,之后对指令信号进行处理并发出响应;当卡片向读卡器发送响应信号时,卡片会根据响应信号通过负载调制的方式改变卡片线圈流过的电流,读卡器天线线圈就会感应到卡线圈电流的变化,并进行解调处理,得到卡片响应信号。

    读卡器一般将两个边带信号中的一个847kHz 频率成分通过滤波器从载波信号中分离出来,但是实际上并不存在理想的滤波器。这样,叠加在载波上的847kHz 附近频带上的信号(包括调制信号和噪声信号)都会通过读卡器的滤波器,从而被放大。其中,847kHz 附近频带上的噪声信号主要是由于芯片内部逻辑电路工作时功耗的周期性波动而引起的。特别的,对于CPU 卡片来说,由于指令的周期性操作,可能引起电源周期性波动,更严重的会对EEPROM 进行操作。因此,在芯片设计阶段,就应该认真对待电源的稳定与功耗问题。

    卡片调制信号分析与检测

    理论分析 


    近耦合射频卡与读卡器通信的简单等效电路原理图如图1 所示。其中,R1、C1、L1 和R2、C2、L2 分别为读卡器和卡片天线谐振电路中的等效电阻、电容和电感;Z2 为芯片等效阻抗负载;M 为互感;u 和i 分别为电压和电流(指的是电压和电流交流信号幅值)。当L1 和C1 满足谐振时,有:

    (1)读卡器通过对u1(天线两端电压)进行检波、滤波、放大和解调处理得到卡片发出的数据。在读卡器接收信号期间,u0 保持不变。在L1 和C1 满足谐振条件的情况下,下文将对卡片的调制深度与读卡器接收端u1 的关系进行分析。

    如果卡片与读卡器天线位置固定,则耦合系数确定,即互感M 不变。根据式(1)可知,只有卡片线圈电流i2 影响u1 的值。因此,当卡片向读卡器返回响应信息时,可以通过负载(电阻或者电容)调制改变Z2,从而改变i2 的值; 

    当改变卡片与读卡器天线线圈间的距离时,也即改变了通过卡片线圈的有效磁场强度Heff。由,可知Heff 的改变意味着M 的改变,但它们之间并不是线性关系,因为当读卡器线圈与卡片线圈位置发生变化时,i1 也会发生变化。由式(1)有
 
    (2)0、A、N 和Heff 分别表示空气中的磁导率、卡片线圈面积、卡片线圈匝数和有效磁场强度,,都是不变的量。当Heff=H0 时,卡片在无调制状态下,读卡器天线线圈电流为i10,卡片线圈电流为i20,u1 的值记为u10。当卡片调制时,其相应的量记为Hm、i1m、i2m 和u1m,有i2m=i20+苅2、i1m=i10+苅1、Hm=H0+艸,u1m=u10+苪1。卡片调制状态下与非调制状态下读卡器线圈感应电压之差苪1 为:μ上式中

    (3)实际上,由于i20<<I10、艸<<H、苅1<<i10、苅2<<i20,因此可近似如下:

    (4)由上式可以看出,如果苅2 与H0 为线性关系,即苅2=m/H0,那么苪1 基本接近一个常数b1•m/i10。但是由于苅2 与苅1(或艸)会向相反的方向变化,因此,在不同的场强下,如果想得到相同的苪1,就需要对苅2=m/H0 进行修正。由ISO14443-2 给出的卡片负载调制深度幅值为30/H1.2mV(峰值),可以近似地推导出苅2=m/H1.2。

    调制深度曲线

    ISO/IEC 14443-2:2001(E)中规定,如果采用ISO10373-6 标准描述的方法,在不同的磁场强度H 下,卡片负载调制深度幅值(副载波频率为847kHz)不应该低于30/H1.2mV(峰值),其中H 是磁场强度(A/m rms)。

    根据标准要求,绘制如图2 所示的调制深度曲线。曲线1 为标准要求的卡片理想调制深度曲线30/H1.2;曲线4 为预计的实际卡片调制深度曲线;曲线2 为预计的实际读卡机具灵敏度曲线;曲线3 为预计的卡片芯片噪声曲线(只针对847kHz 频率点)。为保证卡片与读卡机具间的兼容性,上述4 条曲线应该存在如下关系:标准曲线1 可通过10373 测试平台进行标定,其它曲线都必须以其为参考;实际卡片调制深度曲线4 应该在曲线1 之上(可以是曲线1);读卡机具灵敏度曲线2 应该在曲线1 之下(可以是曲线1);卡片噪声曲线3 不应该高于曲线2 的一半,这样,才可能不会影响读卡机具的正常工作,因此曲线3 要与曲线2 相互配合,才能增强读卡器的抗噪声能力。

    以上曲线描述的是13.56MHz±847kHz 的两个边带上的信号幅值,都是理想的曲线。曲线1 描述的是卡片应该发出的有用信号调制深度的最小值,根据前面的理论分析可知,这条曲线映射到读卡器接收端大致上为一个点。也就是说,如果卡片的负载调制深度满足曲线1,那么无论卡片在1.5~7.5A/m 范围内哪一个距离工作,读卡器接收到的信号都应该是基本相同的。对于卡片的噪声,不仅仅是847kHz 频率点影响读卡器接收,实际上847kHz 附近其它频率点上的噪声也会影响读卡器的接收,并在读卡器接收端的时域信号上表现出来。因此,仅仅定义曲线3 是不够的。在频域上,应该定义一个847kHz 附近的带宽,在时域上应该通过一个标准的读卡器来标定卡片噪声大小。

    另外,卡片静态(在场中处于非通讯状态)噪声可能较小,但在卡片工作(特别是对EEPROM 进行读写操作)状态下的动态噪声可能很大,以至影响正常通讯。因此,在标定卡片噪声时,不仅需要标定847KHz 边带上的噪声幅值,也应该标定卡片可能出现的最大时域噪声。

    卡片噪声检测方法

    根据实际在屏蔽室中的测量结果,由于噪声信号幅值很小(示波器测量值1mV 左右),而且示波器的测量精度有限,导致测量结果的可靠性降低,因此,利用10373 测试平台无法检测出卡片噪声,需要通过间接手段进行测量。测量读卡器模拟部分放大输出(中间经过空间磁场耦合、检波、滤波、模拟放大过程),就可以对卡片噪声(尤其是847kHz 频率点附近带宽上的频率成分)进 行间接测量。

    本文提出的检测步骤如下:构造一台标准的读卡器,利用示波器测量并记录读卡器上模拟放大器输出端的本体噪声;将卡片放在读卡器线圈中心上方的不同位置,在模拟放大器输出端间接检测卡片静态噪声;在卡片与读卡器通讯状态下,在模拟放大器输出端间接检测卡片动态噪声,通讯指令为ALOHA、ATTRIB、READ SN、GET RANDOM 等;通过上述操作间接检测并记录卡片的最大相对时域噪声。

    卡片噪声标定方法

    利用上述方法可以间接地检测出卡片的静态和动态噪声,但是不能与曲线1 相比较。为了描绘出卡片噪声曲线3,应该确定一个噪声标定方法。本文介绍如下方法进行间接等效标定。 

    1) 利用一个参考PICC 或者正常卡片,按照ISO10373-6 中描述的方法对读卡器进行标定,利用10373 测试平台测量出参考PICC 在某一个场强H1 下的调制深度值,并调节PICC 上调制负载,使得负载调制深度在曲线1 上;
    2) 将参考PICC 放入读卡器线圈上方带载等效场强为H1 的平面处,读卡器发送ALOHA 信号,观察读卡器模拟输出端的信号,测量并记录卡片在响应期间内的有用信号,调节读卡器增益使得观察到的信号为合理值Vamp0(与读卡器中模拟放大器供电电源有关);
    3) 利用上节描述的方法对卡片在不同状态下的噪声进行测量,并记录测量值(电压峰峰值和847kHz 附近的频谱);
    4) 将在读卡器场强为H(d)(d 表示卡片与读卡器线圈间的距离)时测量得到的最大噪声值Vn(d)(电压峰峰值)与Vamp0 比较,得到最大噪声与理想信号的比值x(d);
    5) 利用曲线1 可以计算出读卡器上H(d)处的等效噪声值(847kHz 频率点),从而可以观察等效噪声是否在曲线3 下面。

    以上所描述的方法在实际上是可行的,可是在频域和时域上存在一个矛盾,因此需要解释如下: 

    1) 图2 中的曲线是在频率点847kHz(13.56MHz±847kHz)上的曲线;
    2) 实际上,847kHz 附近频谱上的噪声也会影响读卡器接收;
    3) 根据上节描述的方法测量到的读卡器放大输出时域信号,并不是一个频率点,而是所有频谱上的噪声在时域上的叠加;
    4) 图2 中曲线3 描述的是工作场强范围内载波频率两边847kHz 频率点上的噪声,利用上述标定方法可将读卡器接收端的时域信号等效到曲线3 上,也就意味着将卡片发出的847kHz 附近频谱上的噪声在读卡器接收端都测量出来,然后又等效到了847kHz 频率点上;
    5) 这里描述的标定方法在某种程度上依赖于一个合理的读卡器。值得指出的是,如果卡片噪声曲线在读卡器灵敏度曲线的一半之上,并不意味着卡片不能工作,但是可能意味着卡片工作不稳定。因为读卡器的噪声处理能力也会影响系统通讯过程。

    结语 

    本文从理论及实验角度分析了卡片调制深度曲线、卡片噪声曲线与读卡器灵敏度曲线之间的关系,提出了一种间接测量卡片噪声的方法,以及一种可行的标定卡片噪声的方案,并根据实际情况进行了讨论,这对大生产中射频卡与读卡机具的合理匹配提供了很好的理论基础。此外,本文提出的方法在理论上仍然缺少严密性,但具有相当大的实际价值,需要进一步补充和完善.

    作者:北京中电华大电子设计有限责任公司 周建锁 公安部第一研究所

    参考文献
    1 International Standard.Identification cards—Contactless integrated circuit(s) cards—Proximity cards—Part 1:Radio frequency power and signal interface.First Edition. ISO/IEC 14443-2,2001. 1, 3~8, 9
    2 [德]Klaus Finkenzeller 著,陈大才编译.射频识别(RFID)技术(第二版).北京:电子工业出版社,2002. 245~292, 45~94
    3 王立建. RFID 标准化现状及趋势. 智能卡与电子标签,2005(6):28~33
    4 International Standard. Identification cards—Test methods—Part 6: Proximity cards.ISO/IEC FDIS 103736,2001.5~11
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