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RFID高频HF ISO/IEC14443协议之二:频谱功率和信号接口

时间:2015-10-06   访问量:1241
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范围与标准引用

ISO/IEC14443 的这一部分规定了需要供给能量的场的性质与特征,以及邻近耦合设备(PCD)和邻近卡(PICC)之间的双向通信。该部分应与 ISO/IEC14443 的其他部分关联使用。需要明确的是,这一部分并不规定产生耦合场的方法,也没有规定如何符合因国家而异的电磁场辐射和人体辐射安全条例——也就是说,标准只管"场应该是什么样",不管"用电路怎么产生它",更不替代各国的合规要求。

该部分引用的标准有两份:一是 ISO/IEC14443-1《识别卡——无触点集成电路卡——邻近卡——第一部分:物理特性》,二是 ISO/IEC10373《识别卡——测试方法》。按照标准体系的通用约定,被引用标准中的条文通过引用即构成本标准的条文;标准出版时所示版本均为有效,但所有标准都可能被修订,使用方应探讨采用最新版本的可能性。

术语和定义

除 ISO/IEC14443-2 中已给出的定义外,下列定义适用于本部分。位持续时间:一个确定的逻辑状态的持续时间,在这段时间的最后,一个新的状态位将开始。二进制相移键控:相移键控,此处相移 180°,从而导致两个可能的相位状态。调制系数:定义为 (a-b)/(a+b),其中 a、b 分别是信号幅度的最大值与最小值。不归零 NRZ-L:在位持续时间内,一个逻辑状态的位编码方式,它以在通信媒介中的两个确定的物理状态之一来表示。副载波:以载波频率 fc 调制频率 fs 而产生的 RF 信号。

缩略语和符号包括:ASK 移幅键控;BPSK 二进制移相键控;NRZ-L 不归零(L 为电平);PCD 邻近耦合设备;PICC 邻近卡;RF 射频;fc 工作场的频率(载波频率);fs 副载波调制频率;Tb 位持续时间。

邻近卡的初始化对话

邻近耦合设备和邻近卡之间的初始化对话通过下列连续操作进行:邻近耦合设备的射频工作场激活邻近卡;邻近卡静待来自邻近耦合设备的命令;邻近耦合设备命令的传送;邻近卡响应的传送。这些操作使用下文规定的射频功率和信号接口。

13.56MHz非接触式IC卡读写通信示意

功率传输

邻近耦合设备产生一个被调制用来通信的射频场,它通过耦合给邻近卡传送功率。射频工作场频率 fc 为 13.56MHz±7kHz。工作场的强度有明确上下限:最小未调制工作场的值是 1.5A/m rms,以 Hmin 表示;最大未调制工作场的值是 7.5A/m rms,以 Hmax 表示。邻近卡应持续工作在 Hmin 和 Hmax 之间。从制造商工作容限的角度说,邻近耦合设备应产生一个大于 Hmin、但不超过 Hmax 的场,并且应能将功率提供给任意的邻近卡;在任何可能的邻近卡状态下,邻近耦合设备都不能产生高于 ISO/IEC14443-1 中规定的交变电磁场。邻近耦合设备工作场的测试方法在 ISO/IEC10373 中规定。

这里需要强调标准中两个易被混淆的数值含义:1.5A/m 到 7.5A/m 是邻近卡应能持续正常工作的场强区间,也是邻近耦合设备应产生的场强范围,而不是设备天线表面附近的实际磁场强度。实际磁场强度与天线结构、功率、距离相关,通常远高于此,因此工程上不能把 7.5A/m 理解为"发射上限",它是标准对工作场的规定值,对应的是卡所在位置的场。

13.56MHz非接触式IC卡用于通道式签到应用

信道接口:A型与B型

耦合 IC 卡的能量是通过发送频率为 13.56MHz 的阅读器的交变磁场来提供的,由阅读器产生的磁场必须在 1.5A/m 到 7.5A/m 之间。国际标准 ISO14443 规定了两种阅读器和近耦合 IC 卡之间的数据传输方式:A 型和 B 型。一张 IC 卡只需选择两种方法之一,但符合标准的阅读器必须同时支持这两种传输方式,以便支持所有的 IC 卡。阅读器在"闲置"状态时能在两种通信方法之间周期地转换——这一条是理解"读写器为什么要有寻卡循环"的关键:它需要在空闲时反复轮换两种方式,才能发现任意一种类型的卡。

阅读器(PCD)到卡(PICC)的数据传输

项目A 型B 型
调制ASK 100%ASK 10%(调制系数 8%~12%)
位编码改进的 Miller 编码NRZ 编码
同步位级同步(帧起始、帧结束标记)每个字节有一个起始位和一个结束位
波特率106kBd106kBd

卡(PICC)到阅读器(PCD)的数据传输

项目A 型B 型
调制用振幅键控调制 847kHz 负载调制的副载波用相位键控调制 847kHz 负载调制的副载波
位编码Manchester 编码NRZ 编码
同步1 位"帧同步"(帧起始、帧结束标记)每个字节有 1 个起始位和 1 个结束位
波特率106kBd106kBd

把两张表对照起来看可以发现两点。第一,上下行的调制机制不同:阅读器到卡方向直接用 ASK 调制载波本身(A 型 100%、B 型 10%);卡到阅读器方向则不能主动发射,只能用 847kHz 副载波做负载调制——A 型用振幅键控、B 型用相位键控。这是无源卡"自身不发射、靠反射读写器信号回传数据"这一原理在协议层的体现。第二,两个方向的波特率都是 106kBd,与后续讲到的防冲突阶段速率限制一致。区分 A 型与 B 型时,调制深度与位编码方式是最直接的两项判据:A 型用 100% 深度与改进 Miller 编码,B 型用 10% 深度与 NRZ 编码。

小结

ISO/IEC14443-2 的规定围绕三件事展开:场、速率与两种传输方式。场的要求是 13.56MHz±7kHz、卡应持续工作在 1.5A/m 到 7.5A/m 之间;速率在两个方向都是 106kBd;两种传输方式则为 A 型与 B 型,二者在调制深度、位编码与同步方式上成对区分,阅读器须同时支持。工程实现时最需要留意的两点是:场强数值应按卡所在位置理解而非发射上限,以及读写器必须在闲置时周期轮换两种方式才能兼容全部卡型。上海营信信息在整理这类协议资料时,均按标准原文口径整理,供集成商做技术对照参考。

常见问题

为什么读写器必须同时支持A型和B型?

因为标准规定一张 IC 卡只需选择两种方式之一,实际环境中两种卡都可能出现。若读写器只支持其中一种,就无法读取另一种卡。因此符合标准的阅读器必须同时支持两种传输方式,并在闲置状态下在两种通信方法之间周期转换,以便发现并支持所有类型的卡。

1.5A/m到7.5A/m是发射功率的上限吗?

不是。这个区间是邻近卡应能持续正常工作的场强范围,也是邻近耦合设备应产生的场强。天线表面附近的实际磁场强度通常远高于此,具体与天线结构、功率和距离相关。工程上不应把它当作发射上限,而应按卡所在位置的场强理解,测试方法在 ISO/IEC10373 中规定。

卡到阅读器的数据是怎么传回去的?

靠负载调制。无源卡自身不发射信号,而是用 847kHz 副载波对负载做调制:A 型采用振幅键控调制,B 型采用相位键控调制。负载变化会引起阅读器天线上的电压变化,阅读器通过检测这一变化还原出卡返回的数据。这也是上下行调制机制不同的原因。

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