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近距离无线通信 NFC 目录 同类技术介绍 2 3 4 市场分析 功能应用 5 发展分析 6 NFC基础知识 7 NFC天线调试方法 1 NFC介绍 NFC英文全称NearFieldCommunication 近距离无线通信 是由飞利浦公司发起 由诺基亚 索尼等著名厂商联合主推的一项无线技术 NFC由非接触式射频识别 RFID 及互联互通技术整合演变而来 在单一芯片上结合感应式读卡器 感应式卡片和点对点的功能 能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换 什么是NFC 2004年3月18日为了推动NFC的发展和普及 NXP 原飞利浦导体 索尼和诺基亚创建了一个非赢利性的行业协会 NFC论坛 旨在促进NFC技术的实施和标准化 确保设备和服务之间协同合作 2006年6月NXP 诺基亚 中国移动厦门分公司与 厦门易通卡 在厦门展开NFC测试 该项合作是中国首次NFC手机支付的测试 2006年8月Nokia与银联商务公司宣布在上海启动新的NFC测试 这是继厦门之后在中国的第二个NFC试点项目 也是全球范围首次进行NFC空中下载试验 NFC发展历程简介 1 NFC介绍 2007年3月 由欧盟委员会及信息社会技术 IST 项目共同投资 多家公司 大学和用户共同组织成立了泛欧联盟 旨在开发开放式架构 以进一步开发和部署近距离无线通信 NFC 技术 并推动其在手机中的应用 NFC发展历程简介 1 NFC介绍 NFC工作原理 主动模式 被动模式 1 NFC介绍 NFC工作原理 P2P模式 1 NFC介绍 主动模式 读写器模式 在主动模式下 发起者与目标设备分别使用自行产生的无线射频磁场进行通讯 1 NFC介绍 被动模式 卡模拟模式 被动模式作业 发起者发出无线射频磁场 目标设备则回应发起者所发出的命令 1 NFC介绍 P2P模式 P2P模式作业 NFC手机之间可以进行数据的交换 实现点对点通信 关联应用是本地应用也可以是网络应用 该模式的典型应用有建立蓝牙连接 交换手机名片等 1 NFC介绍 目录 同类技术介绍 2 3 4 市场分析 功能应用 5 发展分析 射频识别即RFID RadioFrequencyIDentification 技术 又称电子标签 无线射频识别 RFID是一种非接触式识别技术 它通过射频技术自动识别目标对象并获取相关数据 目前RFID技术应用广泛用于 图书馆 门禁系统 食品安全溯源等 2 同类技术介绍 RFID介绍 蓝牙介绍 蓝牙 是一种支持设备短距离通信 一般10m内 的无线电技术 蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术 支持点对点及点对多点通信 蓝牙工作在全球通用是2 4GHzISM 即工业 科学 医学 频段 蓝牙的数据速率为1Mb s 2 同类技术介绍 红外传输介绍 红外传输是一种无线通讯方式 可以进行无线数据的传输 红外传输不能离的太远 要对准方向 且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过 红外线通信技术适合于低成本 跨平台 点对点数据连接 2 同类技术介绍 根据以上对比NFC具有距离近 能耗低 安全性高和兼容性高等特点 同类技术对比 2 同类技术介绍 目录 同类技术介绍 2 3 4 市场分析 功能应用 5 发展分析 主流的手机制造商都开始支持NFC 3 市场分析 65 11 24 目前 中端手机在NFC比例最大 中端手机适合大部分用户使用 3 市场分析 单位 台 3 市场分析 具备NFC功能的设备2017年将达2亿台 据ABI调查 手机支付以及其他应用程序所使用的NFC短程通信技术这近年里增长迅速 到2017年 将有高达1 95亿台搭载NFC的设备上市 当然大部分将是手机 3 市场分析 目录 同类技术介绍 2 3 4 市场分析 功能应用 5 发展分析 利用NFC技术 改变居民付款和购票的方式 真正体现NFC在商用上的价值 NFC用于智能媒体的即时下载和申请增值服务 同时运营商可以通过这个服务增加自己的收入 4 功能应用 点对点模式应用 卡类模式应用 阅读器模式应用 安全 三类模式应用 4 功能应用 4 功能应用 优势 多应用模式使用 一物多用 跨行业应用 4 功能应用 目前NFC主要终端应用方案 全终端方案 双界面卡方案 贴膜卡方案 4 功能应用 NFC处理器和安全模块SE集成在单芯片上 安全类应用 如银行等卡模拟类应用 加载在手机内置安全模块上 非安全类应用及其他应用安装在手机客户端上 安全模块为符合GP标准的Java卡 基带处理器和NFC处理器之间接口为SPI Uart I2C之一 NFC处理器和安全模块间接口为NFC WI SIM卡为普通SIM卡 接口保持不变 基带处理器访问NFC处理器可通过SPI NFC处理器 NFC WI访问安全模块 不需换SIM卡 需更换手机 被Nokia NXP等知名终端和芯片厂商支持 成为移动支付在国际上的主要标准 脱离SIM卡采用手机终端上的专用芯片支持移动支付应用和支付安全及射频接口 不占用SIM卡资源 且应用加载在手机上 该方案目前已成为中国NFC的标准模式 全终端方案 基带处理器 NFC处理器 安全模块 可加载应用 UICCcard NFC WI等 全终端方案架构图 SPI Uart I2C ISO7816 NFC单芯片 天线 手机终端 4 功能应用 真实案例 三星I9300SBeam智能传输 将两台I9300背靠背轻轻接触 即可通过NFC自动识别并建立连接 进而利用WiFi直接技术实现大容量文件传输 4 功能应用 SIM卡采用双界面卡芯片 通过ISO7816接口与基带相连 实现电信应用 近场通信应用加载在SIM卡上天线外置 直接与SIM卡C4 C8管脚连接 天线性能易受手机后盖材质和电池的影响 且部分手机不能安装 天线在使用过程中容易损坏 无需更换手机 需更换SIM卡 将被淘汰 双界面卡方案 29 真实案例 电信天翼羊城通 4 功能应用 贴膜卡属于智能卡的一种 由独立芯片和外置天线构成 近场通信应用加载在贴膜卡上 贴膜卡通过ISO7816接口与基带和SIM卡相连 对于基本通信指令 贴膜卡直接转发给SIM卡 对于STK菜单相关指令 贴膜卡需要对指令进行判断 以选择是否透传给SIM卡 对于 贴膜卡STK应用 直接处理 不转发SIM卡 对于 SIM卡STK应用 解析 过滤后 转发给SIM卡处理 贴膜卡直接连外置天线 射频天线外置 部分手机不能安装 天线性能易受手机后盖材质的影响 天线在用户使用中容易受到损坏 无需更换手机及SIM卡 支持银行或者第三方机构独立拓展支付业务 将被淘汰 贴膜卡方案 30 移动手机支付 真实案例 4 功能应用 31 结论 由于技术成熟度 功能局限 稳定性等原因 双界面方案和贴膜卡方案宜作为过渡性方案 全终端方案为主流目标方案 4 功能应用 目录 同类技术介绍 2 3 4 市场分析 功能应用 5 发展分析 1 目前NFC业务发展的瓶颈 NFC手机终端占有量有限增值服务的丰富程度和获取的便利性不足NFC配套外围设备的普及度 NFC用卡环境完善程度 不足接口的标准化 技术标准 开发环境尚未完全成熟涉及的产业链较长 2 目前开始NFC业务研究的优势 在google apple 亚马逊 AT T等这些产业巨头的推动下 NFC发展势头迅猛 前途光明 NFC手机从产品性质而言 可能成为互联网及物联网的纽带拥有重要的战略地位 NFC业务的发展目前处于萌芽阶段 现在进入NFC市场容易取得优势地位 5 发展分析 NFC产业链组成 5 发展分析 6 NFC基础知识 主要有以下几家公司 目前主流芯片为NXP和博通其中NXP的PN547芯片使用最广泛 NFC芯片 6 NFC基础知识 NFC电路图 NFC的天线主要是采取电磁耦合来交换数据通讯 这与手机的射频天线的原理 电磁辐射 不同 下图为两个线圈耦合示意图 从上图可以了解到 NFCDevice作为reader模式 其产生调试磁场 通过线圈式天线耦合到NFCTraget tags cards 耦合系数如下 耦合系数计算公式耦合示意图 6 NFC基础知识 NFC天线 天线主要结构为FPC线圈和磁片 一般铁氧体和吸波树脂两大类 采取铁氧体 具有很好导磁特性 缺点为铁氧体较厚 天线本体一般在0 2mm 0 4mm 此天线整体厚度为0 25mm 目前可以做到最薄 FPC0 06mm Ferrite0 06mm 现在手机主要潮流为超薄手机厚度减低 NFC天线净空空间减少 为保证NFC正常接收距离 在天线与手机地之间增加一层磁片 磁片面积比天线面积稍大 下面为其示意图 6 NFC基础知识 NFC天线 模组 从耦合系数公式上 可以看出耦合系数与两个线圈的半径 线圈之间距离 线圈的数量等有关系 从上可以看出与手机射频原理有很大区别 两者之间区别决定天线形式不同 下图为天线物理框架图 天线被设计成线圈形式 主要是增加通过线圈的磁通量 增加感应灵敏度 同时作为reader模式 读卡距离也会增加 当手机无电池状态下 做卡模式可以增强接受距离 可是当无穷增加线圈的数量 也会降低性能 一般对线圈要求如下 6 NFC基础知识 NFC天线 线圈 6 NFC基础知识 NFC天线 线圈 左图所示 上面为NFC天线 其背面为金属面 灰色曲线为电磁场中的磁力线 由于天线背面为金属 所以金属上产生涡流 其磁力线的方向与磁场的磁力线方向相反 如蓝色箭头所示 涡流的磁力线与本体的磁力线叠加 产生相位偏移 右图所示 则是在金属面与天线之间加入一层铁氧体 这样磁力线就沿铁氧体从侧面通过 起到导向作用 少量到达金属面 从而没有涡流现象产生 铁氧体参数主要为 磁导率 和磁损耗 6 NFC基础知识 NFC天线 铁氧体 6 NFC基础知识 NFC天线 铁氧体 下表是AMOTECH的AFS 150 R10 D产品基本特性和工作频率 6 NFC基础知识 NFC天线 铁氧体 磁导率特性曲线 6 NFC基础知识 NFC天线 铁氧体 产品组成及尺寸 6 NFC基础知识 NFC天线 铁氧体 产品组成及尺寸 7 NFC天线设计 天线必须满足下面所有的性能要求 7 NFC天线设计 天线设计 匹配步骤 7 NFC天线设计 线圈种类 标准线圈 双线圈 虽然双线圈面积可以设计的更小 但由于双线圈对线圈的对称性要求很高 实际生产中很难保证 故一般很少用 7 NFC天线设计 以标准天线为例 芯片厂商推荐的设计规格范围 7 NFC天线设计 具体尺寸如下 Step1 设计线圈并打样 天线图纸 7 NFC天线设计 Step2 选择磁片并组装成模组 选择磁片时要考虑磁片的厚度 磁导率和磁损耗一般磁导率越高 磁损耗越低性能越好 但是价格会越贵 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 将天线连接到阻抗分析仪或者网络分析仪上 测量天线的串联等效成分 根据天线的物理参数分析天线的等效电路 注 所有的测试必须在天线的最终环境中进行 尤其是在靠近金属环境中 或者要加入磁片的时候 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 这一步的目的是测试出天线的等效L R C值 串联等效电路 La 0 3 3 HCa 3 30pFRa 0 1 2 fra self resonancefrequencyoftheantenna 25MHz L R C推荐值 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 利用网络分析仪进行测试 1 校准网络分析仪的端口 开路 短路和负载 补偿夹具的损耗 2 测试设置Settings S11Chart SmithZStartfrequency 1MHzStopfrequency aboveself resonancefrequencyoftheantenna 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 a Rs 0 82Ohm La 2 99 H b Rp 18kOhm fra 29 14MHz 如下图是利用SmithChart计算电路值 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 7 NFC天线设计 Step3 天线模型参数测试 在工作频率下的并联电路参数可以利用下面等效电路和公式计算得到 7 NFC天线设计 Step4 滤波电路设计 确定L0和C0值 滤波电路有两个作用 1 信号滤波2 阻抗转换 阻抗转换的主要特性是 1 在读模式下降低相位调制后的上升时间 2 增加接收带宽 7 NFC天线设计 Step4 滤波电路设计 确定L0和C0值 7 NFC天线设计 滤波电路和匹配电路必须将天线的阻抗Zmatch f 转换到和TX阻抗Rmatch f 相匹配 在13 56MHz的工作频率下 利用等效电路可以将Zmatch f 分解到每个TXpin各Rmatch f 2 Step4 滤波电路设计 确定L0和C0值 7 NFC天线设计 Step4 滤波电路设计 确定L0和C0值 7 NFC天线设计 计算公式如下 Step4 滤波电路设计 确定L0和C0值 7 NFC天线设计 天线呈感性 天线呈容性 7 NFC天线设计 7 NFC天线设计 7 NFC天线设计 7 NFC天线设计 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 卡模式的谐振频率验证卡模式谐振频率的测试不需要直接接触1 对于PN547芯片在这步测试之前 必须在TX1和TX2之间短接一个10 的电阻 2 将单线圈的PCB板连接到网分上 并放置在天线的上方10mm位置 如图所示测出谐振频率 PN547的卡模式谐振应该在14 5MHz到16MHz之间 切记 测试完毕之后去掉短接的10 电阻 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 读 写模式的匹配验证读 写模式测试时需要将TX1和TX2连接到网分上 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 读 写模式的匹配验证测试结果如下图 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step7 匹配值验证和调整 7 NFC天线设计 Step8 测试和微调 PCD模式 发射场强测试 7 NFC天线设计 发射场强测试 ISO14443标准没有详细规定具体的要求值 发射场强必须使在PICC中的场强在1 5A m 7 5A m之间 读卡的距离由设备发射的场强能达到1 5A m的距离决定 Step8 测试和微调 PCD模式 7 NFC天线设计 Hmin测试 将参考PICC调到13 56MHz调整电压值 使ISO测试平台在1 5A m的时候电压表显示6VDC再将参考PICC放在待测设备的上方 找出电压表显示6VDC时的距离 Step8 测试和微调 PCD模式 7 NFC天线设计 Hmax测试 将参考PICC调到19MHz调整电压值 使ISO测试平台在7 5A m的时候电压表显示3VDC再将参考PICC从不同位置靠近待测设备 确保电压表显示始终不超过3VDC Step8 测试和微调 PCD模式 7 NFC天线设计 载