非接触式IC卡的设计技巧

非接触式IC卡具备轻巧、高速、高保密性等特徵，最近几年广泛应用在公车、金融提款机、社区保全、公用电话等领域，有鑑于此本文以非接触式IC的无线通信为焦点，探讨非接触式IC卡与RW的相容性以及系统的适用性。
系统特性
将数字化资讯从资讯源传送至资讯传输目的地的无线通信系统，一般都可以进行类似图1的通信系统模式化分析。通信系统的作业模式可以分成变调方式与编码方式，但不论哪种方式非接触式IC卡系统处理的资讯主要是与金融、个人隐私有关的高敏感性数字资料，因此非接触式IC卡通信系统不允许有方式任何错误，要求达到完全无错误(error free)水准。

虽然非接触式IC通信系统的资料传输距离d只有数十cm，传输波长却高达2.2m(13.56MHz)，因此d<λ<2π成立，这意味着非接触式IC卡系统使用电磁结合领域，进行数字化金融与个人隐私资料通信，然而这种方式极易因为各种因素，造成其中一方的特性例如阻抗(impedance)的变动影响通信品质。
　

图1 通信系统作业模式
　

图2是非接触式IC卡片用读写器(RW: Read & Writer)的动作原理，如图所示非接触式IC卡片本身并无电源，因此RW供应电源给IC卡片的同时还必需进行通信作业，RW与loop天线亦即IC卡片的天线变成电磁性结合状态，RW利用13.56MHz的传输波供应电源给IC卡。

此时RW若传送资料给IC卡片时，RW会传输变调度大约10%左右的ASK(振幅输变)信号给IC卡片，IC卡片检测该信号并转换成资料；反之如果从IC卡片传送资料给RW时，IC卡片变成从RW接收无变调信号状态，接着利用IC卡片内的变调器产生负载变动，RW将此负载变动当成自我loop天线，亦即RW的天线的电流、电压变化检测并将资料復调。表1是FeilCa的物理层与资料鍊层的主要规格。
　

图2 RW的动作原理
　

表1 物理层与资料鍊层的规格
　

接着介绍有关如何达成「完全无错误」的电路品质与错误控制相关技术。最近几年强大的错误修正技术，使得许多完全无错误化的要求获得实现，由于非接触式IC卡片通信系统的packet长度高达数百位元，因此错误修正效果几乎被局限在随机错误(random error)范围，理论上如果能维持比较良好的位元错误率，会比採用低编码效率与不良的修正码更具实用效果，依此判断研究人员最后决定採用低冗长度，而且可以对错误检测码进行再送控制的混合方式，事实上传统FeilCa也是沿袭上述架构进行错误救济再送控制。

不过上述方式回路的位元错误率会变差，而且再送次数则大幅增加，其结果反而会造成非接触式IC卡通信系统的通信成功率恶化，例如packet长度为256进行2次再送时，为获得通信错误率10^-8，回路的位元错误率必需低于10^-5，此时若以ASK的非同步检波获得10^-5的位元错误率，S/N比大约需要15dB左右，如此才能确保RW的预期目标。实现以上位元错误率目标值的关键，是如何对策阻抗(impedance)特性变动的技术，具体内容分别是:
‧非接触式IC卡片特性变动的对策
‧RW设置环境的适应性

非接触式IC卡片具备无形状上限制等特徵，因此最近几年甚至出现内建非接触式IC晶片的手錶与list band等商品，依此观之未来势必推广至移动电话等领域，然而RW的广泛应用却造成RW的相容性、如何同时辨识复数非接触式IC卡片、如何设计复数RW之间不会相互干扰等问题成为重要课题，亦即今后必需克服以下问题:
‧支援多样化媒体与周围环境的适应性
‧复数非接触式IC卡片的辨识能力
‧抑制复数RW之间相互干扰

对策技术
图3是媒体特性对非接触式IC卡片通人系统的影响实例，如图所示它是非接触式IC卡片－RW之间的距离，与RW－非接触式IC卡片之间的信号强度对复数个卡片共振频率fc变数的互动关系，由图可知fc相异时通信特性相对变大，尤其是fc=15MHz的特性，非接触式IC卡片－RW之间的距离d=10mm时，信号强度几乎接近zero cross。
　

图3 通信距离与信号强度的关系
　

图4是有关RW天线附近设置钣金元件对时，RW天线的阻抗受到的影响分析结果，由图可知由于钣金元件内部有涡电流流动，因此阻抗成份减少共振频率数则朝高点方向移动。
　

图4 钣金元件对RW天线的影响
　

根据以上测试结果显示周围环境对非接触式IC卡片通信系统的影响非常大，类似自动贩卖机、自动提款机等内建RW的系统，必需依照各别设置条件进行参数最佳化设定。

图5是研究人员开发的整合电磁界分析与电路分析的系统模拟分析技术，具体方法是将金属的影响列入考虑，线状天线与平面线状天线则利用高频电磁波电磁界分析软件，进行RW与卡片天线的自我、相互电感(inductance)与阻抗等定数分析，接着在电路分析时输入上述定数，进行通信距离与整合阻抗等RW特性分析，如此一来便能够在试作非接触式IC卡片之前，作特性预测与RW天线形状的最佳化设计。
　

图5 系统模拟分析手法
　

图6是依照以上分析结果设计的RW电路的实际外观；图7是RW的通信距离与非接触式IC卡片频率的关系，图中的试作卡片是指IC卡片频率可变的卡片天线与卡片晶片构成的测以试用非接触式IC卡片。根据测试结果显示针对宽广的卡片频率，可以达成90mm以上的通信距离，此外利用定数的最佳化设计，能够获得无死角的通信，封装后的非接触式IC卡片通信系统，可以隋着设置环境轻易调整减少调整部位。
　

图6 RW电路的实际外观
　

图7 RW的通信距离
　

如上述非接触式IC卡片通讯系统要求可以同时辨识复数个IC卡片，达成该要求的技术有两项分别是:
⒜.防止冲突技术
⒝.天线设计与fc的改善

有关防止冲突技术具体方法是应用slot ALOHA顺序取得卡片ID，就能够彻底解决该问题。

有关天线设计与fc的改善，主要原因是复数个非接触式IC卡片重叠时，会产生电磁性耦合现象，进而造成IC卡片的特性出现急遽变动，一般认为天线设计与fc的改善，可以使RW获得最佳化设计。

图8是置物柜锁匙以非接触式list band方式执行开、闭的应用范例，如图所示由于复数个RW邻近设置，因此其中一个RW可能会影响其它RW。

图9是RW之间相互干涉的模式，事实上RW之间相互干涉遭受最大影响是该RW接收来自IC卡片的信号时，邻近的RW发生down link信号。从RW产生的down link信号分成无变调与ASK变调两种，如果无变调信号出现预期局与干涉局之间传输波频率差时，会在检波电路引发混变调冲击位元现象，所幸的是实际RW的传输波频率偏差大多被抑制在50ppm以下，因此位元的频率被局限在数百Hz范围内，加上位元包覆(bit coating)採用Manchester编码方式，收信机会将低频领域去除，所以无变调信号实用上并不会构成问题。
　

图8 非接触式IC卡的应用实例
　

图9 RW之间的干涉模式
　

ASK变调信号的场合，干涉信号的频率范围与预期波的频率范围重叠，此时即使改善S/N比提高信号输出，经常发生位元错误率毫无改善的结果，常用对策是修改RW的设计降低干涉电力，避免邻近RW同时动作，不过这类对策容易引发非接触式IC卡片的反应迟钝，所以根本对策是进行最佳化设计。