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针对NFC生产测试关键因素 Litepoint解决方案出炉

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　　摘要

　　近场通信（NFC）技术已在市场上获得一定的发展动力并呈现出将在全球获得推广的趋势。此技术特别简单易用，其通用性也足以支持消费品领域和商业领域中各种不同的应用，因而发展前景广阔。虽然它是一种相对简单的技术，但NFC子系统的性能却会受到设备生产过程中可能出现的各种微妙差异的影响。因此，为确保有NFC功能的产品能同人们预期的一样正常工作，制造商们需要对其产品实施验证测试。本文的目的在于向读者解释NFC测试的重要性，以及确保这类生产测试达到一定精度和效果从而推动此技术在市场上取得进一步发展的途径。

　　NFC市场概述

　　近场通信（NFC）产品的出货已有好几年的历史。虽然NFC服务在开始阶段发展较慢，但最后它还是从试验产品演变成了全球通用的、具有商业应用地位的服务项目。截止到2013年年底，全球已有大约10个芯片制造公司正在生产NFC芯片，市场上出现了几百种具有NFC功能的移动电话和平板电脑［1］。在2013年移动通信世界大会上，几乎所有的智能设备制造商都展示了带有NFC功能的产品，许多服务提供商、销售商和产品开发商也展出了能表明NFC技术广泛用途的各种创新应用。ABI市场研究公司预测2017年的NFC设备出货量将达到20亿；这些设备将包括智能手机以及平板电脑、PC辅助装置和游戏机［2］。

　　智能手机将代表NFC市场的一个重要组成部分。ABI市场研究公司预计智能手机的数量将占到2017年20亿NFC设备出货量的75%［3］。实际上，智能手机的市场份额早已开始快速增长，因此，2013年的出货量将在2012年的数量上翻番，达到1.02亿。ABI市场研究公司断言，由于目前十大原始设备制造商（OEM）中有九家能提供NFC设备，所以，NFC势必将成为未来旗舰设备的标准配置［4］。

　　NFC 技术具有促进移动钱包和其它金融交易方式的能力，因此已激发起人们的浓厚兴趣。虽然想让依赖NFC技术的金融交易方式成为主流还有许多商业和生态系统方面的挑战有待克服，但目前通信和金融行业已开始积极地推动这方面的工作。ABI市场研究公司预计，借助NFC技术的金融交易的总额将在今后几年里从2012 年的大约40亿美元飙升到1000亿（2016年）乃至1910亿美元（2017年）［5］。

　　NFC技术介绍

　　NFC是一种近场无线通信技术，以RFID（射频识别）系统为基础，可帮助实现两个设备之间的双向通信。NFC技术通过近距离电子设备之间的磁场感应来实现设备之间的通信。它通过幅移键控（ASK）方法在13.56MHz频率上工作，一般可在4厘米或更近的距离间达到106至848kbit/s的数据传输速率。

　　NFC是一种点对点通信，始终会涉及一个发起装置和一个目标装置。在其中一种通信模式中，发起装置会生成一个电磁场，而目标装置会在这个电磁场的作用下启动并开始通信。在此模式中，目标装置不需要电源或电池，而且可以做得很小，外形也很简单，如标签、即时贴或塑料卡片。常见的应用包括银行卡、交通预付费卡、快捷的Wifi/蓝牙对等通信装置等。在另一种通信模式中，发起装置和目标装置都带有自身的电源并进行点对点通信。常见的应用有智能手机之间的数据交换，如Android Beam。在这两种工作模式下，消费者只需用他们的设备轻靠一下便可与其它许多类型的具有相应功能的电子产品和设施进行交互通信。图1所示为不同工作模式下各种NFC应用的例子。

　　图1：NFC应用举例

　　目前有许多对NFC技术标准进行规范并确保设备间互通性的ISO（国际标准化组织）标准和行业论坛。表1对各种NFC标准、应用案例和术语进行了概括。

　　表1：NFC标准

　　NFC生产测试的重要性

　　NFC产品的制造商现已进入一个NFC技术市场成长的关键时期。这种成长态势尚在培育阶段，因此，此技术保持这种态势并在今后获得主流应用地位的能力还需依赖制造商方面始终如一地确保用户体验的能力。到目前为止，NFC应用以及消费者对此技术的认知意识的缺乏极大地限制了人们接受此技术的程度，因此，行业中可能还未充分了解这类设备实际上是否在像人们预期一样发挥它们的作用。但是，随着市场成长态势的增强，制造商们必须确保他们的产品能提供一流的性能以便于提供较好的用户体验。考虑到NFC技术应用的广泛性以及它可能被跨行业应用的各种极具想象力的方式，故障设备对各种应用的影响范围将会很广。

　　媒体在评论新产品和新服务时往往会把人们的注意力引到实际问题或对产品性能的感受上。有一个NFC评论者最近在All Things Digital上发表文章说：她需要将她的NFC智能手机在零售店的支付终端上触碰好几下后才能完成购买过程。虽然她最终完成了交易并声称她衷心期待智能手机的NFC支付服务能进一步改善，但她同时也指出，传统的信用卡支付流程也许更快捷。

　　这个例子说明了NFC设备具备完善功能的重要性。产品故障会使支付过程被迫中断，从而使原本极富获利空间的金融交易市场的价值大打折扣。商业机构如果提供了引起交易过程失败的设备和服务就会同时遭受收入和品牌方面的损失。如果旅客不能用他们的NFC设备进入地铁站或在机场登机，那么类似的影响也会在交通运输行业体现出来。同样，如果员工不能用他们的NFC设备进入工作区域或登录到公司网络（此处仅举几个例子），企业就会受到类似的负面影响。

　　NFC物理层主要特性

　　NFC在原理上很简单，但实际上却是一种很复杂的技术。与WiFi和蜂窝标准等其他无线技术相比，它的工作方式有很大的不同。NFC借助近距离磁场感应作为通信介质并通过共振模拟电路提供有效的功率传输。然而，这种电路对模拟元件的差异很敏感。莱特波特对一个典型的NFC电路结构进行了仿真，并假设存在5%的模拟元件差异（这是生产过程的一个典型值）。仿真结果（图2）表明频率响应存在一个宽幅的偏移。频率响应偏移对NFC性能有明显的影响。例如：一个500kHz的偏移能将传输的能量减少大约50%。这会导致功耗的增加和NFC设备工作范围的缩小，进而引起用户体验的下降。

　　图2：匹配元件的性能值和/或公差的一个小小偏移会明显影响系统性能

　　新型NFC线圈正在变得越来越小（图3）。由于设计中对尺寸的限制，较小的线圈在智能手机的设计中越来越普及。虽然较小的线圈很容易设计到设备中，但它们对获得所需的NFC射频性能会构成一定的挑战。与较大的线圈相比，较小的线圈意味着对感应耦合的容忍水平低得多。这使它们在NFC传输过程中对设备的放置位置很敏感。例如：这可能会导致两个NFC设备必须放得很近且两个线圈相互正对才能正常工作。如果匹配电路的频率响应处于关闭状态，线圈又较小，那么NFC可能根本无法工作。因此，共振频率处于正确的范围以确保设备运行和设备性能就变得更为重要了。

　　图3：NFC天线线圈

　　不能保证测试质量的“理想待测物”

　　一些NFC设备制造商在生产中使用参照待测物（或称为“理想待测物”），或NFC读卡器来验证设备的NFC工作性能。使用“理想装置”虽然是一种常用和可行的生产测试方法，但这种方法有它的局限性。例如：它只能提供一种合格/不合格或 go-no go的测试结果，因而可能会让一个存在潜在问题的产品蒙混过关。即使它能检测出不合格产品，测试过程也不能提供量化信息和找出失效的原因。

　　另一个局限在于“理想待测物”或读卡器不能检测出处于合格-不合格边缘的产品。一个装置在生产线的受控条件下可能正常工作并通过工厂的go-no go测试，但它可能不具备在非受控的实际工作条件下正常运行的能力，因而，当它与非标读卡器或非标NFC标签结合使用时，或当它处在温度变化范围较大的环境中时可能无法正常工作。

　　总之，“理想待测物”或NFC读卡器不能暴露生产中的各种错误，因而，大量存在缺陷的产品完全有可能从工厂出货，而这些缺陷将导致功耗的上升和产品工作范围的缩小。制造商们可以在生产过程中用射频参数化测试来识别和矫正产品性能的差异，从而让他们的企业远离这种风险。

　　主要NFC测试项目

　　以下图4所示是一个典型的NFC智能手机的结构。正如前面讨论指出，多标准芯片、匹配和共振元件、以及天线线圈是生产过程中应测试的主要部件。因此，我们建议进行频率响应测试，以及基本的、能用来检验NFC标准基本功能的连通性测试。我们感到，大多数情况下这已足以确定产品是否存在缺陷，能否满足相关要求。由于在研发和设计验证阶段产品结构已按照适用标准/规范进行充分的特性分析和验证，加之这些标准/规范所要求的测试方法不适合用于生产环境，所以照抄这些测试方法既无必要也不明智。我们认为，如果设计已在生产测试装置中进行充分验证，验证后结构的特性也已经过分析（指标门限制已定义），那么，在生产过程中进行共振扫描测试已足以发现那些会在所需工作范围内影响工作性能的、关于匹配和共振性能的缺陷。

　　图4：NFC智能手机结构

　　频率响应

　　频率响应测量可以通过对测试装置线圈回波损失的扫描来实现，在这个过程中，我们可以测得待测装置在NFC特定频率范围（如：10至20MHz）内吸收的能量。图5给出了一个NFC装置频率响应的例子。这种测量能提供NFC电路元件、线路板、内部连接件和天线线圈的物理特性的量化数据，还能了解组装的效果。通过测量，我们可以获得一些简单的测试数据，如：中间频率，3dB带宽和Q因子，并用它们来确定性能合格与否。这可确保收发器射频路径上所有元件都已正确安装，处在公差范围内，且不存在装配缺陷。

　　此测量可通过一个类似网络分析器的构架实施，其中，一个CW信号源会扫描频率范围，另外，有一个分析仪会监视回波信号并将其与CW信号源进行对比。这可使测试仪对待测物匹配电路和线圈的共振频率进行测量。

　　图5：NFC设备频率扫描示例

　　基本连通性

　　执行基本连通性测试时需进行通信初始化并让设备完成NFC协议栈的初始握手。这能起到系统层功能检查的作用，它能确保待测物进行正确的接收和发送（对其支持的所有NFC标准而言）。它实质上是在检查集成电路是否在装配过程中损坏，针脚焊接是否正确，数字电路连接是否正确。

　　在开发测试过程中，我们可以降低测试仪的磁场强度等级和调制深度，以确保任何与灵敏度、发送电平或损耗有关的缺陷都能被发现。当然，我们也可以在生产测试中（上述连通性测试期间）采用同样的方法。此外，测试期间也可以对其他发射参数进行测量。详见下文的发送参数和接收灵敏度。

　　发送参数

　　视待测物的结构而定，发射机射频参数的测试对发现产品缺陷可以起到很好的作用。它们可以提供物理层性能参数的详细信息，如磁场强度、频率误差（载波和/或子载波）、调制质量和深度、以及帧延时。如果待测物能够被作为发起装置和目标装置来使用，那么我们需要对两种模式进行单独测试。

　　接收灵敏度

　　此测试可测量待测物能探测到的最低信号电平（待测物随后会向发射端发送一个响应信号）。随着待测物从NFC测试装置的距离拉远，信号电平会随距离的变化以指数级的速度降低。因此，接收灵敏度测试是直接与待测物工作范围相关的。与测试耦合距离时移动待测物位置的方法相反，灵敏度的测试可通过降低测试仪生成磁场的强度或降低调制深度并同时监测待测物的响应和记录测试仪设定等级（可用来确定待测物灵敏度等级）的方法进行；测试应一直进行到测试仪不再接收到待测物发出的响应信号为止。

　　莱特波特NFC解决方案

　　莱特波特的NFC解决方案（IQnfc）是一种结构紧凑、坚固耐用的测试系统，并专门为生产线和实验室进行过优化。它是一种设置方便、简单易用的系统，只需要一个按键操作便能快速地对生产线上的待测物进行特性分析；它具有直观的图形化用户界面，用于进行详细的波形分析；它还有灵活的应用程序编程界面，便于用户定制实验室测试流程。IQnfc支持所有主要的NFC标准的测量，同时也支持发起装置和目标装置两种模式的测量；详见表2。此测试仪也全面涵盖了所有主要的NFC测量项目；详见表3。

　　图6：莱特波特IQnfc测试仪