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3G手机技术发展与设计架构(3)




  2004年由Philips、Sony发起、Nokia随即唿应的近接无线感应技术:近场通信(Near Field Communication;NFC),在经过一(2005)年的沈潜发展后,于2006年逐渐成熟展露,预计在未来的绝大多数手机中,NFC都将是基本的功效机制,就连3G手机也无从例外。

  ▲NFC介面技术也可用来充当非接触、近接感应式的传输埠,其中「Peer-to-Peer」的点对点模式便是为此而设计。图中的女性用具有NFC介面的移动电话来近接具有NFC介面的液晶电视,如此电话内的图像资料即可感应传输至电视,并加以显示。

  从某种角度看,NFC可说是手机内SIM(Subscriber Identity Module)卡的另一个延伸介面,SIM卡本体性质上是种接触性的智能卡(Smart Card),且仅与手机接触连接,而NFC技术却有机会让SIM卡从原有的接触介面再延伸出另一个非接触(Contact-less)的无线感应介面,如同将IC电话卡、健保卡、统一超商的i-Cash等接触性智能卡,再附加上可以感应接触的悠游卡能力,使原有的智能卡变成双介面(Dual Interface)的使用型态。

  

  

  

  ▲NFC论坛于今(2006)年6月正式对外公布的NFC技术构图,图中的最底层为无线射频层,可适用于各种不同的非接触智能卡,最上层则是因应各种不同应用而设立的应用模式层,而居于最底与最顶之间的则是各种资料格式与传输协定的规范标准。

  特别是在今(2006)年8月,由支持NFC技术的业者所组成的NFC论坛(NFC Forum)正式对外释出四份关于NFC的技术文件,使NFC从过去单纯的技术与应用概念外,有了更清晰具体的实现方向,同时也使NFC技术与3G手机的结合有了更有利的进展。

  

  

  

  ▲PHILIPS半导体公司针对NFC所首次提出的应用晶片(原文称为:Device,装置。对岸方面称为:器件):PN511,PN511在供货上提供两种型态的封装:HVQFN32(SOT617-1)与HVQFN40(SOT618),图中即是HVQFN32封装的上视(Top View)图。

  这四份技术规格文件到底为何,主要有:

  1. NDEF(NFC Data Exchange Format)技术规格-制订合乎NFC论坛定义、规范的NFC装置(Device)、NFC标签(Tag)的共通资料格式(common data format)。

  2. RTD(NFC Record Type Definition)技术规格-规范、定义用于信息(Message)的资料记录型态,「信息」主要是用在合乎NFC装置(合乎NFC论坛的规范)之间的通信,以及NFC装置与NFC标签之间的通信。

  3. NFC Text RTD技术规格-规范、定义用于装置(具有NFC功效机制)的纯文字式记录。

  4. NFC URI RTD技术规格-有关具备NFC功效的装置要素的网际网路资源参照。

  附註:更具体而言,NFC由Philips、Sony提出后,也在2003年12月8日通过ISO/IEC(International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission)机构的审核而成为国际标准,另外也在2004年3月18日由ECMA(European Computer Manufacturers Association)认定为欧洲标准,而陆陆续续通过的标准编列有ECMA-340(NFCIP-1)、ECMA-352(NFCIP-2)、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 18092、ISO/IEC 21481。

  附註:NFC中所言的「Field,场」其实是指电磁感应的磁场(Magnetic field),「Near,近」则是指近接、靠近之意。

  

  

  

  ▲PN511的典型应用设计电路图。图中PN511透过Host(主控)介面与左端的微处理器相连,右端则透过RC谐振电路与无线模拟感应传输用天线进行连接。

  ■NFC技术架构

  NFC论坛除了发布四个技术规格文件外,同(2006)年更早之前的6月5日,NFC论坛也为NFC技术发表更完整详尽的技术架构(Technology Architecture)。

  在NFC的技术构图中,最底处为无线射频层(RF Layer),即是所有今日流行普及的感应式智能卡标准,包括有:ISO 18092、ISO 14443 Type A(即Philips的Mifare,现有悠游卡即属此类)、ISO 14443 Type B、FeliCa(Sony发创)等。

  而最顶的部分则是应用层,即是各种的智能卡传输应用模式,例如有:点对点模式(Peer-to-Peer Mode)、读写模式(Read/Write Mode)、NFC Card实效模拟模式(NFC Card Emulation Mode)等,其中NFC Card实效模拟模式即是移动装置用的智能卡相容模式(Smart Card Capability for Mobile Devices)。

  至于介于「最底的无线射频层」与「最顶的应用模式层」之间的是格式、协定层,前述的四项规格发布中,几乎都是针对应用上「读写模式」的需求而研拟,如RTD(Record Type Definition)、NDEF(Data Exchange Format)等,除此之外在点对点的运用上需要LLCP(Logical Link Control Protocol)协定。而所谓的点对点运用有些类似USB随身碟,只是现有的USB随身碟是实际的连接埠接触,NFC介面+LLCP协定则是一种无线感应式连接的随身碟。

  

  

  

  ▲S2C介面可说是针对NFC安全防护需求而增订的标准,可以让既有的NFC介面与安全加密性晶片(Secure IC)相连,过程中仅需要透过两条数字实体接线即可,此二线分别是SigIn的输入线及SigOut的输出线。

  ■NFC应用晶片

  这二、三年来,NFC的规格表现及应用概念已广被说明,在此不再赘述,对于NFC的使用者而言,只要将具备NFC功效机能的手机,当成内嵌一张悠游卡的方式来运用即可,不过对电子设计工程师而言,除了关注、关切NFC标准与实际发展外,NFC相关的应用晶片也是当重视的一环,因为不同的NFC应用需要使用不同类型、取向的NFC晶片。

  虽然NFC的发起业者是Philips、Sony,但真正有研发、产制NFC晶片的业者只有Philips,Sony也只是NFC晶片的应用、使用者,尚无打算自行研制NFC晶片,其次才有Infineon投入NFC晶片。

  若以Philips来说,Philips已经推出了四款的NFC应用晶片:PN511、PN512、PN531、PN532,由此可知Philips是现阶段最积极推行NFC的晶片业者,以下我们进一步检视此四款晶片的异同,即可瞭解NFC实际技术的发展进度。

  ◆操作距离

  以正规的标准而言,NFC在被动感应(Passive Mode,被动模式)时的最远距离应是10cm,主动感应(Active Mode,主动模式)的最远距离应是20cm,不过Philips的PN511/512/531/532的实际表现却是减半:被动下5cm,主动下10cm。

  ◆实体介面

  NFC一端是非接触式的无线感应介面,另一端则必须是实际、实体接线的传输介面,此方面NFC晶片有多种选择,包括:串列介面(Serial Bus)、I2C介面、SPI介面、八位元并列介面(8-bit Parallel Bus)、以及USB介面等。

  其中串列介面是最基础且最普遍的,无论是PN511/512/531/532都具备,NFC晶片所用的串列介面在传输速度上最快可达1.228Mbps,此速度因应现行NFC可说是绰绰有余,NFC现有最快仅424kbps,未来将往848kbps迈进。

  其次是I2C,I2C同样是Philips所发创,一般而言I2C最快为400kbps,不过之后也有更高速的3.4Mbps(1998年以后的2.0版),若以400kbps来因应NFC,很明显会有瓶颈的出现,不过即便如此仍适合用在一些低速性的传输应用上,如一般性的「读写模式」、「智慧卡相容模式」等,但却不适合用在「点对点模式」。

  虽然高速版的I2C更能因应NFC高速传输的需求,但很耐人寻味的,Philips较早推出的PN511、PN512确实具有高速I2C的(3.4Mbps)传输能力,但更之后推出的PN531、PN532却仅有标准的400kbps传输能力,高速能力则不具备,关于此笔者推测应是两点考量:用电(高速传输的功耗可能太大)、成本(裸晶电路面积的精省)。

  至于SPI介面,SPI介面的传输率更高,最高达5Mbps,且MMC(MultiMediaCard)记忆卡、SD(Secure Digital)记忆卡等也能相容支援SPI介面,因此在已经具备MMC、SD记忆卡存取设计的装置上,最适合直接採行SPI介面的方式来扩展、实现NFC介面。此外虽然也有支援USB介面,但速率模式上最高只至Full Speed(全速)的12Mbps,而无须到High Speed(高速)的480Mbps。

  ◆FIFO(First In First Out)

  为了避免接轨介面的传输能够平顺,NFC晶片内也会具备FIFO来因应,无论是PN511、PN512、PN531、PN532都具备64Bytes的CL FIFO深度。进一步的,PN531、PN532还额外提供了串列介面、SPI介面所用的FIFO,此方面的深度达180Bytes。

  ◆相关整合

  积体电路的「积体」亦即「整合」,因此NFC晶片内也是尽可能整合各种可能的电路需求,以NFC晶片来说,包括内建无线感应需求的模拟介面电路、低消散的电压调节器(LDO Voltage Regulator,俗称:降压器)、微控制器(如80C51)、以及搭配微控制器执行运作之用的RAM/ROM存储器。

  ■S2C介面

  S2C介面的全名是「SigIn-SigOut-Connection」,这是一个针对NFC无线感应传输所增订的安全加密防护介面,因此也有人称此为「Secure NFC」,此一技术提案主要是避免NFC标签(即NFC卡)与NFC装置(即NFC读卡机、存取器)两者在感应时,被其他有心人士从中、从旁对传输资料进行拦窃,特别是今日的手机SIM卡、IC智能卡都已经普遍採行加密设计,即是Secure IC,如此就更需要Secure NFC的搭配、对应。

  

  

  

  ▲S2C介面不仅适用于NFC,传统的非接触、无线感应式智能卡也同样适用。此外,S2C介面与NFC介面的连接可以相当的直简,过程中在实体设计上几乎不用再行设计转接、配接,传输协定上也不用再行转换。

  更具体来说,S2C仅有两条实体接线,一条为SigIn,另一条为SigOut,NFC介面以其前端无线射频桥接,之后透过此两条数字线路与Secure IC(加密型晶片)的存取器连接。

  此外,S2C对加密防护资料方面有不同的编码风格,包括A型、B型、F型,且各型的编码都可以支援NFC的各种传输模式(点对点模式、读写模式、智能卡相容模式),以及NFC的各种型态、资料传输率等,同时也适用于非NFC但NFC相容的标准,如ISO/IEC 14443。

  

  

  

  ▲S2C介面提供了A、B、F等多种风格型态的资料加密编码法,图中所示的即是F型的安全编码,包括F型编码的在调变传输后的类比波形,以及对应到SigIn/Out数位传输线路上的信号。

  更重要的是,Secure NFC(S2C)介面不需要再行任何的介面转接、配接,或者是通信传输协定的转换等,且线路精简(仅两条线路),不会为设计、制造增添太多的心力与成本。

  不过,即便NFC的安全加密传输尚未完备,但Philips现有的PN511、PN512、PN531、PN532也并非完全没有安全加密能力,由于NFC相容于过往的ISO/IEC 14443 Type A(Philips的Mifare),Mifare自身也有基础(Classic)的安全防护加密机制,NFC也支援此一机制。

  ■试行发展近况

  最后,具备NFC功效的手机与应用服务,确实已经在全球各地试行验证,包括在荷兰的首都:阿姆斯特丹、南韩的首都:首尔(过去称为:汉城)、德国的哈瑙市(Hanau)、中国大陆的厦门等地方试行,而台湾的台北市方面也有意将现有悠游卡升级成NFC,并允许用NFC手机适用于现有的捷运、公车、停车场等付费系统上。

  至于服务试行外,支援NFC的新款手机也在逐渐增多中,最率先力挺NFC的Nokia自是不用多说,除此之外包括Samsung、Motorola、NEC等业者的新款手机也都支援NFC,国内的BenQ(明基)也一样支持。

  

  

  

  ▲NFC也强调感应辨识的反应速度,如此才能用于高人潮流量的交通票务感应上。图为NFC充当电子车票的应用意境图。

 

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