第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究

引言 

    我国第二代居民身份证(简称“二代证”)采用了符合ISO14443 Type B 通讯协议的近耦合射频识别(RFID)技术，载波频率为13.56MHz，工作场强为1.5~7.5A/m，卡片调制副载波频率为847kHz。射频卡(非接触IC 卡)在实际中已经得到了广泛的应用。在检测国内各厂家研制的二代证样卡时，技术人员发现不同厂家的芯片噪声水平相差很大，有的甚至影响了卡片与读卡器的正常通信。也就是说，当卡片处于读卡器天线的工作场强范围内，尤其是在近场情况下，读卡器与卡尚未进行通讯时，卡片天线两端的电压(电流)交流信号峰峰值会发生波动，波动频率可能为847kHz，或是其整数倍频(或分频)。造成波动的主要原因是芯片电源稳定性差，或者芯片功耗波动太大。如果卡片线圈内的电流信号峰峰值波动达到一定值，尤其是847kHz 频率的波动时，读卡器就可能将其放大到与有效信号相当的幅值水平，这样就会严重影响读卡器的工作，大大增加读卡器解调电路的设计难度。 

    本文首先简单介绍了Type B 射频卡系统的通信原理，之后分析了卡片调制信号以及与噪声和读卡器灵敏度之间的关系，提出了噪声检测方法和可行的噪声标定方法，并对此进行了详细讨论。

图1 近耦合射频卡系统等效电路图

图2 调制深度曲线

近耦合射频卡通信原理 

    卡片与读卡器之间是通过近电感耦合来进行通讯的。也就是说，当读卡器向卡片发送指令时，读卡器天线线圈流过的电流会根据指令发生相应的变化，场中的卡片就会感应到此变化，并解调出指令信号，之后对指令信号进行处理并发出响应；当卡片向读卡器发送响应信号时，卡片会根据响应信号通过负载调制的方式改变卡片线圈流过的电流，读卡器天线线圈就会感应到卡线圈电流的变化，并进行解调处理，得到卡片响应信号。 

    读卡器一般将两个边带信号中的一个847kHz 频率成分通过滤波器从载波信号中分离出来，但是实际上并不存在理想的滤波器。这样，叠加在载波上的847kHz 附近频带上的信号(包括调制信号和噪声信号)都会通过读卡器的滤波器，从而被放大。其中，847kHz 附近频带上的噪声信号主要是由于芯片内部逻辑电路工作时功耗的周期性波动而引起的。特别的，对于CPU 卡片来说，由于指令的周期性操作，可能引起电源周期性波动，更严重的会对EEPROM 进行操作。因此，在芯片设计阶段，就应该认真对待电源的稳定与功耗问题。

卡片调制信号分析与检测 

理论分析 

    近耦合射频卡与读卡器通信的简单等效电路原理图如图1 所示。其中，R1、C1、L1 和R2、C2、L2 分别为读卡器和卡片天线谐振电路中的等效电阻、电容和电感；Z2 为芯片等效阻抗负载；M 为互感；u 和i 分别为电压和电流(指的是电压和电流交流信号幅值)。当L1 和C1 满足谐振时，有： 

    (1)读卡器通过对u1(天线两端电压)进行检波、滤波、放大和解调处理得到卡片发出的数据。在读卡器接收信号期间，u0 保持不变。在L1 和C1 满足谐振条件的情况下，下文将对卡片的调制深度与读卡器接收端u1 的关系进行分析。

    如果卡片与读卡器天线位置固定，则耦合系数确定，即互感M 不变。根据式(1)可知，只有卡片线圈电流i2 影响u1 的值。因此，当卡片向读卡器返回响应信息时，可以通过负载(电阻或者电容)调制改变Z2，从而改变i2 的值； 

    当改变卡片与读卡器天线线圈间的距离时，也即改变了通过卡片线圈的有效磁场强度Heff。由，可知Heff 的改变意味着M 的改变，但它们之间并不是线性关系，因为当读卡器线圈与卡片线圈位置发生变化时，i1 也会发生变化。由式(1)有