第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究
来源：电子设计应用 作者：周建锁 发布时间：2007-12-24 15:03:15 字体:[大 中 小]
关键字：芯片噪声检测 射频卡芯片 芯片 读卡器 二代证
摘 要：第二代身份证射频卡芯片在工作场强内不可避免地会产生噪声，可能会影响卡片与读卡器系统的正常工作。本文从理论上详细分析了卡片调制信号幅值与读卡器灵敏度的关系，提出了一种卡片噪声的检测和标定方法。这有利于合理地匹配不同厂家的卡片与读卡机具，改善兼容性，对二代证的大量应用具有重要意义。
(2)0、A、N 和Heff 分别表示空气中的磁导率、卡片线圈面积、卡片线圈匝数和有效磁场强度，，都是不变的量。当Heff=H0 时，卡片在无调制状态下，读卡器天线线圈电流为i10，卡片线圈电流为i20，u1 的值记为u10。当卡片调制时，其相应的量记为Hm、i1m、i2m 和u1m，有i2m=i20+苅2、i1m=i10+苅1、Hm=H0+艸，u1m=u10+苪1。卡片调制状态下与非调制状态下读卡器线圈感应电压之差苪1 为：μ上式中
(3)实际上，由于i20<<I10、艸<<H、苅1<<i10、苅2<<i20，因此可近似如下：
(4)由上式可以看出，如果苅2 与H0 为线性关系，即苅2=m/H0，那么苪1 基本接近一个常数b1•m/i10。但是由于苅2 与苅1(或艸)会向相反的方向变化，因此，在不同的场强下，如果想得到相同的苪1，就需要对苅2=m/H0 进行修正。由ISO14443-2 给出的卡片负载调制深度幅值为30/H1.2mV(峰值)，可以近似地推导出苅2=m/H1.2。
调制深度曲线
ISO/IEC 14443-2:2001(E)中规定，如果采用ISO10373-6 标准描述的方法，在不同的磁场强度H 下，卡片负载调制深度幅值(副载波频率为847kHz)不应该低于30/H1.2mV(峰值)，其中H 是磁场强度(A/m rms)。
根据标准要求，绘制如图2 所示的调制深度曲线。曲线1 为标准要求的卡片理想调制深度曲线30/H1.2；曲线4 为预计的实际卡片调制深度曲线；曲线2 为预计的实际读卡机具灵敏度曲线；曲线3 为预计的卡片芯片噪声曲线(只针对847kHz 频率点)。为保证卡片与读卡机具间的兼容性，上述4 条曲线应该存在如下关系：标准曲线1 可通过10373 测试平台进行标定，其它曲线都必须以其为参考；实际卡片调制深度曲线4 应该在曲线1 之上(可以是曲线1)；读卡机具灵敏度曲线2 应该在曲线1 之下(可以是曲线1)；卡片噪声曲线3 不应该高于曲线2 的一半，这样，才可能不会影响读卡机具的正常工作，因此曲线3 要与曲线2 相互配合，才能增强读卡器的抗噪声能力。
以上曲线描述的是13.56MHz±847kHz 的两个边带上的信号幅值，都是理想的曲线。曲线1 描述的是卡片应该发出的有用信号调制深度的最小值，根据前面的理论分析可知，这条曲线映射到读卡器接收端大致上为一个点。也就是说，如果卡片的负载调制深度满足曲线1，那么无论卡片在1.5~7.5A/m 范围内哪一个距离工作，读卡器接收到的信号都应该是基本相同的。对于卡片的噪声，不仅仅是847kHz 频率点影响读卡器接收，实际上847kHz 附近其它频率点上的噪声也会影响读卡器的接收，并在读卡器接收端的时域信号上表现出来。因此，仅仅定义曲线3 是不够的。在频域上，应该定义一个847kHz 附近的带宽，在时域上应该通过一个标准的读卡器来标定卡片噪声大小。
另外，卡片静态(在场中处于非通讯状态)噪声可能较小，但在卡片工作(特别是对EEPROM 进行读写操作)状态下的动态噪声可能很大，以至影响正常通讯。因此，在标定卡片噪声时，不仅需要标定847KHz 边带上的噪声幅值，也应该标定卡片可能出现的最大时域噪声。
卡片噪声检测方法
根据实际在屏蔽室中的测量结果，由于噪声信号幅值很小(示波器测量值1mV 左右)，而且示波器的测量精度有限，导致测量结果的可靠性降低，因此，利用10373 测试平台无法检测出卡片噪声，需要通过间接手段进行测量。测量读卡器模拟部分放大输出(中间经过空间磁场耦合、检波、滤波、模拟放大过程)，就可以对卡片噪声(尤其是847kHz 频率点附近带宽上的频率成分)进 行间接测量。
本文提出的检测步骤如下：构造一台标准的读卡器，利用示波器测量并记录读卡器上模拟放大器输出端的本体噪声；将卡片放在读卡器线圈中心上方的不同位置，在模拟放大器输出端间接检测卡片静态噪声；在卡片与读卡器通讯状态下，在模拟放大器输出端间接检测卡片动态噪声，通讯指令为ALOHA、ATTRIB、READ SN、GET RANDOM 等；通过上述操作间接检测并记录卡片的最大相对时域噪声。
卡片噪声标定方法
利用上述方法可以间接地检测出卡片的静态和动态噪声，但是不能与曲线1 相比较。为了描绘出卡片噪声曲线3，应该确定一个噪声标定方法。本文介绍如下方法进行间接等效标定。
1) 利用一个参考PICC 或者正常卡片，按照ISO10373-6 中描述的方法对读卡器进行标定，利用10373 测试平台测量出参考PICC 在某一个场强H1 下的调制深度值，并调节PICC 上调制负载，使得负载调制深度在曲线1 上；
2) 将参考PICC 放入读卡器线圈上方带载等效场强为H1 的平面处，读卡器发送ALOHA 信号，观察读卡器模拟输出端的信号，测量并记录卡片在响应期间内的有用信号，调节读卡器增益使得观察到的信号为合理值Vamp0(与读卡器中模拟放大器供电电源有关)；
3) 利用上节描述的方法对卡片在不同状态下的噪声进行测量，并记录测量值(电压峰峰值和847kHz 附近的频谱)；
4) 将在读卡器场强为H(d)(d 表示卡片与读卡器线圈间的距离)时测量得到的最大噪声值Vn(d)(电压峰峰值)与Vamp0 比较，得到最大噪声与理想信号的比值x(d)；
5) 利用曲线1 可以计算出读卡器上H(d)处的等效噪声值(847kHz 频率点)，从而可以观察等效噪声是否在曲线3 下面。
以上所描述的方法在实际上是可行的，可是在频域和时域上存在一个矛盾，因此需要解释如下：
1) 图2 中的曲线是在频率点847kHz(13.56MHz±847kHz)上的曲线；
2) 实际上，847kHz 附近频谱上的噪声也会影响读卡器接收；
3) 根据上节描述的方法测量到的读卡器放大输出时域信号，并不是一个频率点，而是所有频谱上的噪声在时域上的叠加；
4) 图2 中曲线3 描述的是工作场强范围内载波频率两边847kHz 频率点上的噪声，利用上述标定方法可将读卡器接收端的时域信号等效到曲线3 上，也就意味着将卡片发出的847kHz 附近频谱上的噪声在读卡器接收端都测量出来，然后又等效到了847kHz 频率点上；
5) 这里描述的标定方法在某种程度上依赖于一个合理的读卡器。值得指出的是，如果卡片噪声曲线在读卡器灵敏度曲线的一半之上，并不意味着卡片不能工作，但是可能意味着卡片工作不稳定。因为读卡器的噪声处理能力也会影响系统通讯过程。
结语
本文从理论及实验角度分析了卡片调制深度曲线、卡片噪声曲线与读卡器灵敏度曲线之间的关系，提出了一种间接测量卡片噪声的方法，以及一种可行的标定卡片噪声的方案，并根据实际情况进行了讨论，这对大生产中射频卡与读卡机具的合理匹配提供了很好的理论基础。此外，本文提出的方法在理论上仍然缺少严密性，但具有相当大的实际价值，需要进一步补充和完善.
作者：北京中电华大电子设计有限责任公司 周建锁 公安部第一研究所
参考文献
1 International Standard．Identification cards—Contactless integrated circuit(s) cards—Proximity cards—Part 1：Radio frequency power and signal interface．First Edition. ISO/IEC 14443-2，2001. 1, 3~8, 9
2 [德]Klaus Finkenzeller 著，陈大才编译．射频识别(RFID)技术(第二版)．北京：电子工业出版社，2002. 245~292, 45~94
3 王立建. RFID 标准化现状及趋势. 智能卡与电子标签，2005(6)：28~33
4 International Standard． Identification cards—Test methods—Part 6: Proximity cards．ISO/IEC FDIS 103736,2001.5~11
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