NFC技術(shù)由免接觸式射頻識別(RFID)演變而來(lái)，RFID的傳輸范圍可以達到幾米、甚至幾十米，只能實(shí)現信息的讀取以及判定，而NFC技術(shù)則強調的是信息交互。近場(chǎng)通信是工作在13.56MHz頻率運行于20厘米距離內，其傳輸速度有106Kbit/秒、212Kbit/秒或者424Kbit/秒三種。

近場(chǎng)通信論壇定義了三種操作模式(PDF)：

點(diǎn) 對點(diǎn)模式(P2P mode)：支持兩個(gè)近場(chǎng)通信設備之間相互通訊，實(shí)現信息交換和文件共享。

讀卡器模式(Reader/writer mode)：使近場(chǎng)能訊設備能從海報或者展覽信息電子標簽上讀取相關(guān)信息。

卡模式(Card emulation)：近場(chǎng)通信設備能像智能卡一樣，允許用戶(hù)支付零售購物和交通費用。

NFC手機內置NFC芯片，組成RFID模塊的一部分，可以當作RFID無(wú)源標簽使用，用來(lái)支付費用;也可以當作RFID讀寫(xiě)器用作數據交換與采集。

從應用模式上分NFC卡模擬、讀寫(xiě)器、點(diǎn)對點(diǎn)三種模式?？M模式通常又被稱(chēng)為被讀模式，手機終端可以模擬成為一張普通的非接觸卡被POS機讀取，此模式下通常是繼承了現在廣泛使用的應用，例如銀行卡、門(mén)禁卡、公交卡等，以NFC手機作為載體并發(fā)揮手機在網(wǎng)絡(luò )、多媒體、人機交互方面的優(yōu)勢，應用場(chǎng)景也與現有方式類(lèi)似;讀寫(xiě)器模式通常又被稱(chēng)為主讀模式，手機終端可以讀取一張非接觸卡或者一個(gè)非接觸標簽中的內容，此模式下既可能繼承了現有的應用，例如將NFC手機當做POS機去讀取現有的銀行卡、公交卡，又可以是NFC***定義的應用場(chǎng)景，例如利用NFC手機讀取NFC定義的標

簽中的標準數據，實(shí)現電子名片、電子海報、WIFI連接等功能;點(diǎn)對點(diǎn)模式是指兩個(gè)手機終端在近距離內通過(guò)觸碰直接傳遞數據，這是NFC定義的一種新模式，與藍牙、WIFI相比有近距離和配置簡(jiǎn)單兩個(gè)特點(diǎn)，理論上可以通過(guò)簡(jiǎn)單觸碰實(shí)現兩部手機間任何數據的交互，例如同步日程表、位置共享、名片交換等功能。

NFC原理

NFC架構及涉及的標準

手機終端的NFC功能由NFC Controller、NFC協(xié)議棧、SE、SE訪(fǎng)問(wèn)API、SE訪(fǎng)問(wèn)控制及AP訪(fǎng)問(wèn)SE芯片構成，其主要功能如下：

1. NFC Controller：即NFC芯片，實(shí)現NFC卡模擬、讀寫(xiě)器、點(diǎn)對點(diǎn)模式所定義的模擬、數字協(xié)議的處理;

2. NFC協(xié)議棧：配置NFC芯片工作模式并實(shí)現NFC Forum定義的各項標準;

3. SE：即安全芯片，所有涉及敏感數據、加密運算等業(yè)務(wù)(如銀行卡、公交卡)均需要單獨安全芯片處理;

4. SE訪(fǎng)問(wèn)API：向客戶(hù)端開(kāi)放訪(fǎng)問(wèn)SE的接口，以實(shí)現余額讀取、空中充值等功能;

5. SE訪(fǎng)問(wèn)控制：對SE訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行控制和授權，保障SE安全;

6. AP訪(fǎng)問(wèn)SE芯片：客戶(hù)端通過(guò)應用處理器訪(fǎng)問(wèn)SE時(shí)的接口芯片，采用SE種類(lèi)不同時(shí)該芯片也會(huì )有所不同，如SIM卡為SE時(shí)，此芯片即為Modem。 上述不同模塊是可以組合的，從而實(shí)現不同的NFC功能，大致可分為簡(jiǎn)單NFC、具有SE的NFC兩種類(lèi)型：

簡(jiǎn)單NFC是指僅具有NFC Controller和NFC協(xié)議棧的NFC終端，由于不具備SE，這種終端僅能支持上篇博文中提到的NFC讀寫(xiě)器和點(diǎn)對點(diǎn)功能，實(shí)現諸如名片交換、標簽讀取等與安全無(wú)關(guān)的NFC功能。由于構成簡(jiǎn)單，且Android 2.3以上原生系統即已經(jīng)實(shí)現這些功能，目前市場(chǎng)上多數的NFC終端都是這種簡(jiǎn)單NFC。相比簡(jiǎn)單NFC，具有SE的NFC終端均集成了單獨的安全芯片SE，除讀寫(xiě)器、點(diǎn)對點(diǎn)模式外，可支持卡模擬模式引入的安全應用(如銀行卡、公交卡等)，既可支持POS機上的非接觸刷卡，又可以支持客戶(hù)端對SE的訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)現SE中存儲的銀行卡、公交卡的余額讀取、空中充值等功能。

毫無(wú)疑問(wèn)，具有SE功能的NFC終端是目前用戶(hù)、運營(yíng)商、銀行更為關(guān)注的，不同機構在推動(dòng)NFC終端時(shí)，采取的SE方式也是不同，目前看SE主要有三種類(lèi)型，即SIM卡、終端內置SE芯片和MicroSD卡，分別代表運營(yíng)商、終端廠(chǎng)家、銀行從自身在產(chǎn)業(yè)鏈中所處位置，及在推動(dòng)NFC終端初期時(shí)很自然的反應。應該講從目前發(fā)展的情況看，運營(yíng)商推動(dòng)的以SIM卡為SE的NFC終端方案(即俗稱(chēng)的SWP方案)發(fā)展最快***，以運營(yíng)商行業(yè)組織GSMA協(xié)會(huì )牽頭，世界上超過(guò)50家運營(yíng)商(包括中國移動(dòng)、中國聯(lián)通及歐洲、美國、日韓主流運營(yíng)商)宣布支持該方案，目前全球銷(xiāo)售的終端近4000萬(wàn)部，預計13年會(huì )有持續的發(fā)展。后續將以目前最為主流的以SIM卡為SE的NFC終端方案(SWP方案)談一下NFC終端具體支持的協(xié)議。NFC-SWP終端指的是支持SWP-SIM卡的NFC終端，也即以SIM卡做為SE的NFC終端。NFC-SWP終端從架構上看分為NFC非接觸部分與SIM卡訪(fǎng)問(wèn)接口兩部分：

NFC-SWP終端架構

(一)NFC非接觸部分

由圖1中NFC Controller、NFC協(xié)議棧及SIM卡組成，提供NFC卡模擬、讀寫(xiě)器及點(diǎn)對點(diǎn)功能，其中SIM卡主要在卡模式下起到了一個(gè)安全模塊的作用，目前在讀寫(xiě)器及點(diǎn)對點(diǎn)模式下尚未發(fā)揮作用。NFC終端不同模式下信息路由機制是不同的，在NFC終端工作在卡模擬模式時(shí)，外界POS機發(fā)送的信號會(huì )通過(guò)NFC Controller轉發(fā)到SIM卡中處理，而當NFC終端工作在讀寫(xiě)器、點(diǎn)對點(diǎn)模式時(shí)，從外部卡片或手機讀取的信息將通過(guò)NFC Controller轉發(fā)到NFC協(xié)議棧解析，最終轉交給操作系統或客戶(hù)端應用程序處理。

NFC非接觸部分的技術(shù)標準及測試標準相對較為完善，主要由ISO、NFC Forum、ETSI等標準化組織完成，其中：

l ISO主要負責NFC空中接口底層的模擬、數字協(xié)議，ISO定義的射頻協(xié)議已廣泛應用在公交、銀行、政府等行業(yè)

l NFC Forum主要使命是定義新型的NFC設備，并保證其互通性，NFC Forum主要在ISO協(xié)議之上定義新型NFC設備之間數據交換所需的數據結構及鏈路層協(xié)議

l ETSI主要負責制定NFC Controller與SE的接口規范，最初ETSI制定的接口規范僅限于SIM卡，但目前已作為一種通用的接口規范廣泛使用在其它形態(tài)的SE中。

NFC的標準相對是比較復雜的，且在不同NFC工作模式下遵循的標準是不盡相同的，以下是不同模式下應遵循的協(xié)議。

模式射頻協(xié)議中間協(xié)議(1)應用協(xié)議其它協(xié)議應用場(chǎng)景卡模擬模式ISO 14443無(wú)行業(yè)規定(2)ETSI 102.613(SWP)ETSI 102.622(HCI)兼容現有設備讀寫(xiě)器模式ISO 14443無(wú)行業(yè)規定無(wú)兼容現有設備ISO 14443NFC Forum Tag Type 1-4NFC Forum NDEFNFC Forum RTDRTD外自定義應用協(xié)議(3)與NFC Forum設備互通點(diǎn)對點(diǎn)模式ISO 18092NFC Forum LLCPNFC Forum SNEPNFC Forum RTDRTD外自定義應用協(xié)議與NFC Forum設備互通注1：中間協(xié)議指NFC Forum設備間通信所需的鏈路層及數據格式協(xié)議注2：指由不同行業(yè)標準具體規定，不在NFC規范體系內，如PBOC、EMV等注3：NFC RTD規定了URI、聯(lián)系人等幾種常用的應用，這些應用已可被Android系統認知，不需要特殊的客戶(hù)端支持;同時(shí)，不同應用方也可自定義應用協(xié)議，如GPS位置共享，但這些自有的應用協(xié)議需要配套的私有客戶(hù)端軟件才能識別

從上表也可以看出，一部NFC終端不僅可以與符合NFC Forum協(xié)議的、全新的NFC Forum設備互通，也可以模擬成一個(gè)與普通非接觸IC卡相同的設備，被存量非接觸POS讀取，從而可以在用戶(hù)熟悉的現有非接觸環(huán)境中廣泛使用，減少用戶(hù)的進(jìn)入門(mén)檻，這對一個(gè)新型設備初期的推廣是非常關(guān)鍵的。

　(二)SIM卡訪(fǎng)問(wèn)接口

由圖1中SE訪(fǎng)問(wèn)API、SE訪(fǎng)問(wèn)控制及Modem組成。手機與普通非接觸IC卡***的不同體現在擁有網(wǎng)絡(luò )功能和人機交互兩部分，因此，NFC手機可以從事傳統非接觸IC所不能完成的豐富業(yè)務(wù)，如空中充值、余額查詢(xún)。所有這些業(yè)務(wù)均需要一個(gè)技術(shù)前提即需要一個(gè)標準的SIM卡訪(fǎng)問(wèn)接口，能夠使得應用客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)SIM卡并與SIM卡中的applet進(jìn)行通信。具體講，需要在手機中支持三個(gè)標準：

1、 SIM Alliance Open Mobile API：為應用客戶(hù)端提供與SIM卡通信的通道

2、 Global Platform/GSMA：Secure Element Access Control：授權應用客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)SIM卡中對應的applet

3、 Modem：需完全支持3GPP 27.007標準，支持打開(kāi)SIM卡邏輯通道，并能夠在邏輯通信上真正實(shí)現APDU的透傳。

目前，NFC-SWP終端中相關(guān)標準化進(jìn)行的較好，也有不少NFC-SWP手機已經(jīng)支持這些標準，但實(shí)事求是的講，由于缺乏上述三個(gè)標準對應的測試標準和測試工具，目前NFC手機對SIM卡訪(fǎng)問(wèn)接口的支持差強人意。Modem在邏輯通道上對APDU透傳的支持特別需要引起重視，傳統上Modem傳遞的都是ETSI 102.221電信標準中規定的APDU，但在新的NFC手機架構下，Modem的邏輯通道上可能還會(huì )傳輸銀行、公交等行業(yè)的APDU，這些APDU的定義可能會(huì )與電信標準有一定的差別，也可能超出Modem提供商傳統的知識范圍。因此，從目前情況看，一方面需要手機特別是Modem提供商能夠充分理解NFC業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，特別是邏輯通道上與傳統電信應用的差別，提高產(chǎn)品對邏輯通道上透傳APDU的支持，另一方面，也需要標準化組織、運營(yíng)商及各廠(chǎng)家一起完善測試標準及測試工具，從而促進(jìn)并保證產(chǎn)品的成熟。

終端所產(chǎn)生的無(wú)線(xiàn)電頻率正弦波傳遞能量給標簽然后從標簽中讀取數據。NFC啟動(dòng)后，持續產(chǎn)生信號中心頻率13.56MHz的正弦波。如果有標簽在該正弦波產(chǎn)生的磁場(chǎng)擾動(dòng)范圍內，標簽由磁場(chǎng)擾動(dòng)就會(huì )獲得能量，產(chǎn)生原正弦波反頻率或改變頻率屬性的波。手機探測到這種改變，以知道附近有標簽。RFID在很近的距離通信通常被稱(chēng)為近配對系統。近配對系統的范圍通常是0到1厘米。這意味著(zhù)標簽挨著(zhù)讀取器或按在讀取器上。這么近距離的好處是標簽的電池廠(chǎng)可以發(fā)出很大的能量。這能量足以支持標簽通信，而不需要內置電源。近配對也利于高度保密的場(chǎng)合。例如帶NFC功能的手機，帶一個(gè)能產(chǎn)生13.56MHz無(wú)線(xiàn)電頻率的集成電路，帶有編碼器，解碼器，天線(xiàn)，比較器，還有傳輸能量到標簽，并讀取反向散射中的調制信息的硬件。讀取器持續產(chǎn)生射頻信號，并觀(guān)察收到的射頻信號，讀取其中的信息。

支持NFC的設備可以在主動(dòng)或被動(dòng)模式下交換數據。在被動(dòng)模式下，啟動(dòng)NFC通信的設備，也稱(chēng)為NFC發(fā)起設備(主設備)，在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)(RF-field)，如圖2所示。它可以選擇106kbps、212kbps或424kbps其中一種傳輸速度，將數據發(fā)送到另一臺設備。另一臺設備稱(chēng)為NFC目標設備(從設備)，不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，而使用負載調制(load modulation)技術(shù)，即可以相同的速度將數據傳回發(fā)起設備。

該標準規定了一個(gè)13.56MHz的工作頻率，這是一個(gè)免許可國際通用頻帶，是美國ISM帶15/18頻帶之一。數據傳輸速率為106、212或424kbps，取決于通訊范圍，在20cm或大約8英寸時(shí)傳輸速率***，實(shí)際通訊范圍只有幾英寸或不大于10cm，該標準規定了多種工作模式。

在主動(dòng)模式下，通訊雙方收發(fā)器加電后，任何一方可以采用“發(fā)送前偵聽(tīng)”協(xié)議來(lái)發(fā)起一個(gè)半雙工發(fā)送。在一個(gè)以上NFC設備試圖訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)閱讀器時(shí)這個(gè)功能可以防止沖突，其中一個(gè)設備是發(fā)起者，而其它設備則是目標。

在被動(dòng)模式下，像RFID標簽一樣，目標是一個(gè)被動(dòng)設備。標簽從發(fā)起者傳輸的磁場(chǎng)獲得工作能量，然后通過(guò)調制磁場(chǎng)將數據傳送給發(fā)起者(后掃描調制，AM的一種)。

在使用上因為NFC的使用通常會(huì )遇到使用尖峰時(shí)期，會(huì )了避免不同的發(fā)起端或目標端同時(shí)溝通造成數據鏈路錯誤，所以NFC采用了一種機制listen before talk。此機制會(huì )讓當發(fā)起端設備要發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號前，先偵測外界磁場(chǎng)強度來(lái)判斷是否有其它的設備正在溝通中，這種機制的實(shí)現稱(chēng)為RF Collision Avoidance (RFCA)，其動(dòng)作行為是在每次發(fā)起端發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號時(shí)會(huì )偵測外界磁場(chǎng)，當磁場(chǎng)強度超過(guò)門(mén)坎強度時(shí)(Hthreshold=0.1875A/m)則會(huì )停止詢(xún)問(wèn)，直至外界強度降至門(mén)坎值以下。若是低于臨界值才會(huì )開(kāi)始發(fā)出詢(xún)問(wèn)指令，偵測的時(shí)間為T(mén)IDT+nTRFW，n為0～3的機率取樣：TRFW=512/fc(RF waiting time)，TIDT>4096/fc(initial delay time)。當發(fā)起設備在TIDT+nTRFW內沒(méi)有偵測到超過(guò)門(mén)坎強度的磁場(chǎng)，則會(huì )先發(fā)射TIRFG的未調變RF field之后再發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號，其中TIRFG必須大于5ms。

由于NFC 106kbps為100% ASK調變，所以對整個(gè)High/Low信號的封包結構都有相當詳細的定義。其中幾個(gè)參數包括從100%下降到5% Am時(shí)間(t1)、5% Am持續時(shí)間(t2)、Am由5%上升至60%時(shí)間(t4)即overshoot 的范圍。而212/424kbps則是8%～30%的調變率。

RF測試

RF測試kit

1. Calibration coil：coil的功能在于驗證測試過(guò)程中，待測物所發(fā)射出的信號是否為正確的強度與調變。此Coil為一簡(jiǎn)單的天線(xiàn)架構，當然EMCA也詳細的規定了所有的尺寸，由此coil所測出的值為0.32V (RMS)=1A/m(磁場(chǎng)強度)。

2. Field Generating Antenna：kit用于磁場(chǎng)的發(fā)射，圖中還包含了一組天線(xiàn)匹配線(xiàn)路。

3. Sense coil：sense coil用于量測待測物的磁場(chǎng)強度與調變。

4. Reference device：reference device用于測試DUT的標準件。

RF測試程序

1. 發(fā)起設備power測試：

此測項在測試由發(fā)起設備所供給的磁場(chǎng)強度是否供給目標物足夠的工作電源。

將信號由generating antenna調整發(fā)射，于右端的calibration coil量測到的強度為Hmax(7.5A/m)，此時(shí)再將reference device配合power測試線(xiàn)路調整C2使線(xiàn)路共振點(diǎn)位于19MHz(此部份在規范中并無(wú)詳述為何調整至19MHz，在此推論若19MHz可達到3V輸出則當目標物為13.56MHz時(shí)其電壓一定會(huì )超高3V，此因該為取其下限值)，放置于DUT位置，調整線(xiàn)路R2使的由C3所得到之電壓值為3V。此時(shí)Reference device已經(jīng)完成，之后再將此卡用來(lái)量測發(fā)起設備，將此卡放至于發(fā)起設備所標注之超作范圍，在此超作范圍內任意位置所量測到的電壓值(C3)皆不可超過(guò)3V。至于Hmin測試則與max大致相同，不同處為將reference device共振頻率調至13.56MHz及所量測知電壓值皆須超過(guò)3V。

2. 目標物的load modulation 測試：

(1)被動(dòng)模式

● 106kbps：此測試為驗證目標物可正確調變出波形，先將calibration coil放置于下側外緣，確定generating antenna所發(fā)射之波形與強度正確無(wú)誤，此時(shí)再將待測目標物放置于上側外緣，編輯一個(gè)ECMA340 所定義之SENS_REQ波型由generating antenna發(fā)射并在待測目標物會(huì )回送一個(gè)SENS_RES信號，如此即可透過(guò)二個(gè)sense coil量測到信號，此量測架構因考量回傳之負載調變信號微弱，所以利用兩個(gè)sense coil之間電壓差做計算，由于兼容系問(wèn)題，所以在106kbps延續MiFARE使用副載波(subcarrier)的調變作被動(dòng)目標物的回傳信號，所以量測點(diǎn)應于fc+fs與fc-fs(fc=13.56MHz，fs=fc/16)。

● 212/424kbps：高速的調變信號量測方式則與106kbps十分相似，只是將量測擷取位置改為fc，因為此兩種傳輸速度下并無(wú)使用副載波調變

　(2)主動(dòng)模式

主動(dòng)模式的測試與被動(dòng)模式上并無(wú)太大的差異，由于是主動(dòng)模式所以加測了目標物的RF field發(fā)射的時(shí)間，指令下達的時(shí)間……等。

3. 發(fā)起設備的load modulation 測試：此測試在于驗證發(fā)起設備的調變機制，可分為主動(dòng)模式發(fā)射與被動(dòng)模式接收兩種。

(1) 主動(dòng)模式發(fā)射：將calibration coil放置于發(fā)起設備所定義的任意位置，而所量測的波型皆需符合ECMA340所定的規范。

(2) 被動(dòng)模式接收：此為測試發(fā)起設備可以正確的接收被動(dòng)目標物所回傳的信號。利用圖7-2的load modulation 測試線(xiàn)路所做成的reference device，先將對應C3電壓與距離的關(guān)系以圖8的架構校正好，之后即可將此卡與發(fā)起設備的待測物做量測，測試由reference device所發(fā)出的調變信號于待測物端的接收情況。在此只能對部分的測試項目做討論而詳細的測試請參考ECMA。