基于NI 5641R的NFC—F阅读器物理层研究

滕飞

摘 要：本文对NFC-F技术的物理层协议（JIS X 6319-4）进行详细解析。在理解协议的基础上，采用美国国家仪器公司的中频收发仪5641R板卡构建NFC-F读卡器的发射机与接收机模块并完成相应mac层命令的编写，完成相应的labview FPGA模块编写；再利用虚拟仪器的思想完成上层测试界面的设计和编写，并通过与NFC-F产品进行通信来验证本文的正确性。

关键词：NFC；物理层；研究；通讯

NFC是Near Field Communication缩写，即近距离无线通讯技术。由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC 提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。

NFC近场通信技术是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换，工作频率为13.56MHz。

手机用户凭着配置了支付功能的手机就可以行遍全国：他们的手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等等。

1 协议解析

NFC-F的物理层协议JIS X 6319-4协议主要应用于索尼公司推出的FeliCa型IC卡，其中规定了NFC-F发射机帧格式、编码方式、调制方式以及发射波形的包络信息。

JIS X 6319-4协议中规定了阅读器和应答器之间的通信频率和工作场强。协议要求交互系统的工作频率为13.56MHz，并且阅读器需要产生的静态磁场强度应为640kA/m，传输速率为212kbps。读卡器到标签的前向链路就是指命令从读卡器发出到标签应答器接收所建立的链路。

协议规定前向链路阅读器向应答器传送的射频信号应采用ASK调制，调制深度为10%，调制指数应设置在8%至14%之间，调制波形应满足图1所示条件。调制波形的上升和下降沿应该是单调的。

其中的参数规定：tr（max）= 2.0us，tf（max）= 2.0us，调制深度（max）

=10%，y=0.1（a-b），hf，hr=0.1（a-b）max。

前向链路的信息传送应采用曼彻斯特编码方式进行编码。采用曼彻斯特位编码方式，波形如图2所示。

比特编码格式是曼彻斯特，逻辑电平定义如下：

逻辑“0”：一个比特的前半部分是载波低场幅度，后半部分是高场振幅（无调制使用）；

逻辑“1”：一个比特的前半部分是载波高场幅度（无调制使用），后半部分是低場振幅；幅度中反向极性应被允许，并且应该从同步开始进行极性检测。

JIS X 6319-4定义了NFC-F下的帧格式，整个帧由前导、同步码、长度、数据部分和EDC校验组成。前导序列将由最少48比特的全0组成；同步码为2字节，第一个字节应为B2，第二个字节应为4D；长度应为8比特的字段，其值为在有效载荷域传输的节数并加1，长度的范围应为2至255，其它设置为未来使用保留；有效载荷将由n个8比特字节的数据组成，其中n由数据字节数给出，具体帧格式如图3所示。

标签到读卡器的后向链路即为从标签应答器返回的命令到读卡器接收该命令所建立的链路，当应答器被阅读器发送的载波信号激活后，通过切换应答器负载状态产生副载波与读写器通信。

读卡器发送的载波信号由于电感耦合的原理将标签进行激活后，标签便通过自主选择“ON”或“OFF”来切换负载状态，通过负载调制产生的副载波与阅读器进行通信。反向链路仍然采用曼彻斯特位编码方式，并同样允许极性反向。

本文设计的基于JIS X 6319-4协议的RFID模拟器软件运行平台是LabVIEW，在LabVIEW FPGA环境中搭建JIS X 6319-4协议的RFID模拟器，使得阅读器能够与应答器交互，获取应答器数据；并将阅读器要发送的命令传给接收机部分进行编码、组帧和调制等工作。

模拟器通过FPGA to Host FIFO将获取的基带IQ数据传给上位机进行测试测量；上位机通过全局变量将要发送的命令传给模拟器进行编码、组帧和调制等工作。通过FIFO和全局变量将原型机和上位机两个部分有机地联系到一起。

软件总体架构如图4所示。

2 NFC-F系统硬件实现

发射机在labview FPGA中编写，分为编码和IQ信号交织发射两部分。编码部分包含组帧的各种状态，命令通过编码部分组合起来，再利用IQ路信号交织，通过ASK调制后利用仪器发射出去。发射机编码部分的具体程序如图5所示。

接收机完成的是将信号接收回来，解调并将有用信息通过FIFO传递至数据链路层进行解码，当检测到门限电平时便认为开始有信号返回并开始工作。整个过程依然采用状态机实现。接收机具体程序见图6。

数据链路层的主要作用就是根据上层传来的用户指令完成具体命令的组成传递给发射机，并且利用接收机传回来的数据进行译码工作，同样利用状态机完成数据链路层个状态的跳转，具体程序见图7所示。

3 测试结果

在本系统中，采用符合JIS X 6319-4协议的Sony公司的FeiliCa IC卡作为应答器，发送天线采用符合ISO/IEC 10373-6测试标准规定的三层板天线，当发送REQC命令（即激活卡的第一条命令）时，host主程序测得的发送和返回信号的整体时域波形如下图8所示。

除了对整体时域波形进行测试之外，本系统还实现了信号幅度、功率、电平状态、调制深度、信号周期、信号上升沿和下降沿、频谱、信号带宽、频谱模板以及联合时频分析等指标的测试，还包括应答器与阅读器的命令一致性以及标签状态跳转测试等内容。

本文按照JIS X 6319-4的协议规定，解析了协议物理层中通信速率为212Kbps的帧格式，并设计了物理层的发射机和接收机模块。

最后，本文选用NI 5641R板卡实现了市面常用的NFC-F读卡器发射机和接收机，并通过与真实FeiliCa标签进行通信，完成了标签信号的频谱分析测试，从而验证了本文设计方案的正确性。

参考文献：

[1] 王占领.浅析无线通讯技术中近距离通讯技术的发展[J].科技创新与应用.2014（10）.

[2] 翟品，陈亮.现代无线通讯技术发展现状和发展趋势探究[J].科技传播.2014（06）.

[3] 周军领.无线通讯技术的发展与改进[J].信息通信.2013（07）.