3G手机技术发展与设计架构(3)

作者：时间：2008-04-02来源：网络收藏

　　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。