電感耦合非接觸IC卡系統(tǒng)的EMI問題

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：電子設(shè)計應(yīng)用   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月17日

引言

射頻識別(RFID)技術(shù)近年來發(fā)展迅速，并獲得了廣泛應(yīng)用。但作為一種無線射頻技術(shù)，其電磁兼容(EMC)性能也越來越受到人們的關(guān)注。RFID涉及的頻率范圍甚廣，包括低于135kHz、13.56MHz、433MHz、860－960MHz、2.45GHz、5.8GHz等多個頻段。本文僅就低于 135kHz和13.56MHz兩個頻段的電感耦合非接觸RFID卡的電磁干擾(EMI)問題結(jié)合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹和剖析。

電子產(chǎn)品的電磁兼容性

電子產(chǎn)品的電磁兼容性EMC包含兩個方面：一是電磁干擾EMI，另一是抗電磁干擾能力EMS。EMI是指電子產(chǎn)品產(chǎn)生的任何可能降低其它裝置、設(shè)備、系統(tǒng)的性能，或可能對生物、物質(zhì)產(chǎn)生不良影響的電磁效應(yīng)。EMS是指電子產(chǎn)品在某種電磁環(huán)境下，其性能不致造成惡化的抵御能力。

對于電子產(chǎn)品EMI的嚴(yán)格限制，體現(xiàn)在很多國際標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中。制定這些標(biāo)準(zhǔn)的代表性機構(gòu)和組織有：國際無線電干擾特別委員會CISPR、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、國際電工委員會IEC、美國聯(lián)邦通信委員會FCC、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)研究所 EISI等。一個電子產(chǎn)品必須符合相關(guān)的EMI標(biāo)準(zhǔn)，否則不能在該地區(qū)或國家的市場銷售和使用。

電感耦合非接觸式IC卡的工作頻率范圍和標(biāo)準(zhǔn)

通常，電感耦合非接觸式IC卡的工作頻率為低于135kHz和13.56MHz。工作在13.56MHz的非接觸式IC卡又可分為近耦合IC卡(PICC)和疏耦合卡(VICC)。其讀寫器亦被稱之為PCD和VCD。

低于135kHz的頻率主要適用于較低成本的應(yīng)答標(biāo)簽芯片。系統(tǒng)的讀寫器可以提供較高功率，該頻段對于非金屬材料和水具有較高的穿透深度，因此在生物識別、水表等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于其載波頻率較低，雖然應(yīng)答器的功耗也較低，但數(shù)據(jù)傳輸速率不高。目前，ISO/IEC18000-2給出了這類系統(tǒng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。

13.56MHz是世界范圍的工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療頻段(ISM)。在此頻段工作的RFID由于載波頻率較高，在應(yīng)答器中可以采用微處理器，因而可以實現(xiàn)智能非接觸IC卡功能。此外，在此載波頻率下，應(yīng)答器的天線回路可以實現(xiàn)片上電容和印刷電感的諧振電路，為其應(yīng)用獲得了很大的便利。

13.56MHz射頻識別主要的標(biāo)準(zhǔn)有：①ISO/IEC 14443，是近耦合IC卡系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，它又分為TYPE A和TYPE B兩種；②ISO/IEC 15693，是疏耦合IC卡系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)；③ISO/IEC18000-3標(biāo)準(zhǔn)，它有兩種模式，即MODE 1和MODE 2，MODE 1和ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)兼容，MODE 2給出了相位抖動調(diào)制(PJM)等新方法。

低于135kHz的非接觸IC卡的EMI標(biāo)準(zhǔn)

在低于135kHz的非接觸IC卡中，采用125kHz的芯片較多。其讀寫器電路的功放為B類或D類電路，采用具有電感回路的天線發(fā)送器，屬于小功率和微功率發(fā)射。對于在此頻率范圍的射頻識別系統(tǒng)，有下述規(guī)范：

允許最大場強
  FCC標(biāo)準(zhǔn)
FCC標(biāo)準(zhǔn)第15部分209節(jié)(FCC part15.209)規(guī)定了其載波的允許場強，是以最大電場強度E給出的,即E不大于(2400/f)µV/m@300m。其中：f為9~490kHz，@300m 表示距離為300m。因此，對于125kHz頻率，其E應(yīng)不大于19.2µV/m@300m。如果將其換算為dBµV，則E=19.2mV/m為E=20log(19.2/1)=25.66dBµV/m。

  其它標(biāo)準(zhǔn)
在另外一些標(biāo)準(zhǔn)中，允許最大場強是以H場給出的。例如EN300330和德國的標(biāo)準(zhǔn)17TR2100。E場和H場表示值可以用下式來相互推算，即：

H[dBµA/m ]=E[dBµV/m]-51.5dB
在17TR2100中，規(guī)定的極限值為H= 13.5dBµA/m@30m。將此值按上式轉(zhuǎn)換,可以得到E=65 dBµV/m@30m。
如果我們將FCC標(biāo)準(zhǔn)的300 m距離換算為30m，按40dB/十倍距離(自由場的衰減值)增加，則25.66dBµV/m@300m可表示為65.66dBµV/m@30m。從上面的推算看，兩種標(biāo)準(zhǔn)的極限值是差不多的。如果將此表示為10m處的場值，則可得到約為40log(30/10)+13.5=32.5 dBµA/m。

調(diào)制頻帶寬度和寄生發(fā)射
在非接觸IC卡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信過程中，由應(yīng)答器向讀寫器的通信采用負(fù)載調(diào)制。讀寫器向應(yīng)答器的通信常采用間隙振幅移位鍵控(ASK)調(diào)制。這些都需用一定的調(diào)制頻帶寬度。

寄生發(fā)射指的是對載波頻率或調(diào)制邊帶不做出貢獻(xiàn)的發(fā)射。在非接觸IC卡系統(tǒng)中，讀寫器功放和調(diào)制電路是產(chǎn)生諧波和其它頻譜的主要部分。非接觸式IC卡系統(tǒng)在調(diào)制頻帶的場強以及寄生發(fā)射都不能超出EMI有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許極限值。

13.56MHz的EMI標(biāo)準(zhǔn)

允許最大場強
  非接觸IC卡標(biāo)準(zhǔn)
在13.56MHz ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其PCD產(chǎn)生的場強在1.5A/m_7.5A/m之間。其應(yīng)答器(PICC)的動作場強Hmin1.5A/m。在ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為VCD產(chǎn)生的場強為115mA/m~7.5A/m,應(yīng)答器(VICC)的動作場強Hmin1.5m A/m。

  有關(guān)EMI標(biāo)準(zhǔn)
①FCC標(biāo)準(zhǔn)
FCC part 15.225規(guī)定RFID系統(tǒng)載波頻率范圍為13.56MHz±7kHz，載波場強為30m處10mV/m。
②EN300330(9kHz~25MHz)標(biāo)準(zhǔn)
EN300330標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了第一類發(fā)送器(指具有電感回路天線的發(fā)送器，天線由具有一個或幾個線圈的繞組構(gòu)成)的載波功率極限值。測量在H場具有最大值的方向和在自由空間進(jìn)行。EN300330規(guī)定的極限值是42dBµA/m@10m。

幾種標(biāo)準(zhǔn)的相互比較
我們對上面給出的幾種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一些變換并歸一，然后再加以比較。

①ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)
通常，近耦合IC卡系統(tǒng)的作用距離為小于10cm，而從前述可知此時Hmin1.5A/m，那么我們可以近似估計離天線0.1m(10cm)處的H場值為 1.5A/m。一般，在非接觸IC卡系統(tǒng)中，在距離λ/2π(對于13.56MHz頻率，λ/2π=3.5m)內(nèi)為近場，其衰減為60dB/十倍距離；大于λ/2π的作用距離為遠(yuǎn)場，其衰減為20dB/十倍距離。因此，可估算出1m處的H場為1.5m A/m，而3.5m處H場較1米處H場的衰減值大約為60 log (3.5m/1m)=32dB。從3.5m至10m處，可以認(rèn)為進(jìn)入遠(yuǎn)場，此段衰減值為20log(10m/3.5m)=9dB。故10m處的dBµA值為20log1.5mA/m-32-9=22dBµA/m。

②ISO/IEC 15693標(biāo)準(zhǔn)
其作用距離約為50cm，設(shè)此時的 Hmin= 115m A/m，對13.56MHz，近場范圍為3.5m，則3.5m處的場強衰減為60log(3.5m/0.5m)=50.7dBmA。3.5m至10m為遠(yuǎn)場，衰減為20log (10m/3.5m)=9dBµA。因此10米處的dBµA值為：20log115mA/m-50.7dBuA-9dBµA=41dBµA

③FCC標(biāo)準(zhǔn)
30m為10m V/m，換算為dB值是80dBµV/m，再換算至10m，增加量為40log(30m/10m)=19dB。換算成dBµA/m為：H=80+19-51=48dBµA/m@10m。

將上面結(jié)果列于表1，則從表1可知，若H場是按RFID標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計，就可符合EMI的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

調(diào)制帶寬及諧波發(fā)射
  ISO/IEC 14443的調(diào)制方式
在TYPE A中，PCD向PICC通信采用修正密勒碼的100%ASK調(diào)制。其PICC向PCD通信采用的是曼徹斯特編碼，并且用副載波調(diào)制后進(jìn)行ASK調(diào)制。在 TYPE B中，PCD向PICC通信采用NRZ碼的ASK調(diào)制方式，PICC向PCD通信采用對NRZ碼(106kbps)進(jìn)行BPSK副載波調(diào)制 (847kHz)，然后用ASK調(diào)制傳送至PCD。

  ISO/IEC 19653
VCD向VICC通信時，遠(yuǎn)距離采用“256中取1”編碼的10%的ASK。短距離時采用“4中取1”編碼的100%ASK調(diào)制。VICC向VCD通信采用曼徹斯特編碼，用副載波進(jìn)行調(diào)制(可用ASK或移頻鍵控FSK方式)，然后再用已調(diào)制副載波進(jìn)行對載波的ASK調(diào)制。
從上述的通信模式可以看出，這些調(diào)制都需要調(diào)制帶寬，因此要注意控制發(fā)射頻譜。FCC規(guī)定諧波功率應(yīng)限制比載波低50dB。

抑制EMI的措施

抑制EMI的措施可以從下面幾個方面來考慮：

讀寫器射頻前端電路設(shè)計
在讀寫器射頻電路設(shè)計時，應(yīng)考慮器件選型、PCB層數(shù)、大小、線路布局、布線、接地及地線配置、屏蔽、濾波等眾多需要兼顧的問題。

例如，在讀寫器設(shè)計時，都需要有晶體振蕩器，多數(shù)石英晶體振蕩器(XO)并沒有提供內(nèi)在的EMI抑制措施，因此設(shè)計者采用屏蔽、濾波或特殊的印刷板布局技術(shù)來使產(chǎn)品通過EMI考核。但是，MAXIM公司的DS108X系列硅振蕩器采用擴(kuò)譜技術(shù)，可使其峰值EMI降低20dB以上，這為頻率源的選擇提供了新的思路。

在電感耦合式非接觸IC卡系統(tǒng)的電路設(shè)計和調(diào)整中應(yīng)注意下述方面：①天線回路參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)諧在載波頻率上。②對于末級功放采用D類放大器(低于135kHz)或E類放大器(13.56MHz)的系統(tǒng)，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整電路工作狀態(tài)，減少寄生信號的產(chǎn)生。此時，天線回路的Q值對流過線圈的電流大小可起調(diào)節(jié)作用，應(yīng)仔細(xì)調(diào)整其電流大小和通信帶寬的關(guān)系。

新調(diào)制方式的選擇
在ISO/IEC 14443、ISO/IEC 19653及低于135kHz的非接觸IC卡系統(tǒng)中，讀寫器向應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸都采用ASK載波調(diào)制模式，但實際上移相鍵控PSK調(diào)制在誤碼率、信號平均功率方面都具有比ASK更好的性能。在前述標(biāo)準(zhǔn)中未被采用，主要是PSK的解調(diào)只能用比較復(fù)雜的相干解調(diào)技術(shù)，而不能用簡單包絡(luò)檢波方法，而相干解調(diào)電路相對比較復(fù)雜。

ISO/IEC 18000-3標(biāo)準(zhǔn)中的MODE 2在13.56MHz系統(tǒng)中提出了相位抖動調(diào)制(PJM)方法。在讀寫器向應(yīng)答器的通信中，利用修正頻率編碼(MEM)對載波進(jìn)行PJM調(diào)制。通常PSK 的二進(jìn)調(diào)制的兩個相角是0度和180度，在編碼變化時出現(xiàn)了載波相位的躍變。相位的較大躍變使頻譜展寬，使功率譜的旁瓣較大，衰減較慢。PJM的兩個相位角定義在2度的范圍，見圖1。因此相位的變化，即抖動減小使信號譜旁瓣較小，且衰減較快。此外，PJM的另一個好處是在讀寫器向應(yīng)答器通信中，不會像 ASK調(diào)制因有停頓而使能量場出現(xiàn)間隙，并且可以支持全雙工通信。

因此，新的調(diào)制方式的研究和實施，也會給電感耦合的非接觸IC卡的EMI獲得很大改善。

結(jié)語

本文對電感耦合式非接觸IC卡系統(tǒng)的EMI問題作了闡述，應(yīng)該注意，它的EMS能力顯然是很弱的，受篇幅所限，沒有給予更多的闡述。鑒于我國的RFID標(biāo)準(zhǔn)尚未正式頒布，因此本文并未涉及。