Active Load Modulation (ALM) وتوسيع تغطية اختبار أجهزة NFC ― اختبار تحمُّل انحراف الطور
في الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء يكون الحيز المتاح للهوائي محدودًا للغاية. ولتحقيق اتصال لاتلامسي مستقر بهوائي صغير، أدخل مصنّعو الأجهزة Active Load Modulation (ALM). نشرح في هذا المقال، استنادًا إلى ورقة KEOLABS البيضاء «Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation» (يوليو 2020)، آليةَ ALM ومشكلاتِ التوافق البيني التي يسببها انحراف الطور، واختبارَ تحمّل جهة الطرفية بأداة «PCD Phase Drift Immunity» في بيئة Quest، مع صور توضيحية.
النقاط الرئيسية
- الطريقة التقليدية في ISO/IEC 14443-A/B هي تضمين الحمل السلبي. تُغذَّى البطاقة من المجال المغناطيسي للقارئ وتردّ بتشغيل الحمل وإطفائه
- في الهواتف ذات الهياكل المعدنية يصغر الهوائي إلى Class 6 أو أقل، فينخفض معامل الاقتران ويصعب تحقق الاتصال. وALM هو أن يرسل جهاز يعمل بالبطارية إشارة الرد إرسالًا نشطًا
- إن عجز ALM عن التزامن مع المجال المغناطيسي للقارئ، نشأ انحراف الطور فيبدو في جهة القارئ تغيّرًا في السعة (وفي أسوأ الحالات سعة صفرية) ويصبح سببًا لأخطاء الاستقبال
- عُرّف في ISO 10373-6 Edition 4 Active Reference PICC لاختبار تحمّل انحراف الطور
- تعرض أداة «PCD Phase Drift Immunity» في KEOLABS Quest كلَّ تركيبات الطور الابتدائي مع انحراف الطور في مخطط Shmoo، فيمكن رؤية سلوك الطرفية داخل حدود ISO (±30°) وخارجها بنظرة واحدة
الخلفية: تصغير الهوائيات وحدود تضمين الحمل السلبي
تستند كثير من تطبيقات NFC إلى ISO/IEC 14443-A/B، حيث يتواصل القارئ (الطرفية) مع مرسل مستجيب بحجم ID-1 عبر الاقتران الحثي. ويُغذَّى المرسل المستجيب من المجال الكهرومغناطيسي للقارئ، ويضمّن نقل الطاقة بتشغيل حمل سلبي متصل بالهوائي وإطفائه فيعيد البيانات. ولأن الرد متزامن مع المجال المغناطيسي الراديوي للقارئ، يسهل فك التشفير في جهة القارئ.
مع تحوّل ISO 14443-A/B إلى واجهة لاتلامسية عامة في الأجهزة الاستهلاكية، تقلّصت متطلبات الهوائي من Class 1 (بحجم بطاقة الائتمان ID-1) إلى Class 6 الأصغر بكثير، وفي الهواتف ذات الهيكل المعدني الموحّد إلى ما دون Class 6. وكلما صغر الهوائي انخفض معامل الاقتران (شدة الرابط الكهرومغناطيسي)، وتراجع معدل نقل الطاقة ومسافة التشغيل، حتى يتعذر الاتصال. وتتقيد كذلك قدرة المرسل المستجيب على الإرسال العائد.
ما هو Active Load Modulation
إن تعذّر تكبير الهوائي أكثر، فالحل هو تغيير مصدر الطاقة في جهة المرسل المستجيب. فالجهاز العامل بالبطارية يستطيع توليد إشارة لها خصائص تضمين الحمل السلبي نفسها وإرسالها إلى القارئ إرسالًا نشطًا. وإن كانت هذه الإشارة متسقة الطور مع المجال المغناطيسي الراديوي للقارئ، تحقّق التضمين المتزامن بالتداخل الهدّام، فيستقبلها القارئ بوصفها إشارة مضمَّنة السعة مماثلة لبطاقة تقليدية بلا بطارية.
المشكلة هي «انحراف الطور»
إن نُفِّذ ALM وضُبط على نحو صحيح، لا يستطيع القارئ التمييز بين السلبي والنشط. لكن إن لم يكن مضبوطًا تمامًا، نشأت مشكلات توافق بيني. والسبب الرئيس هو الطور النسبي لتضمين الحمل إزاء المجال المغناطيسي وانحراف ذلك الطور. فـ ALM يتزامن مع الساعة الخارجية (مجال القارئ) عبر PLL وغيره، لكنه ينتقل إلى الدوران الحر أثناء إرسال البيانات، فقد يفقد التزامن في الأوامر الطويلة. يضاف إلى ذلك أن الساعتين الداخليتين للقارئ والمرسل المستجيب لا تتطابقان تمامًا (حتى ضمن سماح ISO)، فينشأ رد غير متزامن أي انحراف طور في الإشارة المستقبَلة.
يُرصد الرد غير المتزامن، عند فك تضمينه بإشارة القارئ، بوصفه انزياحًا من إشارة I إلى إشارة Q، ويظهر في النطاق الأساسي تغيّرًا في سعة التضمين. وقد يبدو تضمين الحمل أحيانًا تضمينَ مغلّف بسعة صفرية.
وهذه المشكلة لا تقتصر على أجهزة NFC المحمولة التي تستخدم ALM. فحتى البطاقات السلبية يختلف طورها الابتدائي من وحدة إلى أخرى (كالفرق بين chip-on-module والبطاقة التقليدية)، والاختبار بتغيير ظروف الطور مفيد كذلك في تحسين التوافق البيني مع البطاقات السلبية.
أداة «PCD Phase Drift Immunity» في Quest
PCD Phase Drift Immunity المتوفرة في بيئة Quest من KEOLABS أداةُ تقييم خصائص تختبر تحمّل الطرفية (القارئ) إزاء كل تركيبات الطور الابتدائي وانحراف الطور التي قد يبديها المرسل المستجيب. وتُعرض النتائج في مخطط Shmoo مخصص لـ ALM، فيمكن إدراك حملة الاختبار كاملةً بنظرة واحدة مع التعمق في تفاصيل شرط بعينه.
الإعداد
المعدات اللازمة خمسة:ProxiLAB Quest (محطة اختبار لاتلامسية)، وActive ISO Reference PICC، ومجسّ فك التضمين، والراسم الذبذبي، وحاسوب يشغّل Quest.
في ISO 10373-6 عُرّف Reference PICC لاختبار ما إذا كانت الطرفية «تستطيع توليد شدة مجال بين Hmin وHmax» و«تستطيع إرسال إشارة مضمَّنة إلى المرسل المستجيب» و«تستطيع استقبال أدنى مستوى من تضمين الحمل» و«تتحمل إشارة EMD القادمة من المرسل المستجيب».وفي ISO 10373-6 Edition 4 عُرّفت بطاقة مرجعية جديدة «Active Reference PICC» تُستخدم في اختبار تحمّل انحراف الطور. ولا يمكن استخدام Active Reference PICC هذه إلا مع أداة اختبار قوية قادرة على توليد إشارة مضمَّنة مثل ProxiLAB.
طريقة الاستخدام ― ثلاث خطوات
الخطوة 1: ضبط المعاملات.يُضبط ملف الإرسال (Active PICC أو ملف ID1 بسيط)، والمعيار (ISO 14443 أو EMVCo)، ونوع انحراف الطور (يدعم بروتوكولات وأنماطًا متعددة مثل شروط Type A A1/A2 وA3/A4، وشروط Type B B1/B2، وType F بسرعتي 212/424kbps)، وبداية ونهاية وخطوة كلٍّ من انحراف الطور والطور الابتدائي، ومهلة DUT، وعدد التكرارات لكل نقطة قياس، وما إذا كان يلزم التقاط التتبّع الرقمي والتناظري.
الخطوة 2: تنفيذ حملة القياس.يُختبر لكل الشروط المضبوطة ما إذا كان القارئ يعالج رد المرسل المستجيب معالجةً صحيحة. ويتراوح الزمن اللازم من ثوانٍ إلى ساعات بحسب عدد نقاط القياس والتكرارات والتقاط التتبّع وسلوك الطرفية.
الخطوة 3: تحليل النتائج.تُعرض النتائج في ثلاثة مشاهد: «انحراف الطور (Shmoo)» و«I/Q» و«مخطط الكوكبة».
كيف تُقرأ النتائج
في مخطط Shmoo يمثل المحور الأفقي انحراف الطور والمحور الرأسي الطور الابتدائي.الأحمر = نسبة نجاح المعاملة 0%، والبرتقالي = من 1 إلى 99% (عند تكرارين فأكثر)، والأخضر = 100%، ويشير المستطيل الأزرق إلى حدود سماح ISO (انحراف طور ±30°). وبالنقر المزدوج على أي خانة يمكن الاطلاع على شكل الموجة التناظري الملتقط في ذلك الشرط.
يعرض مشهد I/Q المركّبتين المتفقة الطور والمتعامدة لإشارة PICC المفكوك تضمينها بمجال القارئ، على محور الزمن. أما مشهد الكوكبة فهو تمثيل قطبي لبيانات I/Q، ويشكّل دليلًا بصريًا على أن شرط انحراف الطور المضبوط قد طُبّق تطبيقًا صحيحًا أثناء الاختبار.
الخلاصة
الحيز المحدود في الأجهزة المحمولة يفرض هوائيات بالغة الصغر، وALM حل فعّال لمشكلة الاتصال الناتجة. غير أن المرسل المستجيب لا يستطيع رصد المجال المغناطيسي الراديوي للقارئ، فيحدث فقدان تزامن في التردد أي انحراف طور قد يؤدي إلى أخطاء استقبال وفك تشفير. وبأداة Phase Drift Immunity يمكن التحقق من «هل يطابق القارئ حدود ISO» و«كم من الهامش يوجد خارج الحدود» و«هل ثمة منطقة لا يعمل فيها داخل الحدود». فالنظر إلى سلوك القارئ كاملًا، لا اختبار القيم الحدية وحده، هو ما يمنح الثقة بالجهاز.