Active Load Modulation (ALM) और NFC उपकरणों में परीक्षण कवरेज का विस्तार ― फेज़ ड्रिफ़्ट सहनशीलता परीक्षण
स्मार्टफ़ोन और पहनने योग्य उपकरणों में ऐंटेना के लिए उपलब्ध स्थान अत्यंत सीमित होता है। छोटे ऐंटेना से स्थिर संपर्करहित संचार संभव बनाने के लिए उपकरण निर्माताओं ने जो पद्धति अपनाई, वही Active Load Modulation (ALM) है। इस लेख में, KEOLABS के श्वेतपत्र “Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation” (जुलाई 2020) के आधार पर ALM की कार्यप्रणाली, फेज़ ड्रिफ़्ट से उत्पन्न परस्पर संगतता की समस्या तथा Quest वातावरण के “PCD Phase Drift Immunity” उपकरण से टर्मिनल पक्ष की सहनशीलता का परीक्षण, चित्रों सहित समझाते हैं।
मुख्य बिंदु
- ISO/IEC 14443-A/B की पारंपरिक पद्धति निष्क्रिय लोड मॉड्युलेशन है। कार्ड को रीडर के चुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा मिलती है और वह भार को चालू-बंद करके उत्तर देता है
- धातु के ढाँचे वाले स्मार्टफ़ोन आदि में ऐंटेना Class 6 या उससे भी छोटा हो जाता है; युग्मन गुणांक घटने से संचार कठिन हो जाता है। बैटरी से चलने वाला उपकरण उत्तर-संकेत को सक्रिय रूप से भेजे — यही ALM है
- ALM यदि रीडर के चुंबकीय क्षेत्र से समकालित न हो सके तो फेज़ ड्रिफ़्ट उत्पन्न होता है; रीडर पक्ष पर यह आयाम-परिवर्तन (सबसे बुरी स्थिति में शून्य आयाम) जैसा दिखता है और ग्रहण-त्रुटि का कारण बनता है
- ISO 10373-6 Edition 4 में फेज़ ड्रिफ़्ट सहनशीलता परीक्षण हेतु Active Reference PICC परिभाषित किया गया
- KEOLABS Quest का “PCD Phase Drift Immunity” उपकरण, आरंभिक फेज़ और फेज़ ड्रिफ़्ट के सभी संयोजनों को Shmoo आरेख में दिखाता है, जिससे ISO सीमा (±30°) के भीतर और बाहर टर्मिनल का व्यवहार एक ही दृष्टि में दिखता है
पृष्ठभूमि: ऐंटेना का छोटा होना और निष्क्रिय लोड मॉड्युलेशन की सीमा
NFC के अधिकांश अनुप्रयोग ISO/IEC 14443-A/B पर आधारित हैं, जिनमें रीडर (टर्मिनल) और ID-1 आकार का ट्रांसपोंडर प्रेरणिक युग्मन से संचार करते हैं। ट्रांसपोंडर को रीडर के विद्युतचुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा मिलती है और वह ऐंटेना से जुड़े निष्क्रिय भार को चालू-बंद करके ऊर्जा-संचरण को मॉड्युलेट करता है तथा डेटा लौटाता है। उत्तर, रीडर के RF चुंबकीय क्षेत्र से समकालित रहता है, इसलिए रीडर पक्ष पर विकोडन आसान है।
ISO 14443-A/B जैसे-जैसे उपभोक्ता उपकरणों का सामान्य संपर्करहित इंटरफ़ेस बनता गया, ऐंटेना की आवश्यकता Class 1 (ID-1 क्रेडिट कार्ड आकार) से घटकर कहीं छोटे Class 6 तक, और धातु के एकल ढाँचे वाले स्मार्टफ़ोनों में उससे भी छोटे उप-Class 6 तक सिकुड़ती गई। ऐंटेना जितना छोटा होता है, युग्मन गुणांक (विद्युतचुंबकीय कड़ी की शक्ति) उतना घटता है, ऊर्जा संचरण दर और कार्य-दूरी कम होती है, और अंततः संचार होना ही बंद हो जाता है। ट्रांसपोंडर की उत्तर भेजने की क्षमता भी उसी तरह सीमित हो जाती है।
Active Load Modulation क्या है
यदि ऐंटेना और बड़ा नहीं किया जा सकता, तो समाधान ट्रांसपोंडर पक्ष की ऊर्जा-व्यवस्था बदलना है। बैटरी से चलने वाला उपकरण, निष्क्रिय लोड मॉड्युलेशन जैसी ही विशेषताओं वाला संकेत उत्पन्न करके उसे रीडर तक सक्रिय रूप से भेज सकता है। यदि यह संकेत रीडर के RF चुंबकीय क्षेत्र के साथ सुसंगत हो, तो विनाशी व्यतिकरण से समकालित मॉड्युलेशन बनता है और रीडर की दृष्टि से यह पारंपरिक बैटरी-रहित कार्ड जैसा ही आयाम-मॉड्युलित संकेत बनकर ग्रहण होता है।
समस्या है “फेज़ ड्रिफ़्ट”
यदि ALM सही ढंग से लागू और समायोजित हो, तो रीडर यह अंतर नहीं कर पाता कि वह निष्क्रिय है या सक्रिय। किंतु पूर्ण नियंत्रण न होने पर यह परस्पर संगतता की समस्या उत्पन्न करता है। मुख्य कारण है, लोड मॉड्युलेशन का चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष फेज़ और उस फेज़ का ड्रिफ़्ट। ALM बाहरी घड़ी (रीडर का चुंबकीय क्षेत्र) से समकालन PLL आदि से करता है, किंतु डेटा भेजते समय वह मुक्त-चक्र पर चला जाता है, इसलिए लंबे आदेशों में समकालन टूट सकता है। साथ ही रीडर और ट्रांसपोंडर की आंतरिक घड़ियाँ (ISO की अनुमत सीमा के भीतर होने पर भी) पूर्णतः समान नहीं होतीं, अतः असमकालित उत्तर अर्थात् ग्रहण किए गए संकेत में फेज़ ड्रिफ़्ट उत्पन्न होता है।
असमकालित उत्तर को रीडर के संकेत से विमॉड्युलित करने पर वह I संकेत से Q संकेत की ओर खिसकाव के रूप में दिखता है और बेसबैंड में मॉड्युलेशन आयाम के परिवर्तन के रूप में प्रकट होता है। कभी-कभी तो लोड मॉड्युलेशन शून्य आयाम वाले आवरण-मॉड्युलेशन जैसा तक दिख सकता है।
यह समस्या केवल ALM वाले NFC मोबाइल उपकरणों तक सीमित नहीं है। निष्क्रिय कार्डों में भी आरंभिक फेज़ हर इकाई में भिन्न होता है (चिप-ऑन-मॉड्यूल और पारंपरिक कार्ड का अंतर आदि), इसलिए फेज़ की परिस्थितियाँ बदल-बदलकर किया गया परीक्षण निष्क्रिय कार्डों के साथ परस्पर संगतता सुधारने में भी उपयोगी है।
Quest का “PCD Phase Drift Immunity” उपकरण
KEOLABS के Quest वातावरण में उपलब्ध PCD Phase Drift Immunity, ट्रांसपोंडर जो-जो आरंभिक फेज़ और फेज़ ड्रिफ़्ट के संयोजन दिखा सकता है, उन सबके प्रति टर्मिनल (रीडर) की सहनशीलता परखने वाला विशेषता-मूल्यांकन उपकरण है। परिणाम ALM के लिए बने Shmoo आरेख में दिखते हैं, जिससे पूरे परीक्षण अभियान को एक दृष्टि में देखते हुए किसी विशेष परिस्थिति के विवरण में भी उतरा जा सकता है।
व्यवस्था
आवश्यक उपकरण ये पाँच हैं:ProxiLAB Quest (संपर्करहित परीक्षण स्टेशन), Active ISO Reference PICC, विमॉड्युलन प्रोब, ऑसिलोस्कोप, और Quest चलाने वाला PC।
ISO 10373-6 में Reference PICC इसलिए परिभाषित है ताकि परखा जा सके कि टर्मिनल “Hmin से Hmax तक की चुंबकीय क्षेत्र तीव्रता उत्पन्न कर सकता है या नहीं”, “ट्रांसपोंडर को मॉड्युलेशन संकेत भेज सकता है या नहीं”, “न्यूनतम स्तर का लोड मॉड्युलेशन ग्रहण कर सकता है या नहीं” और “ट्रांसपोंडर से आने वाले EMD संकेत के प्रति सहनशील है या नहीं”।ISO 10373-6 Edition 4 में, फेज़ ड्रिफ़्ट सहनशीलता परीक्षण में प्रयुक्त नया संदर्भ कार्ड “Active Reference PICC” परिभाषित किया गया। यह Active Reference PICC, मॉड्युलेशन संकेत उत्पन्न कर सकने वाले ProxiLAB जैसे सशक्त परीक्षण उपकरण के साथ ही प्रयोग किया जा सकता है।
उपयोग ― तीन चरण
चरण 1: पैरामीटर की सेटिंग।Tx कुंडली (Active PICC या साधारण ID1 कुंडली), मानक (ISO 14443 / EMVCo), फेज़ ड्रिफ़्ट का प्रकार (Type A की शर्तें A1/A2 और A3/A4, Type B की शर्तें B1/B2, Type F 212/424kbps आदि अनेक प्रोटोकॉल और प्रतिरूप समर्थित), फेज़ ड्रिफ़्ट तथा आरंभिक फेज़ — दोनों के आरंभ, अंत और चरण, DUT का टाइमआउट, प्रति मापन-बिंदु दोहराव की संख्या, और डिजिटल तथा एनालॉग अनुरेखण लेना है या नहीं — ये सब निर्धारित किए जाते हैं।
चरण 2: मापन अभियान का निष्पादन।निर्धारित सभी परिस्थितियों में रीडर, ट्रांसपोंडर के उत्तर को सही ढंग से संसाधित कर पाता है या नहीं, यह परखा जाता है। मापन-बिंदुओं की संख्या, दोहराव, अनुरेखण और टर्मिनल के व्यवहार के अनुसार लगने वाला समय कुछ सेकंड से कुछ घंटों तक बदलता है।
चरण 3: परिणामों का विश्लेषण।परिणाम तीन दृश्यों में प्रस्तुत होते हैं: “फेज़ ड्रिफ़्ट (Shmoo)”, “I/Q” और “तारामंडल”।
परिणाम कैसे पढ़ें
Shmoo आरेख में क्षैतिज अक्ष फेज़ ड्रिफ़्ट है और ऊर्ध्वाधर अक्ष आरंभिक फेज़।लाल का अर्थ है लेनदेन की सफलता दर 0%, नारंगी का 1–99% (जब दोहराव दो या अधिक हो) और हरे का 100%; नीला आयत ISO की अनुमत सीमा (फेज़ ड्रिफ़्ट ±30°) दर्शाता है। किसी भी खाने पर दो बार क्लिक करने पर उस परिस्थिति में लिया गया एनालॉग तरंगरूप देखा जा सकता है।
I/Q दृश्य, रीडर के चुंबकीय क्षेत्र से विमॉड्युलित PICC संकेत के समफेज़ और लंबकोणीय अवयवों को समय-अक्ष पर दिखाता है। तारामंडल दृश्य, I/Q डेटा का ध्रुवीय निर्देशांक में निरूपण है और यह दृश्य प्रमाण देता है कि निर्धारित फेज़ ड्रिफ़्ट की परिस्थिति परीक्षण के दौरान सही ढंग से लागू हुई।
सारांश
मोबाइल उपकरणों का सीमित स्थान अत्यंत छोटे ऐंटेना को बाध्य करता है, और ALM उस संचार समस्या का प्रभावी समाधान है। किंतु ट्रांसपोंडर रीडर के RF चुंबकीय क्षेत्र को देख नहीं सकता, इसलिए आवृत्ति का समकालन टूटना अर्थात् फेज़ ड्रिफ़्ट होता है, जो ग्रहण और विकोडन की त्रुटियों तक ले जा सकता है। Phase Drift Immunity उपकरण से यह परखा जा सकता है कि “रीडर ISO की सीमा के अनुरूप है या नहीं”, “सीमा के बाहर कितना अवकाश है” और “सीमा के भीतर कोई निष्क्रिय क्षेत्र तो नहीं है”। केवल सीमा-मानों का परीक्षण नहीं, बल्कि रीडर के सम्पूर्ण व्यवहार को ऊपर से देखना ही उपकरण पर विश्वास दिलाता है।