Active Load Modulation (ALM) dan perluasan liputan ujian peranti NFC ― ujian ketahanan anjakan fasa
Pada telefon pintar dan peranti pakai, ruang yang tersedia untuk antena amat terhad. Active Load Modulation (ALM) ialah apa yang diperkenalkan para pengeluar peranti agar komunikasi tanpa sentuh kekal stabil walaupun antenanya kecil. Berdasarkan dokumen KEOLABS “Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation” (Julai 2020), tulisan ini menerangkan berserta gambar rajah tentang mekanisme ALM, masalah kesalinghubungan akibat anjakan fasa, dan ujian ketahanan di sebelah terminal dengan alat “PCD Phase Drift Immunity” dalam persekitaran Quest.
Perkara utama
- Kaedah lama pada ISO/IEC 14443-A/B ialah modulasi beban pasif. Kad memperoleh kuasa daripada medan magnet pembaca dan bertindak balas dengan menghidup serta mematikan beban
- Pada telefon pintar bercangkerang logam dan seumpamanya, antena mengecil sehingga Class 6 atau lebih kecil, dan penurunan pekali gandingan menyukarkan komunikasi berlaku. ALM ialah apabila peranti berkuasa bateri memancarkan sendiri isyarat tindak balasnya secara aktif
- Jika ALM tidak dapat disegerakkan dengan medan magnet pembaca, berlakulah anjakan fasa, dan di sebelah pembaca ia kelihatan sebagai perubahan amplitud (paling teruk, amplitud sifar) lalu menjadi punca ralat penerimaan
- ISO 10373-6 Edition 4 mentakrifkan Active Reference PICC untuk ujian ketahanan anjakan fasa
- Alat “PCD Phase Drift Immunity” daripada KEOLABS Quest memvisualkan kesemua gabungan fasa awal dan anjakan fasa dalam plot Shmoo, jadi perilaku terminal di dalam mahupun di luar had ISO (±30°) dapat dilihat sekali gus
Latar: pengecilan antena dan batasan modulasi beban pasif
Kebanyakan aplikasi NFC berlandaskan ISO/IEC 14443-A/B, di mana pembaca (terminal) dan transponder bersaiz ID-1 berkomunikasi melalui gandingan aruhan. Transponder memperoleh kuasa daripada medan elektromagnet pembaca, lalu memodulasi pemindahan kuasa dengan menghidup dan mematikan beban pasif yang bersambung ke antena bagi menghantar balik data. Oleh sebab tindak balasnya disegerakkan dengan medan RF pembaca, penyahkodannya di sebelah pembaca menjadi mudah.
Sejajar dengan ISO 14443-A/B menjadi antara muka tanpa sentuh serba guna bagi peranti pengguna, keperluan antena mengecil daripada Class 1 (saiz kad kredit ID-1) kepada Class 6 yang jauh lebih kecil, dan pada telefon pintar bercangkerang logam sepenuhnya ia mengecil lagi sehingga di bawah Class 6. Semakin kecil antena, semakin turun pekali gandingan (kekuatan pautan elektromagnet), jadi kadar pemindahan tenaga dan jarak operasi menurun sehingga akhirnya komunikasi tidak lagi berlaku. Keupayaan menghantar balik daripada transponder turut terhad dengan cara yang sama.
Apakah itu Active Load Modulation
Jika antena tidak boleh dibesarkan lagi, penyelesaiannya ialah mengubah bekalan kuasa di sebelah transponder. Pada peranti berkuasa bateri, isyarat yang mempunyai ciri sama seperti modulasi beban pasif boleh dijana lalu dihantar kepada pembaca secara aktif. Jika isyarat ini koheren dengan medan RF pembaca, modulasi tersegerak terbentuk melalui gangguan memusnah, dan dari sudut pandangan pembaca ia diterima sebagai isyarat modulasi amplitud yang sama seperti kad tanpa bateri model lama.
Masalahnya ialah “anjakan fasa”
Jika ALM dilaksanakan dan ditala dengan betul, pembaca tidak dapat membezakan sama ada ia pasif atau aktif. Namun jika kawalannya tidak sempurna, timbullah masalah kesalinghubungan. Puncanya ialah fasa relatif modulasi beban terhadap medan magnet, serta anjakan fasa itu. ALM menyegerakkan dirinya dengan jam luaran (medan magnet pembaca) menggunakan PLL dan seumpamanya, tetapi semasa penghantaran data ia beralih kepada mod bebas jadi penyahsegerakan boleh berlaku pada arahan yang panjang. Tambahan pula, jam dalaman pembaca dan transponder tidak sama tepat (walaupun masih dalam toleransi ISO), jadi timbullah tindak balas tak tersegerak, iaitu anjakan fasa pada isyarat yang diterima.
Tindak balas tak tersegerak, apabila dinyahmodulat dengan isyarat pembaca, dicerap sebagai anjakan daripada isyarat I kepada isyarat Q, dan pada baseband ia muncul sebagai perubahan amplitud modulasi. Dalam kes tertentu, modulasi beban malah boleh kelihatan sebagai modulasi sampul dengan amplitud sifar.
Perlu diingat, masalah ini tidak terhad kepada peranti NFC mudah alih yang menggunakan ALM. Pada kad pasif pun fasa awalnya berbeza antara unit (contohnya perbezaan antara chip-on-module dan kad model lama), jadi ujian dengan pelbagai keadaan fasa turut berguna untuk meningkatkan kesalinghubungan dengan kad pasif.
Alat “PCD Phase Drift Immunity” daripada Quest
PCD Phase Drift Immunity yang tersedia dalam persekitaran Quest daripada KEOLABS ialah alat penilaian ciri untuk menguji ketahanan terminal (pembaca) terhadap segala gabungan fasa awal dan anjakan fasa yang mungkin ditunjukkan transponder. Keputusannya dipaparkan dalam plot Shmoo khusus ALM, jadi keseluruhan rangkaian ujian dapat difahami sekali imbas sekali gus ditelusuri hingga butiran keadaan tertentu.
Penyediaan
Lima peralatan berikut diperlukan:ProxiLAB Quest (stesen ujian tanpa sentuh), Active ISO Reference PICC, probe nyahmodulat, osiloskop, dan PC yang menjalankan Quest.
Dalam ISO 10373-6, Reference PICC ditakrifkan untuk menguji sama ada terminal “dapat menjana kekuatan medan magnet antara Hmin dan Hmax”, “dapat menghantar isyarat modulasi kepada transponder”, “dapat menerima modulasi beban pada aras minimum”, dan “tahan terhadap isyarat EMD daripada transponder”.ISO 10373-6 Edition 4 mentakrifkan kad rujukan baharu bernama “Active Reference PICC” yang digunakan untuk ujian ketahanan anjakan fasa. Active Reference PICC ini hanya boleh digunakan apabila digandingkan dengan alat ujian berkuasa yang mampu menjana isyarat modulasi, seperti ProxiLAB.
Cara penggunaan ― tiga langkah
Langkah 1: menetapkan parameter. Tetapkan gegelung Tx (Active PICC atau gegelung ID1 ringkas), piawaian (ISO 14443 atau EMVCo), jenis anjakan fasa (menyokong pelbagai protokol dan corak seperti Type A keadaan A1/A2 dan A3/A4, Type B keadaan B1/B2, serta Type F 212/424kbps), nilai mula, akhir, dan langkah bagi anjakan fasa mahupun fasa awal, had masa DUT, bilangan ulangan bagi setiap titik ukur, serta perlu atau tidaknya pengambilan surih digital atau analog.
Langkah 2: menjalankan rangkaian pengukuran. Menguji sama ada pembaca dapat memproses tindak balas transponder dengan betul pada kesemua keadaan yang ditetapkan. Masa yang diperlukan berbeza daripada beberapa saat hingga beberapa jam, bergantung pada bilangan titik ukur, bilangan ulangan, pengambilan surih, dan perilaku terminal.
Langkah 3: menganalisis keputusan. Keputusannya dipaparkan dalam tiga paparan: “anjakan fasa (Shmoo)”, “I/Q”, dan “konstelasi”.
Cara membaca keputusan
Pada plot Shmoo, paksi mendatar ialah anjakan fasa dan paksi menegak ialah fasa awal. Merah bermaksud kadar kejayaan transaksi 0%, jingga 1 hingga 99% (apabila ulangan dua kali atau lebih), dan hijau 100%, manakala segi empat biru menunjukkan had toleransi ISO (anjakan fasa ±30°). Klik dua kali pada mana-mana sel untuk melihat bentuk gelombang analog yang terakam pada keadaan tersebut.
Paparan I/Q menunjukkan komponen sefasa dan komponen kuadratur bagi isyarat PICC yang telah dinyahmodulat dengan medan magnet pembaca, pada paksi masa. Paparan konstelasi ialah perwakilan data I/Q dalam koordinat kutub, yang menjadi bukti visual bahawa keadaan anjakan fasa yang ditetapkan benar-benar dikenakan semasa ujian.
Rumusan
Ruang terhad pada peranti mudah alih memaksa penggunaan antena amat kecil, dan ALM ialah jawapan berkesan bagi masalah komunikasi itu. Namun kerana transponder tidak dapat mencerap medan RF pembaca, berlakulah penyahsegerakan frekuensi, iaitu anjakan fasa, yang boleh membawa kepada ralat penerimaan dan penyahkodan. Dengan alat Phase Drift Immunity, anda dapat mengesahkan “sama ada pembaca memenuhi had ISO”, “berapa besar margin yang tinggal di luar had”, dan “sama ada terdapat kawasan tidak berfungsi di dalam had”. Bukan sekadar menguji pada nilai had, sebaliknya memandang keseluruhan perilaku pembaca — itulah yang menumbuhkan keyakinan terhadap peranti.