Active Load Modulation（ALM）と NFC 機器のテストカバレッジ拡大 ― 位相ドリフト耐性試験
スマートフォンやウェアラブルでは、アンテナに使える空間が極めて限られます。小型アンテナで安定した非接触通信を成立させるために機器メーカーが導入したのが Active Load Modulation（ALM）です。本稿では、KEOLABS のホワイトペーパー「Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation」（2020年7月）をもとに、ALM の仕組み、位相ドリフトが引き起こす相互運用性問題、そして Quest 環境の「PCD Phase Drift Immunity」ツールによる端末側の耐性試験を、図版付きで解説します。
要点
- ISO/IEC 14443-A/B の従来方式は受動的な負荷変調。カードはリーダー磁界から給電され、負荷のON/OFFで応答する
- 金属筐体スマホ等ではアンテナが Class 6 以下まで小型化し、結合係数の低下で通信が成立しにくくなる。電池駆動の機器が応答信号を能動送信するのが ALM
- ALM はリーダー磁界と同期できないと位相ドリフトが生じ、リーダー側では振幅変化（最悪はゼロ振幅）に見えて受信エラーの原因になる
- ISO 10373-6 Edition 4 で位相ドリフト耐性試験用の Active Reference PICC が定義された
- KEOLABS Quest の「PCD Phase Drift Immunity」ツールは、初期位相×位相ドリフトの全組合せを Shmoo プロットで可視化し、ISO 限界（±30°）内外の端末挙動を一望できる
背景：小型アンテナ化と受動負荷変調の限界
NFC の多くのアプリケーションは ISO/IEC 14443-A/B に基づき、リーダー（端末）と ID-1 サイズのトランスポンダが誘導結合で通信します。トランスポンダはリーダーの電磁界から給電され、アンテナに接続した受動負荷をON/OFFすることで電力伝達を変調し、データを返します。応答はリーダーのRF磁界に同期するため、リーダー側の復号は容易です。
ISO14443-A/B が民生機器の汎用非接触インターフェースになるにつれ、アンテナの要件は Class 1（ID-1 クレジットカード判）からはるかに小さい Class 6 へ、金属ユニボディのスマートフォンではさらに小さいサブ Class 6 へと縮小しています。アンテナが小さくなるほど結合係数（電磁的リンク強度）が下がり、エネルギー伝達率と動作距離が低下し、やがて通信が成立しなくなります。トランスポンダからの返送能力も同様に制約されます。
Active Load Modulation とは
アンテナをこれ以上大きくできないなら、トランスポンダ側の電源を変えるのが解決策になります。電池駆動の機器であれば、受動負荷変調と同じ特性を持つ信号を生成し、能動的にリーダーへ送信できます。この信号がリーダーのRF磁界とコヒーレントであれば破壊的干渉により同期変調が成立し、リーダーから見れば従来の電池レスカードと同じ振幅変調信号として受信されます。
問題は「位相ドリフト」
ALM が正しく実装・調整されていれば、リーダーは受動か能動かを区別できません。しかし完全に制御できていない場合、相互運用性問題を引き起こします。主因は、負荷変調の磁界に対する相対位相と、その位相のドリフトです。ALM は外部クロック（リーダー磁界）への同期を PLL 等で行いますが、データ送信中はフリーホイールに切り替わるため、長いコマンドで脱同期が起こり得ます。さらにリーダーとトランスポンダの内部クロックは（ISO 許容内であっても）完全一致しないため、非同期応答＝受信信号の位相ドリフトが生じます。
非同期の応答は、リーダー信号で復調すると I 信号から Q 信号へのシフトとして観測され、ベースバンドでは変調振幅の変化として現れます。場合によっては負荷変調がゼロ振幅の包絡線変調に見えることさえあります。
なお、この問題はALMを使うNFCモバイル機器に限りません。受動カードでも初期位相は個体差があり（チップ・オン・モジュールと従来カードの違いなど）、位相条件を振った試験は受動カードとの相互運用性向上にも有効です。
Quest の「PCD Phase Drift Immunity」ツール
KEOLABS の Quest 環境が備える PCD Phase Drift Immunity は、トランスポンダが示し得る初期位相と位相ドリフトのあらゆる組合せに対する端末（リーダー）の耐性を試験するための特性評価ツールです。結果は ALM 専用の Shmoo プロットで提示され、テストキャンペーン全体を一目で把握しつつ、特定条件の詳細にも掘り下げられます。
セットアップ
必要な機材は次の5点です：ProxiLAB Quest（非接触テストステーション）、Active ISO Reference PICC、復調プローブ、オシロスコープ、そして Quest を実行するPC。
ISO 10373-6 において Reference PICC は、端末が「Hmin 以上 Hmax 以下の磁界強度を生成できるか」「トランスポンダへ変調信号を送信できるか」「最小レベルの負荷変調を受信できるか」「トランスポンダからの EMD 信号に耐性があるか」を試験するために定義されています。ISO 10373-6 Edition 4 では、位相ドリフト耐性試験に用いる新しい基準カード「Active Reference PICC」が定義されました。この Active Reference PICC は、変調信号を生成できる ProxiLAB のような強力なテストツールと組み合わせて初めて使用できます。
使い方 ― 3ステップ
Step 1：パラメータ設定。Txコイル（Active PICC または単純な ID1 コイル）、規格（ISO14443 / EMVCo）、位相ドリフトの種別（Type A 条件 A1/A2・A3/A4、Type B 条件 B1/B2、Type F 212/424kbps など複数のプロトコル・パターンに対応）、位相ドリフトと初期位相それぞれの開始/終了/ステップ、DUTタイムアウト、測定点あたりの反復回数、デジタル/アナログトレース取得の要否を設定します。
Step 2：測定キャンペーン実行。設定した全条件について、リーダーがトランスポンダ応答を正しく処理できるかを試験します。測定点数・反復回数・トレース取得・端末挙動によって、所要時間は数秒から数時間まで変わります。
Step 3：結果分析。結果は「位相ドリフト（Shmoo）」「I/Q」「コンステレーション」の3ビューで提示されます。
結果の読み方
Shmoo プロットは横軸が位相ドリフト、縦軸が初期位相。赤＝取引成功率0%、橙＝1〜99%（反復回数2以上のとき）、緑＝100%を表し、青い矩形が ISO の許容限界（位相ドリフト±30°）を示します。任意のマスをダブルクリックすると、その条件のアナログ取得波形を確認できます。
I/Q ビューは、リーダー磁界で復調した PICC 信号の同相成分と直交成分を時間軸で表示します。コンステレーションビューは I/Q データの極座標表現で、設定した位相ドリフト条件が試験中に正しく印加されていることの視覚的な証明になります。
まとめ
モバイル機器の限られた空間は極小アンテナを強い、ALM はその通信問題への有効な解です。ただしトランスポンダはリーダーのRF磁界を観測できないため周波数の脱同期＝位相ドリフトが起こり、受信・復号エラーにつながり得ます。Phase Drift Immunity ツールを使えば、「リーダーが ISO 限界に適合しているか」「限界の外側にどれだけマージンがあるか」「限界の内側に不動作領域がないか」を検証できます。限界値の試験だけでなく、リーダーの挙動全体を俯瞰することが、機器への確信につながります。