Active Load Modulation (ALM) กับการขยายความครอบคลุมการทดสอบอุปกรณ์ NFC ― การทดสอบความทนต่อการเลื่อนเฟส
ในสมาร์ตโฟนและอุปกรณ์สวมใส่ พื้นที่สำหรับเสาอากาศมีจำกัดอย่างยิ่ง สิ่งที่ผู้ผลิตอุปกรณ์นำมาใช้เพื่อให้การสื่อสารไร้สัมผัสมีเสถียรภาพด้วยเสาอากาศขนาดเล็ก คือ Active Load Modulation (ALM) บทความนี้อ้างอิงเอกสาร “Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation” ของ KEOLABS (กรกฎาคม 2020) เพื่ออธิบายกลไกของ ALM ปัญหาการทำงานร่วมกันที่เกิดจากการเลื่อนเฟส และการทดสอบความทนฝั่งเครื่องด้วยเครื่องมือ “PCD Phase Drift Immunity” ในสภาพแวดล้อม Quest พร้อมภาพประกอบ
ประเด็นสำคัญ
- วิธีเดิมของ ISO/IEC 14443-A/B คือการมอดูเลตโหลดแบบพาสซีฟ บัตรรับพลังงานจากสนามแม่เหล็กของเครื่องอ่าน แล้วตอบสนองด้วยการเปิดปิดโหลด
- ในสมาร์ตโฟนตัวเครื่องโลหะ เสาอากาศเล็กลงจนถึงระดับ Class 6 หรือต่ำกว่า ค่าสัมประสิทธิ์การคัปปลิงที่ลดลงทำให้การสื่อสารเกิดขึ้นได้ยาก ALM คือการที่อุปกรณ์ซึ่งมีแบตเตอรี่ส่งสัญญาณตอบกลับออกไปเอง
- หาก ALM ไม่สามารถซิงค์กับสนามแม่เหล็กของเครื่องอ่านได้ จะเกิดการเลื่อนเฟส ซึ่งฝั่งเครื่องอ่านจะเห็นเป็นการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูด (กรณีเลวร้ายที่สุดคือแอมพลิจูดเป็นศูนย์) และกลายเป็นสาเหตุของข้อผิดพลาดในการรับสัญญาณ
- ISO 10373-6 Edition 4 ได้นิยาม Active Reference PICC สำหรับการทดสอบความทนต่อการเลื่อนเฟส
- เครื่องมือ “PCD Phase Drift Immunity” ของ KEOLABS Quest แสดงผลทุกการผสมกันของเฟสเริ่มต้นและการเลื่อนเฟสด้วย Shmoo plot ทำให้เห็นพฤติกรรมของเครื่องทั้งภายในและภายนอกขีดจำกัดของ ISO (±30°) ได้ในภาพเดียว
ภูมิหลัง: เสาอากาศที่เล็กลงกับข้อจำกัดของการมอดูเลตโหลดแบบพาสซีฟ
แอปพลิเคชัน NFC ส่วนใหญ่อ้างอิง ISO/IEC 14443-A/B โดยเครื่องอ่าน (เครื่องปลายทาง) กับทรานสปอนเดอร์ขนาด ID-1 สื่อสารกันด้วยการคัปปลิงแบบเหนี่ยวนำ ทรานสปอนเดอร์รับพลังงานจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องอ่าน แล้วมอดูเลตการส่งพลังงานด้วยการเปิดปิดโหลดพาสซีฟที่ต่อกับเสาอากาศเพื่อส่งข้อมูลกลับ เนื่องจากการตอบสนองซิงค์กับสนาม RF ของเครื่องอ่าน การถอดรหัสฝั่งเครื่องอ่านจึงทำได้ง่าย
เมื่อ ISO 14443-A/B กลายเป็นอินเทอร์เฟซไร้สัมผัสทั่วไปของอุปกรณ์ผู้บริโภค ข้อกำหนดของเสาอากาศก็เล็กลงจาก Class 1 (ขนาดบัตรเครดิต ID-1) ไปสู่ Class 6 ที่เล็กกว่ามาก และในสมาร์ตโฟนตัวเครื่องโลหะชิ้นเดียวยังเล็กลงไปอีกจนต่ำกว่า Class 6 ยิ่งเสาอากาศเล็กลง ค่าสัมประสิทธิ์การคัปปลิง (ความแรงของลิงก์แม่เหล็กไฟฟ้า) ยิ่งลดลง อัตราการส่งพลังงานและระยะทำงานก็ลดลง จนในที่สุดการสื่อสารก็ไม่เกิดขึ้น ความสามารถในการส่งกลับจากทรานสปอนเดอร์ก็ถูกจำกัดเช่นกัน
Active Load Modulation คืออะไร
หากไม่สามารถทำให้เสาอากาศใหญ่ขึ้นได้อีก ทางออกคือเปลี่ยนแหล่งพลังงานฝั่งทรานสปอนเดอร์ อุปกรณ์ที่มีแบตเตอรี่สามารถสร้างสัญญาณที่มีคุณลักษณะเหมือนการมอดูเลตโหลดแบบพาสซีฟ แล้วส่งไปยังเครื่องอ่านอย่างแอ็กทีฟได้ หากสัญญาณนี้สอดคล้องเชิงเฟส (coherent) กับสนาม RF ของเครื่องอ่าน การมอดูเลตแบบซิงโครนัสจะเกิดขึ้นด้วยการแทรกสอดแบบหักล้าง และในมุมของเครื่องอ่านจะรับเป็นสัญญาณมอดูเลตแอมพลิจูดเช่นเดียวกับบัตรไร้แบตเตอรี่แบบเดิม
ปัญหาอยู่ที่ “การเลื่อนเฟส”
หาก ALM ถูกพัฒนาและปรับจูนอย่างถูกต้อง เครื่องอ่านจะแยกไม่ออกว่าเป็นแบบพาสซีฟหรือแอ็กทีฟ แต่หากควบคุมได้ไม่สมบูรณ์ ก็จะเกิดปัญหาการทำงานร่วมกัน สาเหตุหลักคือเฟสสัมพัทธ์ของการมอดูเลตโหลดเทียบกับสนามแม่เหล็ก และการเลื่อนของเฟสนั้น ALM ซิงค์กับสัญญาณนาฬิกาภายนอก (สนามแม่เหล็กของเครื่องอ่าน) ด้วย PLL หรือวิธีอื่น แต่ระหว่างส่งข้อมูลจะเปลี่ยนเป็นโหมดอิสระ จึงอาจหลุดการซิงค์เมื่อคำสั่งมีความยาวมาก ยิ่งไปกว่านั้น สัญญาณนาฬิกาภายในของเครื่องอ่านกับทรานสปอนเดอร์ไม่ตรงกันสนิท (แม้จะอยู่ในเกณฑ์ที่ ISO ยอมรับ) จึงเกิดการตอบสนองแบบไม่ซิงโครนัส นั่นคือการเลื่อนเฟสของสัญญาณที่รับได้
การตอบสนองแบบไม่ซิงโครนัส เมื่อถอดรหัสด้วยสัญญาณของเครื่องอ่าน จะสังเกตได้เป็นการเลื่อนจากสัญญาณ I ไปยังสัญญาณ Q และในเบสแบนด์จะปรากฏเป็นการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดการมอดูเลต ในบางกรณีการมอดูเลตโหลดอาจดูเป็นการมอดูเลตซองสัญญาณที่มีแอมพลิจูดเป็นศูนย์ ได้ด้วยซ้ำ
อนึ่ง ปัญหานี้ไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะอุปกรณ์พกพา NFC ที่ใช้ ALM แม้แต่บัตรพาสซีฟ เฟสเริ่มต้นก็ต่างกันไปในแต่ละใบ (เช่น ความต่างระหว่างชิปออนโมดูลกับบัตรแบบเดิม) การทดสอบโดยเปลี่ยนเงื่อนไขเฟสจึงช่วยเพิ่มความสามารถทำงานร่วมกับบัตรพาสซีฟได้ด้วย
เครื่องมือ “PCD Phase Drift Immunity” ของ Quest
PCD Phase Drift Immunity ที่มาพร้อมสภาพแวดล้อม Quest ของ KEOLABS เป็นเครื่องมือประเมินคุณลักษณะ สำหรับทดสอบความทนของเครื่อง (เครื่องอ่าน) ต่อทุกการผสมกันของเฟสเริ่มต้นและการเลื่อนเฟส ที่ทรานสปอนเดอร์อาจแสดงออก ผลลัพธ์แสดงด้วย Shmoo plot เฉพาะสำหรับ ALM ทำให้เห็นภาพรวมของทั้งชุดการทดสอบได้ในพริบตา พร้อมเจาะลงรายละเอียดของเงื่อนไขที่ต้องการได้
การติดตั้ง
อุปกรณ์ที่ต้องใช้มี 5 รายการ ได้แก่ProxiLAB Quest (สถานีทดสอบไร้สัมผัส), Active ISO Reference PICC, โพรบถอดรหัส, ออสซิลโลสโคป และ PC ที่รัน Quest
ใน ISO 10373-6 มีการนิยาม Reference PICC ไว้เพื่อทดสอบว่าเครื่อง “สร้างความเข้มสนามแม่เหล็กได้ตั้งแต่ Hmin ถึง Hmax หรือไม่” “ส่งสัญญาณมอดูเลตไปยังทรานสปอนเดอร์ได้หรือไม่” “รับการมอดูเลตโหลดระดับต่ำสุดได้หรือไม่” และ “ทนต่อสัญญาณ EMD จากทรานสปอนเดอร์ได้หรือไม่”ใน ISO 10373-6 Edition 4 ได้นิยามบัตรอ้างอิงแบบใหม่ “Active Reference PICC” สำหรับใช้ทดสอบความทนต่อการเลื่อนเฟส Active Reference PICC นี้จะใช้งานได้ก็ต่อเมื่อจับคู่กับเครื่องมือทดสอบที่ทรงพลังอย่าง ProxiLAB ซึ่งสร้างสัญญาณมอดูเลตได้
วิธีใช้ ― สามขั้นตอน
ขั้นที่ 1: ตั้งค่าพารามิเตอร์ตั้งค่าคอยล์ Tx (Active PICC หรือคอยล์ ID1 แบบธรรมดา), มาตรฐาน (ISO 14443 หรือ EMVCo), ชนิดของการเลื่อนเฟส (รองรับหลายโปรโตคอลและรูปแบบ เช่น Type A เงื่อนไข A1/A2 และ A3/A4, Type B เงื่อนไข B1/B2, Type F ที่ 212/424kbps), ค่าเริ่มต้น สิ้นสุด และขั้นของทั้งการเลื่อนเฟสและเฟสเริ่มต้น, เวลาหมดของ DUT, จำนวนครั้งที่ทำซ้ำต่อจุดวัด และว่าจะเก็บร่องรอยแบบดิจิทัลหรืออนาล็อกหรือไม่
ขั้นที่ 2: รันชุดการวัดทดสอบว่าเครื่องอ่านประมวลผลการตอบสนองของทรานสปอนเดอร์ได้ถูกต้องหรือไม่ ในทุกเงื่อนไขที่ตั้งไว้ เวลาที่ใช้อยู่ระหว่างไม่กี่วินาทีถึงหลายชั่วโมง ขึ้นกับจำนวนจุดวัด จำนวนครั้งที่ทำซ้ำ การเก็บร่องรอย และพฤติกรรมของเครื่อง
ขั้นที่ 3: วิเคราะห์ผลผลลัพธ์แสดงในสามมุมมอง ได้แก่ “การเลื่อนเฟส (Shmoo)” “I/Q” และ “คอนสเตลเลชัน”
วิธีอ่านผลลัพธ์
Shmoo plot มีแกนนอนเป็นการเลื่อนเฟส และแกนตั้งเป็นเฟสเริ่มต้นแดง = อัตราสำเร็จของธุรกรรม 0%, ส้ม = 1 ถึง 99% (เมื่อทำซ้ำตั้งแต่ 2 ครั้งขึ้นไป), เขียว = 100% ส่วนกรอบสี่เหลี่ยมสีน้ำเงินแสดงขีดจำกัดที่ ISO ยอมรับ (การเลื่อนเฟส ±30°) ดับเบิลคลิกที่ช่องใดก็ได้เพื่อดูรูปคลื่นอนาล็อกที่เก็บไว้ของเงื่อนไขนั้น
มุมมอง I/Q แสดงองค์ประกอบอินเฟสและควอเดรเจอร์ของสัญญาณ PICC ที่ถอดรหัสด้วยสนามแม่เหล็กของเครื่องอ่านบนแกนเวลา ส่วนมุมมองคอนสเตลเลชันคือการแสดง I/Q ในพิกัดเชิงขั้ว ซึ่งเป็นหลักฐานเชิงภาพว่าเงื่อนไขการเลื่อนเฟสที่ตั้งไว้ถูกใส่เข้าไปอย่างถูกต้องระหว่างการทดสอบ
สรุป
พื้นที่อันจำกัดของอุปกรณ์พกพาบังคับให้ใช้เสาอากาศขนาดเล็กมาก และ ALM คือทางออกที่ได้ผลสำหรับปัญหาการสื่อสารนั้น อย่างไรก็ตาม ทรานสปอนเดอร์ไม่สามารถสังเกตสนาม RF ของเครื่องอ่านได้ จึงเกิดการหลุดซิงค์ของความถี่ นั่นคือการเลื่อนเฟส ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการรับและถอดรหัส เครื่องมือ Phase Drift Immunity ช่วยให้ตรวจสอบได้ว่า “เครื่องอ่านเป็นไปตามขีดจำกัดของ ISO หรือไม่” “นอกขีดจำกัดยังมีระยะเผื่ออีกเท่าใด” และ “ภายในขีดจำกัดมีบริเวณที่ไม่ทำงานหรือไม่” การมองภาพรวมพฤติกรรมของเครื่องอ่าน ไม่ใช่เพียงทดสอบที่ค่าขีดจำกัด คือสิ่งที่นำไปสู่ความมั่นใจในอุปกรณ์