Active Load Modulation (ALM) và việc mở rộng độ bao phủ kiểm thử thiết bị NFC ― kiểm thử khả năng chịu trôi pha

Bối cảnh: ăng-ten thu nhỏ và giới hạn của điều chế tải thụ động

Phần lớn ứng dụng NFC dựa trên ISO/IEC 14443-A/B, trong đó đầu đọc (thiết bị) và transponder kích thước ID-1 liên lạc bằng ghép nối cảm ứng. Transponder được cấp nguồn từ trường điện từ của đầu đọc, rồi điều chế việc truyền công suất bằng cách bật tắt tải thụ động nối với ăng-ten để gửi dữ liệu về. Vì phản hồi đồng bộ với từ trường RF của đầu đọc nên phía đầu đọc giải mã dễ dàng.

Khi ISO 14443-A/B trở thành giao diện không tiếp xúc phổ dụng của thiết bị dân dụng, yêu cầu ăng-ten thu nhỏ từ Class 1 (khổ thẻ tín dụng ID-1) xuống Class 6 nhỏ hơn nhiều, và trên điện thoại vỏ kim loại nguyên khối còn nhỏ hơn nữa, xuống dưới Class 6. Ăng-ten càng nhỏ thì hệ số ghép nối (độ mạnh của liên kết điện từ) càng giảm, hiệu suất truyền năng lượng và khoảng cách hoạt động cũng giảm, và cuối cùng liên lạc không còn thành. Khả năng gửi ngược từ transponder cũng bị ràng buộc tương tự.

Active Load Modulation là gì

Nếu không thể làm ăng-ten lớn hơn nữa, giải pháp là thay đổi nguồn cấp phía transponder. Với thiết bị chạy bằng pin, có thể tạo tín hiệu có cùng đặc tính với điều chế tải thụ động rồi chủ động gửi đến đầu đọc. Nếu tín hiệu này đồng pha với từ trường RF của đầu đọc, điều chế đồng bộ sẽ hình thành nhờ giao thoa triệt tiêu, và dưới góc nhìn của đầu đọc, nó được nhận như tín hiệu điều chế biên độ giống hệt thẻ không pin truyền thống.

Vấn đề nằm ở “trôi pha”

Nếu ALM được triển khai và tinh chỉnh đúng, đầu đọc không phân biệt được đâu là thụ động, đâu là chủ động. Nhưng khi không kiểm soát được hoàn toàn, nó gây ra vấn đề tương thích. Nguyên nhân chính là pha tương đối của điều chế tải so với từ trường, và sự trôi của pha đó. ALM đồng bộ với xung nhịp bên ngoài (từ trường của đầu đọc) bằng PLL hoặc cơ chế tương tự, nhưng trong lúc truyền dữ liệu lại chuyển sang chạy tự do, nên với lệnh dài có thể mất đồng bộ. Thêm nữa, xung nhịp nội bộ của đầu đọc và transponder không trùng khớp hoàn toàn (dù vẫn nằm trong dung sai của ISO), dẫn đến phản hồi không đồng bộ, tức trôi pha của tín hiệu nhận được.

Phản hồi không đồng bộ, khi giải điều chế bằng tín hiệu của đầu đọc, được quan sát như dịch chuyển từ tín hiệu I sang tín hiệu Q, và ở băng gốc thì biểu hiện thành biến thiên biên độ điều chế. Trong một số trường hợp, điều chế tải thậm chí trông như điều chế đường bao với biên độ bằng không.

Vấn đề này không chỉ giới hạn ở thiết bị NFC di động dùng ALM. Ngay cả thẻ thụ động cũng có pha ban đầu khác nhau giữa từng cá thể (chẳng hạn khác biệt giữa chip-on-module và thẻ truyền thống), nên kiểm thử với nhiều điều kiện pha cũng hữu ích để cải thiện khả năng tương thích với thẻ thụ động.

Công cụ “PCD Phase Drift Immunity” của Quest

PCD Phase Drift Immunity có trong môi trường Quest của KEOLABS là công cụ đánh giá đặc tính, dùng để kiểm thử khả năng chịu đựng của thiết bị (đầu đọc) trước mọi tổ hợp giữa pha ban đầu và trôi pha mà transponder có thể thể hiện. Kết quả được trình bày bằng biểu đồ Shmoo dành riêng cho ALM, cho phép nắm bắt toàn bộ đợt kiểm thử trong một cái nhìn, đồng thời đào sâu vào chi tiết của từng điều kiện cụ thể.

Thiết lập

Cần năm thiết bị sau:ProxiLAB Quest (trạm kiểm thử không tiếp xúc), Active ISO Reference PICC, đầu dò giải điều chế, máy hiện sóng và máy tính chạy Quest.

Trong ISO 10373-6, Reference PICC được định nghĩa để kiểm thử xem thiết bị có “tạo được cường độ từ trường từ Hmin đến Hmax”, “gửi được tín hiệu điều chế đến transponder”, “nhận được điều chế tải ở mức tối thiểu” và “chịu được tín hiệu EMD từ transponder” hay không. ISO 10373-6 Edition 4 đã định nghĩa thẻ chuẩn mới “Active Reference PICC” dùng cho kiểm thử khả năng chịu trôi pha. Active Reference PICC này chỉ dùng được khi kết hợp với công cụ kiểm thử mạnh có khả năng tạo tín hiệu điều chế, chẳng hạn ProxiLAB.

Cách dùng ― ba bước

Bước 1: thiết lập tham số. Thiết lập cuộn Tx (Active PICC hoặc cuộn ID1 đơn giản), tiêu chuẩn (ISO 14443 hoặc EMVCo), loại trôi pha (hỗ trợ nhiều giao thức và mẫu như Type A điều kiện A1/A2 và A3/A4, Type B điều kiện B1/B2, Type F ở 212/424kbps), giá trị bắt đầu, kết thúc và bước nhảy cho cả trôi pha lẫn pha ban đầu, thời gian chờ của DUT, số lần lặp trên mỗi điểm đo, và việc có lấy vết digital hay analog hay không.

Bước 2: chạy đợt đo. Kiểm thử xem đầu đọc có xử lý đúng phản hồi của transponder hay không, trên toàn bộ điều kiện đã thiết lập. Thời gian cần thiết dao động từ vài giây đến vài giờ, tùy số điểm đo, số lần lặp, việc lấy vết và hành vi của thiết bị.

Bước 3: phân tích kết quả. Kết quả được trình bày qua ba khung nhìn: “trôi pha (Shmoo)”, “I/Q” và “chòm sao tín hiệu”.

Cách đọc kết quả

Biểu đồ Shmoo có trục ngang là trôi pha, trục dọc là pha ban đầu.Đỏ = tỷ lệ giao dịch thành công 0%, cam = 1 đến 99% (khi số lần lặp từ 2 trở lên), xanh lá = 100%, còn hình chữ nhật màu xanh dương biểu thị giới hạn cho phép của ISO (trôi pha ±30°). Nhấp đúp vào ô bất kỳ để xem dạng sóng analog đã thu của điều kiện đó.

Khung nhìn I/Q hiển thị thành phần đồng pha và thành phần vuông pha của tín hiệu PICC đã giải điều chế bằng từ trường của đầu đọc, theo trục thời gian. Khung nhìn chòm sao là biểu diễn dữ liệu I/Q trong tọa độ cực, đóng vai trò bằng chứng trực quan rằng điều kiện trôi pha đã thiết lập được áp dụng đúng trong lúc kiểm thử.

Tổng kết

Không gian hạn chế của thiết bị di động buộc phải dùng ăng-ten cực nhỏ, và ALM là lời giải hữu hiệu cho bài toán liên lạc đó. Tuy nhiên, vì transponder không quan sát được từ trường RF của đầu đọc nên xảy ra mất đồng bộ tần số, tức trôi pha, và điều này có thể dẫn đến lỗi nhận và giải mã. Với công cụ Phase Drift Immunity, ta kiểm tra được “đầu đọc có tuân thủ giới hạn của ISO hay không”, “bên ngoài giới hạn còn bao nhiêu biên độ dự phòng” và “bên trong giới hạn có vùng nào không hoạt động hay không”. Không chỉ kiểm thử ở giá trị giới hạn, mà nhìn bao quát toàn bộ hành vi của đầu đọc mới là điều dẫn đến sự tin tưởng vào thiết bị.