Active Load Modulation(ALM）与 NFC 设备测试覆盖的扩展 ― 相位漂移耐受性测试
在智能手机与可穿戴设备中，可用于天线的空间极为有限。为了让小型天线也能实现稳定的非接触通信，设备厂商引入了 Active Load Modulation(ALM）。本文依据 KEOLABS 的白皮书《Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation》（2020 年 7 月），结合图示讲解 ALM 的原理、相位漂移引发的互操作性问题，以及用 Quest 环境的“PCD Phase Drift Immunity”工具进行的终端侧耐受性测试。
要点
- ISO/IEC 14443-A/B 的传统方式为被动负载调制。卡片由读卡器磁场供电，通过负载的开关进行响应
- 在金属外壳手机等设备中，天线小型化到 Class 6 以下，耦合系数下降导致通信难以成立。由电池供电的设备主动发送响应信号，即为 ALM
- ALM 若无法与读卡器磁场同步，就会产生相位漂移，在读卡器一侧表现为幅度变化（最坏情况为零幅度），成为接收错误的原因
- ISO 10373-6 Edition 4 中定义了用于相位漂移耐受性测试的 Active Reference PICC.
- KEOLABS Quest 的“PCD Phase Drift Immunity”工具，以 Shmoo 图可视化初始相位与相位漂移的全部组合，可一览终端在 ISO 界限（±30°）内外的行为
背景：天线小型化与被动负载调制的局限
NFC 的多数应用基于 ISO/IEC 14443-A/B，读卡器（终端）与 ID-1 尺寸的应答器通过感应耦合通信。应答器由读卡器的电磁场供电，通过开关连接在天线上的被动负载来调制能量传输并返回数据。由于响应与读卡器的射频磁场同步，读卡器侧的解调较为容易。
随着 ISO 14443-A/B 成为消费设备的通用非接触接口，天线的要求从 Class 1(ID-1 信用卡尺寸）缩小到远小于它的 Class 6，在金属一体化机身的智能手机中更缩小到 Class 6 以下。天线越小，耦合系数（电磁链路强度）越低，能量传输率与工作距离随之下降，最终导致通信无法成立。应答器的回送能力同样受限。
什么是 Active Load Modulation
若天线无法再做大，改变应答器一侧的供电方式就成为解决办法。若设备由电池供电，就可以生成与被动负载调制具有相同特性的信号，并主动地发送给读卡器。若该信号与读卡器的射频磁场相干，则通过相消干涉实现同步调制，从读卡器看来，接收到的与传统无电池卡片的幅度调制信号相同。
问题在于“相位漂移”
若 ALM 得到正确实现与调校，读卡器无法区分是被动还是主动。但若未能完全控制，就会引发互操作性问题。主因是负载调制相对于磁场的相位，以及该相位的漂移。ALM 通过 PLL 等与外部时钟（读卡器磁场）同步，但在数据发送期间会切换为自由振荡，因此较长的命令可能导致失步。此外，读卡器与应答器的内部时钟（即使在 ISO 允许范围内）也不会完全一致，于是产生异步响应，即接收信号的相位漂移。
异步的响应在用读卡器信号解调时，表现为从 I 信号向 Q 信号的偏移，在基带上则表现为调制幅度的变化。某些情况下，负载调制甚至会呈现为零幅度的包络调制。
另外，该问题并不限于使用 ALM 的 NFC 移动设备。被动卡片的初始相位也存在个体差异（如芯片模块封装与传统卡片的差别），因此改变相位条件进行测试，对提升与被动卡片的互操作性同样有效。
Quest 的“PCD Phase Drift Immunity”工具
KEOLABS 的 Quest 环境所具备的 PCD Phase Drift Immunity，是用于测试终端（读卡器）对应答器可能呈现的初始相位与相位漂移的全部组合的耐受性的特性评估工具。结果以 ALM 专用的 Shmoo 图呈现，既可一览整个测试项目，也能深入到特定条件的细节。
搭建
所需设备为以下 5 项：ProxiLAB Quest（非接触测试站）、Active ISO Reference PICC、解调探针、示波器，以及运行 Quest 的 PC。
在 ISO 10373-6 中，Reference PICC 的定义，是为了测试终端“能否产生 Hmin 以上、Hmax 以下的磁场强度”“能否向应答器发送调制信号”“能否接收最小电平的负载调制”“对来自应答器的 EMD 信号是否具有耐受性”。在 ISO 10373-6 Edition 4 中，定义了用于相位漂移耐受性测试的新基准卡片“Active Reference PICC”。该 Active Reference PICC 需与能够生成调制信号的 ProxiLAB 这类强大测试工具组合，才能使用。
使用方法 ― 三个步骤
Step 1：设置参数。设置 Tx 线圈（Active PICC 或简单的 ID1 线圈）、标准（ISO 14443/EMVCo）、相位漂移的类别（支持 Type A 条件 A1/A2 与 A3/A4、Type B 条件 B1/B2、Type F 212/424kbps 等多种协议与模式）、相位漂移与初始相位各自的起止与步长、DUT 超时、每个测量点的重复次数，以及是否采集数字与模拟波形。
Step 2：执行测量项目。针对所设置的全部条件，测试读卡器能否正确处理应答器的响应。所需时间取决于测量点数、重复次数、是否采集波形以及终端行为，可能从数秒到数小时不等。
Step 3：分析结果。结果以“相位漂移（Shmoo）”“I/Q”与“星座图”三个视图呈现。
结果的解读方法
Shmoo 图的横轴为相位漂移，纵轴为初始相位。红＝交易成功率 0%，橙＝1〜99%（重复次数为 2 以上时），绿＝100%，蓝色矩形表示 ISO 的允许界限（相位漂移 ±30°）。双击任意格子，即可查看该条件下采集到的模拟波形。
I/Q 视图以时间轴显示用读卡器磁场解调后的 PICC 信号的同相分量与正交分量。星座图视图是 I/Q 数据的极坐标表示，可直观证明所设置的相位漂移条件在测试中被正确施加。
小结
移动设备有限的空间迫使天线极度小型化，ALM 是应对该通信问题的有效解法。但应答器无法观测读卡器的射频磁场，因此会发生频率失步，即相位漂移，进而可能导致接收与解调错误。使用 Phase Drift Immunity 工具，可以验证“读卡器是否符合 ISO 界限”“界限之外还有多少余量”“界限之内是否存在不工作区域”。不仅测试界限值，还能俯瞰读卡器的整体行为，这才能带来对设备的信心。