Active Load Modulation(ALM）與 NFC 裝置測試覆蓋的擴充套件 ― 相位漂移耐受性測試
在智慧手機與可穿戴裝置中，可用於天線的空間極為有限。為了讓小型天線也能實現穩定的非接觸通訊，裝置廠商引入了 Active Load Modulation(ALM）。本文依據 KEOLABS 的白皮書《Increasing The Test Coverage of NFC Devices With Active Load Modulation》（2020 年 7 月），結合圖示講解 ALM 的原理、相位漂移引發的互操作性問題，以及用 Quest 環境的“PCD Phase Drift Immunity”工具進行的終端側耐受性測試。
要点
- ISO/IEC 14443-A/B 的傳統方式為被動負載調製。卡片由讀卡機磁場供電，透過負載的開關進行響應
- 在金屬外殼手機等裝置中，天線小型化到 Class 6 以下，耦合係數下降導致通訊難以成立。由電池供電的裝置主動傳送響應訊號，即為 ALM
- ALM 若無法與讀卡機磁場同步，就會產生相位漂移，在讀卡機一側表現為幅度變化（最壞情況為零幅度），成為接收錯誤的原因
- ISO 10373-6 Edition 4 中定義了用於相位漂移耐受性測試的 Active Reference PICC.
- KEOLABS Quest 的“PCD Phase Drift Immunity”工具，以 Shmoo 圖視覺化初始相位與相位漂移的全部組合，可一覽終端在 ISO 界限（±30°）內外的行為
背景：天線小型化與被動負載調製的侷限
NFC 的多數應用基於 ISO/IEC 14443-A/B，讀卡機（終端）與 ID-1 尺寸的應答器透過感應耦合通訊。應答器由讀卡機的電磁場供電，透過開關連線在天線上的被動負載來調製能量傳輸並返回資料。由於響應與讀卡機的射頻磁場同步，讀卡機側的解調較為容易。
隨著 ISO 14443-A/B 成為消費裝置的通用非接觸介面，天線的要求從 Class 1(ID-1 信用卡尺寸）縮小到遠小於它的 Class 6，在金屬一體化機身的智慧手機中更縮小到 Class 6 以下。天線越小，耦合係數（電磁鏈路強度）越低，能量傳輸率與工作距離隨之下降，最終導致通訊無法成立。應答器的回送能力同樣受限。
什麼是 Active Load Modulation
若天線無法再做大，改變應答器一側的供電方式就成為解決辦法。若裝置由電池供電，就可以生成與被動負載調製具有相同特性的訊號，並主動地傳送給讀卡機。若該訊號與讀卡機的射頻磁場相干，則透過相消干涉實現同步調製，從讀卡機看來，接收到的與傳統無電池卡片的幅度調製訊號相同。
問題在於“相位漂移”
若 ALM 得到正確實現與調校，讀卡機無法區分是被動還是主動。但若未能完全控制，就會引發互操作性問題。主因是負載調製相對於磁場的相位，以及該相位的漂移。ALM 透過 PLL 等與外部時鐘（讀卡機磁場）同步，但在資料傳送期間會切換為自由振盪，因此較長的命令可能導致失步。此外，讀卡機與應答器的內部時鐘（即使在 ISO 允許範圍內）也不會完全一致，於是產生非同步響應，即接收訊號的相位漂移。
非同步的響應在用讀卡機訊號解調時，表現為從 I 訊號向 Q 訊號的偏移，在基帶上則表現為調製幅度的變化。某些情況下，負載調製甚至會呈現為零幅度的包絡調製。
另外，該問題並不限於使用 ALM 的 NFC 移動裝置。被動卡片的初始相位也存在個體差異（如晶片模組封裝與傳統卡片的差別），因此改變相位條件進行測試，對提升與被動卡片的互操作性同樣有效。
Quest 的“PCD Phase Drift Immunity”工具
KEOLABS 的 Quest 環境所具備的 PCD Phase Drift Immunity，是用於測試終端（讀卡機）對應答器可能呈現的初始相位與相位漂移的全部組合的耐受性的特性評估工具。結果以 ALM 專用的 Shmoo 圖呈現，既可一覽整個測試專案，也能深入到特定條件的細節。
搭建
所需裝置為以下 5 項：ProxiLAB Quest（非接觸測試站）、Active ISO Reference PICC、解調探針、示波器，以及執行 Quest 的 PC。
在 ISO 10373-6 中，Reference PICC 的定義，是為了測試終端“能否產生 Hmin 以上、Hmax 以下的磁場強度”“能否嚮應答器傳送調製訊號”“能否接收最小電平的負載調製”“對來自應答器的 EMD 訊號是否具有耐受性”。在 ISO 10373-6 Edition 4 中，定義了用於相位漂移耐受性測試的新基準卡片“Active Reference PICC”。該 Active Reference PICC 需與能夠生成調製訊號的 ProxiLAB 這類強大測試工具組合，才能使用。
使用方法 ― 三個步驟
Step 1：設定引數。設定 Tx 線圈（Active PICC 或簡單的 ID1 線圈）、標準（ISO 14443/EMVCo）、相位漂移的類別（支援 Type A 條件 A1/A2 與 A3/A4、Type B 條件 B1/B2、Type F 212/424kbps 等多種協議與模式）、相位漂移與初始相位各自的起止與步長、DUT 超時、每個測量點的重複次數，以及是否採集數字與模擬波形。
Step 2：執行測量專案。針對所設定的全部條件，測試讀卡機能否正確處理應答器的響應。所需時間取決於測量點數、重複次數、是否採集波形以及終端行為，可能從數秒到數小時不等。
Step 3：分析結果。結果以“相位漂移（Shmoo）”“I/Q”與“星座圖”三個檢視呈現。
結果的解讀方法
Shmoo 圖的橫軸為相位漂移，縱軸為初始相位。紅＝交易成功率 0%，橙＝1〜99%（重複次數為 2 以上時），綠＝100%，藍色矩形表示 ISO 的允許界限（相位漂移 ±30°）。雙擊任意格子，即可檢視該條件下採集到的模擬波形。
I/Q 檢視以時間軸顯示用讀卡機磁場解調後的 PICC 訊號的同相分量與正交分量。星座圖檢視是 I/Q 資料的極座標表示，可直觀證明所設定的相位漂移條件在測試中被正確施加。
小結
移動裝置有限的空間迫使天線極度小型化，ALM 是應對該通訊問題的有效解法。但應答器無法觀測讀卡機的射頻磁場，因此會發生頻率失步，即相位漂移，進而可能導致接收與解調錯誤。使用 Phase Drift Immunity 工具，可以驗證“讀卡機是否符合 ISO 界限”“界限之外還有多少餘量”“界限之內是否存在不工作區域”。不僅測試界限值，還能俯瞰讀卡機的整體行為，這才能帶來對裝置的信心。