非接觸式IC卡中的射頻識別技術

前言

IC卡，英文名稱為“Integrated Circuit”，有些國家和地區稱之為靈巧卡（Smart Card）、芯片卡（Chip Card）或稱為智能卡（Intelligent Card），是法國人Roland Morono于1972年發明的，到現今已有30年的歷史了。它包含了微電子技術和計算機技術，作為一種成熟的高技術產品，IC卡提高了人們生活的工作的現代化程度，已成為一個國家科技發展水平的標志之一。

射頻識別技術（Radio Frequency Identify），是通過無線電波供給能量和進行數據的傳遞。其包含了微電子技術和無線通訊技術，廣泛的應用于近距離的通信和識別系統中。

非接觸IC卡又稱射頻卡，是世界上近幾年發展起來的一項新技術，同時也是射頻識別技術和IC卡技術有機結合的產物。它解決了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子技術應用領域的一大突破。

1.射頻識別技術

射頻識別系統由兩部分組成，應答器和錄呼器。尋呼器的主要組成部分是無線收發機，在應答器內有感應線圈（天線）及用于存儲有關應用標識信息的存儲器。

非接觸IC卡工作過程為：

• (1) 讀寫終端不斷向周圍發一組固定頻率的電磁波，非接觸式IC卡的工作頻率一般為13.56MHz。
• (2) 非接觸卡片內有一個LC串聯諧振電路，當它進入讀寫終端的工作區域內，而且頻率與讀寫終端發送的頻率相同，這樣，在電磁激勵下，LC諧振電路產生共振。
• (3) 共振使卡內的電容有了負荷，在電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內存儲，當所積累的電荷達到2V時此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。
• (4) CMOS集成電路中的有關控制邏輯電路對接收到的信號進行解碼。
• (5) 根據解碼信息判斷讀寫終端發來的命令要求，若是讀取信息則控制邏輯電路從存儲器中讀取有關信息；若是修改信息則有關控制邏輯啟動電壓泵將2V工作電壓提升到15V，以便對存儲器（EEPROM）中內容進行重新寫入編程。
• (6) 當電容放電時，非接觸卡內的發射電路就將從存儲其中讀取的數據信息及相關信息發送給讀寫終端。
• (7) 讀寫終端對接收到的信息進行處理。 射頻識別系統使用的頻段可以分為低頻和高頻兩類，當工作頻率越高，讀卡器和卡之間的通訊速度就越快，系統的工作時間就越短。

2.射頻技術在非接觸式IC卡中的實現

非接觸IC卡又稱為射頻IC卡，即使用了射頻技術的IC卡。要在IC卡中實現射頻技術需要解決許多的技術難題，所需考慮的如：

（1）安全機制問題：因為射頻技術的特點，導致IC卡中數據在通信過程中被截取的可能性很大，如何防止保密信息的泄漏是一大問題。作為安全性的解決辦法之一，射頻信號傳輸的是通過加密處理的數據，必須有同樣的解密算法才能破解其中的信息，并且在實現通訊之前必須先進行讀卡機具和卡的相互認證才可繼續進行通訊。這就保證了射頻信號不會被中途截取并破解，保證了系統的安全性。

（2）防沖突機制：如果在操作過程中同時出現多張卡，如何防止卡之間的數據干擾，保證讀/寫卡操作的正確完成。非接觸卡在出現多卡進入讀卡機具作用范圍時，通過基于BIT沖突檢測協議（Type A），或者則是字節、幀及命令（Type B）完成防沖突（Type A型和Type B型卡的區別在后面進行闡述）。

（3）電源及電源功耗的設計：由于射頻IC卡的工作能源是通過射頻收發電路由空間電磁波提供的。由此可見，電磁波能量的大小決定了卡上IC的工耗，也決定了IC芯片的功能。所以其在功耗參數上則要求盡量的小，這樣射頻信號的能量才能滿足IC卡的工作要求。要克服這個問題只有從兩個方面來解決，首先是在芯片的制作材料上進行技術革新，降低芯片的功耗。另一個方法就是提高射頻能量，從射頻歐中獲取足夠的電能保證卡上IC燕片正常工作。

（4）通訊的調制解調方式：為了實現IC卡與終端之間的正確的通訊，必須為其數據的傳輸制定相應的協議，才能在IC卡和終端之間進行正確的交流。而作為將模擬信號轉換為數字信號進行傳送的調制解調方式對通訊的完成是非常的關鍵的，采用什么樣的調制解調方式直接影響到通訊的可靠性和安全性。非接觸式IC卡通過兩種方式進行調制解調，這也是Type A和Type B型卡的區別之一。

3.Type A型和Type B型卡的主要區別

在非接觸式IC卡的發展過程中，這些問題逐漸被解決并形成通用的標準，的以現在在射頻IC卡的設計上，國際標準化組織（ISO）和國際電子技術委員會（IEC）為期制定了相應的非接觸式IC卡的國際標準——ISO/IEC14443。

ISO/IEC14443標準包括四個部分：第一部分ISO/IEC14443-1制定了有關非接觸卡的物理特性；第二部分ISO/IEC14443-2制定了有關射頻功率及信號界面的特性；第三部分ISO/IEC14443-3則為非接觸卡的初始化及防沖突機制；最后一部分ISO/IEC14443-4位有關的交易協定。在第二部分中涉及到了射頻技術的實現標準，提供了解決上述問題的依據。由該標準，射頻IC卡的有兩種卡型——Type A和type B型。其主要的區別在于載波調制深度及二進制數的編碼方式。

Type A型卡在讀寫機上向卡傳送信號時，是通過13.65MHz的射頻載波傳送信號。其采用方案為同步、改進的Miller編碼方式，通過100%ASK傳送；當卡向讀寫機具傳送信號時，通過調制載波傳送信號。使用847kHz的副載波傳送Manchester編碼。

而Type B型卡在讀寫機具向卡傳送信號時，也是通過13.65MHz的射頻載波信號，但采用的是異步、NRZ編碼方式，通過用10%ASK傳送的方案；在卡向讀寫機具傳送信號時，則是采用的BPSK編碼進行調制。

對比兩種卡型，可以看出，Type B型與Type A型卡相比有以下優勢：

（1）芯片具有更高的安全性。接收信號時，不會因為能量損失而使芯片內部邏輯及軟件工作停止。

（2）支持更高的通訊速率。Type A最大的數據通訊速率為150Kbit/s -200Kbit/s ，應用10%ASK技術的Type B至少可支持400Kbit/s 的速率。

（3）外圍電路設計簡單。讀寫機具到卡以及卡到讀寫機具的編碼方式均采用NRZ方案，電路設計對稱，設計時可使用簡單的UARTS。

（4）抗干擾能力強。負載波采用BPSK調制技術，較Type A方案降低了6dB的信號聲。

另外，在前面的防沖突機制中曾蝗到過Type A和Type B型卡的一些區別，對于Type B類卡，可根據實際應用情況支持選擇一次一卡操作模式和一次多卡操作模式。

4.非接觸式IC卡射頻技術的發展

非接觸式IC卡在目前的應用中，由于本身射頻技術和卡芯片技術的限制，卡片需要較低的功耗。從而導致無法在卡片上實現CPU的嵌入，所以非接觸式IC卡多為ASIC卡，ASIC的加密采用的是邏輯電路加密的方法，其靈活和可靠性都不是很高。所以，這直接導致了非接觸卡在金融系統和電子商務應用上的限制。所以在以后的發展中，射頻卡的發展方向則是基于在其中實現CPU，以達到擴展其應用領域的目的。

前面曾經提到過，由于射頻卡的能量供給都是由射頻信號提供的，所以射頻功率的大小決定了射頻卡的功耗。而卡片上集成CPU需要占用更多的功耗，于是，解決能量供給的問題就是射頻技術發展所需要解決的問題。提高射頻信號的功率，以提供足夠的能量保障卡芯片和CPU的正常工作，這也是解決接觸式IC卡和非接觸式IC卡兼容問題的最為經濟和現實的途徑。

5.結束語

射頻識別技術與IC卡技術相結合的產物，在其應用過程中表 現出了獨有的優越性。其使用方便，響應時間短的特點使其比起接觸式IC卡來更具有生命力和發展市場。

由于采用射頻技術，使用時無需與讀卡器接觸，減少了機械磨損，提高了卡的使用壽命。

隨著非接觸式CPU卡技術的成熟，射頻IC卡的應用范圍會越來越廣，最終實現方便快捷、而且可靠安全的電子商務解決辦法。這些發展也將依賴于射頻識別技術的不斷提高。

參考文獻

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