Trådlösa kort är vanliga bland annat i kollektivtrafiken och vid trådlösa betalningar i butik. Teoretiskt går det att använda en smartphone i stället, men för att få det att fungera effektivt behövs en förstärkt NFC-teknik med aktiv lastmodulering. Nicolas Cordier från ams beskriver här tekniken.

Hundratals miljoner personer har under de senaste årtiondena burit runt på trådlösa kort i sina plånböcker och handväskor. De första trådlösa korten var billiga plastkort i kreditkortsformat som kunde användas på tåg, bussar och annan kollektivtrafik. De var snabba och smidiga och blev snabbt populära bland konsumenter. Under de senaste tio åren har trådlös teknik också börjat användas med betalningskort (kreditkort, betalkort m m), vilket har gjort transaktioner i välbesökta affärsmiljöer som kiosker, kaféer och närbutiker snabbare.

Faktum är att förutsättningarna för att använda trådlös teknik på ännu fler sätt är nästan perfekta:
* Konsumenterna förstår tekniken och vill använda den
* Det finns redan ett stort underlag med redan installerade trådlösa läsare (i kassaterminaler, biljettspärrar och på andra platser)
* Tusentals affärer, banker, kollektivtrafikoperatörer och andra har redan skapat programvara för betalning och behörighetskontroll som använder infrastrukturen för trådlösa kommunikationer.

En viktig aspekt har dock hela tiden saknats. Många konsumenter bär överallt med sig en enhet – smartphone – som teoretiskt sett kan användas som ett trådlöst kort, vilket skulle göra att konsumenten, istället för en mängd olika kort, endast skulle behöva bära med sig en enda enhet.

Hänsyn till begränsningar
Det här är verkligen något som skulle gynna butiksinnehavare och kollektivtrafikoperatörer. De skulle spara in kostnaden för att utfärda kort och istället kunna använda en nedladdningsbar app. De praktiska aspekterna kommer helt säkert att göra att konsumenterna kommer anamma tekniken mycket snabbt och därmed ge butiksinnehavare och kollektivtrafikoperatörer en möjlighet att öka sina vinster och effektivisera driften.

Mobiltelefontillverkare vill också gärna införa trådlös teknik i sina enheter, för att skapa mervärde och göra produkterna attraktivare för konsumenterna.

Första gången detta försöktes var i början av 2000-talet när NFC (Near Field Communications) lanserades. NFC är en standardteknik som har utvecklats av NFC Forum. Förutom att emulera kort kan denna teknik användas i ett read-only-läge, så att enheter kan läsa NFC-taggar, och i ett peer-to-peer-läge.

Tidiga versioner tog dock inte hänsyn till mobiltelefonernas elektriska och mekaniska begränsningar. Särskilt som NFC-läsare har mobiltelefonerna en mycket lägre strömbudget och mindre utrymme för en antenn än särskilda NFC-läsare, exempelvis trådlösa betalningsterminaler. Att uppnå ens ett godtagbart read-only läge har visat sig mycket svårt med mobiltelefoner.
Till ännu större nackdel har det dock varit att det inte har funnits någon riktigt bra programvara för tekniken. Mobiltelefonanvändare har helt enkelt inte haft någon användning för en NFC-läsare i fickan.

Men om telefonerna kan fungera som NFC-taggar skulle de kunna användas istället för trådlösa kort. Och det är en riktigt bra programvara. Inte nog med att konsumenterna kan använda sina favoritenheter för att få tillträde till byggnader och kollektivtrafik, de kan också använda dem för betalning och som kuponger och lojalitetskort.

Så hur inför mobiltelefontillverkarna pålitlig NFC-taggfunktionalitet? För att förstå detta kan det vara bra att först beskriva hur en NFC-tagg kommunicerar med en läsare.

Passiv lastmodulering i trådlösa kort
NFC-teknik bygger på induktiv koppling mellan två antenner. Kopplingsgraden, k, visar hur känsliga läsarens/kortets antenner är för koppling och anges som ett värde mellan 0 och 1. Värdet beror i huvudsak på antennernas geometriska egenskaper och avståndet mellan dem.

I normala fall när kortantennen är mindre än läsarantennen står kopplingsgraden i proportion till kortantennens yta vid ett visst avstånd från läsarens antenn. Ju större yta, desto högre kopplingsgrad.

Kopplingsgraden måste normalt ligga mellan 0,03 och 0,3 när man skickar data med hjälp av passiv lastmodulering (PLM).
En trådlös NFC-transaktion är en sekvens av läsarkommandon som vart och ett följs av ett svar från kortet. PLM, som används i trådlösa kort och i alla nuvarande NFC-telefoner utom Apple iPhone 6 och iPhone 6 Plus, fungerar genom att växla en passiv (resistiv eller kapacitiv) belastning som är kopplad till kortantennen (se fig 1). En standardbelastning motsvarar det icke-modulerade läget och en växlad belastning motsvarar det modulerade läget. När läsarens och kortets antenner har kopplats induktivt, kan läsarens mottagare känna av variationerna i belastningen och avkoda dem för att därmed extrahera informationen från signalen.

Fig 1. Krets med passiv lastmodulering (klicka för större bild)

När ett NFC-system genomförs är det viktigt att ta hänsyn till lastmoduleringsamplituden, det vill säga skillnaden mellan den modulerade och icke-modulerade spänning som läsarens mottagare känner av (se fig 3). Om denna amplitud är lägre än ett visst minimivärde, kan mottagaren inte säkert läsa av kortets moduleringar av signalen. Om förhållandena i övrigt är desamma, är lastmoduleringsamplituden högre ju högre kopplingsgraden är.

När passiv lastmodulering används i ett trådlöst kort, producerar det hela tiden tillräcklig lastmoduleringsamplitud. ID-1, det vill säga standardformfaktorn för trådlösa kort, är storleken på ett kreditkort. En stor antenn är oftast inbyggd i kortet och har en räckvidd som kan vara så stor som 6 cm med moderna läsare. Numera är trådlösa kortsystem så bra att användarna kan öppna biljettspärrar i kollektivtrafik utan att ens behöva ta ut kortet ur plånboken eller handväskan.

Faktum är att konsumenterna har kommit att förvänta sig att trådlösa system fungerar omedelbart och är helt tillförlitliga och att de kan hålla den trådlösa enheten nära läsaren i alla olika riktningar och till och med täcka enheten med en hand, väska eller plånbok.

Detta innebär många utmaningar för mobiltelefontillverkarna. Detta eftersom telefonerna innehåller flera radior och antenner och är omslutna av metall. På telefonernas kretskort sitter komponenterna mycket tätt packade. Och mer och mer av det tillgängliga utrymmet tas upp av stora displayer och batterier som efterfrågas av kunderna.

Detta kunde knappast lämpa sig sämre för passiv lastmodulering. Den tättpackade formfaktorn ger endast utrymme för en mycket liten antenn. Den stora mängden metall och konkurrerande radiosignaler försämrar också mobiltelefonens förmåga att koppla sig till läsarens antenn.

Detta leder till en negativ konsumentupplevelse. Transaktioner som ofta misslyckas eller tar en sekund eller längre att genomföra och opraktisk användning eftersom användarna tvingas ta ut telefonen ur väskan eller fodralet och försiktigt hålla fram den mot läsaren.

Kompense för en låg kopplingsgrad
På grund av mobiltelefonernas designbegränsningar hindras tillverkarna från att öka kopplingsgraden, eftersom det, som framgick ovan, skulle kräva ett mycket ett större ytområde för telefonens NFC-antenn.

Försöken att förbättra telefonernas inbyggda emuleringsläge har därför varit fokuserade på att öka lastmoduleringsamplituden. Och nu har man upptäckt ett fungerande sätt att göra detta på – aktiv lastmodulering (ALM).

ALM utnyttjar ström från mobiltelefonens batteri. Vid ALM skickas en bärsignal som är synkron med läsarens magnetfält i det modulerade läget och stängs av i det icke-modulerade läget (se fig 2). Detta driftläge kallas för AND. I en effektivare version av denna teknik, kallad XOR-läge, skickas en bärsignal som är synkron med läsarens magnetfält under det modulerade läget och en 180° fasväxlad signal i det icke-modulerade läget. Detta XOR-läge fördubblar amplituden av lastmoduleringen som läsaren känner av jämfört med AND-läget. Det gör att en mindre antenn kan användas.

ALM-signalen kopplas också till läsarens antenn. Beroende på fasskillnaden mellan signalen och läsarens magnetfält läggs ALM-signalen antingen till eller dras av från läsarens signal för att skapa lastmoduleringssignalen.

Den huvudsakliga fördelen med ALM är att det går att uppnå samma lastmoduleringsamplitud som med en PLM-enhet, men med en kopplingsgrad som är 100 gånger lägre (se fig 3).

Fig 2. Krets med aktiv lastmodulering (klicka för större bild)

Fig 3. Med hjälp av aktiv lastmodulering kan man använda antenner som är 100 gånger mindre än antennerna i typiska PLM-system (klicka för större bild)

Ett typiskt trådlöst kort har en antennyta på 4 000 mm2, vilket gör det möjligt att använda PLM-teknik. Med en ALM-krets kan man uppnå samma lastmoduleringsamplitud hos läsarens mottagare, och samma användbarhet, med en antenn som bara är 40 mm².

En antenn av denna storlek kostar nästan ingenting för telefontillverkarna. Den kan till och med utgöras av en PCB-antenn på moderkortet. Det krävs inget ferritskydd. I jämförelse kostar en stor antenn med ferrit och kontakt cirka 1 USD. NFC-antennen kan också placeras i det läge som är bäst för användaren. Om den placeras i närheten av den bakåtriktade kameran räcker det exempelvis att användaren berör läsaren lätt med den övre delen av telefonen.

I motsats till detta har antenner på telefonernas baksida eller batteripaket frustrerat användarna. Användarna håller normalt sett telefonen i handen, vilket gör att antennen inte är i rätt läge i förhållande till läsarens antenn. När de sveper telefonen framför en trådlös läsare misslyckas transaktionen. trådlös kommunikation äger då endast rum när användaren har lärt sig att telefonen måste hållas försiktigt mycket nära läsaren – vilket är helt annorlunda än när man använder ett trådlöst kort.

Fig 4: En liten antenn kan placeras på en praktisk plats på enheten för att skapa bästa möjliga användarupplevelse

I fig 4 har läsarens antenn markerats med gult. Den stora antenn som krävs för PLM-baserade lösningar har märkts med orange, där handen greppar enheten. I motsats till detta har den lilla antennen som används med ALM-lösningen, markerad med rött, placerats i ett läge som är mycket praktiskt för att lyckas med NFC-transaktioner.

Eftersom ALM-tekniken gör det möjligt att använda mycket små antenner, är ALM också lämpligt att använda med kroppsnära enheter. Utrymmesbegränsningarna för sådana enheter gör att det endast är möjligt att använda en liten antenn och en PLM-lösning med en liten antenn ger sämre för kommunikationstäckning.

Förbättrad samverkan
ams har nu börjat använda ALM-teknik i en serie IC-kretsar med NFC-taggemulering, som alla använder så kallad förstärkt NFC-teknik. När förstärkt NFC-teknik används i de senaste smartphones uppnås en prestation som motsvarar ett trådlöst kort, men med en antenn som bara är 40 mm² stor.

Men mindre antennstorlek är inte den enda fördelen med förstärkt NFC. Denna teknik gör det också möjligt att konfigurera olika elektriska parametrar i lastmoduleringssignalen, bland annat:
* En automatisk strömkontrollfunktion som reducerar den utgående spänningen när telefonen är i närheten av läsaren (det vill säga när kopplingsgraden är hög). Detta motverkar överladdning av läsarens mottagare.
* Konfigurering av fasskillnaden i ALM-signalen med avseende på läsarens magnetfält, vilket gör transaktioner pålitligare när telefonen är nära gränsen för läsarens täckningsområde.
* Inställbar känslighet som gör det möjligt att använda antenner med olika formfaktorer. Den extremt låga känslighet som kan uppnås säkerställer att läsare-till-kort-länken aldrig begränsar räckvidden för transaktioner.
* En metod för precis timing som säkerställer att fördröjningen mellan läsarkommando och korstsvar uppfyller de mycket stränga gränser som fastställs i normerna för trådlösa system. Metoden kompenserar för de variationer som uppstår hos NFC-controllern.
* AGC-kontroll, som ger korrekt demodulering av läsarsignalen och möjliggör stora variationer på utformningen av terminaler, särskilt i kollektivtrafiken.

Alla dessa egenskaper, som kan ges en dynamisk konfiguration, innebär mycket bättre samverkan än nuvarande NFC-lösningar. När det gäller betalningsapplikationer kan en genomströmning på 100 % uppnås utan problem.

Dessutom ger förstärkt NFC-teknik OEM-tillverkare ett sätt att hantera skillnaderna mellan redan installerade läsare, vilka är en följd av löpande ändringar i EMVCos normer för trådlösa korttransaktioner. (Det är inte ovanligt att en butiksterminal används i över tio år.) Läsarprestanda kan också förändras när läsarna blir äldre och variationer kan uppstå på grund av skillnader i tillverkning och installation.

Med en mycket liten antenn undviker man också problemet med att antennens justering ändras, vilket kan hända med större antenner. För NFC-telefoner har EMVCos krav på räckvidden för trådlös kommunikation minskats till minst 2 cm, från 4 cm, för att ta hänsyn till de sämre prestanda hos PLM-lösningarna. Det är knappast i användarnas intresse. Men som tur kommer detta lägre krav inte längre att behövas i framtiden, eftersom förstärkt NFC-teknik gör det möjligt för NFC-telefoner att fungera lika bra som, eller till och med bättre än, de trådlösa kort som nu används.

ams ALM-teknik finns i AS3922-enheten, en NFC-förstärkar-IC-krets för användning i UICC- och mikroSD NFC-adapterkort. Med hjälp av dessa kan telefoner och mindre tillbehör utan inbyggd NFC-funktionalitet emulera trådlösa kort.
AS3923- och AS39230-enheterna är avsedda att integreras med elektronisk utrustning tillsammans med NFC-controllern och därigenom i stort sett ersätta controllerns analoga framsida (se fig 4). AS39230-enheten kan också användas med närfältskommunikation i aktivt peer-to-peer-läge samt vid kortemulering.

I ams genomförande har ALM knappast någon inverkan alls på batteriets laddning, eftersom den förstärkta NFC-enheten stannar i energisparläge tills den upptäcker att en trådlös transaktion är på väg att äga rum.

Tillverkare av digitala integrerade kretskort har också försökt införa ALM, men de analoga kretsanordningar som krävs i ett ALM-system är inte lämpade för de extremt små delar som finns i avancerade digitala IC-kretsar. Därför blir lastmoduleringen med säkra element eller NFC-controller med inbyggd ALM alltför dålig. Det rent analoga genomförande som används i ams enheter ger däremot de höga prestanda som krävs för att möta förväntningarna hos konsumenter som har vant sig vid den praktiska enkelhet som trådlösa kort ger. Därför har man redan valt att använda detta genomförande i ledande smartphones på marknaden idag.

Fig 5: Förstärkt NFC i en hjälpkrets (AS3923) till en värd-NFC-controller

Nicolas Cordier, ams

Nicolas Cordier arbetar som ingenjör i trådlös teknik på ams i Cupertino, Kalifornien. Han tog en ingenjörsexamen 2002 vid INSA Lyon i Frankrike med inriktning på telekommunikation. Han inledde sin karriär i terminalindustrin som RF-ingenjör med formgivning av mobiltelefoner. Han blev sedan teknisk chef för hårdvaruteknik där han utvecklade trådlösa butiksterminaler. 2008 övergick han till halvledarindustrin och har haft olika befattningar som exempelvis valideringsansvarig för NFC-system och kundsupportspecialist.

Filed under: Embedded