郝社華

摘要：隨著手機智能化的不斷推進及電信運營商為智能手機平臺量身定制業(yè)務(wù)不斷增長，NFC技術(shù)作為移動支付將成為手機設(shè)計公司的首選。在移動支付業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展中NFC功能模塊將成為手機標配功能之一，為手機移動支付業(yè)務(wù)提供了成熟方案。該文介紹了NFC技術(shù)在手機平臺方案中的實現(xiàn)，并研究了NFC技術(shù)在手機平臺中的使用和博通NFC芯片組的設(shè)計特點。

關(guān)鍵詞：NFC；無線通信；智能手機；移動支付

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）22-5388-03

NFC技術(shù)是由飛利浦公司在Mifare技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合索尼公司的Felica技術(shù)開發(fā)出的非接觸式通信技術(shù)，目前已經(jīng)成為廠商支持的正式標準。該技術(shù)的成熟應(yīng)用使得移動支付業(yè)務(wù)尤其是小額支付業(yè)務(wù)變得實時、便捷、快速。隨著移動支付業(yè)務(wù)的發(fā)展，為適應(yīng)新的支付形式，銀行、信用卡機構(gòu)、手機制造商、電信運營商、標準化機構(gòu)、芯片廠商、安全原件供應(yīng)商協(xié)同合作，使得NFC移動支付產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善。NFC軟硬件解決方案日益成熟加快了NFC技術(shù)在移動終端上的普及，而手機支付業(yè)務(wù)占據(jù)整個移動支付領(lǐng)域內(nèi)業(yè)務(wù)量的絕大部分，因此本文以手機移動支付為研究對象。

1 NFC技術(shù)特點及工作模式

1.1 NFC技術(shù)特點

NFC技術(shù)的前身是無線射頻設(shè)別（RFID）技術(shù)和互聯(lián)互通技術(shù)，在這兩項技術(shù)的整合下逐漸演變成為一種短距離無線通信技術(shù)標準。NFC技術(shù)與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，為目前廠商支持的設(shè)備間提供輕松、安全、迅速而自動的通信系統(tǒng)，這種通信方式是近距離私密通信方式。同時NFC還是一種近距離連接協(xié)議，讓W(xué)IFI、藍牙等無線技術(shù)在不同場合、不同領(lǐng)域互補，使得NFC可以有效填補移動終端和有這些通信模式的消費類電子產(chǎn)品之間的缺口。

NFC技術(shù)目標是使消費電子產(chǎn)品客戶端的操作、配置簡單，能夠方便多臺設(shè)備間的安全通信；在訪問不同設(shè)備時，通過NFC技術(shù)可以簡單快捷的存儲數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。NFC技術(shù)是在單一芯片上集成點對點、非接觸式讀卡器和非接觸智能卡，通過天線發(fā)射和接受頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)訪問和被訪問數(shù)據(jù)。NFC具有雙向連接、雙向識別的特點，它能在短距離內(nèi)識別兼容設(shè)備并進行數(shù)據(jù)交換，是一種可以提供輕松、安全、迅速的無線連接技術(shù)。另外NFC通信具有距離近、帶寬高、能耗低等特點，在0-20厘米距離內(nèi)工作在13.56MHz的頻點。

1.2 NFC工作模式

NFC技術(shù)有三種工作模式：主動、被動、雙向。

1） 主動模式：NFC終端作為讀其他設(shè)備中的信息，主動發(fā)出射頻場去識別并讀寫其他NFC設(shè)備，獲取想要的信息；

2） 被動模式：NFC終端模擬智能卡被讀寫，訪問它的設(shè)備必須要有和NFC技術(shù)相同的射頻場；

3） 雙向模式：在該模式下既可以主動發(fā)出射頻場來建立點對點的通信又可以作為智能卡來被其他特定設(shè)備讀寫。

2 博通BCM43341 NFC芯片的優(yōu)勢及在智能機設(shè)計中技術(shù)要點

2.1 博通BCM43341 NFC芯片

BCM43341芯片融合NFC、Bluetooth、WIFI、FM四種傳輸技術(shù)的芯片。博通NFC控制器是高度集成、低功耗的近場通信控制器，支持ISO/IEC 18092、ECMA-340和ETSI TS 102 190三種協(xié)議。同時也兼容具有ISO/IEC 14443 Type-A、B協(xié)議、JIS（X） 6319-4 FeliCa標準的非接觸式智能卡，實現(xiàn)了包括NFC控制器接口（NCI）在內(nèi)的規(guī)范并支持多種操作系統(tǒng)，為設(shè)計者提供了一個靈活的、可連接多種安全組件的接口，支持目前市場上的所有商業(yè)支付模式。

NFC功能的實現(xiàn)是通過NFC模擬前端芯片和安全單元，通過控制器、天線和軟件組合實現(xiàn)手機點對點數(shù)據(jù)采集和交換，通過網(wǎng)絡(luò)在線訪問銀行等金融系統(tǒng)快速實現(xiàn)手機支付功能。該方案中有獨立的NFC功能芯片、天線、SIM卡、手機其他功能塊。其中不獨立的部分是NFC模塊設(shè)計時采用與手機共用電池，電池有電時NFC模塊可以在主動模式、被動模式和雙向模式下工作；電池斷電時只能在被動模式下工作。手機正常開關(guān)機對NFC模塊無影響，即便在手機關(guān)機時也可以使用NFC模塊的被動模式工作。

2.2 NFC功能在手機端實現(xiàn)的硬件架構(gòu)

為實現(xiàn)NFC功能手機端框架（如圖1所示），在本框架中MT6589T應(yīng)用處理器是手機的主處理單元，NFC控制芯片是NFC功能的核心部件。它是NFC的調(diào)制解調(diào)器，并進行命令和數(shù)據(jù)的預(yù)處理。安全模塊能夠基于硬件卡模擬，硬件卡是一個智能卡芯片。

圖1是NFC模塊與手機模塊之間數(shù)據(jù)流傳輸處理過程。路徑1為天線接收到信號發(fā)送給NFC控制器， 路徑2為NFC控制器與應(yīng)用處理器之間的命令和數(shù)據(jù)流。路徑3為SIM卡安全模塊與應(yīng)用處理芯片控制器之間的命令和數(shù)據(jù)交互。安全模塊不僅可以通過NFC接口與外部交互，也可以與主控制器進行連接。這樣安全模塊中的信息可以通過手機或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制或通過路徑4與NFC接口控制，這兩種方式通常只選擇其中一種，也就是說這兩個連接在同一時間只有一個是被激活的。

博通的這款設(shè)計方案就是使用SIM卡的C6引腳的SWP（Single Wire Protocol）單線連接接口方案（圖2） 。SWP分為兩個協(xié)議，一個是SWP（物理層）協(xié)議，另一個是HCI（應(yīng)用層）協(xié)議。

其中SWP信號通過電壓調(diào)制和負載調(diào)制實現(xiàn)全雙工通訊，這樣實現(xiàn)了SIM卡在ISO7816 端定義下同時支持7816接口 和SWP 接口；而SIM卡的COS是多任務(wù)的操作系統(tǒng)，同時支持ISO和SWP兩個協(xié)議棧，ISO和SWP兩個部分是獨立管理的，ISO端的復(fù)位信號對SWP接口部分無效。

2.3 信息安全與解密

圖3顯示的是NFC安全元素的配置，其中SWP_1是標準的數(shù)字信號，SIM 卡檢測SWP_1信號的高低變化，同時時鐘信號可以在SWP_1信號的編碼基礎(chǔ)上恢復(fù)；當SWP_0=1，SWP_1=1時， NFC控制芯片通過電流檢測SWP_0信號的高低變化，將SWP_1 信號和SWP_0信號疊加，在SWP 線上傳輸?shù)膶⑹菧蕯?shù)字信號，該準數(shù)字信號可以通過特定的接收接收電路和特定的解調(diào)電路恢復(fù)出信息。

2.4 NFC天線設(shè)計

天線在設(shè)計中要防止頻率偏離13.56Mhz，NFC 應(yīng)用系統(tǒng)是通過該頻率載波實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。當NFC的線圈天線進入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場中，NFC天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器，兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈。由NFC的線圈天線形成的諧振回路如圖4所示， 它包括NFC 天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′，其諧振頻率為： （[C=CP//C′2]，式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容）。

在NFC技術(shù)中13.56Mhz天線是一種高溫?zé)Y(jié)的鐵氧材料，標簽天線在讀卡器激發(fā)感應(yīng)產(chǎn)生交變電磁場，容易受手機內(nèi)部金屬的渦流衰減，使信號強度大大減弱，降低金屬材料對信號磁場的吸收，從而接收效果不理想導(dǎo)致讀取過程失敗。在設(shè)計中通過增加磁場強度可有效增加感應(yīng)距離，但同時也增加了信號的噪聲。因此為了能夠更好的應(yīng)用讀卡功能需要增加吸波材料，通過不斷實驗證明吸波材料夾在NFC天線和電池之間能有效改善接受效果。常見的生產(chǎn)吸波材料的公司有TDK和NEC等。

3 總結(jié)

本文研究了NFC技術(shù)在智能手機中實現(xiàn)，對硬件架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)難點進行了分析，根據(jù)智能手機設(shè)計規(guī)范對其中一些技術(shù)環(huán)節(jié)進行了研究，特別是在NFC模式應(yīng)用軟件安全性開發(fā)和集成博通NFC方案上做了詳細的研究。NFC技術(shù)的發(fā)展將改變消費者的消費行為和消費習(xí)慣，移動支付將為電信運營商和金融機構(gòu)創(chuàng)造新的商機。作為智能手機的設(shè)計者將在NFC設(shè)計過程中不斷積累技術(shù)經(jīng)驗，這也是我們下一步的工作重點。

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