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无线通信

无线通信. 近距离无线通信 —— NFC 技术. Part I ： NFC 技术、原理等概述 Part II ： NFC 应用 Part III ：小结. NFC 技术概述. （ 1 ） NFC 技术定义. 近场通信 （ Near Field Communication ， NFC ），又称 近距离无线通信 ，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在 10cm 内）交换数据。 Field ，场 是指电磁感应的磁场（ Magnetic field ）， Near ，近 是指接近、靠近之意。. NFC 技术概述.

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  1. 无线通信 近距离无线通信 ——NFC技术

  2. Part I： NFC技术、原理等概述 Part II： NFC应用 Part III：小结

  3. NFC技术概述 （1）NFC技术定义 • 近场通信（Near Field Communication，NFC），又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10cm内）交换数据。 • Field，场 是指电磁感应的磁场（Magnetic field）， • Near，近 是指接近、靠近之意。

  4. NFC技术概述 （1）NFC技术定义 • NFC 将非接触读卡器、非接触卡和点对点（Peer-to-Peer）功能整合进一块单芯片，由于需要近距离通信， NFC技术具有天然的安全性，特别是在手机支付等领域具有很大的应用前景，并可用于设备互联、服务发现以及移动商务等广泛领域。 • NFC提供了一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝网络、蓝牙和无线 802.11 设备。

  5. NFC技术概述 （2）NFC技术起源与发展 • NFC技术在射频识别技术（RFID）和互联网技术二者整合基础上发展而来的，最早由Philips、Nokia和Sony主推，主要用于手机等手持设备中。 • NFC技术使任意两设备靠近（不需要线缆连接），就可以实现相互间的通信，因而可以实现移动设备、消费类电子产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。

  6. NFC技术概述 （2）NFC技术起源与发展 • 为了推动 NFC 的发展和普及，飞利浦、索尼和诺基亚创建了一个非赢利性的行业协会——NFC 论坛，促进 NFC 技术的实施和标准化，确保设备和服务之间协同合作。 • 目前，NFC 论坛在全球拥有 100 多个成员，包括：万事达卡国际组织、松下电子工业有限公司、微软公司、摩托罗拉公司、NEC 公司、瑞萨科技公司、三星公司、德州仪器制造公司和 Visa 国际组织，以及我国的复旦微电子和清华同方微电子。

  7. NFC技术概述 （2）NFC技术起源与发展

  8. NFC技术概述 NFC技术要点 • 基于射频技术，工作频段13.56MHz； • 基于ISO 18092标准，兼容ISO14443（非接触式 智能卡标准）； • 通信距离一般为10-20cm； • 支持数据传输速率：106、212、424kbit/s。

  9. 三星WP8智能手机ATIV S---“令人惊喜” (微软)， Windows Phone 8 操作系统 • 16GB和32GB两种版本，采用1.5GHz双核处理器、8.7毫米厚全铝机身，配备4.8英寸高清Super AMOLED显示屏、800万像素后置+190万像素前置摄像头、2300毫安大容量电池，支持NFC近场通信等功能。

  10. NFC技术概述 （3）NFC技术的优势 • 此外，NFC具有成本低廉、方便易用和更富直观性、天然的安全性，以及连接建立的快速性。 • NFC缺点是数据传输速率较低，目前支持的最高速率为424Kbps，不适合诸如音视频流等需要较高带宽的应用。 

  11. NFC技术概述 （3）NFC技术的优势 • 首先，NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信无线连接技术，其传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米 • NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。

  12. NFC技术概述 （3）NFC技术的优势 • 其次，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次，NFC还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通信方式。最后，RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。 

  13. （3）NFC技术的优势 • NFC比红外更快、更可靠而且简单得多。与蓝牙相比，NFC面向近距离交易，适用于交换财务信息或敏感的个人信息等重要数据； • 蓝牙能够弥补NFC通信距离不足的缺点，适用于较长距离数据通信。因此，NFC和蓝牙互为补充，共同存在。 • NFC协议可以用于引导两台设备之间的蓝牙配对过程，促进了蓝牙的使用。

  14. NFC除了拥有让电子装置于短距离之中进行通讯之外，NFC还具有Enabler的角色，意即两装置间可由NFC这项功能，快速建立起彼起沟通的桥梁后，再透过其他传输率最高的无线技术来传输档案较大的数据。NFC除了拥有让电子装置于短距离之中进行通讯之外，NFC还具有Enabler的角色，意即两装置间可由NFC这项功能，快速建立起彼起沟通的桥梁后，再透过其他传输率最高的无线技术来传输档案较大的数据。 NFC具有『虚拟连接器』的特性 A B NFC

  15. NFC与其他近距离通信技术的比较 IEEE 802.15.4a

  16. NFC技术标准 • NFC由Philips、Sony提出后，在2003年12月8日通过ISO/IEC（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission）机构的审核而成为国际标准。 • 2004年3月18日由ECMA（European Computer Manufacturers Association）认定为欧洲标准，而陆陆续续通过的标准编列有ECMA-340（NFCIP-1）、ECMA-352（NFCIP-2）、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 18092、ISO/IEC 21481。

  17. NFC技术标准 • 2006年8月，NFC论坛正式对外发布四份关于NFC的技术文件，使NFC有了更清晰具体的实现方向，同时也使NFC技术与手机的结合取得重要进展，包括： • 数据交换格式(NFC Data Exchange Format，NDEF)，规定了NFC的通用数据格式； • 记录类型定义(NFC Record Type Definition，RTD)，规定了设备之间通信所使用消息的标准记录类型；

  18. NFC技术标准 • 记录类型包括一些与RTD相关的文件与网络资源的基本技术规格： NFC Text RTD（文本RTD）：规定纯文本记录； NFC URI RTD （统一资源标识符RTD）：记录因特网记录  • LLCP（Logical Link Control Protocol）协议规定了点对点通信的规范和标准。

  19. NFC技术标准 • NFC是符合ECMA 340与ETSI TS 102 190 V1.1.1以及ISO/IEC 18092标准的一种开放式平台技术。 • 这些标准详细规定NFC设备的调制方案、编码、传输速度与RF接口的帧格式，以及主动与被动NFC模式初始化过程中，数据冲突控制所需的初始化方案和条件。 • 此外，这些标准还定义了传输协议，其中包括协议启动和数据交换方法等。

  20. NFC技术标准 • NFC空中接口符合以下标准： ISO/IEC 18092 NFCIP-1 ECMA-340 ETSI TS 102 190 V1.1.1 (2003-03) ISO/IEC 21481 NFCIP-2 ECMA-352 ETSI TS 102 312 V1.1.1 (2004-02)

  21. NFC技术标准 • NFC测试方法符合以下标准： ISO/IEC 22536 NFCIP-1 RF 接口测试方法 ECMA-356 / ETSI TS 102 345 V1.1.1 (2004-08) ISO/IEC 23917 有关NFC 的协议测试方法 ECMA-362

  22. NFC技术标准 • ISO/IEC 21481和ECMA 352中定义的NFC IP-2指定了一种灵活的网关系统，用来检测和选择三种操作模式之一： • NFC数据传输速度 • 邻近耦合设备(PCD) • 接近耦合设备(VCD)

  23. NFCIP-2设备操作及模式选择流程

  24. NFC技术标准 • 目前仍有NFC的一些标准没有被确定，自2006年11月USB组织对SIM卡和手机基带间的高速接口进行投票以来，手机中SIM卡与NFC芯片连接的接口标准已经拖延了相当长的时间。 • 国际标准化组织在专注于NFC接口方面的工作，目前仍在进行中。 

  25. NFC技术标准 • NFC论坛2006年6月正式对外公布的NFC技术架构 最上层：是对应各种不同应用而设立的应用模式层 中间层：各种数据格式与传输协议的规范标准 最底层：无线射频层，可适用于各种不同的非接触智能卡。

  26. NFC技术标准 • 最底层，包括所有今日流行普及的非接触式智能卡标准：ISO 18092、ISO 14443 Type A（即Philips的Mifare，现有悠游卡即属此类）、ISO 14443 Type B、FeliCa（Sony公司）等。 • Philips已经推出了四款的NFC应用芯片： PN511、PN512、PN531、PN532

  27. NFC技术标准 PN511的典型应用设计电路图 图中PN511透过Host（主控）接口与左端的微处理器相连，右端则透过RC谐振电路与无线模拟感应传输用天线进行连接。

  28. NFC技术标准 • 中间层：是格式和协议层，如RTD（Record Type Definition）、NDEF（Data Exchange Format）等，以及点对点应用所需LLCP（Logical Link Control Protocol）协议。 • 所谓的点对点应用类似U盘，只是现有的盘有实际的端口接触，NFC接口＋LLCP协议则是一种无线感应式连接的U盘。

  29. NFC技术原理 • NFC技术的3种应用模式

  30. NFC标准归纳 • 频段：13.56MHz • 通讯距离：0-20cm • 标准规格： • ECMA 356/362 • ISO/IEC 21481 (ECMA 352) • ISO/IEC 18092 (ECMA 340) • 传输速度 • 424kbps (被动) • 与Philips MIFARE和Sony Felica智能卡相容

  31. NFC标准规格 • ISO/IEC 21481 (ECMA 352) • 提供通讯模式的选择机制，此机制的设计是为了不妨碍任何以13.56MHz频率通讯的装置。对于不同标准所选择的通讯模式其对应的实作方式。 • 简单而言，以13.56MHz为主的现存接口标准之间，ECMA 352提供一个标准的网关。

  32. NFC标准规格 • ISO/IEC 18092 (ECMA 340) • 说明耦合装置在13.56MHz频率下运作 • 定义NFC有两种规格模式：主动模式与被动模式。其装置称为Initiator与Target，Initiator指最先发起沟通与发波的一方(自带电)，Target则为回应一方。 • Target若是倚赖载波电能的吸收而运作便属被动，相反若自带电力运作则属主机。

  33. NFC标准规格 • ISO/IEC 14443 • 是一个为了让非接触式智能卡靠近读取器天线时能以特定频率进行通讯的国际标准。此标准规定了卡与读取器之间的通讯标准与传输协议，用以建立各非接触式智能卡的互操作性。 • 此标准包含：物理特性、RF能量与讯号接口、初始化与反碰接、传输接口

  34. NFC技术原理 • “近场”（Near Field）是指无线电波的临近电磁场。无线电波由正交电磁场组成，在工作频率下天线周围大约10波长的范围内，磁场可用于短距离通讯，无线电波的行为遵循麦克斯韦方程。 这是1873年前后，麦克斯韦提出的表述电磁场普遍规律的四个方程，该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。

  35. NFC技术原理 • NFC技术源于RFID 电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

  36. NFC技术原理 • 阅读器和电子标签之间射频信号有两种耦合类型： 电感耦合, 电磁反向散射耦合(1)电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定 律，适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。

  37. NFC技术原理 (2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3～l0m。

  38. NFC技术原理 （1）NFC通信方式 NFC技术支持主动或被动两种数据交换模式。 • NFC通信发起设备可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度，将数据发送到目标设备。 • 在一个应用会话过程中，NFC设备可以在发起设备和目标设备之间切换自己的角色。 • 利用这项功能，电池电量较低的设备可以要求以被动模式充当目标设备，而不是发起设备，从而可以大量节约设备能耗。

  39. NFC技术原理 （1）NFC通信方式 NFC设备在传输有效数据前必须先通过有关协议选定一种通信模式和传输数据速率，在数据传输过程中，选定的通信模式和传输数据速率不能改变。数据传输速率R与射频 之间的关系为：  ,其中D是一个乘数因子。

  40. NFC技术原理 （1）NFC通信方式 • NFC支持的传输模式与数据速率

  41. NFC技术原理 • 主动模式: 每台设备要向另一台设备发送数据时，都必须产生自己的射频场，即发起设备和目标设备之间采用对等网络通信模式，可以获得非常快速的连接设置。

  42. NFC技术原理 • 被动模式:启动NFC通信的设备，也称为NFC发起设备(主设备)，在整个通信过程中提供射频场(RF-field)，目标设备称为从设备，不必产生射频场，而使用负载调制(load modulation)技术，以相同的速度将数据传回发起设备。

  43. NFC技术原理 （1）NFC通信方式 • 通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和FeliCa的非接触式智能卡兼容，因此，NFC发起设备在被动模式下，可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备，并与之建立联系。 • 移动设备主要以被动模式操作，可以大幅降低功耗，并延长电池寿命。

  44. NFC技术原理 （2）NFC调制方式 • 在低速传输时都采用了ASK调制，ASK(amplitude shift keying)指的是振幅键控方式，根据信号的不同，调节正弦波的幅度。ASK可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1的状态载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0的状态下，载波被关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。

  45. 3.5.3 NFC技术原理 （2）NFC调制方式 • ASK调制原理 s（t）为基带矩形脉冲，e0(t)为实际传输波型。

  46. ASK：Amplitude Shift Keying • 利用振幅大小来编码 • 有二种不同的讯号水平来分别代表数字讯号的 “1”与 “0” • 在同步通讯中容易造成接收错误。

  47. NFC技术原理 （2）NFC调制方式 • NFC对于不同的传输速率具体的调制参数是不同的。对于速率为106kbit/s的传输模式1，ASK调制脉冲调制度为100％。对于212kbit/s的传输模式2、和424kbit/s的传输模式3，调制度为8％～30％。 • NFC标准中对于高速传输(>424kbps)目前还没有作出具体的规定。

  48. （2）NFC调制方式

  49. （2）NFC调制方式

  50. （2）NFC调制方式 相对幅度 时间 模式2、模式3 模式1 8%-30%ASK调制 100%ASK调制

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