非接觸式ic卡中的射頻識別技術
湖南大學電氣與資訊工程學院 劉錚 章兢
摘 要：介紹了射頻識別技術在非接觸式ic卡中的應用，對非接觸式ic卡的射頻通訊在實現中的問題作了**。並對type at type b兩種通訊編碼標準的差異進行了比較。最後，在射頻ic卡向cpu卡發展的方向作了一些展望。
射頻識別；非接觸式ic卡；type a; type b 0
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）、晶元卡（chip card）或稱為智慧卡（intelligent card），是法國人roland morono於2023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，已成為乙個國家科技發展水平的標誌之一。
射頻識別技術（radio frequency identify），是通過無線電波供給能量和進行資料的傳遞。其包含了微電子技術和無線通訊技術，廣泛的應用於近距離的通訊和識別系統中。
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）及用於儲存有關應用標識資訊的儲存器。基本組成見圖1。
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) 非接觸卡片內有乙個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傳送的頻率相同,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，接有乙個單嚮導通的電子幫浦，將電容內的電荷送到另乙個電容內儲存，當所積累的電荷達到2v時此電容可作為電源為積體電路提供工作電壓。
(4) cmos積體電路中的有關控制邏輯電路對接收到的訊號進行解碼。
(5) 根據解碼資訊判斷讀寫終端發來的命令要求，若是讀取資訊則控制邏輯電路從儲存器中讀取有關資訊；若是修改資訊則有關控制邏輯啟動電壓幫浦將2v工作電壓提公升到15v，以便對儲存器（eeprom）中內容進行重新寫入程式設計。
(6) 當電容放電時，非接觸卡內的發射電路就將從儲存其中讀取的資料資訊及相關資訊傳送給讀寫終端。
(7) 讀寫終端對接收到的資訊進行處理。 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卡中資料在通訊過程中被擷取的可能性很大，如何防止保密資訊的洩漏是一大問題。作為安全性的解決辦法之一，射頻訊號傳輸的是通過加密處理的資料，必須有同樣的解密演算法才能破解其中的資訊，並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。這就保證了射頻訊號不會被中途擷取並破解，保證了系統的安全性。
（2）防衝突機制：如果在操作過程中同時出現多張卡，如何防止卡之間的資料干擾，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範圍時，通過基於bit衝突檢測協議（type a），或者則是位元組、幀及命令（type b）完成防衝突（type a型和type b型卡的區別在後面進行闡述）。
（3）電源及電源功耗的設計：由於射頻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晶元的功能。所以其在功耗引數上則要求盡量的小，這樣射頻訊號的能量才能滿足ic卡的工作要求。要克服這個問題只有從兩個方面來解決，首先是在晶元的製作材料上進行技術革新，降低晶元的功耗。另乙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）通訊的調製解調方式：為了實現ic卡與終端之間的正確的通訊，必須為其資料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。而作為將模擬訊號轉換為數碼訊號進行傳送的調製解調方式對通訊的完成是非常的關鍵的，採用什麼樣的調製解調方式直接影響到通訊的可靠性和安全性。非接觸式ic**過兩種方式進行調製解調，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並形成通用的標準，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訊號介面的特性；第三部分iso/iec14443-3則為非接觸卡的初始化及防衝突機制；最後一部分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。其主要的區別在於載波調製深度及二進位制數的編碼方式。
type a型卡在讀寫機上向卡傳送訊號時，是通過13.65mhz的射頻載波傳送訊號。其採用方案為同步、改進的miller編碼方式，通過100%ask傳送；當卡向讀寫機具傳送訊號時，通過調製載波傳送訊號。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訊號時，也是通過13.65mhz的射頻載波訊號，但採用的是非同步、nrz編碼方式，通過用10%ask傳送的方案；在卡向讀寫機具傳送訊號時，則是採用的bpsk編碼進行調製。
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）晶元具有更高的安全性。接收訊號時，不會因為能量損失而使晶元內部邏輯及軟體工作停止。
（2）支援更高的通訊速率。type a最大的資料通訊速率為150kbit/s -200kbit/s ，應用10%ask技術的type b至少可支援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採用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。負載波採用bpsk調製技術，較type a方案降低了6db的訊號聲。
另外，在前面的防衝突機制中曾蝗到過type a和type b型卡的一些區別，對於type b類卡，可根據實際應用情況支援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，由於本身射頻技術和卡晶元 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的加密採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。所以在以後的發展中，射頻卡的發展方向則是基於在其中實現cpu，以達到擴充套件其應用領域的目的。
前面曾經提到過，由於射頻卡的能量供給都是由射頻訊號提供的，所以射頻功率的大小決定了射頻卡的功耗。而卡片上整合cpu需要占用更多的功耗，於是，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。提高射頻訊號的功率，以提供足夠的能量保障卡晶元和cpu的正常工作，這也是解決接觸式ic卡和非接觸式ic卡相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。
由於採用射頻技術，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卡的應用範圍會越來越廣，最終實現方便快捷、而且可靠安全的電子商務解決辦法。這些發展也將依賴於射頻識別技術的不斷提高。
參考文獻
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