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电感耦合非接触IC卡系统的EMI问题
  射频识别(RFID)技术近年来发展迅速,并获得了广泛应用。但作为一种无线射频技术,其电磁兼容(EMC)性能也越来越受到人们的关注。RFID涉及的频率范围甚广,包括低于135kHz、13.56MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等多个频段。本文仅就低于135kHz和13.56MHz两个频段的电感耦合非接触RFID卡的电磁干扰(EMI)问题结合相关国际标准进行介绍和剖析。   电子产品的电磁兼容性   电子产品的电磁兼容性EMC包含两个方面:一是电磁干扰EMI,另一是抗电磁干扰能力EMS。EMI是指电子产品产生的任何可能降低其它装置、设备、系统的性能,或可能对生物、物质产生不良影响的电磁效应。EMS是指电子产品在某种电磁环境下,其性能不致造成恶化的抵御能力。   对于电子产品EMI的严格限制,体现在很多国际标准和相关国家标准中。制定这些标准的代表性机构和组织有:国际无线电干扰特别委员会CISPR、国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC、美国联邦通信委员会FCC、欧洲电信标准研究所EISI等。一个电子产品必须符合相关的EMI标准,否则不能在该地区或国家的市场销售和使用。   电感耦合非接触式IC卡的工作频率范围和标准   通常,电感耦合非接触式IC卡的工作频率为低于135kHz和13.56MHz。工作在13.56MHz的非接触式IC卡又可分为近耦合IC卡(PICC)和疏耦合卡(VICC)。其读写器亦被称之为PCD和VCD。   低于135kHz的频率主要适用于较低成本的应答标签芯片。系统的读写器可以提供较高功率,该频段对于非金属材料和水具有较高的穿透深度,因此在生物识别、水表等领域有着广泛的应用。由于其载波频率较低,虽然应答器的功耗也较低,但数据传输速率不高。目前,ISO/IEC18000-2给出了这类系统的空中接口标准。   13.56MHz是世界范围的工业,科学和医疗频段(ISM)。在此频段工作的RFID由于载波频率较高,在应答器中可以采用微处理器,因而可以实现智能非接触IC卡功能。此外,在此载波频率下,应答器的天线回路可以实现片上电容和印刷电感的谐振电路,为其应用获得了很大的便利。   13.56MHz射频识别主要的标准有:①ISO/IEC 14443,是近耦合IC卡系统的标准,它又分为TYPE A和TYPE B两种;②ISO/IEC 15693,是疏耦合IC卡系统的标准;③ISO/IEC18000-3标准,它有两种模式,即MODE 1和MODE 2,MODE 1和ISO/IEC 15693标准兼容,MODE 2给出了相位抖动调制(PJM)等新方法。   低于135kHz的非接触IC卡的EMI标准   在低于135kHz的非接触IC卡中,采用125kHz的芯片较多。其读写器电路的功放为B类或D类电路,采用具有电感回路的天线发送器,属于小功率和微功率发射。对于在此频率范围的射频识别系统,有下述规范:   允许最大场强   ·FCC标准   FCC标准第15部分209节(FCC part15.209)规定了其载波的允许场强,是以最大电场强度E给出的,即E不大于(2400/f)mV/m@300m。其中:f为9~490kHz,@300m 表示距离为300m。因此,对于125kHz频率,其E应不大于19.2mV/m@300m。如果将其换算为dBmV,则E=19.2mV/m为E=20log(19.2/1)=25.66dBmV/m。   ·其它标准   在另外一些标准中,允许最大场强是以H场给出的。例如EN300330和德国的标准17TR2100。E场和H场表示值可以用下式来相互推算,即:   H[dBmA/m ]=E[dBmV/m]-51.5dB   在17TR2100中,规定的极限值为H= 13.5dBmA/m@30m。将此值按上式转换,可以得到E=65 dBmV/m@30m   如果我们将FCC标准的300 m距离换算为30m,按40dB/十倍距离(自由场的衰减值)增加,则25.66dBmV/m@300m可表示为65.66dBmV/m@30m。从上面的推算看,两种标准的极限值是差不多的。如果将此表示为10m处的场值,则可得到约为40log(30/10)+13.5=32.5 dBmA/m。
  
  调制频带宽度和寄生发射
  在非接触IC卡系统的数据通信过程中,由应答器向读写器的通信采用负载调制。读写器向应答器的通信常采用间隙振幅移位键控(ASK)调制。这些都需用一定的调制频带宽度。   寄生发射指的是对载波频率或调制边带不做出贡献的发射。在非接触IC卡系统中,读写器功放和调制电路是产生谐波和其它频谱的主要部分。非接触式IC卡系统在调制频带的场强以及寄生发射都不能超出EMI有关标准规定的允许极限值。   13.56MHz的EMI标准   允许最大场强   ·非接触IC卡标准   在13.56MHz ISO/IEC 14443标准中规定其PCD产生的场强在1.5A/m_7.5A/m之间。其应答器(PICC)的动作场强Hmin?.5A/m。在ISO/IEC 15693标准中规定为VCD产生的场强为115mA/m~7.5A/m,应答器(VICC)的动作场强Hmin?15m A/m。   ·有关EMI标准   ①FCC标准   FCC part 15.225规定RFID系统载波频率范围为13.56MHz±7kHz,载波场强为30m处10mV/m。   ②EN300330(9kHz~25MHz)标准   EN300330标准规定了第一类发送器(指具有电感回路天线的发送器,天线由具有一个或几个线圈的绕组构成)的载波功率极限值。测量在H场具有最大值的方向和在自由空间进行。EN300330规定的极限值是42dBmA/m@10m   几种标准的相互比较   我们对上面给出的几种标准进行一些变换并归一,然后再加以比较。   ①ISO/IEC 14443标准   通常,近耦合IC卡系统的作用距离为小于10cm,而从前述可知此时Hmin?.5A/m,那么我们可以近似估计离天线0.1m(10cm)处的H场值为1.5A/m。一般,在非接触IC卡系统中,在距离l/2p(对于13.56MHz频率,l/2p=3.5m)内为近场,其衰减为60dB/十倍距离;大于l/2p的作用距离为远场,其衰减为20dB/十倍距离。因此,可估算出1m处的H场为1.5m A/m,而3.5m处H场较1米处H场的衰减值大约为60 log (3.5m/1m)=32dB。从3.5m至10m处,可以认为进入远场,此段衰减值为20log(10m/3.5m)=9dB。故10m处的dBmA值为20log1.5mA/m-32-9=22dBmA/m。   ②ISO/IEC 15693标准   其作用距离约为50cm,设此时的Hmin= 115m A/m,对13.56MHz,近场范围为3.5m,则3.5m处的场强衰减为60log(3.5m/0.5m)=50.7dBmA。3.5m至10m为远场,衰减为20log (10m/3.5m)=9dBmA。因此10米处的dBmA值为:20log115mA/m-50.7dBuA-9dBmA=41dBmA   ③FCC标准   30m为10m V/m,换算为dB值是80dBmV/m,再换算至10m,增加量为40log(30m/10m)=19dB。换算成dBmA/m为:H=80+19-51=48dBmA/m@10m   将上面结果列于表1,则从表1可知,若H场是按RFID标准来设计,就可符合EMI的有关标准。   调制带宽及谐波发射   ·ISO/IEC 14443的调制方式   在TYPE A中,PCD向PICC通信采用修正密勒码的100%ASK调制。其PICC向PCD通信采用的是曼彻斯特编码,并且用副载波调制后进行ASK调制。在TYPE B中,PCD向PICC通信采用NRZ码的ASK调制方式,PICC向PCD通信采用对NRZ码(106kbps)进行BPSK副载波调制(847kHz),然后用ASK调制传送至PCD。   ·ISO/IEC 19653   VCD向VICC通信时,远距离采用“256中取1”编码的10%的ASK。短距离时采用“4中取1”编码的100%ASK调制。VICC向VCD通信采用曼彻斯特编码,用副载波进行调制(可用ASK或移频键控FSK方式),然后再用已调制副载波进行对载波的ASK调制。   从上述的通信模式可以看出,这些调制都需要调制带宽,因此要注意控制发射频谱。FCC规定谐波功率应限制比载波低50dB。   抑制EMI的措施   抑制EMI的措施可以从下面几个方面来考虑:   读写器射频前端电路设计   在读写器射频电路设计时,应考虑器件选型、PCB层数、大小、线路布局、布线、接地及地线配置、屏蔽、滤波等众多需要兼顾的问题。   例如,在读写器设计时,都需要有晶体振荡器,多数石英晶体振荡器(XO)并没有提供内在的EMI抑制措施,因此设计者采用屏蔽、滤波或特殊的印刷板布局技术来使产品通过EMI考核。但是,MAXIM公司的DS108X系列硅振荡器采用扩谱技术,可使其峰值EMI降低20dB以上,这为频率源的选择提供了新的思路。   在电感耦合式非接触IC卡系统的电路设计和调整中应注意下述方面:①天线回路参数应准确调谐在载波频率上。②对于末级功放采用D类放大器(低于135kHz)或E类放大器(13.56MHz)的系统,应仔细调整电路工作状态,减少寄生信号的产生。此时,天线回路的Q值对流过线圈的电流大小可起调节作用,应仔细调整其电流大小和通信带宽的关系。   新调制方式的选择   在ISO/IEC 14443、ISO/IEC 19653及低于135kHz的非接触IC卡系统中,读写器向应答器的数据传输都采用ASK载波调制模式,但实际上移相键控PSK调制在误码率、信号平均功率方面都具有比ASK更好的性能。在前述标准中未被采用,主要是PSK的解调只能用比较复杂的相干解调技术,而不能用简单包络检波方法,而相干解调电路相对比较复杂。      ISO/IEC 18000-3标准中的MODE 2在13.56MHz系统中提出了相位抖动调制(PJM)方法。在读写器向应答器的通信中,利用修正频率编码(MEM)对载波进行PJM调制。通常PSK的二进调制的两个相角是0度和180度,在编码变化时出现了载波相位的跃变。相位的较大跃变使频谱展宽,使功率谱的旁瓣较大,衰减较慢。PJM的两个相位角定义在2度的范围,见图1。因此相位的变化,即抖动减小使信号谱旁瓣较小,且衰减较快。此外,PJM的另一个好处是在读写器向应答器通信中,不会像ASK调制因有停顿而使能量场出现间隙,并且可以支持全双工通信。   因此,新的调制方式的研究和实施,也会给电感耦合的非接触IC卡的EMI获得很大改善。   结语   本文对电感耦合式非接触IC卡系统的EMI问题作了阐述,应该注意,它的EMS能力显然是很弱的,受篇幅所限,没有给予更多的阐述。鉴于我国的RFID标准尚未正式颁布,因此本文并未涉及。
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