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/[email protected]。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/[email protected]。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/[email protected]。将此值按上式转换,可以得到E=65
dBmV/[email protected]。
    
    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/[email protected]可表示为65.66dBmV/[email protected]。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/[email protected]。
    
   
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/[email protected]。
    
   
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。

电感耦合非接触IC卡系统的EMI问题,布布扣,bubuko.com

时间: 2024-10-07 16:19:05

电感耦合非接触IC卡系统的EMI问题的相关文章

非接触IC卡中typeA卡和typeB卡的区别--总结,二者的调制方式和编码方式不同

非接触IC卡中typeA卡和typeB卡的区别--总结,二者的调制方式和编码方式不同 1.非接触式IC卡的国际规范ISO/IEC14443的由来? 在非接触式IC卡的发展过程中,这些问题逐渐被解决并形成通用的标准,体现在现在的射频IC卡的设计上,国际标准化组织(ISO)和国际电子技术委员会(IEC)为期制定了相应的非接触式IC卡的国际标准--ISO/IEC14443. 2.ISO/IEC14443中的主要内容及typeA,typeB卡的由来 ISO/IEC14443标准包括四个部分: 第一部分I

非接触IC卡中typeA卡和typeB卡的区别

1.非接触式IC卡的国际规范ISO/IEC14443的由来? 在非接触式IC卡的发展过程中,这些问题逐渐被解决并形成通用的标准,体现在现在的射频IC卡的设计上,国际标准化组织(ISO)和国际电子技术委员会(IEC)为期制定了相应的非接触式IC卡的国际标准——ISO/IEC14443. 2.ISO/IEC14443中的主要内容及typeA,typeB卡的由来 ISO/IEC14443标准包括四个部分: 第一部分ISO/IEC14443-1制定了有关非接触卡的物理特性: 第二部分ISO/IEC144

金融卡IC卡知识50问

1.什么是金融IC卡? 金融IC卡又称为芯片银行卡,是以芯片作为介质的银行卡.芯片卡容量大,可以存储密钥.数字证书.指纹等信息,其工作原理类似于微型计算机,能够同时处理多种功能,为持卡人提供一卡多用的便利.我行现阶段发行的是复合金融IC借记卡. 2.我行金融IC卡遵循什么标准? 我行金融IC卡遵循的标准是中国人民银行的PBOC2.0标准,即中国金融集成电路(IC)卡规范(2010年颁布). 3.金融IC卡使用是否安全? 金融IC卡遵循双重密钥动态验证,很难被复制,有效防止伪卡盗刷,安全性进一步加

比较IC卡、ID卡、M1卡、CPU卡它们之间有什么区别?

IC卡的定义 : IC(Integrated Circuit)卡是1970年由法国人Roland Moreno发明的,他第一次将可编程设置的IC芯片放于卡片中,使卡片具有更多功能.“IC卡”和“磁卡”都是从技术角度起的名字,不能将其和“信用卡”.“电话卡”等从应用角度命名的卡相混淆.自IC卡出现以后,国际上对它有多种叫法.英文名称有“Smart Card”.“IC Card”等:在亚洲特别是香港.台湾地区,多称为“聪明卡”.“智慧卡”.“智能卡”等:在我国,一般简称为“IC卡”. IC卡的分类:

IC卡、M1卡、CPU卡、SAM卡、PSAM卡的联系与区别

一. 技术方面(非接触式IC卡)  1. 逻辑加密卡又叫存储卡,卡内的集成电路具有加密逻辑和EEPROM(电可擦除可编程只读存储器).  2. CPU卡又叫智能卡,卡内的集成电路包括中央处理器(CPU).EEPROM.随机存储器(ROM).以及固化在只读存储器(ROM)中的片内操作系统(COS),有的卡内芯片还集成了加密运算协处理器以提高安全性和工作速度,使其技术指标远远高于逻辑加密卡. 3. CPU卡由于具有微处理功能,使得在交易速度以及数据干扰方面远远高于逻辑加密卡,且允许多张卡片同时操作,

杂说卡片与卡片安全 (让我们来说说低频卡/高频卡/磁条卡和接触式卡)

本人在安全领域也有些年头了,首次在这里发帖,和大家做个朋友,相互探讨下,如果有相同兴趣爱好的,可以一起聊聊.首先声明,本人不是rfid行业或者相关行业的,此贴兴致纯属个人爱好,如有不同意见,也欢迎提出.这贴我不会讲太多的细节,但是不表示某些细节不重要或者不清楚, 希望以后针对有些topic再做展开.此贴只作为一个开张索引. 在标题上不特地指明是rfid卡是因为,这贴想讲的比较普遍一点,不仅仅是rfid,但是应该和rfid相对更相关一点.闲话不多,开始. 我这里主要讨论我所接触过的一些卡片,其实并

IC卡预付费水表系统解决方案~~深圳合众致达

IC卡预付费水表系统是由IC卡预付费水表.IC卡读写器.预付费管理系统软件和IC卡组成.通过读写器对IC卡开户.售水充值,实现用户预先购买水再消费的管理模式,科学.准确.安全地控制用水,实现规范化.自动化管理,是解决水费收缴难的理想方案. 方案特点::1.根据客户不同的需求,可提供多种预付费管理系统供选择,如单机版,网络版:2.可实现阶梯收费,促进水资源的节约利用:3.先付费,再用水,避免拖欠水费,解决收费难问题:4.一户一卡,一表多卡,可管理多块预付费水表:5.系统安装简单,操作方便,日常工作

IC卡基础知识

最近接触了一些自己陌生的领域,先将学习的情况做一下记录,这篇是一篇最基础的文章,将自己这段时间接触到的名词做一下解释记录. 一卡通相信大家都很熟知了,但是里面的构成相信不是每个人都了解的,现将一卡通从卡片到读卡器涉及到的知识做一个记录. 1.一卡通也是一种IC(Integrated Circuit Card)卡,IC卡有非接触式.接触式.双界面卡(同时具备接触式与非接触式通讯接口),一卡通采用的是非接触式的射频技术进行与读卡器之间通讯的. 2.接触式IC卡原理简介 接触式IC卡符合ISO7816

IC卡解密从零开始学1 (也许会有2) 解密工具V2 V3大放送 By:lookyour

前段时间发了一个破解的PN532工具,详见 ===========================IC卡解密工具 PN532工具XP 爆破版http://www.52pojie.cn/thread-597896-1-1.html IC卡解密从零开始学2  解密工具PN532-mfoc-mfcuk-GUIhttp://www.52pojie.cn/thread-604402-1-1.html =========================有很多人私信和回复希望有个详细点的介绍... 好吧,本着