非接触式IC卡中的射频识别技术

前言

IC卡，英文名称为“Integrated Circuit”，有些国家和地区称之为灵巧卡（Smart Card）、芯片卡（Chip Card）或称为智能卡（Intelligent Card），是法国人Roland Morono于1972年发明的，到现今已有30年的历史了。它包含了微电子技术和计算机技术，作为一种成熟的高技术产品，IC卡提高了人们生活的工作的现代化程度，已成为一个国家科技发展水平的标志之一。

射频识别技术（Radio Frequency Identify），是通过无线电波供给能量和进行数据的传递。其包含了微电子技术和无线通讯技术，广泛的应用于近距离的通信和识别系统中。

非接触IC卡又称射频卡，是世界上近几年发展起来的一项新技术，同时也是射频识别技术和IC卡技术有机结合的产物。它解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子技术应用领域的一大突破。

1.射频识别技术

射频识别系统由两部分组成，应答器和录呼器。寻呼器的主要组成部分是无线收发机，在应答器内有感应线圈（天线）及用于存储有关应用标识信息的存储器。

非接触IC卡工作过程为：

(1) 读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波，非接触式IC卡的工作频率一般为13.56MHz。
(2) 非接触卡片内有一个LC串联谐振电路，当它进入读写终端的工作区域内，而且频率与读写终端发送的频率相同，这样，在电磁激励下，LC谐振电路产生共振。
(3) 共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。
(4) CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。
(5) 根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改信息则有关控制逻辑启动电压泵将2V工作电压提升到15V，以便对存储器（EEPROM）中内容进行重新写入编程。
(6) 当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从存储其中读取的数据信息及相关信息发送给读写终端。
(7) 读写终端对接收到的信息进行处理。射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，读卡器和卡之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。

2.射频技术在非接触式IC卡中的实现

非接触IC卡又称为射频IC卡，即使用了射频技术的IC卡。要在IC卡中实现射频技术需要解决许多的技术难题，所需考虑的如：

（1）安全机制问题：因为射频技术的特点，导致IC卡中数据在通信过程中被截取的可能性很大，如何防止保密信息的泄漏是一大问题。作为安全性的解决办法之一，射频信号传输的是通过加密处理的数据，必须有同样的解密算法才能破解其中的信息，并且在实现通讯之前必须先进行读卡机具和卡的相互认证才可继续进行通讯。这就保证了射频信号不会被中途截取并破解，保证了系统的安全性。

（2）防冲突机制：如果在操作过程中同时出现多张卡，如何防止卡之间的数据干扰，保证读/写卡操作的正确完成。非接触卡在出现多卡进入读卡机具作用范围时，通过基于BIT冲突检测协议（Type A），或者则是字节、帧及命令（Type B）完成防冲突（Type A型和Type B型卡的区别在后面进行阐述）。

（3）电源及电源功耗的设计：由于射频IC卡的工作能源是通过射频收发电路由空间电磁波提供的。由此可见，电磁波能量的大小决定了卡上IC的工耗，也决定了IC芯片的功能。所以其在功耗参数上则要求尽量的小，这样射频信号的能量才能满足IC卡的工作要求。要克服这个问题只有从两个方面来解决，首先是在芯片的制作材料上进行技术革新，降低芯片的功耗。另一个方法就是提高射频能量，从射频欧中获取足够的电能保证卡上IC燕片正常工作。

（4）通讯的调制解调方式：为了实现IC卡与终端之间的正确的通讯，必须为其数据的传输制定相应的协议，才能在IC卡和终端之间进行正确的交流。而作为将模拟信号转换为数字信号进行传送的调制解调方式对通讯的完成是非常的关键的，采用什么样的调制解调方式直接影响到通讯的可靠性和安全性。非接触式IC卡通过两种方式进行调制解调，这也是Type A和Type B型卡的区别之一。

3.Type A型和Type B型卡的主要区别

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，的以现在在射频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。

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/IEC14443-2制定了有关射频功率及信号界面的特性；第三部分ISO/IEC14443-3则为非接触卡的初始化及防冲突机制；最后一部分ISO/IEC14443-4位有关的交易协定。在第二部分中涉及到了射频技术的实现标准，提供了解决上述问题的依据。由该标准，射频IC卡的有两种卡型——Type A和type B型。其主要的区别在于载波调制深度及二进制数的编码方式。

Type A型卡在读写机上向卡传送信号时，是通过13.65MHz的射频载波传送信号。其采用方案为同步、改进的Miller编码方式，通过100%ASK传送；当卡向读写机具传送信号时，通过调制载波传送信号。使用847kHz的副载波传送Manchester编码。

而Type B型卡在读写机具向卡传送信号时，也是通过13.65MHz的射频载波信号，但采用的是异步、NRZ编码方式，通过用10%ASK传送的方案；在卡向读写机具传送信号时，则是采用的BPSK编码进行调制。

对比两种卡型，可以看出，Type B型与Type A型卡相比有以下优势：

（1）芯片具有更高的安全性。接收信号时，不会因为能量损失而使芯片内部逻辑及软件工作停止。

（2）支持更高的通讯速率。Type A最大的数据通讯速率为150Kbit/s -200Kbit/s ，应用10%ASK技术的Type B至少可支持400Kbit/s 的速率。

（3）外围电路设计简单。读写机具到卡以及卡到读写机具的编码方式均采用NRZ方案，电路设计对称，设计时可使用简单的UARTS。

（4）抗干扰能力强。负载波采用BPSK调制技术，较Type A方案降低了6dB的信号声。

另外，在前面的防冲突机制中曾蝗到过Type A和Type B型卡的一些区别，对于Type B类卡，可根据实际应用情况支持选择一次一卡操作模式和一次多卡操作模式。

4.非接触式IC卡射频技术的发展

非接触式IC卡在目前的应用中，由于本身射频技术和卡芯片技术的限制，卡片需要较低的功耗。从而导致无法在卡片上实现CPU的嵌入，所以非接触式IC卡多为ASIC卡，ASIC的加密采用的是逻辑电路加密的方法，其灵活和可靠性都不是很高。所以，这直接导致了非接触卡在金融系统和电子商务应用上的限制。所以在以后的发展中，射频卡的发展方向则是基于在其中实现CPU，以达到扩展其应用领域的目的。

前面曾经提到过，由于射频卡的能量供给都是由射频信号提供的，所以射频功率的大小决定了射频卡的功耗。而卡片上集成CPU需要占用更多的功耗，于是，解决能量供给的问题就是射频技术发展所需要解决的问题。提高射频信号的功率，以提供足够的能量保障卡芯片和CPU的正常工作，这也是解决接触式IC卡和非接触式IC卡兼容问题的最为经济和现实的途径。

5.结束语

射频识别技术与IC卡技术相结合的产物，在其应用过程中表现出了独有的优越性。其使用方便，响应时间短的特点使其比起接触式IC卡来更具有生命力和发展市场。

由于采用射频技术，使用时无需与读卡器接触，减少了机械磨损，提高了卡的使用寿命。

随着非接触式CPU卡技术的成熟，射频IC卡的应用范围会越来越广，最终实现方便快捷、而且可靠安全的电子商务解决办法。这些发展也将依赖于射频识别技术的不断提高。

参考文献

[1]马海峰，唐涛，非接触式IC卡及其发展和应用，电子技术，1998，（4）
[2]陆永宁，IC卡应用系统，南京：东南大学出版社，2000.
[3]王卓人，等.IC卡的技术与应用。北京：电子工业出版社，1999.

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