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。