搭配頻率響應/連線測試　NFC裝置感應效能有保障

近距離無線通訊(NFC)係簡單易用並可支援廣泛消費性及商務應用的新興短距通訊技術，因此行動產業界皆相當肯定這項技術未來的發展潛力。雖然一般認為NFC是一項相當簡易的技術，但NFC子系統效能卻會受到裝置在製造過程中所發生的細微變化而影響，因此，製造商須使用更嚴格的驗證測試，以確保NFC產品能順利運作。本文說明NFC測試重要性，以及如何確保此類製造測試的正確性及有效性，以協助相關產品開發商在市場上成功推動這項技術。

產業鏈力拱　NFC商機成長潛力驚人

圖1　NFC應用範例

NFC是建構在射頻識別(RFID)系統上的短距離無線通訊技術，以13.56MHz的頻率透過振幅偏移調變(ASK)編碼技術，達到每秒106k～848kbit/s的資料傳輸速率，可讓電子裝置間透過磁場在近距離感應進行雙向通訊，通常是在4公分以內的近距離來傳送資料。

NFC是一種點對點(Peer to Peer)的通訊方式，因此包含發送端及接收對象。在一種通訊模式下，發送端產生一個電磁場，接收端會由這個電磁場推動而開始通訊。在此模式下，對象不需要電源或電池，所以可以做得相當小，例如吊牌、標籤、或是塑膠卡，應用包括銀行卡、交通支付系統、快速的無線區域網路(Wi-Fi)或藍牙(Bluetooth)搜尋等。

在另一種通訊模式中，發送端和接收端各有其電源，並可進行點對點通訊，應用包括在智慧型手機間交換檔案，如Android Beam。透過這兩種操作模式，NFC讓消費者以簡單的裝置觸碰，和許多數位產品及基礎設施互動。圖1顯示各種NFC應用及在不同運作模式下的範例。

表1　NFC 標準

目前已有相關的ISO標準，NFC論壇也致力定義NFC規格及確保在裝置間的相互操作性，表1整理現有的NFC標準、應用案例及專有名詞。

事實上，NFC產品已問世幾年，儘管推廣上較為遲緩，但近期正加速從試運轉階段拓展至全球商業化的狀態，截至2013年底，大約有十家晶片商生產NFC晶片，還有上百款支援NFC功能的手機及平板出貨；在2013年世界通訊大會(MWC)中，幾乎所有行動裝置製造商也都展示支援NFC功能的新機種，並有許多服務供應商及軟體開發者推出創新應用程式。

ABI Research預測在2017年將有近二十億部NFC裝置出貨，包括智慧型手機、平板裝置、個人電腦周邊裝置及遊戲機，其中，智慧型手機將占75%的出貨量。現階段，NFC手機市場已開始起飛，2013年出貨量為2012年的兩倍，達到一億兩百萬支，且前十名手機大廠已有九家開始支援NFC，並列為旗艦產品的標準配備。

NFC可用於電子錢包及其他金融交易，引起大量關注，但要讓NFC金融交易成為主流，還有各種商業及生態挑戰須克服，因此電信及金融產業都積極往這兩方面努力。在產業鏈全力推廣下，ABI Research也預估，NFC電子錢包交易額將從2012年的40億美元，大幅成長至2017年的1,910億美元。

確保感應靈敏度　NFC產測重要性遽增

現階段，NFC產品製造正處於關鍵時期，儘管市場需求動能明顯，但要讓NFC市場規模維持穩定成長須進一步改善產品使用體驗，特別是較少的應用更是造成NFC裝置進入主流市場牛步的原因，也導致業界對此項技術的了解不夠。由於在不同NFC應用及跨產業的使用方式下，裝置故障可能是隱含多種因素，因此製造商須引進新的量測技術，以確保產品達到最佳使用效果。

當媒體開始審視新產品及服務時，通常會對真實使用案例或效能表現的猜測引發關注。一位NFC評論家最近在All Thing Digital網站上發表一篇文章，說她在一家零售店必須拿她的NFC手機輕敲付款終端好幾次，才能完成一筆交易，雖然該交易還是成交了，但NFC付款服務若無法有效改善靈敏度，反而一般的信用卡交易會更快。

這個例子顯示NFC裝置能否適切運作的重要性，若遇到故障，便會阻礙付款，且有可能破壞利潤豐厚金融交易市場的潛在價值，提供和失敗交易連結之裝置及服務的事業，不但可能損失營收，也會影響品牌資產。如果旅客無法使用其NFC裝置進入地鐵站或登機，使用者會對交通運輸業感到類似的挫折。同樣的，如果企業的員工無法使用其NFC裝置進入工作場所或是登入進企業網路，企業也會感到同樣的影響。

傳統NFC黃金待測物量測漏洞百出

圖2　在比對零組件值及/或公差上的小偏移可能對系統效能造成巨大的影響。

NFC概念上很簡單，實際上卻是非常精密的科技。NFC和其他無線技術運作起來很不一樣，其仰賴近距離感應做為通訊媒介，且運用共振類比電路提供有效率的功率傳遞，但是此類電路對類比零組件的變異性卻非常敏感。

舉例來說，萊特菠特(LitePoint)在一般NFC電路設計上進行模擬，施加在生產製造上標準的5%類比零組件差異，這項模擬的結果(圖2)顯示在頻率響應上大幅度的偏移。頻率響應偏移會對NFC效能產生顯著影響，僅500kHz偏移就可能減少所傳遞的能量將近50%，這會導致NFC裝置較高的功耗並縮減操作距離，還會導致不良的使用者體驗及觀感。

圖3　NFC天線線圈示意圖

另一方面，由於體積的限制，較小的線圈在智慧型手機上較受到歡迎，因此新的NFC線圈設計可能會愈來愈小(圖3)。雖然小線圈較易放置到裝置內，但小線圈要達成所需的射頻(RF)效能將有極大挑戰，因為小線圈在感應耦合上比大線圈公差水準低得多，這使搭載小線圈的NFC裝置在交易過程中對裝置的擺放位置非常敏感。

例如，可能需要兩台NFC裝置放在可接觸的距離，以線圈正對著線圈，如果匹配電路的頻率響應有偏差，NFC可能在較小線圈下無法運作，因此將共振頻率控制在正確的範圍內以確保運作及效能，將變得極為重要。

目前主流的NFC產測方案為「黃金待測物(Golden DUT)」方法，在生產過程中，有些NFC裝置的製造廠商會使用參考的代測物(即所謂的黃金待測物)，或以NFC讀卡機驗證裝置性能。雖然使用黃金待測物是一種實用及通用的生產檢測手法，這個方式卻有其限制，例如只會產生通過/不通過或合格/不合格的結果，可能發生一個裝置通過檢測卻沒有看到隱藏的底層問題，所以當這個方式檢測出一個故障的裝置時，這種檢測方式卻無法產出量化的資訊以找出故障的原因。

另一項限制是黃金待測物或讀卡機無法偵測出一些特殊狀況。例如某個裝置可能在生產製程中經控制的狀況下可正常運作，並通過合格檢測，但仍經不起真實使用、非控管環境下的考驗，無法和非理想狀況下的讀卡機或NFC裝置互動，或是無法在廣泛的溫度範圍下正常使用。

最後，由於黃金待測物或NFC讀卡機無法顯示製造過程中的失誤，大量的產品可能帶有(需要較高功耗或是降低該產品的運作範圍)瑕疵而出貨。製造商可以藉由運用射頻(RF)參數化檢測以找出及修正在製程中的效能差異。

頻率響應測試確保NFC收發性能

圖4　手機內建NFC架構圖

圖4顯示一個典型的NFC手機設計架構，而內部多功能組合(Combo)晶片、共振元件及天線線圈等與頻率操作相關的零組件，都應納入製造測試一環，因此，近來在測試NFC功能過程中，愈來愈多廠商引進頻率響應及基本連線測試，在大多數案例中，這足以判定該產品是否零瑕疵並且符合需求。

假設產品設計已經過檢定，並在研發部門及設計驗證階段就各項適用標準加以驗證，在製造環境執行各項標準所定義的檢測既不聰明也無此必要。在製造過程中，進行一項共振掃描，就足以找出任何會影響操作的匹配或共振效能相關瑕疵，並可透過製造測試治具驗證該設計的效能再加以分類(及訂下限制)。

圖5　NFC裝置的頻率掃描範例

頻率響應量測可藉由對固定測試線圈執行反射損耗(Return Loss)掃描，以得到在NFC感應頻率範圍內(例如10M～20MHz)受測裝置所吸收的能量。圖5顯示一部NFC裝置頻率響應的範例，這對NFC電路元件、電路板、接點、天線線圈，以及任何封裝效應的實體特性提供量化資料，可得到簡單的數值結果像是中央頻率、3dB頻寬及品質因數(Q Factor)，並用以判定通過/不通過的表現。

此種檢測可透過網路分析儀進行，在這個架構中，CW來源掃描一個頻率範圍，並且使用一台分析儀監看反射訊號，並用以和CW訊號源的訊號相比對，這可讓檢測人員量測待測物匹配電路和線圈共振頻率，以確保在NFC收發器射頻路徑上的所有元件，都能在公差範圍內正確地安裝，並且沒有組裝上的瑕疵存在。 至於基本無線網路連線的檢測則藉由初始化通訊，並進行初始NFC通訊協定堆疊的握手(Hand-shakes)程序。

驗證NFC系統功能　基本連線測試不可少

表2　NFC通訊主要測試模式

這項檢測提供系統層級的功能性檢查，並可確保待測物正確地接收及發送，同時檢查IC在組裝過程中是否損毀、IC接腳是否焊牢，以及數位電路是否正確銜接。 對產線測試來說(在上述連線功能檢測)，工程師不僅可縮減檢測儀的磁場強度水準及調變深度，以驗證任何靈敏度、發射訊號強度或損耗相關的瑕疵，也可以量測額外的發射器參數和接收器靈敏度。

發射器參數視待測物設計，可利用發射器的射頻訊號品質測試來找出瑕疵，這是一種很有用的方式。這些檢測可就實體層效能參數像是磁場強度、頻率錯誤(載波及/或副載波)、調變品質及深度，以及訊框延遲時間提供詳細的資訊，如果DUT能夠做為發送端及接收端，兩個模式應該都可獨立進行檢測。

另一方面，這項檢測量測偵測到最低訊號強度(在其產生回應回到發送端之後)，當待測物從其NFC裝置移開時，訊號強度會以距離的指數關係衰減，因此接收靈敏度檢測直接和該待測物的操作距離相關。相對於移動實體的待測物來測試耦合距離，靈敏度測試方法可藉由降低測試儀所產生的場強或調變深度，並監聽待測物反應直到測試儀不再從待測物收到回應，之後再檢視測試儀最後設定的訊號強度，以判定待測物接收的靈敏度。

表3　NFC實驗室/製造主要測試項目

因應上述測試需求，近期已有功能完整的NFC量測儀器問世，如萊特菠特的IQnfc，其為一個小巧耐用的測試系統，特別為生產線使用而設計，並提供直覺式的圖型化介面以進行詳細的波形分析，還有彈性的應用程式介面(API)以客製化檢測流程。IQnfc除支援NFC發送端及接收端測試外(表2)，也涵蓋所有主要的NFC測量項目(表3)。

(本文作者為萊特菠特產品經理)