借助ALM天線　boostedNFC掀非接觸式交易新頁

消費者已了解並能接受這項技術；且非接觸式讀取器也已被大量安裝(在銷售點終端設備、驗票柵欄及其他地點)；此外，數以千計的零售商、銀行、交通運輸網路業者及其他機構，都已開發利用這類非接觸通訊基礎建設的付費和進出應用軟體。

取代非接觸式卡片　NFC加速進入智慧手機

許多消費者不管到哪裡都會隨身帶著智慧型手機，理論上它可以模擬非接觸式卡片，讓使用者能用單一裝置來取代多張卡片。對於商家及交通業者而言，智慧型手機讓他們可以省下卡片成本，用可下載的應用程式來取代卡片。再者，讓消費者覺得更便利，能加速非接觸技術的普及，並有助商店及交通運輸業者增加營收和改善營運效率。

同時，行動業者也同樣熱切能在他們的裝置中實現非接觸技術，這能增加價值並強化對於消費者的吸引力。

21世紀初的近距離無線通訊(Near Field Communications, NFC)技術發表就是第一次嘗試，這是由NFC論壇主導的一項標準技術。NFC技術同樣支援讀取器模式，提供可讀取NFC標籤的裝置及點對點(Peer-to-peer)模式。但是早期的產品沒有適當考慮行動電話的電氣和機械限制，特別是做為NFC讀取器，相較於專用的NFC讀取器，例如非接觸付費終端，行動電話針對天線所能提供的電力預算及可用空間少太多了，要使用行動電話達到與讀取器模式相當的效能是相當困難的。

更危險的是缺乏殺手級應用。簡單來說，就是手機使用者不知道要拿口袋裡的NFC讀取器做什麼用途。不過，如果手機可以做為NFC標籤，就能模擬多種非接觸式卡片，這將會是一種殺手級應用程式，消費者不僅能用自己最喜愛的裝置進入建築物、火車和公車，還能用來在商店付費、使用優惠券並累積點數。

所以手機製造業者要如何實現可靠的NFC標籤功能？要了解此點，先了解NFC標籤與讀取器的通訊是比較有效的方式。

手機天線設計空間有限　NFC交易體驗備受挑戰

NFC技術和一對天線的感應耦合有關。耦合係數k，代表一對讀取器/卡片天線組耦合的易感程度，如圖1所示介於0與1的數值，這個數值主要是依據天線的幾何參數及它們之間的距離而定。

圖1　被動式負載調變電路圖

在正常情況下，當卡片天線小於讀取器天線時，無論與讀取器天線的特定距離為何，耦合係數都會與卡片天線的表面呈正比，表面越大，耦合係數越大。當使用一般的被動負載調變(PLM)方式來傳輸數據時，k的數值通常須介於0.03和0.3之間。

非接觸式NFC交易是一連串的讀取器指令，每一指令後都跟著一個來自卡片的應答。PLM被用於除了iPhone 6及iPhone 6 Plus之外的現有手機中，它的運作是藉由切換連接至卡片天線的被動(電阻或電容)負載(圖1)。一個預設負載會回應非調變狀態，而交換式負載會回應調變狀態。當讀取器和卡片天線感應耦合時，讀取器的接受器能感測到這些負載變異，並將之解碼並自訊號中抽取資訊。

在製作NFC系統時，將負載調變幅度納入考量是很重要的，這是讀取器接收器所感測到的調變和非調變電壓的差異，如果這幅度降至特定的最小值之下，則接收器將無法可靠地感測到卡片訊號調變。所有其他部分都是相等的，k的數值越大，則負載調變幅度就越大。

當被使用在非接觸式卡片中，PLM能穩定地產出充足的負載調變幅度。非接觸式卡片的標準尺寸一般是ID-1，是一張信用卡的大小，內嵌一支大天線，針對現今的讀取器能提供6公分的接收範圍。的確，非接觸式卡片系統的性能非常優良，例如能讓使用者不用將非接觸式卡片從皮夾或手提包中拿出來，就可以通過大眾運輸系統的驗票柵欄。

事實上，消費者期望非接觸式系統能運作得更為迅速即時且完全可靠，讓他們的非接觸式裝置能從各個方向接近讀取器，無論是手持或裝置是完全隱藏在皮夾或皮包裡。

然而這對於智慧型手機業者而言形成極大的挑戰，因為手機中包含許多無線電元件和天線，且是被包覆在金屬中。手機的電路板上密布著各種元件，而且消費者需要更大的顯示螢幕及電池，占據了越來越多的可用空間。

這樣的環境對於PLM而言可說是完全不適合，局促的空間尺寸只容得下微小的天線，此外各種各樣的金屬和相互干擾的射頻訊號也會嚴重影響手機和讀取器天線耦合的能力，結果就是造成糟糕的消費者體驗，產生常常不能交易、交易得花上好幾秒才能完成，而且消費者被迫得從皮包中拿出手機並小心翼翼地靠近讀取器的情況發生。

天線外型小於PLM百倍　ALM一舉降低裝置設計成本

設計上的限制阻礙手機業者尋求增加k數值的嘗試，如上所述，這些企圖都須大幅增加手機NFC天線面積。因此，欲提升手機的卡片模擬模式的效能，相關努力多集中於增加負載調變幅度，主動負載調變(Active Load Modulation, ALM)是目前可以做到的成功方法。

ALM利用行動裝置的電池電源供應。在ALM中，一個和讀取器磁場同步的載體訊號會在調變狀態期間被傳送，並且在非調變狀態期間關閉(圖2)，這種運作方式被稱為AND模式。

圖2　主動式負載調變電路圖

在更有效率的技術版本中則被稱為XOR模式，一個和讀取器磁場同步的訊號會在調變狀態期間被傳送，而在非調變狀態期間則是傳送一個180o相移訊號，相較於AND模式，在這種XOR模式中，讀取器所感測到的負載調變強度會增倍，如此就能使用小得多的天線。

ALM訊號被耦合至讀取器的天線。根據其與讀寫器磁場的相位差，耦合ALM訊號或是加入，或是自讀取器的訊號中被減去，以形成負載調變訊號。ALM的主要優點就是，ALM能在耦合係數低一百倍的情況下，達到與PLM裝置相同的負載調變幅度(圖3)。

圖3　ALM使用的天線能小於典型PLM系統天線一百倍之多。

一個典型的非接觸式卡片天線的面積為4,000平方毫米，可以成功實現PLM。ALM電路則能以僅僅40平方毫米的天線在讀取器接收器達到相同的負載調變幅度，提供同樣的消費者體驗。

對於手機製造業者而言，這種尺寸的天線成本幾近於零，甚至能在主機板上以印刷電路板(PCB)天線的方式作用。就比較來看，具有鐵氧體和連接器的大型天線的成本將近1美元。再者，NFC天線可放在對使用者而言最好的位置，例如放在後置鏡頭附近時，使用者只需要將手機頂部輕觸讀取器即可。

相對而言，放在智慧型手機背蓋或電池中的大型天線就是造成使用者使用非接觸式讀取挫折的原因。一般而言，他們會將手機拿在手中，所以手機天線無法對準讀取器天線。當他們將手機掃過非接觸式讀取機前面時，交易會失敗。所以使用者必須學會將手機小心翼翼地很靠近讀取器，非接觸式傳輸才能成功，這樣的動作和使用非接觸式卡片的經驗相當不同。

圖4　小型天線可以輕易放入裝置中，並能提供最佳使用經驗。

在圖4中，讀取器天線被標記為A虛線。基於PLM的解決方案所需的大型天線則是被標記為B虛線，是手握著裝置的地方。相對而言，ALM解決方案所使用的小型天線則是被標記為C虛線，它的位置非常理想，能成功完成NFC交易。

由於能使用非常小的天線，ALM也非常適合用於穿戴式裝置中。由於穿戴式裝置的空間限制只能容納小型天線，然而採用小型天線的PLM解決方案不能提供令人滿意的通訊範圍。

boostedNFC採ALM模式　提升行動交易達成率

市面上晶片商如奧地利微電子(ams)開發的一系列NFC標籤模擬IC就採用ALM的運作原則，所有產品皆採用它的boostedNFC技術，boostedNFC可提供的效能可匹配天線面積只有40平方毫米的非接觸式卡片。

然而天線尺寸的縮小並非是boostedNFC所提供的唯一好處，它也能支援負載調變訊號的各種電氣參數，包括：

自動功率控制(Automatic Power Control)功能，當手機接近讀取器時(換句話說，就是耦合係數變高時)，這個功能可減少輸出電壓。這能防止讀取器接收器的電壓飽和。 相對於讀取器磁場的主動負載調變訊號的相位差配置，當手機幾乎離開讀取器的範圍時，這可以改善交易的可靠度。 可設定的靈敏度，可支援各種不同外觀尺寸的天線；能夠達到極低的靈敏度，這能確保讀取器至卡片的連結絕對不會對交易範圍造成限制。 精確的時序機制，這能確保讀取器指令和卡片回應之間的延遲可符合非接觸式標準所規定的嚴苛限制；這個機制能補償發生在NFC控制器端的變異。 自動增益控制(Automatic Gain Control)，能提供讀取器訊號的正確解調變，並容納終端設計，特別是大眾運輸系統的各種變化。

所有的這些功能都能被動態配置，以提供較既有NFC解決方案更高的互操作性通過率。當使用於付費應用時，百分之百的通過率可以被輕鬆達成。此外，boostedNFC技術還提供一種方法，讓代工製造業者能容納已安裝讀取器的不一致性，這是因為付費卡片系統交易的EMVCo非接觸式標準的不斷修改所造成的；此外，因為老化，讀取器的效能也可能有所變化，而讀取器效能的差異也可能是源自於製造和安裝的不一致性。

極小的天線也能避免大型天線會發生的讀取器天線失諧問題。EMVCo對非接觸式通訊範圍的要求已從4公分放寬至最小2公分，這主要是針對採用效能較差的PLM解決方案的NFC手機，但這幾乎無法符合使用者的期望。

不過幸運的是，這個放寬的標準在未來是沒有必要的，因為boostedNFC將能讓NFC手機的效能和傳統的非接觸卡片一樣好，甚至是更佳。

圖5　boostedNFC被用於主NFC控制器的附加晶片(AS3923)中。

目前市面上的NFC booster IC--AS3922可提供ALM技術，並用於UICC和microSD NFC連接卡，讓沒有內建NFC功能的手機和小型附件可以模擬非接觸式卡片。像AS3923及AS39230是做為NFC控制器的附加元件被整合至電子裝置中，主要是用來取代控制器的類比前端(圖5)；此外，AS39230也支援NFC的主動點對點模式及卡片模擬。

據觀察，ALM對於電池運作壽命幾乎沒有影響，因為boostedNFC元件會維持省電模式，直到它偵測到非接觸式交易的發生。數位IC製造商也試圖實現ALM，然而ALM系統所需的類比電路非常不適合先進數位IC的超小電路特性，因此，整合型ALM的數位安全元件(Secure Elements)或NFC控制器的負載調變效能都很差。相對而言，奧地利微電子元件採用的純粹類比電路能提供最佳等級的效能，可滿足消費者的期望，這些消費者已習慣非接觸式卡片的方便好用，因此類比方式已被選擇用於現今市場上最頂級的手機中。

非接觸式卡片現今已被廣泛用於大眾運輸系統及商店的非接觸付費交易中。數以億計的消費者隨身帶的智慧型手機可以模擬智慧卡，讓使用者能用單一裝置來取代多張卡片。但是要在智慧型手機環境中實現非接觸式卡片功能，可說是充滿挑戰。

非接觸式卡片用來通訊的被動式負載調變方法須使用大型天線，且要為射頻訊號提供良好環境，然而智慧型手機的空間很小、很擁擠，布滿金屬物件且會受到射頻干擾。因此，智慧型手機及穿戴式裝置製造商現已開始轉向另一種實現NFC非接觸式通訊的方式：主動式負載調變。

(本文作者任職於奧地利微電子)