Il collaudo delle funzionalità di comunicazione a corto raggio tra telefoni cellulari e altri dispositivi NFC (Near Field Communication) è relativamente semplice. Scopo di questo articolo è introdurre brevemente i concetti essenziali della tecnologia NFC e fornire agli sviluppatori di sistemi delle linee guida per preparare ed eseguire le misure necessarie al collaudo e alla verifica dell'interoperabilità dei dispositivi NFC.
La tecnologia di comunicazione a corto raggio NFC si presta a numerose applicazioni. Può essere usata per il trasferimento di dati come numeri telefonici, immagini, file MP3 o certificazioni digitali tra dispositivi abilitati, come possono esserlo due telefoni cellulari. Ma lo scambio di informazioni può anche avere luogo tra telefonini dotati di funzionalità NFC ed etichette (tag) o smart-card dotate di chip RFID compatibili, ad esempio per ottenere da un manifesto pubblicitario 'intelligente' un URI (Uniform Resource identifier) che consenta la connessione al relativo sito Web.
I sistemi NFC dispongono poi di funzioni di sicurezza tali da poter essere impiegati come chiave di accesso per diverse tipologie di contenuti riservati e per servizi 'sensibili' come quelli di pagamento elettronico, biglietteria elettronica e controllo degli accessi.
Le comunicazioni NFC avvengono in un intervallo di frequenza centrato attorno i 13,56 MHz e ammettono velocità di trasmissione dati fino a 424 kb/s a una distanza di svariati centimetri. Dato che le comunicazioni possono essere sia attive che passive, la tecnologia NFC mette a disposizione un prezioso collegamento con il mondo dell'identificazione a radiofrequenza (RFID). L'organo di standardizzazione NFC Forum ha fatto in modo che NFC sia retrocompatibile con diversi standard RFID, smart-card e ISO/IEC, tra cui ISO/IEC 14443, ISO/IEC 14443 B e JIS X6319-4.
Per assicurare l'interoperabilità tra telefoni cellulari e i chip RFID delle smart-card di differenti produttori, è necessario effettuare misure a radiofrequenza e collaudare i protocolli digitali di comunicazione. Le misure a radiofrequenza comprendono la misura delle temporizzazioni e della frequenza portante, la misura dell'intensità di segnale e della sensibilità della ricezione nella modalità di interrogazione (polling), e la misura della modulazione di carico (intensità del segnale del segnale listener).
Le comunicazioni in campo vicino basano la trasmissione e la ricezione delle informazioni sull'accoppiamento induttivo. Come mostrato in figura 1, è il campo magnetico vicino di due bobine conduttrici che permette di accoppiare il dispositivo interrogante (initiator) al dispositivo interrogato (target).
La velocità di trasmissione è tipicamente di 106 kb/s, ma in certe condizioni sono possibili bit rate di 212 e 424 kb/s, proprio per questioni di compatibilità con i diversi standard RFID.
Tre diversi standard sono stati sponsorizzati da altrettante aziende: ISO/IEC 14443 A, ISO/IEC 14443 B e JIS X6319-4. All'incirca nello stesso periodo tre dei maggiori circuiti di carte di credito (Europay, Mastercard, Visa) hanno introdotto uno standard di pagamento basato sugli standard ISO/IEC 14443 A e ISO/IEC 14443 B. Entrambi i gruppi hanno collaborato con l'NFC Forum per armonizzare le specifiche delle interfacce via etere che sono state battezzate NFC-A (basata sullo standard ISO/IEC 14443 A), NFC-B (basata sullo standard ISO/IEC 14443 B) e NFC-F (basata sullo standard FeliCa).
Gli schemi di modulazione adottati in NFC sono due: OOK (Amplitude On/Off Keying) con diversa profondità di modulazione (100% o 10%) e BPSK (Binary Phase Shift Keying).
Quando opera nella modalità passiva di emulazione smart-card, un telefonino dotato di funzionalità NFC utilizza come fonte di energia la portante a 13,56 MHz emessa dal dispositivo interrogante. Lo schema di modulazione adottato dal dispositivo che effettua il polling è ASK (Amplitude Shift Key). Le comunicazioni peer-to-peer tra due dispositivi NFC avvengono in modo tale che una parte lavori come sistema passivo e si comporti da semplice ascoltatore. Le trasmissioni peer-to-peer seguono un protocollo dedicato. La terza modalità di funzionamento nelle comunicazioni NFC è la modalità attiva di lettura/scrittura in cui uno dei dispositivi NFC è attivo e legge o scrive dati in una tradizionale etichetta RFID passiva.
Le comunicazioni NFC sono bidirezionali. Un dispositivo interrogato trasmette informazioni sfruttando il fatto che variazioni nell'impedenza del circuito di ricezione provocano variazioni di fase o di ampiezza nella tensione d'antenna del dispositivo interrogante. Questa tecnica, denominata modulazione del carico, è utilizzata in NFC-A/B nella modalità di ascolto (come nello standard ISO/IEC 14443) utilizzando una portante ausiliaria a 848 kHz che viene modulata in banda base per variare l'impedenza del dispositivo in ascolto. NFC-F non utilizza una portante ausiliaria ma modula la banda base direttamente sulla portante a 13,56 MHz.
Sono diverse le misure a radiofrequenza che devono essere portate a termine per assicurare la conformità alle specifiche NFC. Per garantire misure ben definite e confrontabili, queste prove si basano su dispositivi di riferimento definiti dall' NFC Forum: il dispositivo interogato di riferimento (NFC Forum reference listener) e il dispositivo interrogante di riferimento (NFC Forum reference poller). I dispositivi di riferimento corrispondono a dispositivi NFC standard in modalità di interrogazione e ascolto con antenne di diverse dimensioni.
Le principali prove a radiofrequenza per i dispositivi dotati di funzionalità NFC sono:
Nella modalità attiva di interrogazione:
Nella modalità passiva di ascolto:
I livelli di potenza, le forme d'onda delle frequenze portanti e modulate possono essere verificati utilizzando oscilloscopi digitali ad alte prestazioni come RTO di Rohde & Schwarz. Un oscilloscopio ad alte prestazioni mette infatti a disposizione una scelta completa di modalità di trigger che evitano di dover ricorrere un trigger esterno. Nel caso in cui sia disponibile un trigger esterno le misure sulla forma d'onda modulata e sul livello della portante possono essere eseguite utilizzando un analizzatore di segnale e spettro nel dominio del tempo (in zero-span), come FSV di R&S. Un analizzatore di spettro è comunque necessario qualora si vogliano effettuare misure delle emissioni spurie.
La verifica delle specifiche richiede molte prove, tuttavia la procedura illustrata qui di seguito fornisce un'idea rappresentativa della preparazione del banco di prova e dell'approccio da seguire.
Utilizzando il dispositivo interrogante di riferimento NFC, i segnali di polling possono essere generati con un adeguato generatore di segnali RF in grado di produrre forme d'onda arbitrarie, come può esserlo il generatore SMBV100A di R&S. Le sequenze di comando che stimolano il telefonino NFC in modalità passiva sono generate dall'apposito software per la generazione di sequenze di impulsi messo a disposizione dal produttore. I segnali di prova possono essere generati e modificati con facilità.
I produttori degli strumenti di misura mettono a disposizione dei file pronti all'uso per la generazione di forme d'onda specifiche, dettagliando anche le impostazioni adeguate della strumentazione. Per erogare sufficiente potenza al dispositivo in prova è necessario un amplificatore di potenza. La figura 2 illustra la disposizione degli strumenti per effettuare la misura su un telefono cellulare in modalità passiva.
Oltre alla disposizione degli strumenti, è utile mostrare anche i risultati di alcune misure tipiche. Le misure che seguono sono state effettuate su un telefonino dotato di funzionalità NFC con un oscilloscopio digitale RTO di R&S.
1. Misura delle caratteristiche della forma d’onda nella modalità di interrogazione
La figura 3 mostra una tipica misura sulla forma d’onda in modalità di interrogazione. Il tempo di salita è valutato in 575 ns, piazzando il cursore 1 al 5% e il cursore 2 al 90% della scala verticale.
2. Misura del ritardo di frame nella modalità listener
La figura 4 mostra una misura temporale del ritardo di frame su un telefono NFC in modalità passiva di emulazione smart card, utilizzando la configurazione di prova riportata in figura 2. La traccia superiore mostra il segnale di Select Request (inviato da un generatore di forma d’onda arbitraria) e successivamente la risposta (modulazione del carico) del telefono NFC in modalità emulazione smart-card. La traccia inferiore mostra l’ingrandimento dell’intervallo temporale che spazia dall’ultimo bit del segnale di Select Request al primo bit della risposta. I cursori posizionati in questi punti misurano il tempo di ritardo di frame (che risulta qui essere di 86,51 µs). La variazione d’ampiezza dell’onda continua tra i cursori è dovuta ad una modulazione di carico parassita da parte del telefono NFC in modalità emulazione smart-card.
3. Misure di carico con l’oscilloscopio digitale
In Figura 5 è mostrata una misura di carico effettuata con un oscilloscopio digitale RTO di R&S. La risposta al telefono NFC in modalità di emulazione smart-card viene valutata con due cursori per ottenere l’esatta differenza tra i valori massimo e minimo (in questo esempio sono 61,1 mV, evidenziati nel cerchio)
Alternativamente, le misure di carico possono essere effettuate con un analizzatore di spettro. Utilizzando un analizzatore di spettro, però, le tensioni devono essere moltiplicate per la radice di 2 (1,41…) per ottenere gli stessi valori di picco mostrata da un oscilloscopio, dato che un analizzatore di spettro mostra sempre il vero valore efficace (rms) di un segnale.
Lo standard NFC ha ricevuto un’ampia accoglienza per via del modo semplice, intuitivo e al contempo sicuro di trasferire dati tra dispositivi ad esso conformi. Rende possibili tutta una serie di nuove applicazioni dei telefoni cellulari che includono acquisti sicuri, autenticazione, controllo degli accessi, scambio di semplici informazioni come biglietti da visita elettronici e lettura dei dati contenuti nelle etichette RFID. Con questo standard le procedure di collaudo e misura sono rese relativamente semplici dal ricorso a dispositivi di riferimento per l’interrogazione e la risposta. Le misure possono essere realizzate direttamente sul banco di lavoro con un oscilloscopio digitale, eventualmente coadiuvato da un analizzatore di spettro.
*Informazioni sull’autore
Roland Minihold lavora come Senior Application Engineer nel dipartimento Application Development della divisione Test and Measurement di Rohde & Schwarz.
