Úvod do NFC

V současné době se v mnoha aplikacích uplatňuje bezdrátová komunikace na velmi krátké vzdálenosti NFC (Near-Field Communication). Příkladem mohou být bezkontaktní platební i jiné karty, tagy, či komunikace mobilních zařízení.  V zásadě je možné považovat NFC za nadstavbu RFID. Zařízení pracují na frekvenci 13.56 MHz a jsou svázána induktivní vazbou jejich smyčkových antén. Typickým scénářem je vyslání dotazu aktivním zařízením, dotazované pasivní zařízení pak odpovídá modulací zátěže připojené ke smyčkové anténě.
Existuje několik různých standardů komunikace, např. NFC-A, NFC-B, NFC-F, atd., vyznačujících se různými modulacemi a kódováním. V tomto článku podrobněji ukážeme  pouze charakteristiku NFC-A.
V případě dotazu (poll) dle NFC-A je použita modulace OOK (On-Off Keying), tedy digitální amplitudová modulace se 100 % hloubkou. Před modulací na nosnou vlnu je aplikováno také modifikované Millerovo kódování. To nahrazuje logickou 1 sekvencí 1101 se čtyřnásobnou bitovou rychlostí. Když log. 0 následuje log. 1 je nahrazena sekvencí 1111, když následuje log. 0 je nahrazena sekvencí 0111, jak je ukázáno na obr.  1.

Obr. 1: Modulace dotazu NFC-A.Data, modifikovaný Millerův kód a průběh vyslaného signálu (frekvence nosné neodpovídá skutečnosti)

Odpověď na dotaz je realizována modulací zátěže. Na data je nejdříve aplikován Manchester kód – log. 1 je sestupná hrana, log. 0 náběžná. Tímto průběhem je OOK modulována digitální subnosná (848 kHz). Takto modulovanou subnosnou je pak dále amplitudově modulována samotná 13.56 MHz nosná vlna, viz obr. 2. Hloubka modulace je v rozmezí 15-25 %.

Obr. 2: Modulace odpovědi NFC-A. Data, Manchester kód, modulovaná subnosná a průběh vyslaného signálu (frekvence nosné neodpovídá skutečnosti).

Zachycení NFC komunikace

Pro základní detekci NFC vysílání je možné použít osciloskop, který umožňuje spouštění při detekci NFC sekvence. Jednoduchou smyčkovou anténu lze vytvořit i z běžné osciloskopické sondy přichycením zemnícího kontaktu na špičku sondy (obr. 3).

Obr. 3: Improvizovaná smyčková anténa použitelná pro NFC.

Na obrázku 4 je zachycen dotaz dle standardu NFC-A. Žlutý průběh je zachycený signál, růžovou barvou je označen výstup obálkového detektoru (matematická funkce osciloskopu). V horní části obrázku je zobrazen celý zachycený dotaz (OOK modulace, modifikované Millerovo kódování), ve spodní je pak přiblížen jeden pulz. 
Díky schopnosti osciloskopu provádět parametrické měření je možné jednoduše měřit časové parametry tak, jak jsou definovány, např. na obrázku je měřen parametr t₂, tj. doba, kdy je obálka nižší než 5 % maxima. Podobně je možné měřit i náběžnou hranu od 5 do 60 % maxima obálky (parametr t₄), od 5 do 90 % (parametr t₃) atd.. 
Odpověď standardu NFC-A je zachycena na obrázku 5. Jedná se o modulaci magnetického toku zátěží. Úsek mezi kurzory X1 a X2 odpovídá jednomu bitu datové zprávy.

Pro základní ověření funkčnosti či ruční demodulaci zprávy tak stačí pouze samotný osciloskop bez dalšího speciálního vybavení. Je možné zjistit, zda zařízení vysílá, příp. odpovídá, nebo jestli časové charakteristiky (bitová rychlost, frekvence nosné) odpovídají standardu. Ostatní kanály osciloskopu lze přitom použít na sledování dalších signálů a tak rychleji odhalit případný zdroj chyby.

Obr. 4: Dotaz (Poll) podle standardu NFC-A, měření parametru t₂.

Obr. 5: Odpověď na dotaz z obr. 4 (nahoře včetně dotazu).

Pro další měření dle standardů NFC je už zapotřebí standardizované či kalibrované antény (obr. 6), případně pak arbitrary generátoru pro emulaci druhého zařízení. Takovouto sestavu je pak možné softwarově řídit a provádět s ní i plně automatizované testy.

Obr. 6: NFC Anténa 3v1 Keysight N2116A

Zachycení OOK komunikace dálkového zamykání

Většina dálkových zamykání automobilů využívá OOK modulaci s nosnou vlnou v pásmu 315 MHz nebo 433 MHz. Spouštěcí obvody osciloskopu Keysight InfiniiVision MSOX3000T s šířkou pásma alespoň 500 MHz je možné využít jako hardwarový demodulátor. Díky možnosti dekódovat Manchester kód lze pak přímo dekódovat celou zprávu. 
K zachycení signálu byla využita opět improvizovaná smyčková anténa z obr. 3. Nejdříve byl záznam osciloskopu nastaven do režimu single. Záznam byl spouštěn na náběžnou hranu signálu, úroveň spouštění byla nastavena na nízké kladné napětí tak, aby došlo ke spuštění při každém stisku tlačítka ovladače.

Bylo využito toho, že spouštěcí obvod osciloskopu může při vhodném nastavení pracovat jako digitální demodulátor OOK. Spouštění osciloskopu bylo nastaveno na „Pattern“. Byla vyhledávána jakákoliv posloupnost začínající log. nulou, timeout byl nastaven na 2 mikrosekundy (cca. setina trvání jednoho bitu). Tím je docíleno toho, že na výstupu spouštěcího obvodu bude napětí 5 V, pakliže nosná vlna bude vypnutá déle než 2 mikrosekundy, v opačném případě bude na výstupu spouštěcího obvodu 0 V.

Osciloskop umožňuje vyvedení výstupu spouštěcího obvodu na BNC konektor na zadním panelu přístroje (na konektor Trigger Out). Připojíme-li tento výstup na druhý kanál osciloskopu (stejnosměrně vázaný, invertovaný), jak je naznačeno na obr. 6, máme k dispozici digitálně demodulovaný signál, kde logická 0 (napětí -5 V) odpovídá vypnuté nosné a logická 1 (napětí 0 V) odpovídá zapnuté nosné. Toto je vidět v přiblížené části na obrázku 7, kde žlutý je zachycený signál a zelený je digitálně demodulovaný signál (invertovaný výstup spouštěcího obvodu).

Obr. 6: Schéma zapojení osciloskopu.

Dále je z obrázku 7 jasně patrné, že se jedná o Manchester kód. Osciloskopy Keysight InfiniiVision umožňují dekódování Manchester kódu, nicméně je třeba zadat přibližnou bitovou rychlost a polaritu kódu. Pokud známe strukturu zprávy, je možné do osciloskopu zadat délku synchronizační sekvence, délku hlavičky, délku a počet datových slov a počet ukončovacích bitů. Poté je možné v přehledné tabulce zobrazit demodulované rámce, kde jsou jednotlivé části zprávy již rozděleny. Z obrázku 8 je patrné, že použitý ovladač vysílá při každém stisknutí tři zprávy se stejnou hlavičkou ale jiným datovým obsahem.

Osciloskop tak může efektivně posloužit k ověření správné funkce a k ladění dálkových ovládání využívajících OOK modulaci.

Obr. 7: Detail OOK modulovaného signálu (žlutě) a demodulované obálky Manchester kódu (zeleně).

Obr. 8: Dekódované rámce vyslané ovladačem dálkového zamykáním.

Shrnutí

I se samostatným osciloskopem Keysight InfiniiVision lze bez dalšího vybavení provádět základní měření a ladění jednoduchých radiových systémů, jako je dálkové zamykání automobilů nebo NFC komunikace. V případě dálkového zamykání je možné automaticky dekódovat jednotlivé datové bity, jelikož je použit Manchester kód. V případě NFC je použit modifikovaný Millerův kód nebo Manchester kód aplikovaný na subnosnou. Proto není možné bez dalšího softwaru NFC automaticky demodulovat. Pomocí matematických funkcí je však možné získat obálku signálu, kterou je možné demodulovat ručně či pomocí vhodného softwarového nástroje.

Více informací získáte u společnosti H TEST a.s., která je prémiovým autorizovaným distributorem produktů společnosti Keysight Technologies pro Českou republiku, Slovensko, Maďarsko a Rakousko.