La communication en champ proche (NFC) est une nouvelle technologie de connectivité sans fil à courte portée, basée sur des normes, qui utilise l’induction de champ magnétique pour permettre la communication entre des appareils électroniques à proximité immédiate. Basé sur la technologie RFID, le NFC fournit un support pour les protocoles d’identification qui valident le transfert sécurisé des données. La NFC permet aux utilisateurs d’effectuer des transactions intuitives, sûres et sans contact, d’accéder à des contenus numériques et de connecter des appareils électroniques simplement en touchant ou en rapprochant les appareils.
Cet article donne un aperçu des utilisations de la technologie NFC et des mesures RF sur les unités NFC.
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Résumé
La communication en champ proche (NFC) est une nouvelle technologie de connectivité sans fil à courte portée qui a évolué à partir d’une combinaison de technologies d’identification et d’interconnexion sans contact existantes. Elle a été développée conjointement par Sony et NXP Semiconductors (anciennement Philips).
Le NFC est conçu pour permettre l’échange de divers types d’informations, telles que des numéros de téléphone, des photos, des fichiers MP3 ou des autorisations numériques entre deux appareils compatibles NFC comme des téléphones portables, ou entre un téléphone portable compatible NFC et une carte à puce ou un lecteur RFID compatible qui sont tenus à proximité l’un de l’autre. Le NFC est destiné à être utilisé comme clé d’accès aux contenus et pour des services tels que le paiement sans numéraire, la billetterie et le contrôle d’accès.
Le NFC fonctionne dans une gamme de fréquences centrée sur 13,56 MHz et offre un débit de transmission de données allant jusqu’à 424 kbit/s sur une distance d’environ 10 centimètres. Contrairement à la technologie sans contact classique dans cette gamme de fréquences (uniquement des communications actives-passives), les communications entre les appareils compatibles NFC peuvent être actives-actives (peer-to-peer) ainsi qu’actives-passives, la NFC représente donc un lien avec le monde de la RFID. La NFC est rétrocompatible avec l’infrastructure de carte à puce largement utilisée, basée sur la norme ISO/IEC 14443 A (par exemple la technologie MIFARE de NXP) et ISO/IEC 14443 B, ainsi qu’avec la carte FeliCa de Sony (JIS X 6319-4). Pour l’échange d’informations entre deux appareils NFC, un nouveau protocole a été développé, qui est défini dans les normes ECMA-340 et ISO/IEC 18092. Le Forum NFC a été fondé en 2004 par NXP, Sony et Nokia afin d’harmoniser la technique NFC et de stimuler son déploiement. Le forum NFC développe des spécifications qui assurent l’interopérabilité des unités et des services NFC. Toutes les normes mentionnées ci-dessus (ISO/IEC 14443 A, B, ISO/IEC 18092 et JIS X 6319-4/FeliCa) sont incluses. Le Forum NFC certifie les unités NFC compatibles avec ses spécifications à partir de décembre 2010.
Pour assurer l’interopérabilité entre les téléphones mobiles et les cartes à puce RFID de différents fabricants, des tests de protocoles numériques et des mesures RF sont nécessaires sur les appareils NFC. Les mesures RF comprennent essentiellement des mesures de synchronisation, la mesure de la puissance du signal en mode d’interrogation, la mesure de la fréquence porteuse, la sensibilité de réception en mode d’interrogation et la mesure de la modulation de charge (puissance du signal de l’auditeur).
Cas d’utilisation de NFC
De nombreuses demandes possibles de NFC sont à l’étude. L’avantage particulier du NFC est son mode d’utilisation simple. Il suffit de toucher ou de placer un appareil à proximité de quelque chose pour lancer le service souhaité. Voici quelques utilisations typiques :
Paiement mobile
- Payer avec les téléphones NFC pour les billets ou les courses en taxi
- Payer avec des téléphones NFC aux points de vente sans contact (POS)
- Bons d’achat sur les téléphones NFC
Authentification, contrôle d’accès – stockage de clés électroniques, légitimations sur les téléphones NFC
- Accès sécurisé aux bâtiments
- Connexion sécurisée au PC
- Déverrouiller les portes de voiture
- Installez votre bureau à domicile avec une touche de votre téléphone NFC
Transfert de données entre différentes unités NFC (échange de données entre pairs) comme les smartphones NFC, les appareils photo numériques, les ordinateurs portables, etc.
- Échange de cartes de visite électroniques
- Imprimez des photos en tenant l’appareil photo près de l’imprimante
“Débloquer” un autre service (par exemple, ouvrir une autre liaison de communication pour le transfert de données)
- Mise en place de liaisons Bluetooth, WLAN
Accès à l’information numérique
- Lire les horaires de l’affiche intelligente au téléphone NFC
- Télécharger les cartes de l’affiche intelligente au téléphone NFC
- Enregistrement d’un lieu tel qu’un parking dans un téléphone NFC
Billetterie
- Stockez les billets de théâtre, d’attraction ou d’événement sur le téléphone de la NFC
Les bases de la transmission de données avec le NFC
Comme les normes RFID 14443 et FeliCa, la NFC utilise un couplage inductif. Comme pour le principe du transformateur, le champ magnétique proche de deux bobines conductrices est utilisé pour coupler le dispositif d’interrogation (initiateur) et le dispositif d’écoute (cible).
Figure 1 : Configuration du dispositif de sondage (initiateur) et du dispositif d’écoute (cible).
La fréquence de fonctionnement est de 13,56 MHz, et un débit binaire de 106 kbit/s (en partie aussi 212 kbit/s et 424 kbit/s) est utilisé. Les schémas de modulation sont la modulation d’amplitude on/off (OOK) avec différentes profondeurs de modulation (100 % ou 10 %) et la BPSK.
Transmission d’énergie et de données à partir d’un dispositif de sondage
Pour la transmission vers un système passif tel qu’un téléphone NFC en mode d’émulation de carte passive, le système passif utilise le signal porteur de 13,56 MHz du dispositif de vote comme source d’énergie. Le schéma de modulation du dispositif d’interrogation est ASK.
Pour le mode NFC peer-to-peer, les deux sens sont modulés et codés comme un dispositif de sondage. Cependant, une puissance moindre est nécessaire car les deux appareils NFC utilisent leur propre alimentation électrique et le signal porteur est coupé après la fin de la transmission.
Transmission de données à partir d’un appareil d’écoute
En raison du couplage des bobines d’un dispositif de vote et d’un dispositif d’écoute, un dispositif d’écoute passif affecte également le dispositif de vote actif. Une variation de l’impédance du dispositif d’écoute entraîne des changements d’amplitude ou de phase de la tension d’antenne du dispositif d’interrogation, détectée par le dispositif d’interrogation. Cette technique est appelée modulation de charge. La modulation de charge est effectuée en mode d’écoute (comme dans la norme ISO/IEC 14443) en utilisant une porteuse auxiliaire à 848 kHz qui est modulée par la bande de base et fait varier l’impédance du dispositif d’écoute. La figure 2 montre le spectre avec la modulation de charge. Le schéma de modulation est ASK (comme pour les PICC ISO/IEC 14443 A) ou BPSK (comme pour les PICC 14443 B). Il existe un troisième mode passif compatible avec FeliCa où la modulation de charge est sans porteuse auxiliaire directement comme ASK sur la porteuse de 13,56 MHz.
Figure 2 : Modulation de charge sur une porteuse de 13,56 MHz avec une porteuse auxiliaire de 848 kHz. Les spectres de modulation de la porteuse et des porteuses auxiliaires sont indiqués par des triangles (les spectres de modulation de la porteuse et des porteuses auxiliaires n’apparaissent pas en même temps car la NFC utilise le multiplexage temporel).
Schéma de modulation et codage
On utilise la modulation par déplacement d’amplitude (OOK) avec différentes profondeurs de modulation (100 % ou 10 %) ou la BPSK (comme pour les PICC ISO/IEC 14443 B).
Figure 3 : ASK avec une profondeur de modulation de 100%.
Figure 4 : ASK avec une profondeur de modulation de 10%.
Figure 5 : Modulation BPSK
Le NFC utilise les codes NRZ-L, Modified Miller et Manchester.
- Avec NRZ-L, un état “haut” pendant une durée de bit indique un 1 logique, un état “bas” un 0 logique.
- Avec le codage Manchester, la première moitié d’un bit sera mise à l’état “élevé” à un niveau logique 1, et la seconde moitié à l’état “faible”. Avec un 0 logique, la première moitié d’un bit est mise à l’état “bas” et la seconde moitié à l’état “haut”.
- Avec le codage de Miller modifié avec un 1 logique, une impulsion “basse” se produit après la moitié de la durée du bit. Avec un 0 logique, une impulsion “basse” se produit au début d’un bit. Exception : Si un 0 logique suit un 1, aucune impulsion ne se produit, le signal reste élevé.
Figure 6 : Le codage par NFC est soit NRZ_L, soit Modified Miller, soit Manchester (voir également le tableau 1 et le tableau 2)
Figure 7 : Visualisation de la modulation de charge avec une porteuse auxiliaire dans le domaine temporel et fréquentiel [6].
Technologie et signaux NFC
Évolution des normes NFC
Les trois normes ISO/IEC 14443 A, ISO/IEC 14443 B et JIS X6319-4 sont des normes RFID qui ont été élaborées à l’initiative de différentes entreprises (NXP, Infineon et Sony). La première norme RF NFC était ECMA 340, basée sur l’interface aérienne de la norme ISO/IEC 14443A et JIS X6319-4. L’ECMA 340 a été adapté en tant que norme ISO/IEC 18092. En parallèle, les principales sociétés de cartes de crédit (Europay, Mastercard, Visa) ont introduit la norme de paiement EMVCo basée sur les normes ISO/IEC 14443 A et ISO/IEC 14443 B. Au sein du Forum NFC, les deux groupes ont harmonisé les interfaces aériennes. Ils sont nommés NFC-A (basé sur la norme ISO/IEC 14443 A), NFC-B (basé sur la norme ISO/IEC 14443 B) et NFC-F (basé sur la norme FeliCa).
L’évolution des normes RF et des protocoles NFC avec leurs spécifications de test est illustrée dans les figures 8 et 9.
Figure 8 : évolution des normes RF NFC
Figure 9 : évolution des normes du protocole NFC
Modes de fonctionnement, modulation et codage NFC
Il existe trois modes de fonctionnement principaux pour la NFC :
- Mode d’émulation de carte (mode passif) : le dispositif NFC se comporte comme une carte sans contact existante conforme à l’une des normes en vigueur
- Mode “peer-to-peer” : deux appareils NFC échangent des informations. Le dispositif initiateur (dispositif d’interrogation) nécessite moins de puissance que le mode lecteur/écrivain car la cible (l’auditeur) utilise sa propre alimentation.
- Mode de lecture/écriture (mode actif) : le dispositif NFC est actif et lit ou écrit sur une étiquette RFID passive héritée.
Figure 10 : Modes de fonctionnement des NFC
Chaque mode (émulation de carte, peer-to-peer, mode lecteur/enregistreur) peut être combiné avec l’une des technologies de transmission suivantes :
NFC-A (rétrocompatible avec la norme ISO/IEC 14443 A) NFC-B (rétrocompatible avec la norme ISO/IEC 14443 B) NFC-F (rétrocompatible avec la norme JIS X 6319-4)
Pour prendre en charge toutes les différentes technologies, un appareil NFC en mode d’interrogation tente d’abord d’obtenir des réponses des balises NFC-A, NFC-B et NFC-F avec les signaux de requête correspondants. Lorsqu’il reçoit une réponse d’un appareil compatible, l’appareil NFC établit le mode de communication correspondant (mode NFC-A, NFC-B ou NFC-F).
Figure 11 : Organigramme du processus de résolution en mode sondage – flux principal.
Le codage et la modulation varient en fonction du mode de communication actif ou passif, de la communication NFC-A, -B, -F et du débit binaire.
Le tableau 1 indique le codage, la modulation et les débits de données pour les communications NFC-A, -B ou -F.
Normes techniques NFC Spécifications de l’interface aérienne
Tableau 1 : Aperçu des normes NFC RF
Types d’étiquettes NFC
Les balises NFC sont des dispositifs passifs qui peuvent être utilisés pour communiquer avec des dispositifs NFC actifs. Les balises NFC sont prévues dans des applications telles que les affiches et d’autres domaines où de petites quantités de données peuvent être stockées et transférées vers des dispositifs NFC actifs. Quatre types de balises de base, de désignation 1 à 4, chacune ayant un format et une capacité différents, ont été définis. Ces formats de type de balises NFC sont basés sur la norme ISO 14443 types A et B et sur la norme Sony FeliCa.
Tableau 2 : Types de balises NFC
Mesures RF NFC
Pour garantir le fonctionnement des appareils NFC conformes aux normes ainsi que des tests de protocole complets, un certain nombre de tests RF doivent également être effectués. Selon le projet de spécification des tests analogiques NFC [15], (sous réserve de modifications par le Forum NFC) les tests RF sont définis par des dispositifs de référence (auditeur de référence du Forum NFC, interrogateur de référence du Forum NFC). Ces dispositifs de référence correspondent aux dispositifs NFC typiques en mode d’interrogation et d’écoute avec différentes tailles d’antennes et fournissent des mesures bien définies et comparables.
Installations de test
Le Forum NFC prévoit les deux configurations d’essai suivantes pour tester le mode d’écoute ou le mode d’interrogation d’un appareil NFC.
Figure 12 : Configuration de mesure pour tester un appareil NFC en mode d’écoute
Figure 13 : Configuration de mesure pour tester un dispositif NFC en mode d’interrogation
Dispositifs de référence du Forum NFC
Dispositif de sondage de référence :
Lorsqu’il est connecté à un générateur de signaux et à un amplificateur de puissance appropriés, un dispositif d’interrogation de référence du Forum NFC envoie des commandes à un dispositif d’écoute. La réponse d’un dispositif d’écoute peut ensuite être saisie et analysée par un équipement de mesure.
Les appareils de sondage de référence du Forum NFC avec 3 modèles de bobines d’antenne différents sont basés sur la norme EMVCo PCD*) (pour Poller-0) et des versions compensées de deux des conceptions de bobines d’antenne PICC normalisées par l’ISO (Poller-3 et 6).
*) EMVCo : Europay, Mastercard, Visa Companies [7], PCD : Dispositif de couplage de proximité (lecteur)
Figure 14 : Exemple : Sondage de référence du Forum NFC 3
Dispositif d’écoute de référence :
Le dispositif d’écoute de référence du Forum NFC analyse le signal émis par un appareil de sondage. Pour analyser la fréquence et les formes d’onde de ces signaux, le dispositif d’écoute de référence du NFC Forum est équipé d’une bobine de détection intégrée.
Le dispositif d’écoute de référence du Forum NFC peut également renvoyer des informations à un dispositif de sondage, en utilisant différents niveaux de modulation de charge générés à l’aide d’une source de signal externe appropriée comme un générateur de forme d’onde arbitraire.
Figure 15 : Exemple : Auditeur de référence du Forum NFC 3
Le volume de fonctionnement d’un dispositif de vote est l’espace dans lequel la spécification exige que le dispositif fonctionne dans le but d’assurer l’interopérabilité entre les dispositifs NFC sur au moins ce volume. La géométrie du volume de fonctionnement est illustrée à la figure 16.
Figure 16 : Le volume de fonctionnement du NFC est défini comme l’espace dans lequel un appareil du Forum NFC en mode d’interrogation peut communiquer avec un appareil du Forum NFC en mode d’écoute ou doit être capable de communiquer avec un appareil répondant.
Tests RF sur les dispositifs NFC
Les essais RF pour l’homologation du Forum NFC pour les dispositifs compatibles NFC sont spécifiés dans le projet de spécification des essais analogiques du Forum NFC. Les tests les plus importants sont les tests RF pour un appareil compatible NFC :
En mode de vote actif :
- Mesure de la précision de la fréquence porteuse
- Mesure du niveau de puissance
Une puissance suffisante doit être fournie en mode de scrutin. - Mesure des caractéristiques de la forme d’onde
Les paramètres de temps comme le temps de montée, le temps de descente, etc. doivent être vérifiés. - Test de sensibilité à la modulation de charge
Le dispositif de vote doit recevoir correctement une modulation de charge à un niveau minimum spécifié. - Test de niveau de seuil (le dispositif de sondage testé doit couper son champ RF lorsqu’il est exposé à un champ RF externe d’une certaine intensité).
En mode d’écoute passive :
- Mesure de la modulation de la charge
L’intensité du signal de la modulation de charge (réponse de l’appareil d’écoute) doit être dans les limites requises. - Test de réception d’énergie
L’appareil d’écoute doit répondre correctement même dans de mauvaises conditions. - Temps de retard des images (important en mode NFC-A pour l’algorithme anti-collision)
Le temps de retard de trame est le temps de réponse entre la fin de la commande d’interrogation et le début de la transmission du téléphone en mode d’émulation de carte.
Tous ces tests doivent être effectués pour les différents modes NFC-A, NFC-B et NFC-F si le téléphone portable les prend en charge.
Les tests de base des dispositifs NFC sont décrits en détail dans la note d’application R&S 1MA190 “Basic Tests of NFC Enabled Devices Using R&S Test Equipment”
Abréviations
- BPSK : Modulation par déplacement de phase binaire
- NRZ-L : Non-Retour à zéro, (L pour niveau)
- OOK : On-Off-Keying
- ISO :Organisation internationale de normalisation
- IEC : Commission électrotechnique internationale
- ECMA : Association européenne pour la normalisation des systèmes d’information et de communication
- EMVCo : Europay, Mastercard, Visa Companies. EMVCo gère, maintient et améliore les spécifications des cartes à circuit intégré EMV® pour les cartes de paiement à puce et les dispositifs d’acceptation, y compris les terminaux de point de vente (TPV) et les distributeurs automatiques de billets (DAB). EMVCo est actuellement détenue par American Express, JCB, MasterCard et Visa
- JIS : Norme industrielle japonaise
- NFC : Communication en champ proche
- NFC-A : Communication en champ proche – Technologie NFC-A
- NFC-B : Communication en champ proche – Technologie NFC-B
- NFC-F : Communication en champ proche – Technologie NFC-F
- NFCIP-1 :Interface et protocole de communication en champ proche selon [NFCIP-1]. Protocole spécifique du Mode Peer NFC
- NDEF : Format d’échange de données NFC
- PCD : Dispositif de couplage de proximité (lecteur)
- PICC : Carte à circuit intégré de proximité
