第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究

1、第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究第二代身份证专用芯片一北京中电华大电子设计有限责任公司周建锁公安部第一研究所聂岩噪声检测及标定方法研究摘要:第二代身份证射频卡芯片在工作场强内不可避免地会产生噪声,可能会影响卡片与读卡器系统的正常工作.本文从理论上详细分析了卡片调制信号幅值与读卡器灵敏度的关系,提出了一种卡片噪声的检测和标定方法.这有利于合理地匹配不同厂家的卡片与读卡机具,改善兼容性,对二代证的大量应用具有重要意义.关键词:射频卡;噪声检测;噪声标定;兼容性引言我国第二代居民身份证(简称"二代证")采用了符合Is014443TypeB通讯协议的近耦合射频识别(RFI

2、D)技术,载波频率为13.56MHz,工作场强为1.5N7.5A/m,卡片调制副载波频率为847kHz.射频卡(非接触Ic卡)在实际中已经得到了广的二代证样卡时,技术人员发现不同厂家的芯片噪声水平相差很大,常通信.也就是说,当卡片处于读卡器天线的工作场强范围内,尤其是在近场情况下,读卡器与卡尚未进行通讯时,卡片天线两端的电压(电流)交流信号峰峰值会发生波动,波动频率可能为847kHz,或是其整数倍频(或分频).造成波动的主要原因是芯片电源稳定性差,或圈内的电流信号峰峰值波动达到一定值,尤其是847kHz频率的波动效信号相当的幅值水平,这样就会严重影响读卡器的工作,大大增加读卡器解调电路的设计难

3、度.本文首先简单介绍了TypeB射频卡系统的通信原理,之后分析了:0_.l_,三三i三三0耋ll一.卡片调制信号以及与噪声和读卡器蓐',灵敏度之间的关系,提出了噪声检_I乏I¨=;测方法和可行的噪声标定方法,并_:.对此进行了详细讨论._,近耦合射频卡通信原理有的甚至影响_卡片与读卡器的正时,读卡器就可能将其放大到与有卡片与读卡器之间是通过近电感耦合来进行通讯的.也就是说,图l近耦合射频卡系统等效电路图本文为863计划资助项目(2004AA1Z10701)当读卡器向卡片发送指令时,读卡器天线线圈流过的电流会根据指令发生相应的变化,场中的卡片就会一感应到此变化,并解调出指令信号

4、,之后对指令信号进行处理并发出响应;当卡片向读卡器发送响应信号时,卡片会根据响应信号通过负载调制的方式改变卡片线圈流过的电流,读卡器天线线圈就会感应到卡片线圈电流的变化,并进行解调处理,得到卡片响应信号.ElectronicDesizn&ApplicationWorld-NikkeiElectronicsChina一.,二一_,;=,一,20181614调制12深度们(峰值)40.:!?,+%簿,10iIiiI+,.:L_o_*oOio二_10000镑一旃赫:2345678磁场强度H(A/】IL:)图2调制深发曲线读卡器一般将两个边带信号中的一个847kHz频率成分通过滤波器从

5、载波信号中分离出来,但是实样,叠加在载波上的847kHz附近频带上的信号(包括调制信号和噪声信号)都会通过读卡器的滤波器,从而被放大.其中,847kHz附近频带_卜的噪声信号主要是由于芯片内部逻辑电路工作时功耗的周期性波动而引起的.特别的,对于CPU片来说,由于指令的周期性操作,可能引起电源周期性波动,更严重的会埘EEPROM进行操作.因此,在芯片没计阶段,就应该认真对待电源的稳定与功耗问题.卡片调制信号分析与检测理论分析近耦合射频卡与读卡器通信的简单等效电路原理图如图1所示.其中,R.,c,L.和R,c,L,分别为读卡器和卡片天线谐振电路中的等效电阻,电容和电感;z,为芯片等效阻抗负载M为互

6、感;u和i分别为电压和电流(指的是电压和电流交流信号幅值).当L,和c,满足谐振时,有:u,一u.一.M【1)读器通过对u,(天线两端电压)进行检波,滤波,放大和解调处接收信号期间,u保持不变.在L.和c,满足谐振条件的情况下,下文将对卡片的调制深度与读卡器接收端u.的关系进行分析.如果卡片与读卡器天线位置固定,则耦合系数确定,即互感M不变.根据式(1)可知,只有卡片线圈电流i影响u.的值.因此,当卡片向读卡器返回响应信息时,可以通过负载(电阻或者电容)调制改变z,从而改变i,的值;当改变卡片与读卡器天线线圈间的距离时,也即改变了通过卡片',l,lc,由.:7:凸:I-I南'舢

7、,一nmtl改变意味着M的改变,但它们之间并不是线性关系,因为当读卡器线圈与卡片线圈位置发生变化时,i.也会发生变化.由式(1)有u一u.?一譬:bo+b.i(2)l1上式中.,A,N和H分别表示空气中的磁导率,卡片线圈面积,卡片线圈匝数和有效磁场强Fbo=uo+,bl=-譬都是不变的量.当H."=H.时,卡片在无调制状态下,读卡器天线线圈电流为i卡片线圈电流为i.,u.的值记为u当卡片调制时,其相应的量记为Hm,ii:和u,有i2:i20+Ai2,lira=ilo+Ail,H:Ho+AH,Ulm调制状态下读卡器线圈感应电压之差u,为:AUI=HimHi0=bI"020+A

8、i2)-bIHo(3)实际上,由于i20<<IAH<<H,Ai.<<il(1,Ai2<<i20,因此可近似如下:AUI=bI由上式可以看出,如果i,与H为线性关系,即Ai=m/H0,那么u于i,与Ai.(或AH)会向相反的方向变化,因此,在不同的场强下,如果想得到相同的u.,就需要对2给出的卡片负载调制深度幅值为30/HtzmV(峰值),可以近似地推导出Ai2=m/H.调制深度曲线ISO/IEC144432:2001(E)中规定,如果采用ISO103736标准描述的方法,在不同的磁场

9、强度H下,卡片负载调制深度幅值(副载波频率为847kHz)不应该低于30/HmY(峰值),其中H是磁场强度(A/mFITIS).根据标准要求,绘制如图2所要求的卡片理想调制深度曲线30/H:;曲线4为预计的实际卡片调制深度曲线;曲线2为预计的实际读卡机具灵敏度曲线;曲线3为预计的卡片芯片噪声曲线(只针对847kHz频率点).为保证卡片与读卡机具问的兼容性,上述4条曲线应该存在如下关系:标准曲线1可通过10373测试平台进行标定,其它曲线都必须以其为参考;实际卡片调制深度曲线4应该在曲线1之上(可以是曲线1);读卡机具灵敏度曲线2应该在曲线1之下(可以是曲线1);卡片噪声曲线3不应该高于曲线2的

10、一半,这样,才可能不会影响读卡机具的正常工作,因此曲线3要与曲线2相互配合,才能增强渎卡器的抗噪声能力.±847kHz的两个边带上的信号幅是卡片应该发出的有用信号调制深度的最小值,根据前面的理论分析可知,这条曲线映射到读卡器接收端大致上为一个点.也就是说,如果卡片的负载调制深度满足曲线1,哪一个距离工作,读卡器接收到的信号都应该是基本相同的.对于卡片的噪声,不仅仅是847kHz频率点影响渎卡器接收,实际上847kHz附近其它频率点上的噪声也会影响读卡器的接收,并在读卡器接收端的时域信号上表现出来.因此,仅仅定义曲线3是不够的.存频域上,应该定义一个847kHz附近的带宽,在时域上应该

11、通过一个标准的读卡器来标定卡片噪声大小.另外,卡片静态(在场中处于非通讯状态)哚声可能较小,但在卡片工作(特别是对EEPROM进行读写操作)状态下的动态噪声可能很大,以至影响正常通讯.因此,在标定卡片噪声时,不仅需要标定847KHz边带上的噪声幅值,也应该标定卡片可能出现的最大时域噪声.卡片噪声检测方法根据实际在屏蔽室中的测量结果,由于噪声信号幅值很小(示波器测量值1mV左右),而且示波器的测量精度有限,导致测量结果的可靠性降低,因此,利用10373测试平台无法检测出卡片噪声,需要通模拟部分放大输出(中问经过空间磁场耦合,检波,滤波,模拟放大过程),就可以对卡片噪声(尤其是847kHz频率点附

12、近带宽上的频率成分)进行问接测量.本文提出的检测步骤如下:构造一台标准的读卡器,利用示波器测量并记录读卡器上模拟放大器输出端的本体噪声;将卡片放在读卡器线圈中心上方的不同位置,在模拟放大器输出端间接检测卡片静态噪声;在卡片与读卡器通讯状态下,在模拟放大器输出端间接检测卡片动态噪声,通讯指令为ALOHA,ATTRIB,READSN,GETRANDOM等;通过上述操作间接检测并记录卡片的最大相对时域噪声.卡片噪声标定方法利用上述方法可以间接地检测出卡片的静态和动态噪声,但是不片噪声曲线3,应该确定一个噪声间接等效标定.1)利用一个参考PICC或者正常卡片,按照ISO103736中描述的方法对读卡器

13、进行标定,利用10373测试平台测量出参考PICC在某一个场强H.下的调制深度值,并调节PICC上调制负载,使得负载调制深度在曲线1上;2)将参考PICC放入读卡器线处,读卡器发送ALOHA信号,观察读卡器模拟输出端的信号,测量并记录卡片在响应期间内的有用信号,调节读卡器增益使得观察到的信号为合理值VampO(与读卡器中模拟放大器供电电源有关);3)利用上节描述的方法对卡片在不同状态下的噪声进行测量,并记录测量值(电压峰峰值和847kHz附近的频谱);4)将在读卡器场强为H(d)(d表示卡片与读卡器线圈问的距离)时测量得到的最大噪声值V(d)(电压峰峰值)与V比较,得到最大噪声与理想信号的比值

14、x(d);5)利用曲线1可以计算出读卡器上H(d)处的等效噪声值(847kHz频率点),从而可以观察等效噪声是否在曲线3下面.以上所描述的方法在实际上是可行的,可是在频域和时域上存在"-一.一n一一:一一p-一一,1n_I玉,-J,正r五r,一h.,-村,.,'11in,T.,;¨l,jF曩;兰一,曼薯亨jt-J.摹一Jj_00'=7,_r汝一一个矛盾,因此需要解释如下:1)图2中的曲线是在频率点±847kHz)上的曲线;2)实际上,847kHz附近频谱上的噪声也会影响读卡器接收;3)根据上节描述的方法测量到的读卡器放大输出时域信号,并不是一个频率

15、点,而是所有频谱上的噪声在时域上的叠加;4)图2中曲线3描述的是工作场强范围内载波频率两边847kHz频率点上的噪声,利用上述标定方法可将读卡器接收端的时域信号等效到曲线3上,也就意味着将卡片发出的847kHz附近频谱上的噪声在读卡器接收端都测量出来,然后又等效到了847kHz频率点上;5)这里描述的标定方法在某种程度上依赖于一个合理的读卡器.值得指出的是,如果卡片噪声曲线在读卡器灵敏度曲线的一半之上,并不意味着片不能工作,但为读卡器的噪声处理能力也会影响系统通讯过程.结语本文从理论及实验角度分析了卡片调制深度曲线,卡片噪声曲线与读卡器灵敏度曲线之间的关系,提出了一种间接测量卡片噪声的方法,以

16、及种可行的标定卡片噪声的方案,并根据实际情况进行了讨论,这对大生产中射频卡与读卡机具的合理匹配提供了很好的理论基础.此外,本文提出的方法在理论上仍然缺少严密性,但具有相当大的实际价值,需要进一步补充和完善.参考文献lInternationalStandardIdentificationcardsContactlessintegratedcircuit(s)cards-ProximitycardsPartl:Radiofrequency2.200I.1.3-8,92【德KlausFinkenzeller着,陈大才编译.射频识别(RF1D)技术(第二版).北京:电子工业出版社,2002.245-2

17、92,4594趋势.智能卡与电子标签,2005(6):28-334InternatiOnalStandard.Identificationcards.TestmethodsFDIS103736.2001.5ll凤凰科技TrustConnector方案实现完备的终端安全认证随着网上恶意攻击的模式日趋复杂,目前的网络安全范围已扩展户由启动计算机或任何可以登录网络的终端设备的一刻开始,便会立即面对网络安全的威胁.同时,更多企业为了提高生产效率并降低成本,正在改变工作模式,从过去使用用户终端设备转为使用以网络为基础的应用方案.因此,商业信息外泄以及遭受恶意攻击的风险在不断提高.据IDC预测,网络安全方案市场在2005年的增长率可达l6%,大多数企业将持续调高在网络安全方的市场规模在2003年约为84亿美元,2008年将增长至l63亿美元,年增长率高达l4.04%.计算机核心系统软件供应商凤凰科技(PhoenixTechnologies)的TrustConnector解决方案可通过完善的安全认证软件,将网络安全的范畴拓展至终端设备(EndPOintSecurity,EPS),完成对核心层网络安全效能的保障,让安全认证软件架构上安装了最基本的防御机制,将网络防护工作扩展到计算机BIOS层面上,不仅有助提升效率,降低成本,更能有效地提高企业网专人专机