低成本移動支付RFID子系統(tǒng)設(shè)計

當前,物聯(lián)網(wǎng)正在全球尤其是中國掀起一股產(chǎn)業(yè)化的熱潮,其中的移動支付業(yè)務(wù)更是被中國三大電信運營商視為殺手級業(yè)務(wù)。移動支付,也稱為手機支付，就是允許用戶使用其移動終端（通常是手機）對所消費的商品或服務(wù)進行賬務(wù)支付的一種服務(wù)方式。移動支付業(yè)務(wù)是由移動運營商、移動應用服務(wù)提供商（MASP）和金融機構(gòu)共同推出的、構(gòu)建在移動運營支撐系統(tǒng)上的一個移動數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)應用。移動支付系統(tǒng)將為每個移動用戶建立一個與其手機號碼關(guān)聯(lián)的支付賬戶，其功能相當于電子錢包,為移動用戶提供了一個通過手機進行交易支付和身份認證的途徑。用戶通過撥打電話、發(fā)送短信或者使用WAP功能接人移動支付系統(tǒng),移動支付系統(tǒng)將此次交易的要求傳送給MASP,由MASP確定此次交易的金額，并通過移動支付系統(tǒng)通知用戶，在用戶確認后，付費方式可通過多種途徑實現(xiàn)，如直接轉(zhuǎn)入銀行、用戶電話賬單或者實時在專用預付賬戶上借記，這些都將由移動支付系統(tǒng)（或與用戶和MASP開戶銀行的主機系統(tǒng)協(xié)作）來完成。由于無線技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在移動支付都采用非接觸式移動支付方案，可釆用博通集成電路的2.4GHz無線收發(fā)器BK2421實現(xiàn)低成本的移動支付RFID系統(tǒng)。

1非接觸式移動支付系統(tǒng)組成

移動支付包含支付開始、支付認證和支付確認等相關(guān)流程。非接觸式移動支付系統(tǒng)則由接入系統(tǒng)、認證中心、移動支付平臺、應用服務(wù)提供商和無線通信網(wǎng)絡(luò)五部分組成，圖1所示是移動支付系統(tǒng)框圖。

圖1移動支付系統(tǒng)組成框圖

接入系統(tǒng)包括RFID標簽、可運行移動支付軟件的手機以及可讀取RFID的POS終端機。其中RFID卡和RFIDPOS機屬于RFID子系統(tǒng)。RFIDPOS機通過RFID技術(shù)來讀取用戶信息，并利用PSTN.GPRS等方式與移動支付平臺相聯(lián)接。手機用戶利用手機移動支付軟件，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與移動支付平臺進行信息通信，完成支付。

22.4GHz無線收發(fā)器BK2421

BK2421屬于2.4GHzISM頻段的單芯片無線收發(fā)器，它采用高達2Mb/s的通信速率和獨特的通信協(xié)議，集成了無線射頻收發(fā)前端、頻率綜合器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、1對6星形通信協(xié)議以及電源管理等，其內(nèi)部組成如圖2所示。相比其他2.4GHz短距離無線通信技術(shù)（如藍牙、WiFi等），它以非常低的功耗實現(xiàn)高速率無線傳輸。接收器正常工作電流為17mA,發(fā)射器輸出功率0dBm的電流為14mA,關(guān)機狀態(tài)電流為3/A。通過優(yōu)化設(shè)計，不但使BK2421保持了2.4GHz頻段其他通信協(xié)議優(yōu)良的射頻性能，而且簡化了產(chǎn)品設(shè)計，可實現(xiàn)低成本、低功耗的RFID產(chǎn)品應用。

圖2 BK2421組成框圖

BK2421集成有兩種調(diào)制方式，分別為CPGF-SK調(diào)制和CPFSK調(diào)制。在抗干擾方面,BK2421集成有干擾檢測功能和異步搜索頻率等算法，進一步降低干擾的概率。一般情況下，采用BK2421的無線產(chǎn)品能夠不受干擾的影響，完全保持通信連續(xù)性。

表1為BK2421與采用其他通信協(xié)議的產(chǎn)品基本性能比較。從表中可以看出-BK2421無線通信性能如通信速率，通信距離等與釆用另外3種通信協(xié)議的產(chǎn)品性能不相上下，甚至某些性能更優(yōu)。由于BK2421采用自己獨特的通信協(xié)議，無需為了滿足特定的協(xié)議而增加額外的設(shè)計，所以它根據(jù)實際需求而優(yōu)化了整個芯片設(shè)計，降低了產(chǎn)品復雜度；另外高達2Mb/s的通信速率大大減小了每個數(shù)據(jù)包的發(fā)射時間，從而降低了功耗，同時BK2421采用低中頻接收架構(gòu)和鎖相環(huán)發(fā)射架構(gòu)，進一步降低產(chǎn)品功耗。相比釆用另外三種協(xié)議的產(chǎn)品，基于BK2421所完成的短距離無線產(chǎn)品實現(xiàn)簡單，成本低廉，功耗極低。

表1 BK2421與采用其他通信協(xié)議的產(chǎn)品基本性能比較

3采用BK2421設(shè)計基于RF-SIM的移動支付子系統(tǒng)

RFID子系統(tǒng)由RFID標簽、RFID閱讀器和RFID應用支撐軟件系統(tǒng)組成。RFID標簽和RFID閱讀器之間的無線通信技術(shù)主要有NFC、SIMpass和RF-SIM。其中RF-SIM技術(shù)是將包括天線在內(nèi)的RFID射頻模塊與傳統(tǒng)SIM卡功能集成在一張SIM卡上，在實現(xiàn)普通S1M卡功能的同時也能通過射頻模塊完成各種移動支付。由于RF-SIM釆用2.4GHz頻段完成移動支付的空中通信，具有傳輸速率高、頻道多、抗干擾能力強、通信距離遠、同時支持主動和被動感應、安全數(shù)據(jù)傳輸與藍牙、WiFi無沖突等優(yōu)點，所以基于RF-SIM的移動支付系統(tǒng)將會得到更快的發(fā)展，未來有希望成為三大運營商的首選標準。

由于BK2421集成度非常高，外加簡單的MCU控制芯片就可以快速設(shè)計出RFID子系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)，圖3即為基于BK2421的RF-SIM硬件系統(tǒng)框圖。手機SIM卡上的MCU通過SP1控制其BK2421與RFID閱讀器內(nèi)的BK2421互相通信，從而使SIM卡與RFID閱讀器可以完成安全認證和數(shù)據(jù)交換。

4設(shè)計注意事項

BK2421同時集成了1對6星型通信協(xié)議，故可簡化協(xié)議和軟件設(shè)計,用戶可以發(fā)揮其軟件優(yōu)勢，根據(jù)需求開發(fā)自己的通信協(xié)議，以固件的方式實現(xiàn)基帶控制器。該系統(tǒng)基本能夠滿足移動支付對RFID子系統(tǒng)的各種要求，如高傳輸速率、超低功耗、抗干擾能力強等。但是由于實際通信時，SIM卡要求放置在各種類型手機中，不同手機型號對應不同無線環(huán)境，SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離會隨著環(huán)境不同而變化。如果設(shè)計前沒有考慮該因素，可能導致SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離急劇縮短，甚至不能滿足產(chǎn)品要求。根據(jù)BK2421的技術(shù)文檔，可以釆用下面給出幾種方法提高SIM卡在手機內(nèi)與讀卡器互聯(lián)通信的距離。

圖3  基于BK2421的RF-SIM硬件系統(tǒng)框圖

(1)優(yōu)化PCB天線設(shè)計

由于BK2421內(nèi)嵌在S1M卡中，所以其天線只能用PCB走線實現(xiàn)。一般SIM卡放置在手機中間，如果其上下存在金屬片或者大面積走線，會導致PCB天線的輻射效率急劇惡化并會改變天線諧振頻率。如果設(shè)計天線時沒有考慮上述因素，設(shè)計出的系統(tǒng)通信距離會顯著縮短，甚至無法通信。所以PCB天線設(shè)計要注意以下幾點：

① 做到尺寸與波長相關(guān)，在相同的外圍環(huán)境下使其諧振在工作頻率2.4GHz內(nèi)端口易于匹配；

② 減少損耗，即將天線盡量孤立于其他金屬以外預留天線匹配器件；

③ 由于實際天線工作環(huán)境和設(shè)計環(huán)境不一樣,實際天線諧振頻率可能會偏離設(shè)計目標，顯然工作頻點不在諧振點上會導致BK2421與天線之間存在比較大反射而降低傳輸效率，從而縮短通信距離。這時需要通過調(diào)整天線匹配器件使諧振頻率重新回到設(shè)計目標2.4GHz。

(2)優(yōu)化BK2421調(diào)制頻偏

增大調(diào)制頻偏可以提高BK2421的靈敏度。BK2421已經(jīng)根據(jù)一般應用情況優(yōu)化調(diào)制方式和頻偏，達到最佳靈敏度，同時滿足FCC15.247,249和ETSI300328對2.4GHz頻譜的規(guī)范要求。考慮到特殊情況下需要更高的靈敏度，可以通過調(diào)整調(diào)制頻偏來優(yōu)化靈敏度，進一步提高SIM卡與讀卡器互聯(lián)通信距離。

5結(jié)語

隨著信息和通信技術(shù)的發(fā)展，無線短距離產(chǎn)品進入超低功耗、高通信速率的時代。博通集成電路的2.4GHz無線收發(fā)器BK2421具有高傳輸速率、超低功耗、抗干擾能力強等性能，特別適合迅速發(fā)展起來的超低功耗無線市場需求，是目前非常適合于RF-SIM并可用于手機付費的芯片。