Note: About An e-Seal system design

e-Seal 主要是應用在貨櫃轉口或是由保稅倉庫轉移貨物, 基本上就是要由一個保稅場域移轉到另外一個保稅場域的設計, 傳統有海關派人押運, 後來演變成為封條設計, 近十多年來各國普遍發展出RFID 的電子封條設計

電子封條,主要有兩個部份設計因為是鎖住貨櫃所以有機械鎖的部份, 這部份有ISO 17712機械鎖的國際標準可以遵循, 跟採用RFID電子標籤技術結合的 ISO 18185國際標準
ISO 18185 分為 5個部份, 分別為

  1. 通訊協定, 有433MHz(Type A)/2.4GHz(Type B) 兩個頻段的LRL(Long Range Link),跟低頻的SRL(Short Range Link) 跟資料鍊路層(Data link, L2)的定義
  2. 應用需求, 包含使用情境, 基本需求資料
  3. 耐候環境特性, 包含高低溫, 振動, 外力衝擊, 鹽霧, 濕度, 冰與雨, 熱衝擊, 等等
  4. 資料保護, 定義機械鎖跟電子所的啟閉封安全需求避免被破壞跟仿製電子封條
  5. 實體層, 定義Type A/Type B的實體層設計如OOK/FSK 調變

這上面算是被動式一次性電子封條的需求, 追求的便宜安全, 因為一次性, 但電子封條未起用前成為不可讀, 而讓仿冒的可能性降到最低, 因為會有唯一ID設計, 如果再加上一些貨物相關資料編碼做電子加密後才能啟用, 系統可以設計滾動式亂數密碼, 啟用時寫入電子標籤與上傳系統,進一步杜絕中間被代換的可能性。

目前有看到一個需求主動式電子封條,為了追求更安全的使用情境, 加入GNSS Tracking System 去追蹤貨物運輸狀況

基本的資料應該是一樣的會有電子封條唯一識別資訊, 不同是這種主動式封條本身因為價格問題應該是可重複使用的所以系統設計有些許不同, 基於安全需求為設計為使用一個固化電子憑證儲存,本身唯一資訊, 然後每次使用前應該也是由系統配發一個任務碼進行加封包含相關資料做加密寫入區塊。

加封時須已經完成定位跟顯示相關任務資訊內容待授權人進行確認核可。

加封後應持續發送封條辨識碼, 定位資訊與封條狀態,此時採用MQTT Server 並用SSL加密, 甚或payload 本身採取任務碼與其他特徵為key做AES256 加密, 藉以達成資料安全保密需求防止資料被竄改的可能, 後台採用MQTT後端系統, 可以再發展資料收集系統或是與其他系統相連功能做電子資料交換(EDI)

到達目的地解封時,系統可以採取判斷是否資料有異常特徵,紀錄監管解封狀態等等資料

 

海關推出智慧化電子封條讀取器

“截至今(一○五)年八月底止,以加封電子封條方式取代之人工押運櫃合計三十四萬二千七百九十九只"
據稱現在台灣有接近45萬只貨櫃/年(2018), 從年押運量來看 用200個工作天計算, 一天約需要2200個但是因為不可能達到理想化分配採取x3 約為6600只, 再加上1000餘裕配置, 約估計台灣最多只需要8000只可重複配置的電子封條鎖
不懂進出口關務真的會做出錯誤判斷 😛
就算按照裡面說的不包含需要押運的每天平均車次也才2萬次, 最樂觀看來5萬只就是爆量了
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Note: Antenna for NFC Controller

NFC應用經過apple pay等應用算是深入生活中, 手上也有些案子在用, 因為某些原因感覺效果不是很好, 最近選了NXP PN7120來測試, 基本上它應該是NXP針對一般小廠商需求推出的產品, 檯面上大廠不會用這顆, 不過如果關注他的硬體與韌體會發現基本上是大同小異, 從PN547時代就導入的CortexM0去取代舊時代的8051的架構估計這個架構很久都不會在改變,可能的是微調製程參數, RF等地方而已. 所以還是可以藉由這一個系列去研究其他相關產品。

PN7120 主要提供了 AN11565 Hardware Design Guide 與AN11564 Antenna Design and Matching Guide 這兩個文件實際上除了硬體相關的設計注意事項也提到了相關的Register設定意義, 所以除了HW與RF人員外, 相關的DRIVER PORTING可能也需要一起協助處理

在AN11564中, 一開始先用一個模擬示意, 當天線在一個金屬平面上會因為在金屬上會產生逆向渦流(Eddy Currrent)進而減少磁場的強度, 這主要是因為NFC操作在13.56MHz的頻率, 能量交換主要是透過磁場達成, 而金屬會感應天線的能量,進而產生一個反向渦流去抵銷天線能量

為了避免這個渦流效應, 恢復天線本身效能可以透過貼上鐵氧體(Ferrite)去減少渦流產生,因其為磁性材料而且有高阻值使渦流減到很低的狀況。

天線的設計步驟

文件的3.1章節提的是基本的設計五步驟

  1. 找出天線的線圈特性
  2. 找出發射的EMC濾波器的截止頻率
  3. 設計針對讀取天線與EMC之間的匹配電路
  4. 調整匹配針對卡片模式
  5. 設計接收路徑參數

它這實際上是需要反覆這5個步驟的不是一開始決定天線就完全不變得
天線的Q值建議是35以下可以考慮設計在下面之間, 而且還要考慮到匹配網路
ISO14443:BW=1.921MHz,Q≈10
ISO15693:BW=0.914MHz,Q≈20

一般建議的天線效能為距離3.5 ~ 5cm 能讀取到 Mifare Ultralight/Desfire為考量, 否則使用上可能會有困擾

如果要嚴謹的定義, 實際上ISO 有規範  就是PCD 的磁場強度, 位於操作範圍內要位於 1.5 A/m ~ 7.5 A/m 之間,  在 文件內的"Field strength measurement"章節有提到如何用標準參考天線去測量

TDD noise 在 GSM/GPRS 或其它的TDMA 無線通訊手持系統

為什麼會有TDD (Time Division Distortion) Noise?

    TDMA (Time Division Multiplex Access)系統是透過分配 Time Slot 的機制來進行多工的傳輸系統,因此輪到傳送訊號的時槽才發射信號。而一個無線的通訊系統,例如GSM/GPRS 的設計,為每4.615ms 為一個Frame,一個Frame有8個Slot,每次手機進行通話時,基地台會分配其中一個時槽與手機連接,因此每 4.615ms 會有一次發射信號的需求,相對來說就是每秒要發射接近 217次。

    當手機要發射信號時,RF的Power Amplifier會因此需要大電流,此時有可能影響到電源電壓的漂移,與未處理好的 Audio path 上會被Antenna 輻射出來的高頻信號影響,而產生一個DC Offset的變化。這兩個因素是主要TDD noise產生的原因。

 

設計對策

     一般來說TDD noise 是TDMA系統中的必然,因此系統設計時,有必要採取一些技巧或是注意事項,使裝置本身的TDD noise 減少到最低的程度。

 

良好的電源策略

      單獨提供PA的電源,從電池端直接拉上一條夠寬(minimum 80mil)的Trace,並加上適當的Bypass與Decoupling Capacitor。

選擇適當的Audio Power Amplifier

設計Audio path 最好採取差動的輸出入,一旦使用差動電路傳輸,可以藉由具有良好的 CMRR (Common Mode Rejection Ratio) 放大器減少共模雜訊。

選擇已經標明 Power Supply Rejection Ratio的Audio amplifier。並且要注意Layout規則。簡單講Analog 的設計,在Layout 的設計上很講究,在數位電路裡不適當的Layout 比較明顯的是導致EMC問題(Bypass很重要),但是在類比電路上,不適當Layout 直接反應在電路的表現(Performance)上。適當的Bypass (4.7uF ~ 22uF)與Decoupling (10 ~ 33pF)電容。

利用Ground 去處理 Audio path。

盡可能的將Audio path 走在PCB的內層,並使用Ground trace 去做隔離措施。

麥克風電路的處理

麥克風因為是機械能與電能的轉換元件,其轉換出來的電壓一般只有幾mV到幾十mV,因此因為需要專門的麥克風電路,放大幾十到上百倍,因此一旦受到RF信號影響,所產生的TDD noise 也會被麥克風放大電路跟著放大,所以麥克風的前級電路一般最好也採用平衡式輸入與並在其輸入端上加上針對GSM信號的decoupling 電容,盡可能的減少被影響的可能。

推廣LTE 多家無線大廠達成降低專利授權費共識

推廣LTE 多家無線大廠達成降低專利授權費共識

LTE (Long Term Evolution) 應該是未來4G的標準,與其競爭的就是講了很久的WiMax系統,但因其經過 GSMA認可,基本上就如同WCDMA的情況,最終比較有機會得到較多的資源與市場。

歐洲的手機製造與研發商,針對Qualcomm 幾乎壟斷的2..5G與3G的專利權的抗爭,不斷的利用其市場優勢(GSM幾乎全球都遍佈的情況,電信服務業者在需要與原本相容的情況,幾乎只能考慮GSMA認可過的後續系統,才能減少系統間的整合問題)。

可以看得出目前行動通訊設備中的專利費用還是高居不下,目前新聞中Nokia所持的想法是將其專利授權費壓低到售價的 10%以下,這個售價不知道是終端市場售價,還是手機製造商的出貨價,如果是終端市場售價的話,那個人覺得還是高的離譜了點。 原文只提到 keeping patent royalties under 10% of handset and laptop sales prices 還是看不太出來到底原意是哪一個。

RF Test case 5.12 section for UMTS(3GPP 34.121) Rel-6

5.12 Transmit Inter-modulation

最低要求在記載在 34.121(Release-6)文件中的 Table 5.12.1 Transmit Inter-modulation 如下

CW Signal Frequency Offset from Transmitting Carrier 5MHz 10MHz
Interference CW Signal Level -40 dBc -40 dBc
Inter-modulation Product -31 dBc -41 dBc

影響這項測試性能,主要相關的應該是 RF transceiver 中的 TX Modulator 與 PA (Power Amplifier)引起,不過 Tx Modulator 的線性度(Linearity)幾乎是固定的,基本上問題應該不大,不然那個Solution 就很難用了,因此除非Grounding 有很大的問題,一般系統廠能做的就是針對 PA 方面的處理。針對Power/Layout與Match處理。Mismatch 的情況尤其需要注意。

PA的 Data sheet 會標明 offset 5MHz 與 10MHz 的 ACLR/ACPR (Adjacent Channel Leakage Ratio)/(Adjacent Channel Power Ratio)。目前一般應該是 可以做到 -35dBc 與 -45dBc 以下。

 

Ref. Agilent Highly Accurate Amplifier ACLR and ACPR Testing with the Agilent N5182A MXG Vector Signal Generator Application Note

UTRA/FDD(WCDMA) Frequency Bands

Operating Band UL Frequencies UE transmit, Node B receive DL frequencies UE receive, Node B transmit TX-RX frequency separation
I 1920 – 1980 MHz 2110 –2170 MHz 190 MH
II 1850 –1910 MHz 1930 –1990 MHz 80 MHz
III 1710-1785 MHz 1805-1880 MHz 95 MHz
V 824 – 849MHz 869-894MHz 45 MHz
VI 830- 840 MHz 875-885 MHz 45 MHz
IX 1749.9-1784.9 MHz 1844.9-1879.9 MHz 95 MHz

 

Channel Spacing : Normal Channel is 5MHz

WCDMA 手機的 RF 測試相關資料

想不到有人問我對3.5/3.75G的手機RF工作有沒有興趣? 看來還是要來Study一下相關內容。畢竟就連GSM/GPRS的RF工作都離我有一年半之久了。

粗略看了一下,很多測試項目跟RF Components 的關聯性,需要花不少時間才能了解,依照測試規範進行測試不難,雖說現在幾乎都是Total Solution,但是進行電路與Layout規劃時,如何在先期考量,還是需要對系統有深入了解,對於系統越了解,設計出來的版子問題才能減到最低,並且才能針對剩下問題找出正確有效的解決方案。TS 34.123 是Protocol 規格,必要時需要深入了解Protocol對RF特性的影響性,才能具有更全面的考量。

WCDMA 手機的 RF 測試規範要求文件

  • 3GPP TS 34.121 Terminal conformance specification, Radio transmission and reception (FDD)
  • 3GPP TS 34.121-1 User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception (FDD); Part 1: Conformance specification
  • 3GPP TS 34.121-2 User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception (FDD); Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS)
  • 3GPP TS 34.123-1 User Equipment (UE) conformance specification; Part 1: Protocol conformance specification
  • 3GPP TS 34.123-2 User Equipment (UE) conformance specification; Part 2: Implementation conformance statement (ICS) specification
  • 3GPP TS 34.123-3 User Equipment (UE) conformance specification; Part 3: Abstract test suites (ATSs)

常見的通用測試設備

參考資料

縮寫字

  • Node-B ,  (GSM: Base Station)
  • UE(User Equipment), (GSM: Mobile Station)
  • HSDPA, High Speed Downlink Packet Access
  • HSUPA, High Speed Uplink Packet Access
  • E-DCH, Enhanced Dedicated CHannel
  • E-AGCH, Enhanced Access Grant CHannel
  • HS-DPCCH, High Speed Dedicated Physical Control CHannel
  • HS-PDSCH, High Speed Physical Download Shared CHannel
  • HS-SCCH, High Speed Shared Control CHannel
  • PAR, Peak to Average power Ratio
  • ACLR, Adjacent Channel Leakage Ratio
  • SEM, Spectrum Emission Mask
  • EVM, Error Vector Magnitude
  • BLER, BLock Error Ratio
  • HARQ, Hybrid Automatic Repeat reQuest