低成本移动支付RFID子系统设计

当前,物联网正在全球尤其是中国掀起一股产业化的热潮,其中的移动支付业务更是被中国三大电信运营商视为杀手级业务。移动支付,也称为手机支付，就是允许用户使用其移动终端（通常是手机）对所消费的商品或服务进行账务支付的一种服务方式。移动支付业务是由移动运营商、移动应用服务提供商（MASP）和金融机构共同推出的、构建在移动运营支撑系统上的一个移动数据增值业务应用。移动支付系统将为每个移动用户建立一个与其手机号码关联的支付账户，其功能相当于电子钱包,为移动用户提供了一个通过手机进行交易支付和身份认证的途径。用户通过拨打电话、发送短信或者使用WAP功能接人移动支付系统,移动支付系统将此次交易的要求传送给MASP,由MASP确定此次交易的金额，并通过移动支付系统通知用户，在用户确认后，付费方式可通过多种途径实现，如直接转入银行、用户电话账单或者实时在专用预付账户上借记，这些都将由移动支付系统（或与用户和MASP开户银行的主机系统协作）来完成。由于无线技术的飞速发展，现在移动支付都采用非接触式移动支付方案，可釆用博通集成电路的2.4GHz无线收发器BK2421实现低成本的移动支付RFID系统。

1非接触式移动支付系统组成

移动支付包含支付开始、支付认证和支付确认等相关流程。非接触式移动支付系统则由接入系统、认证中心、移动支付平台、应用服务提供商和无线通信网络五部分组成，图1所示是移动支付系统框图。

图1移动支付系统组成框图

接入系统包括RFID标签、可运行移动支付软件的手机以及可读取RFID的POS终端机。其中RFID卡和RFIDPOS机属于RFID子系统。RFIDPOS机通过RFID技术来读取用户信息，并利用PSTN.GPRS等方式与移动支付平台相联接。手机用户利用手机移动支付软件，通过GPRS网络与移动支付平台进行信息通信，完成支付。

22.4GHz无线收发器BK2421

BK2421属于2.4GHzISM频段的单芯片无线收发器，它采用高达2Mb/s的通信速率和独特的通信协议，集成了无线射频收发前端、频率综合器、数字调制解调器、1对6星形通信协议以及电源管理等，其内部组成如图2所示。相比其他2.4GHz短距离无线通信技术（如蓝牙、WiFi等），它以非常低的功耗实现高速率无线传输。接收器正常工作电流为17mA,发射器输出功率0dBm的电流为14mA,关机状态电流为3/A。通过优化设计，不但使BK2421保持了2.4GHz频段其他通信协议优良的射频性能，而且简化了产品设计，可实现低成本、低功耗的RFID产品应用。

图2 BK2421组成框图

BK2421集成有两种调制方式，分别为CPGF-SK调制和CPFSK调制。在抗干扰方面,BK2421集成有干扰检测功能和异步搜索频率等算法，进一步降低干扰的概率。一般情况下，采用BK2421的无线产品能够不受干扰的影响，完全保持通信连续性。

表1为BK2421与采用其他通信协议的产品基本性能比较。从表中可以看出-BK2421无线通信性能如通信速率，通信距离等与釆用另外3种通信协议的产品性能不相上下，甚至某些性能更优。由于BK2421采用自己独特的通信协议，无需为了满足特定的协议而增加额外的设计，所以它根据实际需求而优化了整个芯片设计，降低了产品复杂度；另外高达2Mb/s的通信速率大大减小了每个数据包的发射时间，从而降低了功耗，同时BK2421采用低中频接收架构和锁相环发射架构，进一步降低产品功耗。相比釆用另外三种协议的产品，基于BK2421所完成的短距离无线产品实现简单，成本低廉，功耗极低。

表1 BK2421与采用其他通信协议的产品基本性能比较

3采用BK2421设计基于RF-SIM的移动支付子系统

RFID子系统由RFID标签、RFID阅读器和RFID应用支撑软件系统组成。RFID标签和RFID阅读器之间的无线通信技术主要有NFC、SIMpass和RF-SIM。其中RF-SIM技术是将包括天线在内的RFID射频模块与传统SIM卡功能集成在一张SIM卡上，在实现普通S1M卡功能的同时也能通过射频模块完成各种移动支付。由于RF-SIM釆用2.4GHz频段完成移动支付的空中通信，具有传输速率高、频道多、抗干扰能力强、通信距离远、同时支持主动和被动感应、安全数据传输与蓝牙、WiFi无冲突等优点，所以基于RF-SIM的移动支付系统将会得到更快的发展，未来有希望成为三大运营商的首选标准。

由于BK2421集成度非常高，外加简单的MCU控制芯片就可以快速设计出RFID子系统中的硬件系统，图3即为基于BK2421的RF-SIM硬件系统框图。手机SIM卡上的MCU通过SP1控制其BK2421与RFID阅读器内的BK2421互相通信，从而使SIM卡与RFID阅读器可以完成安全认证和数据交换。

4设计注意事项

BK2421同时集成了1对6星型通信协议，故可简化协议和软件设计,用户可以发挥其软件优势，根据需求开发自己的通信协议，以固件的方式实现基带控制器。该系统基本能够满足移动支付对RFID子系统的各种要求，如高传输速率、超低功耗、抗干扰能力强等。但是由于实际通信时，SIM卡要求放置在各种类型手机中，不同手机型号对应不同无线环境，SIM卡与读卡器互联通信距离会随着环境不同而变化。如果设计前没有考虑该因素，可能导致SIM卡与读卡器互联通信距离急剧缩短，甚至不能满足产品要求。根据BK2421的技术文档，可以釆用下面给出几种方法提高SIM卡在手机内与读卡器互联通信的距离。

图3  基于BK2421的RF-SIM硬件系统框图

(1)优化PCB天线设计

由于BK2421内嵌在S1M卡中，所以其天线只能用PCB走线实现。一般SIM卡放置在手机中间，如果其上下存在金属片或者大面积走线，会导致PCB天线的辐射效率急剧恶化并会改变天线谐振频率。如果设计天线时没有考虑上述因素，设计出的系统通信距离会显著缩短，甚至无法通信。所以PCB天线设计要注意以下几点：

① 做到尺寸与波长相关，在相同的外围环境下使其谐振在工作频率2.4GHz内端口易于匹配；

② 减少损耗，即将天线尽量孤立于其他金属以外预留天线匹配器件；

③ 由于实际天线工作环境和设计环境不一样,实际天线谐振频率可能会偏离设计目标，显然工作频点不在谐振点上会导致BK2421与天线之间存在比较大反射而降低传输效率，从而缩短通信距离。这时需要通过调整天线匹配器件使谐振频率重新回到设计目标2.4GHz。

(2)优化BK2421调制频偏

增大调制频偏可以提高BK2421的灵敏度。BK2421已经根据一般应用情况优化调制方式和频偏，达到最佳灵敏度，同时满足FCC15.247,249和ETSI300328对2.4GHz频谱的规范要求。考虑到特殊情况下需要更高的灵敏度，可以通过调整调制频偏来优化灵敏度，进一步提高SIM卡与读卡器互联通信距离。

5结语

随着信息和通信技术的发展，无线短距离产品进入超低功耗、高通信速率的时代。博通集成电路的2.4GHz无线收发器BK2421具有高传输速率、超低功耗、抗干扰能力强等性能，特别适合迅速发展起来的超低功耗无线市场需求，是目前非常适合于RF-SIM并可用于手机付费的芯片。