Principe technique de la NFC

La NFC est une communication basée sur le couplage magnétique de deux bobinages placés à proximité l'un de l'autre : celui du lecteur (reader) et celui du récepteur passif (tag). La NFC est un protocole de communication basé sur une fréquence de 13,56 MHz.

La NFC : Principe de fonctionnement technique

La NFC (Near Field Communication) est définie selon le CNRFID comme "un standard de communication RF (radio fréquence) sans-contact à courte distance (quelques centimètres) permettant une communication simple, rapide, intuitive […] entre deux dispositifs électroniques. La communication du NFC est basée sur la technologie RFID (identification par radiofréquence)".

La NFC est un protocole de communication qui vient étendre celui de la RFID HF dont la porteuse est centrée sur 13,56 MHz. La NFC en reprend donc les principales normes et standards de communication. Une communication NFC se fait entre une cible (tag, récepteur) et un initiateur (émetteur du champ magnétique, en anglais Target ou Initiator). Le tag est interrogé et l'émetteur interroge. Cette communication peut être soit active soit passive.

Lors d'une communication active, la cible et l'initiateur disposent de leur propre source d'énergie et communiquent en alternant le champ électromagnétique qu'ils génèrent. En revanche, lors d'une communication passive, l'initiateur génère un champ électromagnétique à partir duquel la cible va être alimentée en énergie. Pour répondre, la cible va rétro-moduler le champ électromagnétique en modifiant son impédance (interrupteur violet ci dessous, côté récepteur). Ci dessous, les phénomènes mis en jeu lors d'une communication NFC passive. Pour une communication active, seule la partie «émission» est mise en jeu.

Principe de la communication NFC : alimentation et émission, puis réception

Dans la communication passive (qui permet de mieux comprendre le principe physique), il se produit 2 étapes successives :

- Le lecteur NFC interroge le tag et l'alimente en énergie à travers le champ magnétique 13,56 MHz. Le tag est alimenté pendant ce temps là ! Le lecteur peut envoyer régulièrement des messages et attendre celui où un tag à proximité va répondre.

- Le lecteur NFC continue d'envoyer le champ magnétique 13,56 MHz juste pour alimenter le tag. Le tag a alors le temps de répondre en faisant varier son impédance, ce que le lecteur va détecter.

Principe de la NFC, en plus simple...

Dans la vie quotidienne, les cartes sans contact reposent sur le couplage magnétique avec le lecteur (émetteur). Ces cartes ne contiennent aucune alimentation (pas de pile) et ne sont alimentées qu'à proximité du lecteur. Leur durée de vie peut donc être extrêmement élevée.

Exemple de carte sans contact qui utilise le couplage magnétique avec son lecteur

Le principe de la NFC peut s'illustrer par un petit dialogue pour simplifier :

- Le lecteur : "Je t'alimente en énergie et je te demande l'information que tu contiens, toi, le tag.

- Le tag, pendant qu'il est alimenté en champ magnétique : "Je suis le tag machin..."

Après avoir obtenu la réponse du tag, le lecteur peut arrêter d'émettre le champ magnétique, et le tag s'éteint et revient à son "hibernation"... jusqu'à la prochaine approche d'un lecteur NFC. Les tags passifs NFC ne fonctionnent donc que lors des communications avec leurs lecteurs, d'où une absence d'usure totale tout le reste du temps.

Circuits imprimés spécifiques NFC

Il existe de nombreuses carte d'évaluations (demo board) qui permettent de s'initier à la communication NFC avec par exemple une application smart phone adaptée.

L'antenne prend la forme de quelques spires sur le circuit imprimé :

Spires rondes pour l'antenne NFC

Spires rectangulaires pour l'antenne NFC

En version flexible, la NFC se décline aussi...

Circuit imprimé flexible

Principe de fonctionnement : la physique de la NFC

Tout courant circulant dans un fil génère un champ magnétique. L'amplitude de ce champ est décrite par l'intensité du champ qui se mesure en A/m. La direction de propagation du champ est orthogonale au plan des spires.

Champ magnétique mis en jeu dans une communication NFC

Il est possible de superposer les bobines l'une au dessus de l'autre.

Conclusion

La NFC repose sur l'interaction magnétique entre le lecteur (composant actif, émetteur) et le tag (purement passif). Le lecteur émet un champ magnétique modulé qui joue un triple rôle pour le tag :

• alimenter le tag (récepteur)
• envoyer au tag les informations selon le protocole NFC
• laisser le temps au tag de répondre en modulant le champ magnétique émis par le lecteur

Références bibliographiques

- K. Finkenzeller, RFID Handbook third edition, Wiley, 2010.

- P.Scholz and all, Analysis of Energy Transmission for Inductive coupled RFID Tags, IEEE conference on RFID, 2007

- Application Note PHILIPPS, 13.56MHz RFID Proximity Antennas :

http://www.nxp.com/documents/application_note/AN78010.pdf

- Application Note ST, how to design a 13.56 MHz customized tag antenna : http://www.bdtic.com/DownLoad/ST/AN2866.pdf

- Nokia introduction to NFC : http://www.adafruit.com/datasheets/Introduction_to_NFC_v1_0_en.pdf

- NFCIP-1 : http://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/Ecma-340.pdf

- NFCIP-2 : http://www.ecma-international.org/publications/files/ECMA-ST/ECMA-352.pdf