Damit die NFC-Technik (Near Field Communication) bei den Anwendern eine breite Akzeptanz findet, sind vor allem zwei Aspekte von großer Bedeutung: sie muss unkompliziert anzuwenden und immer funktionsbereit sein. Für die Hersteller von Bezahlterminals, die mit einem NFC-Leser für kontaktloses Bezahlen ausgestattet sind, gestalten sich diese Eigenschaften jedoch als immer schwieriger umsetzbar. Schließlich müssen heutige Bezahlterminals nicht nur mit Bezahlkarten, deren Design für den NFC-Betrieb optimiert ist, einwandfrei funktionieren. Vielmehr muss eine sofortige und problemlose Kopplung auch mit Mobiltelefonen, Smartwatches und anderen Arten von Wearables möglich sein, in denen die physische NFC-Schnittstelle räumlich eingeschränkt ist – sei es wegen einer kleinen Antenne oder eines Metallgehäuses.

Weiterentwicklung des Designs von Bezahlterminals mit größerem Touchscreen und NFC-Antenne hinter dem Display.

Bild 1: Weiterentwicklung des Designs von Bezahlterminals mit größerem Touchscreen und NFC-Antenne hinter dem Display. Panthronics

Die weltweit standardisierten Spezifikationen für den Betrieb kontaktloser Terminals – der von führenden Bezahlkarten- und Bankunternehmen gesponserte EMVCo-Standard – ist deshalb in seiner derzeit aktuellsten Version 3.0 im Einsatz. Dieser Standard definiert wesentlich strengere Anforderungen an die HF-Performance von Bezahlterminals, was Parameter, wie beispielsweise die Leistungsregelung oder die Verzerrung des Signalverlaufs, betrifft.

Eck-daten

Konventionelle NFC-Controller waren in einer Halbleiterarchitektur gefangen, die zwar für die erste Welle kontaktloser Zahlungsanwendungen ausreichend war, jedoch die Entwicklung von Bezahl-Terminals der nächsten Generation erschwert, besonders wenn diese dem EMVCo-3.0-Standard entsprechen sollen. Der Grund dafür ist, dass herkömliche NF-Controller ein Rechtecksignal erzeugen: es entstehen hohe Verluste, die Sendeleistung ist gering und es sind viele externe Bauelemente notwendig. Mit der Einführung der Sinuswellen-Architektur im Controller-IC PTX100R bietet Panthronics eine Lösung mit höherer HF-Performance an. Ein EMV-Filter und die meisten externen Anpassungs-Bauelemente entfallen, die Antenne ist kleiner und es ist weniger Leiterplattenfläche notwendig. Damit ebnet der Controller den Weg hin zu kleinen Payment-Lösungen.

Parallel dazu erscheint eine neue Generation kontaktloser Bezahlterminals, die durch einen großen Touchscreen und ausgefeilte Applikationen gekennzeichnet sind und sich damit vom Look-and-Feel her an Smartphones anlehnen (Bild 1). Ziel der Terminalhersteller ist es, den Bezahlvorgang für den Konsumenten möglichst schnell, einfach und komfortabel zu gestalten. Ein großflächiger Touchscreen dominiert die neuen Terminal-Designs, auf dem Texte und Zahlen einfacher zu lesen sind. Bei einigen Terminals verzichten die Entwickler sogar zugunsten virtueller Tasten auf dem Touchscreen auf ein Tastenfeld.

HF-Controllerarchitektur verbessern

Bei dieser neuen Art Terminal ist kein Platz mehr für ein großes „Landing Area“, weshalb die NFC-Antenne hinter das Display gewandert ist. Dies hat jedoch zur Folge, dass ein kritisches Maß an Interferenz zwischen der NFC-Antenne und dem Display entsteht. Letzteres wirkt nicht nur wie eine Abschirmung zwischen Antenne und externem Gerät, sondern erzeugt selbst auch Störgrößen, die die NFC-Signale beeinflussen. Allerdings ist die Störbeeinflussung bidirektional, denn ein übermäßig starkes NFC-Feld kann zu einem Flimmern des Displays führen.

Den eingeschränkten HF-Eigenschaften dieser NFC-Controller stehen jedoch die aktuellen Trends im Terminaldesign und die Notwendigkeit der Einhaltung des neuen EMVCo-3.0-Standards entgegen. Die konventionellen NFC-Controller weisen dabei jedoch nicht nur einen geringfügigen Mangel auf, der mit einfachen Modifikationen an der Hardware oder der Software zu beheben wäre. Das Problem liegt stattdessen tief in der Hardware, genauer gesagt in der Architektur, die ein rechteckförmiges HF-Signal ausgibt.

Konventionelle Architektur der NFC-Controller, wie sie in den heutigen kontaktlosen Bezahlterminals verwendet wird.

Bild 2: Konventionelle Architektur der NFC-Controller, wie sie in den heutigen kontaktlosen Bezahlterminals verwendet wird. Panthronics

Zur Beseitigung dieses Problems hat Panthronics eine eigene HF-Controllerarchitektur entwickelt. Das Controllerdesign bietet eine HF-Performance, welche die Konformität zu EMVCo 3.0 mit einer Antenne erreichen kann, die bis zu viermal kleiner ist, als sie für frühere Controller sein müsste. Überdies sind deutlich weniger externe Bauelementen nötig, was in geringeren Material- und Fertigungskosten resultiert und auch die Integration in das Endprodukt-Design erleichtert.

Strengere Interoperabilitätsprüfungen

Das Streben nach entscheidend verbesserter HF-Performance ist eine Reaktion auf die Einführung der EMVCo-Spezifikation 3.0, die am 1. Januar 2020 in Kraft trat. Gemäß dem bisherigen EMVCo-Standard 2.6 haben Prüfer etwa 600 Tests an den Terminals durchgeführt. Außerdem mussten die Terminals ihre Interoperabilität mit lediglich einem Referenzgerät-Typ beweisen, einer als PICC (Proximity Integrated Circuit Card) bezeichneten Einheit.

EMVCo 3.0 schreibt jetzt 2000 Tests vor und die Interoperabilität ist nun mit drei PICC-Referenzboards zu verifizieren. Die neuen Spezifikationen sollen sicherstellen, dass die problemlose Funktion der Terminals auch mit Gerätetypen wie etwa Smartwatches möglich ist, deren kleine Antenne sich hinter einem Display oder einem anderen Bauteil mit starken Störaussendungen befindet.

Terminalhersteller, die die Leistungsfähigkeit konventioneller NFC-Controller-ICs mit diesen neuen Benchmarks getestet haben, erkannten deren Einschränkungen. Alle diese herkömmlichen NFC-Controller basieren auf ähnlichen Halbleiterarchitekturen, die ein rechteckförmiges Ausgangssignal erzeugen (Bild 2).

Die Controller-Hersteller hatten ursprünglich auf diese Rechteckwellen-Architektur gesetzt, weil sie sich einfach in Halbleitern implementieren lässt. Allerdings ist diese Rechteckwelle für die Signalaussendung per Antenne in eine Sinuswelle umzuwandeln, was wiederum einen aus mehreren externen Bauelementen bestehenden EMV-Filter erfordert. In den HF-Schaltungen von Bezahlterminals weist diese Architektur einige Nachteile auf.

Bild 3: Die Sinuswellen-Architektur, implementiert im NFC-Controller PTX100R, benötigt keinen EMV-Filter und kommt mit wenigen Bauelementen zur Antennenanpassung aus.

Bild 3: Die Sinuswellen-Architektur, implementiert im NFC-Controller PTX100R, benötigt keinen EMV-Filter und kommt mit wenigen Bauelementen zur Antennenanpassung aus. Panthronics

Es entstehen hohe Verluste und die Sendeleistung ist gering, wodurch der Datendurchsatz der Geräte eingeschränkt ist. Die Empfindlichkeit der Empfängerschaltung ist gering, da die Eingangssignale durch die vielen externen Bauelemente abgeschwächt sind. Auch dies schränkt den Datendurchsatz ein. Beide Faktoren zwingen zum Ausweichen auf nicht wünschenswerte Designstrategien, wie etwa eine große Antenne mit hoher Impedanz und ein rauscharmes, teures Display.

Im besten Fall bietet diese Architektur die Möglichkeit zur groben Einstellung der Ausgangsleistung. Dies kann zur Sättigung von nah am Terminal befindlichen Geräten führen, sofern der Hersteller keine umständlichen und teuren Leistungsregelungs-Schaltungen verwendet. Es ist außerdem schwierig, eine hinreichend große Ausgangsleistung zu erzielen, damit in großer Entfernung von der Antenne eine zuverlässige Konnektivität möglich ist.

Die ungenaue Formung des Ausgangssignals hemmt und verzögert die Bemühungen zum Bestehen der gesamten Palette an Interoperabilitätsprüfungen, die die EMVCo-3.0-Spezifikationen verlangen. Durch den EMV-Filter entsteht überdies eine zusätzliche Resonanzschaltung, durch die sich das Gesamtsystem leichter verstimmt.

Neue Architektur mit sinusförmigem Ausgangssignal

Die Grundursache aller dieser Probleme ist also die Tatsache, dass konventionelle NFC-Controller ein Rechtecksignal erzeugen. Die Alternative, also die Erzeugung eines Sinussignals, löst dagegen die Probleme. Panthronics hat inzwischen patentierte Entwicklungen umgesetzt, die die Implementierung einer Sinuswellen-Architektur im Halbleiter gestatten (Bild 3).

Die entscheidenden Vorzüge dieser Architektur sind das genaue Gegenteil der Minuspunkte konventioneller NFC-Controller: Durch den Wegfall des EMV-Filters und der meisten Anpassungs-Bauelemente reduzieren sich die Verluste erheblich. Der NFC-Controller PTX100R erreicht somit eine hohe Ausgangsleistung, wodurch ein Terminal die Konformität zu EMVCo 3.0 auch mit einer kleinen Antenne und geringer Impedanz erreichen kann. Da der Controller ein sinusförmiges Ausgangssignal erzeugt, kann er eine wesentlich genauere Wellenformung mit deutlich reduzierten Über- und Unterschwingern erreichen. Das Resultat ist eine bessere Interoperabilität und eine effektive Kopplung – trotz kleinerer Antenne.

Der PTX100R erreicht dank der direkten Verbindung zur Antenne eine höhere Empfindlichkeit. Links ist die effektive Empfindlichkeit an der Antenne dargestellt...

Bild 4a: Der PTX100R erreicht dank der direkten Verbindung zur Antenne eine höhere Empfindlichkeit. Links ist die effektive Empfindlichkeit des PTX100R an der Antenne dargestellt… Panthronics

Die sehr feinstufige Regelung der Ausgangsleistung verhindert eine Sättigung, auch wenn sich das Terminal sehr nah an der PICC befindet. In der Empfängerschaltung ermöglicht die Sinuswellen-Architektur außerdem eine direkte Verbindung zwischen Antenne und Controller-IC. Die daraus resultierende höhere Empfindlichkeit von etwa -80 dB ist um zwei Größenordnungen größer als bei konventionellen NFC-Controllern (Bild 4). Hierdurch wiederum ist die Verwendung eines kostengünstigen Displays mit hohem Störaufkommen möglich, ohne die Konnektivität zu externen Geräten zu beeinträchtigen.

Zusammengenommen sorgen diese Faktoren für den Design-Freiraum, die unkomplizierte Normkonformität und die hohe HF-Performance, die Anwender von der neuen Generation intelligenter Bezahlterminals erwarten. Ein vom Unternehmen entwickeltes Referenzdesign-Board erreicht die EMVCo-3.0-Konformität auf Level 1 (für die physische Schnittstelle) mit einer nur 900 mm² messenden Antenne, die also vier- bis fünfmal kleiner ist, als es für einen konventionellen Controller-IC erforderlich wäre.

Komplexität reduzieren

... und rechts ein koventioneller RCV, bei dem die effektive Empfindlichkeit auf die Antenne bezogen werden muss.

Bild 4b: … und rechts ein koventioneller RCV, bei dem die effektive Empfindlichkeit an den RX-Pins auf die Antenne bezogen werden muss. Panthronics

Durch den Wegfall des EMV-Filters und anderer externer Bauelemente ergibt sich zudem eine Reduzierung der Leiterplattenfläche um mehr als 40 mm², was die Kosten und die Komplexität der Leiterplatte für ein Terminaldesign entsprechend reduziert. Folglich bietet der PTX100R den Terminalherstellern neue Flexibilität, um ihre Designs neu zu denken. In Frage kommt beispielsweise die Implementierung von Terminals in Wearable-Formaten, die kleiner und leichter sind als bisher.

Die verbesserte HF-Performance, die aus der höheren Ausgangsleistung und der gesteigerten Empfindlichkeit resultiert, hat nicht nur unmittelbare Auswirkungen auf die Nutzererfahrung, sondern auch auf das Potenzial neuer Bezahl-Anwendungen. Die von den Referenzdesigns erzielte HF-Performance liegt über dem von EMVCo 3.0 verlangten Niveau, was zu einer äußerst verlässlichen Interoperabilität mit jeglichen Arten von NFC-Geräten führt.

Ausführung der EMVCo Digital Test Cases TA001.

Bild 5: Ausführung der EMVCo Digital Test Cases TA001. Der PTX enthält einen Hardwarebeschleuniger. Panthronics

Ebenso entsteht hierdurch ein Potenzial für neue Anwendungen kontaktloser Bezahlvorgänge. Ein Beispiel ist das Peer-to-Peer Payment, bei dem ein Smartphone per NFC einen sofortigen Bezahlvorgang an ein anderes Smartphone oder eine Smartwatch ausführen kann.

Der PTX100R ist für die Verwendung in kontaktlosen Bezahlterminals vorgesehen und enthält eine Software-Implementierung, bei der die gesamte grundlegende NFC-Funktionalität im Controller implementiert ist. Dies verringert die Inanspruchnahme des Prozessors der Host-Applikation und bündelt sämtliche zeitkritischen Funktionen innerhalb des NFC-Controllers. Der Aufwand zur Umsetzung der Protokollspezifikationen des NFC-Forums wird auf diese Weise erheblich reduziert. Für das kontaktlose Bezahl-Subsystem enthält der PTX100R einen spezielle EMVCo-Hardwarebeschleuniger, was eine effiziente Implementierung der EMVCo-Signalisierung ergibt, wie in Bild 5 zu sehen ist. Der PTX100R kann also nicht nur den Weg zur nächsten Generation kontaktloser Bezahlterminals mit großen Displays ebnen, sondern auch zu künftigen Smartphones mit Point-of-Sale-Funktionen.