]> git.zerfleddert.de Git - proxmark3-svn/blobdiff - fpga/hi_iso14443a.v
- improved reader sensitivity for 14443a cards (FPGA change!)
[proxmark3-svn] / fpga / hi_iso14443a.v
index eb03fa2394fee7d674bb666fb5d72d5f764a8240..1009c4365e5e6adb9fb9901523c7f47593063b8e 100644 (file)
@@ -39,8 +39,8 @@ reg [2:0] deep_counter;
 reg deep_modulation;
 always @(negedge adc_clk)
 begin
-       if(& adc_d[7:6]) after_hysteresis <= 1'b1;
-    else if(~(| adc_d[7:4])) after_hysteresis <= 1'b0;
+       if(& adc_d[7:6]) after_hysteresis <= 1'b1;                      // if adc_d >= 196 
+    else if(~(| adc_d[7:4])) after_hysteresis <= 1'b0;  // if adc_d <= 15
        
        if(~(| adc_d[7:0]))
        begin
@@ -83,20 +83,34 @@ reg [5:0] negedge_cnt;
 reg bit1, bit2, bit3;
 reg [3:0] count_ones;
 reg [3:0] count_zeros;
-wire [7:0] avg;
-reg [7:0] lavg;
-reg signed [12:0] step1;
-reg signed [12:0] step2;
-reg [7:0] stepsize;
+// wire [7:0] avg;
+// reg [7:0] lavg;
+// reg signed [12:0] step1;
+// reg signed [12:0] step2;
+// reg [7:0] stepsize;
+reg [7:0] rx_mod_edge_threshold;
 reg curbit;
-reg [12:0] average;
-wire signed [9:0] dif;
+// reg [12:0] average;
+// wire signed [9:0] dif;
+
+// storage for two previous samples:
+reg [7:0] adc_d_1;
+reg [7:0] adc_d_2;
+reg [7:0] adc_d_3;
+reg [7:0] adc_d_4;
+
+// the filtered signal (filter performs noise reduction and edge detection)
+// (gaussian derivative)
+wire signed [10:0] adc_d_filtered;
+assign adc_d_filtered = (adc_d_4 << 1) + adc_d_3 - adc_d_1 - (adc_d << 1);
+
+// Registers to store steepest edges detected:
+reg [7:0] rx_mod_falling_edge_max;
+reg [7:0] rx_mod_rising_edge_max;
 
 // A register to send the results to the arm
 reg signed [7:0] to_arm;
 
-assign avg[7:0] = average[11:4];
-assign dif = lavg - avg;
 
 reg bit_to_arm;
 reg fdt_indicator, fdt_elapsed;
@@ -115,36 +129,67 @@ reg [2:0] ssp_frame_counter;
 // ADC data appears on the rising edge, so sample it on the falling edge
 always @(negedge adc_clk)
 begin
-
-       // last bit = 0 then fdt = 1172, in case of 0x26 (7-bit command, LSB first!)
-       // last bit = 1 then fdt = 1236, in case of 0x52 (7-bit command, LSB first!)
-       if(fdt_counter == 11'd740) fdt_indicator = 1'b1;
+       // ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // relevant for TAGSIM_MOD only. Timing of Tag's answer to a command received from a reader
+       // ISO14443-3 specifies:
+       // fdt = 1172, if last bit was 0.
+       // fdt = 1236, if last bit was 1.
+       // the FPGA takes care for the 1172 delay. To achieve the additional 1236-1172=64 ticks delay, the ARM must send an additional correction bit (before the start bit).
+       // The correction bit will be coded as 00010000, i.e. it adds 4 bits to the transmission stream, causing the required delay.
+       if(fdt_counter == 11'd740) fdt_indicator = 1'b1;        // fdt_indicator is true for 740 <= fdt_counter <= 1148. Ready to buffer data. (?) 
+                                                                                                               // Shouldn' this be 1236 - 720 = 516? (The mod_sig_buf can buffer 46 data bits, 
+                                                                                                               // i.e. a maximum delay of 46 * 16 = 720 adc_clk ticks)
        
-       if(fdt_counter == 11'd1148)
+       if(fdt_counter == 11'd1148) // additional 16 (+ eventual n*128) adc_clk_ticks delay will be added by the mod_sig_buf below
+                                                               // the remaining 8 ticks delay comes from the 8 ticks timing difference between reseting fdt_counter and the mod_sig_buf clock.
        begin
                if(fdt_elapsed)
                begin
-                       if(negedge_cnt[3:0] == mod_sig_flip[3:0]) mod_sig_coil <= mod_sig;
+                       if(negedge_cnt[3:0] == mod_sig_flip[3:0]) mod_sig_coil <= mod_sig; // start modulating (if mod_sig is already set) 
                end
                else
                begin
-                       mod_sig_flip[3:0] <= negedge_cnt[3:0];
-                       mod_sig_coil <= mod_sig;
+                       mod_sig_flip[3:0] <= negedge_cnt[3:0];          // exact timing of modulation
+                       mod_sig_coil <= mod_sig;                                        // modulate (if mod_sig is already set)
                        fdt_elapsed = 1'b1;
                        fdt_indicator = 1'b0;
 
-                       if(~(| mod_sig_ptr[5:0])) mod_sig_ptr <= 6'b001001;
-                       else temp_buffer_reset = 1'b1; // fix position of the buffer pointer
+                       if(~(| mod_sig_ptr[5:0])) mod_sig_ptr <= 6'b001001;     // didn't receive a 1 yet. Delay next 1 by n*128 ticks.
+                       else temp_buffer_reset = 1'b1;                                                  // else fix the buffer size at current position
                end
        end
        else
        begin
-               fdt_counter <= fdt_counter + 1;
+               fdt_counter <= fdt_counter + 1; // Count until 1148
        end
        
-       if(& negedge_cnt[3:0])
+       
+       //-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // Relevant for READER_LISTEN only
+       // look for steepest falling and rising edges:
+       if (adc_d_filtered > 0)
+               begin
+               if (adc_d_filtered > rx_mod_falling_edge_max)
+                       rx_mod_falling_edge_max <= adc_d_filtered;
+               end
+       else
+               begin
+               if (-adc_d_filtered > rx_mod_rising_edge_max)
+                       rx_mod_rising_edge_max <= -adc_d_filtered;
+               end
+               
+       // store previous samples for filtering and edge detection:
+       adc_d_4 <= adc_d_3;
+       adc_d_3 <= adc_d_2;
+       adc_d_2 <= adc_d_1;
+       adc_d_1 <= adc_d;
+
+               
+
+       if(& negedge_cnt[3:0])  // == 0xf == 15
        begin
-               // When there is a dip in the signal and not in reader mode
+               // Relevant for TAGSIM_MOD only (timing Tag's answer. See above)
+               // When there is a dip in the signal and not in (READER_MOD, READER_LISTEN, TAGSIM_MOD)
                if(~after_hysteresis && mod_sig_buf_empty && ~((mod_type == 3'b100) || (mod_type == 3'b011) || (mod_type == 3'b010))) // last condition to prevent reset
                begin
                        fdt_counter <= 11'd0;
@@ -154,74 +199,33 @@ begin
                        mod_sig_ptr <= 6'b000000;
                end
                
-               lavg <= avg;
-               
-               if(stepsize<16) stepsize = 8'd16;
-
-               if(dif>0)
-               begin
-                       step1 = dif*3;
-                       step2 = stepsize*2; // 3:2
-                       if(step1>step2)
-                       begin
-                               curbit = 1'b0;
-                               stepsize = dif;
-                       end
-               end
-               else
-               begin
-                       step1 = dif*3;
-                       step1 = -step1;
-                       step2 = stepsize*2;
-                       if(step1>step2)
-                       begin
-                               curbit = 1'b1;
-                               stepsize = -dif;
-                       end
-               end
-               
-               if(curbit)
-               begin
-                       count_zeros <= 4'd0;
-                       if(& count_ones[3:2])
-                       begin
-                               curbit = 1'b0; // suppressed signal
-                               stepsize = 8'd24; // just a fine number
-                       end
+               // Relevant for READER_LISTEN only
+               // detect modulation signal: if modulating, there must be a falling and a rising edge ... and vice versa
+               if (rx_mod_falling_edge_max > 6 && rx_mod_rising_edge_max > 6)
+                               curbit = 1'b1;  // modulation
                        else
-                       begin
-                               count_ones <= count_ones + 1;
-                       end
-               end
-               else
-               begin
-                       count_ones <= 4'd0;
-                       if(& count_zeros[3:0])
-                       begin
-                               stepsize = 8'd24;
-                       end
-                       else
-                       begin
-                               count_zeros <= count_zeros + 1;
-                       end
-               end
-               
+                               curbit = 1'b0;  // no modulation
+                               
+               // prepare next edge detection:
+               rx_mod_rising_edge_max <= 0;
+               rx_mod_falling_edge_max <= 0;
+       
+       
                // What do we communicate to the ARM
-               if(mod_type == 3'b001) sendbit = after_hysteresis;
-               else if(mod_type == 3'b010)
+               if(mod_type == 3'b001) sendbit = after_hysteresis;              // TAGSIM_LISTEN
+               else if(mod_type == 3'b010)                                                             // TAGSIM_MOD
                begin
                        if(fdt_counter > 11'd772) sendbit = mod_sig_coil;
                        else sendbit = fdt_indicator;
                end
-               else if(mod_type == 3'b011) sendbit = curbit;
-               else sendbit = 1'b0;
+               else if(mod_type == 3'b011) sendbit = curbit;                   // READER_LISTEN
+               else sendbit = 1'b0;                                                                    // READER_MOD, SNIFFER
 
        end
 
-       if(~(| negedge_cnt[3:0])) average <= adc_d;
-       else average <= average + adc_d;
-
-       if(negedge_cnt == 7'd63)
+       //------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // Relevant for SNIFFER mode only. Prepare communication to ARM.
+               if(negedge_cnt == 7'd63)
     begin
                if(deep_modulation)
                begin
@@ -234,7 +238,7 @@ begin
 
         negedge_cnt <= 0;
        
-               end
+       end
     else
     begin
         negedge_cnt <= negedge_cnt + 1;
@@ -256,35 +260,48 @@ begin
                bit3 <= curbit;
        end
        
-
-       if(mod_type != 3'b000)
+       //--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // Relevant in TAGSIM_MOD only. Delay-Line to buffer data and send it at the correct time
+       // Note: Data in READER_MOD is fed through this delay line as well.
+       if(mod_type != 3'b000)                  // != SNIFFER
        begin
-               if(negedge_cnt[3:0] == 4'b1000)
+               if(negedge_cnt[3:0] == 4'b1000) // == 0x8
                begin
-                       // The modulation signal of the tag
-                       mod_sig_buf[47:0] <= {mod_sig_buf[46:1], ssp_dout, 1'b0};
-                       if((ssp_dout || (| mod_sig_ptr[5:0])) && ~fdt_elapsed)
-                               if(mod_sig_ptr == 6'b101110)
+                       // The modulation signal of the tag. The delay line is only relevant for TAGSIM_MOD, but used in other modes as well.
+                       // Note: this means that even in READER_MOD, there will be an arbitrary delay depending on the time of a previous reset of fdt_counter and the time and
+                       // content of the next bit to be transmitted.
+                       mod_sig_buf[47:0] <= {mod_sig_buf[46:1], ssp_dout, 1'b0};                       // shift in new data starting at mod_sig_buf[1]. mod_sig_buf[0] = 0 always.
+                       if((ssp_dout || (| mod_sig_ptr[5:0])) && ~fdt_elapsed)                          // buffer a 1 (and all subsequent data) until fdt_counter = 1148 adc_clk ticks.
+                               if(mod_sig_ptr == 6'b101110)                                                                    // buffer overflow at 46 - this would mean data loss
                                begin
                                        mod_sig_ptr <= 6'b000000;
                                end
-                               else mod_sig_ptr <= mod_sig_ptr + 1;
-                       else if(fdt_elapsed && ~temp_buffer_reset)
+                               else mod_sig_ptr <= mod_sig_ptr + 1;                                                    // increase buffer (= increase delay by 16 adc_clk ticks). ptr always points to first 1.
+                       else if(fdt_elapsed && ~temp_buffer_reset)                                                      
+                       // fdt_elapsed. If we didn't receive a 1 yet, ptr will be at 9 and not yet fixed. Otherwise temp_buffer_reset will be 1 already.
                        begin
-                               if(ssp_dout) temp_buffer_reset = 1'b1;
-                               if(mod_sig_ptr == 6'b000010) mod_sig_ptr <= 6'b001001;
-                               else mod_sig_ptr <= mod_sig_ptr - 1;
+                               // wait for the next 1 after fdt_elapsed before fixing the delay and starting modulation. This ensures that the response can only happen
+                               // at intervals of 8 * 16 = 128 adc_clk ticks intervals (as defined in ISO14443-3)
+                               if(ssp_dout) temp_buffer_reset = 1'b1;                                                  
+                               if(mod_sig_ptr == 6'b000010) mod_sig_ptr <= 6'b001001;                  // still nothing received, need to go for the next interval
+                               else mod_sig_ptr <= mod_sig_ptr - 1;                                                    // decrease buffer.
                        end
                        else
+                       // mod_sig_ptr and therefore the delay is now fixed until fdt_counter is reset (this can happen in SNIFFER and TAGSIM_LISTEN mode only. Note that SNIFFER
+                       // mode (3'b000) is the default and is active in FPGA_MAJOR_MODE_OFF if no other minor mode is explicitly requested.
                        begin
-                               // side effect: when ptr = 1 it will cancel the first 1 of every block of ones
+                               // don't modulate with the correction bit (which is sent as 00010000, all other bits will come with at least 2 consecutive 1s)
+                               // side effect: when ptr = 1 it will cancel the first 1 of every block of ones. Note: this would only be the case if we received a 1 just before fdt_elapsed.
                                if(~mod_sig_buf[mod_sig_ptr-1] && ~mod_sig_buf[mod_sig_ptr+1]) mod_sig = 1'b0;
-                               else mod_sig = mod_sig_buf[mod_sig_ptr] & fdt_elapsed; // & fdt_elapsed  was for direct relay to oe4
+                               // finally, do the modulation:
+                               else mod_sig = mod_sig_buf[mod_sig_ptr] & fdt_elapsed;
                        end
                end
        end
        
-       // SSP Clock and data
+       //-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // Communication to ARM (SSP Clock and data)
+       // SNIFFER mode (ssp_clk = adc_clk / 8, ssp_frame clock = adc_clk / 64)):
        if(mod_type == 3'b000)
        begin
                if(negedge_cnt[2:0] == 3'b100)
@@ -308,6 +325,9 @@ begin
                bit_to_arm = to_arm[7];
        end
        else
+       //-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+       // Communication to ARM (SSP Clock and data)
+       // all other modes (ssp_clk = adc_clk / 16, ssp_frame clock = adc_clk / 128):
        begin
                if(negedge_cnt[3:0] == 4'b1000) ssp_clk <= 1'b0;
 
@@ -331,30 +351,29 @@ end
 
 assign ssp_din = bit_to_arm;
 
-// Modulating carrier frequency is fc/16
+
+// Modulating carrier (adc_clk/16, for TAGSIM_MOD only). Will be 0 for other modes.
 wire modulating_carrier;
-assign modulating_carrier = (mod_sig_coil & negedge_cnt[3] & (mod_type == 3'b010));
-assign pwr_hi = (ck_1356megb & (((mod_type == 3'b100) & ~mod_sig_coil) || (mod_type == 3'b011)));
+assign modulating_carrier = (mod_sig_coil & negedge_cnt[3] & (mod_type == 3'b010));                                    // in TAGSIM_MOD only. Otherwise always 0.
+
+// for READER_MOD only: drop carrier for mod_sig_coil==1 (pause), READER_LISTEN: carrier always on, others: carrier always off
+assign pwr_hi = (ck_1356megb & (((mod_type == 3'b100) & ~mod_sig_coil) || (mod_type == 3'b011)));      
 
-// This one is all LF, so doesn't matter
-//assign pwr_oe2 = modulating_carrier;
-assign pwr_oe2 = 1'b0;
 
-// Toggle only one of these, since we are already producing much deeper
-// modulation than a real tag would.
-//assign pwr_oe1 = modulating_carrier;
+// Enable HF antenna drivers:
 assign pwr_oe1 = 1'b0;
+assign pwr_oe3 = 1'b0;
+
+// TAGSIM_MOD: short circuit antenna with different resistances (modulated by modulating_carrier)
+// for pwr_oe4 = 1 (tristate): antenna load = 10k || 33                        = 32,9 Ohms
+// for pwr_oe4 = 0 (active):   antenna load = 10k || 33 || 33          = 16,5 Ohms
 assign pwr_oe4 = modulating_carrier;
-//assign pwr_oe4 = 1'b0;
 
-// This one is always on, so that we can watch the carrier.
-//assign pwr_oe3 = modulating_carrier;
-assign pwr_oe3 = 1'b0;
+// This is all LF, so doesn't matter.
+assign pwr_oe2 = 1'b0;
+assign pwr_lo = 1'b0;
 
 
 assign dbg = negedge_cnt[3];
 
-// Unused.
-assign pwr_lo = 1'b0;
-
 endmodule
Impressum, Datenschutz