5 Das magnetsiche Aufzeichnungsverfahren

Beim magnetischen Aufieichnungsverfahren wird die zu speichernde Information auf magnetischem Matenal durch eine örtlich verteilte remanente Magnetisierung aufgezeichnet. Dies hat den Vorteil, daß man die Information bei Bedarf wieder löschen oder verändern kann. Die Magnetisierung wird wie bei Tonbandgeräten mit einem kombinierten Schreib-/Lesekopf vorgenommen. Dabei bewirkt ein Wechsel der Signalstromrichtung einen magnetischen Wechselnuß innerhalb des Ringkerns des Schreib-/Lesekopfes. Die magnetischen Feldlinien können am Spalt des Ringkerns austreten und in der vorbeilaufenden magnetisierbaren Schicht des Magnetbandes eine remanente Magnetisierung hinterlassen (Abbildung 5-1).

Abb.5-1
Abb. 5-1:Prinzip des magnetischen Aufzeichnung


Die typische Geschwindigkeit, mit der das Magnetband transportiert wird, beträgt bei handelsüblichen Magnetkartencodierern zwischen 200 mm/s und 300 mm/s. Um die in Form von remanenter Magnetisierung aufgebrachte Information wieder zu lesen, wird das Magnetband am Lesekopf vorbei geführt. Das auf dem Band befindliche Magnetfeld induziert in der Wicklung des Lesekopfes eine elektnsche Spannung. Diese wird verstärkt und anschließend zu logischen Pegeln "0" oder "1" aufbereitet. Zur Codierung der digitalen Information auf dem Magnetband wird die F2F-Modulation verwendet. Diese Modulationsart wird im nächsten Abschnitt näher erläutert. Heutige Magnetbänder, die bei der Magnetkarte zum Einsatz kommen, bestehen aus einem etwa 16 Clm dicken Kunststoffträgerband, auf das ein sehr dünnes und homogen verteiltes magnetisierbares Material aufgebracht ist. Aus der Audio-Technik sind Eisenoxid- und Chromdioxidteilchen bekannt. Standardbänder werden mit einem Magnetfeld der Stärke 300 Oersted beschrieben. Dabei entspncht die Einheit 1 Oersted im SI-Einheitensystem (Systeme International d'Unite) 0.7955 A/cm (Ampere/Zentimeter). Magnetkarten mit diesen Bänder werden als LoCo-Karten (Low Coercitivity) bezeichnet. Man spncht von HiCo-Karten (High Coercitivity), wenn sich auf der Magnetkarte Bänder mit einer Koerzitivkraft von 2750 bis 4000 Oersted befinden. Solche Magneutarten werden im Bereich der Schwenndustne eingesetzt, um ein versehentliches Löschen der Information durch äußere Magnetfeldeinwirkungen zu verhindern. Ein weiteres Anwendungsgebiet von HiCo-Karten ist der Einsatz bei sicherheitsrelevanten Daten, da übliche Magnetköpfe nicht in der Lage sind, so hohe Magnetfelder zu erzeugen, daß die Daten auf dem Magnetband gelöscht oder verfälscht werden können. Die Breite der eingesetzten Magnetbänder hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Bei einer Standard ISO-Magnetkarte mit 3 Spuren beträgt die Breite 12.7 mm (1/2 Zoll).



Für das Aufbnngen von Informationen auf die Magnetkarte schreibt die ISO-Vorschrift die Wechseltaktschrift vor, die auch unter dem Namen F2F-Modulation bekannt ist. F2F bedeutet "frequency/double frequency", und deutet das Pnnzip des Verfahrens an. Diese Modulationsart wurde 1954 von Aiken entwickelt und ermöglicht es, Daten und Takt gemeinsam in den magnetischen Flußwechsel abzulegen. Beim Lesen ist es dann möglich, den Takt wieder zuriickzugewinnen. Es handelt sich also dabei um selbstgetaktete Daten. Bei der F2F-Modulation zeigt ein magnetischer Flußwechsel zwischen zwei Taktintervallen eine logische "1" an. Hingegen zeigt das Fehlen eines solchen Flußwechsels eine logische "0" an (Abbildung 5-2).

Abb.5-2
Abb. 5-2:Flußwechsel bei der F2F-Modulation


Für das Schreiben der digitalen Information erzeugt der Magnetkartencodierer Taktsignale mit einer festen Frequenz. Diese hängt zum einen von der Bit-Dichte ab, mit der die Daten geschneben werden sollen, und zum anderen von der Geschwindigkeit, mit der die Magnetkarte transportiert wird. Dazu zwei Beispiele:
  1. 1. Es sollen Daten mit einer ISO-konformen Bit-Dichte von 210 bpi (8.3 Bit/mm) geschrieben werden. Die Transportgeschwindigkeit des Magnetkartencodierers beträgt 200 mm/s. Die Frequenz der Taktsignale, die zur Synchronisation beim Schreiben benötigt wird, errechnet sich aus der Anzahl der Bits, die pro Sekunde geschneben werden. Bei den gemachten Angaben beträgt die Anzahl

    210 bpi x 200 mm/s = 8.27 Bit/mm x 200 mm/s = 1654 Bit/s .

    Dies entspncht einer Frequenz von 1.654 kHz. Mit anderen Worten, es werden jede Sekunde 1654 Bit geschrieben. Dies gilt unabhängig davon, ob es sich bei den Daten um logische "0" oder "1" handelt. Nun wird der Name "F2F" dieser Modulationsart verständlich. Soll eine logische "0" geschrieben werden, so findet kein Flußwechsel während einer Taktpenode statt. Für das Schreiben einer logischen "1" muß hingegen ein Flußwechsel innerhalb dieser Zeit stattfinden. Das heißt, eine logische "1" wird mit einer doppelten Frequenz als eine logische "0" geschrieben.


  2. 2. Das Schreiben soll mit einer Bit-Dichte von 75 bpi (3 Bit/mm) erfolgen. Die Trans- portgeschwindigkeit beträgt 300 mm/s. Die Anzahl der geschnebenen Daten pro Zeiteinheit beträgt

    75 bpi x 300 mm/s = 2.96 Bit/mm x 300 mm/s = 888 Bit/s ,

    was einer Frequenz von 888 Hz entspncht.


Beim Lesen der Informationen von der Magnetkarte übernimmt ein F2F-Decoder die Taktrückgewinnung aus den magnetischen Flußwechseln. Konkrete Informationen über den Aufbau von solchen Decoder-ICs sind nicht erhältlich, da jede Firma ihr eigenes geheimgehaltenes Verfahren anwendet. Unseres Wissens befinden sich Decoder-ICs von zwei Finnen auf dem Markt, mit denen aber nur das Lesen von Magnetkarten möglich ist. Einzelne F2F-Modulator Bausteine sind nicht bekannt.
Diese Methode der Codierung ist sehr sicher, was beim täglichen Gebrauch und Umgang mit der Magnetkarte wichtig ist. Die niedrige Datendichte, die sich mit der F2F- Modulation erreichen läßt, ist bei den Anwendungen von Bank- und Identifikationskarten nicht nachteilig.




Bevor man die mit dem Magnetkopf vom Magnetband aufgenommenen magnetischen Flußwechsel nutzen kann, müssen sie mit einem F2F-Demodulator Baustein in Daten und Taktsignale decodiert werden. Das Datensignal wird mit RDP (Read Data Pulse) und das Taktsignal mit RCP (Read Clock Pulse) bezeichnet. Zusätzlich existiert das Signal CLS (Card Load Signal), das ebenfalls aus den magnetischen Flußwechseln gewonnen wird. Es zeigt an, daß eine magnetisierte Karte am Lesekopf entlang gezogen wird, liefert aber keinerlei Information dariiber, was auf dem Magnetstreifen steht. Alle Signale werden in der Magnetkartentechnik im allgemeinen in negativer Logik ausgeführt.

Es wird darauf hingewiesen, daß selbst wenn z.B. von RDP gesprochen wird, immer der invertierte logische Pegel gemeint ist. Auf einen Querstnch wird wegen der Übersichtlichkeit im Text verzichtet. In den Bildern sind die Signale hingegen korrekt bezeichnet.


Die Firma ddm Hopt+Schuler in Rottweil bietet dazu die Demodulator-Bausteine U4085B für induktive und U4086B für magnetoresistive Magnetköpfe an.

Abb.5-3
Abb. 5-3:Beispiel einer F2F-Demodulatorschaltung für einen Magnetkartenleser mit dem Baustein U4085B


Beide Bausteine sind in I2L (Integrated Injection Logic)-Technologie aufgebaut. Diese Technologie bietet den Vorteil einer genngeren Verlustleistung bei gleichzeitiger Fähigkeit, große Treiberströme am Ausgang zu liefern. Die drei Ausgänge sind in TTL (Transistor Transistor Logic)-Technik ausgeführt. Beide Bausteine kommen mit wenigen externen Bauelementen aus. Die Demodulation erfolgt unabhängig von der Durchzugsgeschwindig- keit, mit der die Magnetkarte am Lesekopf vorbeigezogen wird. 5rpische Werte liegen im Bereich von 100 mm/s bis 1500 mm/s.

Halbleiter
IC1 F2F-Decoder U4085B (Hopt+Schuler)
TR1 BC517
D1 1N4148
Kondensatoren
C1,C2 siehe Tabelle 5-2
C3 10 nF
C4 470 nF
C5 100 nF
C6,C7 33 mü F/35V
Widerstände
R1 siehe Tabelle 5-2
R2,R3 10 k Ohm
R4,R5 1 M Ohm
R6 1 k Ohm
Sonstiges
Magnetkopf


Der Widerstand R1 sowie die Kondensatoren C1 und C2 (siehe Abbildung 5-3; Tabelle 5-1) müssen je nach Bit-Dichte der zu lesenden Daten dimensioniert werden. In Tabelle 5-2 sind die Werte dieser Bauelemente für die Bit-Dichten 75 bpi zum Lesen der ISO-Spur 2 und 210 bpi zum Lesen der ISO-Spur 1 bzw. 3 angegeben.

Bit-Dichte R1 C1 C2
75 bpi 2.2 k Ohm 220 pF 47 nF
210 bpi 4.7 k Ohm 150 pF 22 nF
Tabelle 5-2:
Werte für den Widerstand R1, und die Kondensatoren C1 und C2 für unterschiedliche Bit-Dichten

Ein anderer angebotener Demodulator-Baustein ist der SLA4030C von der Firma Tokin. Dieser Baustein wird vom Distributor Tekelec Airtronic in München geliefert. Damit haben wir die benötigte Hardware zum Lesen einer Spur des Magnetstreifens vorgestellt. Magnetkartenleser, die zwei bzw. drei Spuren gleichzeitig lesen können, müssen über eine entsprechende Anzahl von Leseköpfen verfügen, die im allgemeinen in einem Gehäuse integnert sind. Ebenso benötigt man die gleiche Anzahl von F2F-Demodulator-Bausteinen. Ein Dreispurleser verfügt also über drei F~F-Demodulatoren, die jeder für sich die Signale CLS, RCP und RDP der drei Spuren liefert. Zum gleichzeitigen Lesen müssen insgesamt neun Signale, CLSn, RCPn und RDPn mit n=1,2,3, ausgewertet werden. In Abbildung 5-4 ist ein typisches Blockdiagramm eines Demodulator-Bausteines zu sehen.

Abb.5-4
Abb. 5-4:Typisches Blockdiagramm eines Demodulator-Bausteines


Zum besseren Verständnis sind die Signalverläufe an den wichtigsten Stellen eingezeichnet. Die magnetischen Flußwechsel werden mit Hilfe eines Lesekopfes vom Magnetstreifen aufgenommen. Die Spitzen-Spitzenspannung des Signals am Lesekopf beträgt typisch 50 mV. Dieses Signal wird verstärkt und einer Impulsformung unterzogen. Die Verstärkung ist nötig, um einen genügend großen Pegel zur weiteren Verarbeitung zu erhalten. Durch die Impulsformung werden die nachen Flanken des Signals versteilert, so daß eine zeitlich eindeutige Zuordnung der Pegel möglich ist. Dieses aufbereitete Signal wird dann vom eigentlichen F2F-Demodulator in Takt- (RCP) und Datensignal (RDP) aufgespalten. Gleichzeitig gelangt das vom Lesekopf kommende und aufbereitete Signal zur Generierung des CLS-Signals. Mit diesem Signal wird erkannt, ob eine magnetisierte Karte am Lesekopf vorbeigezogen wird, unabhängig von Bit-Dichte oder Inhalt. Alle drei Signale durchlaufen abschließend jedes für sich einen Ausgangstreiber. Diese sind je nach Hersteller des Bausteines und Gerätetyps als TTL-, CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor)- oder "open-collector"-Stufe ausgeführt. In Kapitel 7 und 8 werden Magnetkartenleser bzw. -codierer besprochen. Dort wird auch ange- geben, über welche Ausgangsstufen die verschiedenen Geräten verfügen. Anzumerken ist, daß in der Magnetkartentechnik mit negativer Logik gearbeitet wird, d.h. einer logische "0" wird ein höheres elektrisches Potential als einer logischen "1" zugeordnet.




Wir haben gesehen, daß aus den magnetischen Flußwechseln auf dem Magnetstreifen, mit Hilfe eines F2F-Demodulator-Bausteines, Takt- und Datensignale zuriickgewonnen werden können. Zum Lesen der Datensignale muß man wissen, wann gültige Daten am Ausgang RDP anliegen. Je nach 5p des Magnetkartenlesers steht ein Signal zur Verfügung, das anzeigt, daß eine Magnetkarte am Lesekopf vorbeigeführt wird. Es wird hier angenommen, daß es sich um das bereits im letzten Abschnitt besprochene CLS-Signal handelt.
In Frage kommen aber auch Signale, die bei einigen Geräten durch Mikroschalter oder Photosensoren die Position der Magnetkarte innerhalb des Gerätes anzeigen (vgl. Kapitel 7 und 8). Um sicherzustellen, daß gültige Daten am Ausgang anliegen, muß zunächst CLS low sein, ansonsten liegen keine gültige Daten an. Die Daten RDP müssen dann auf der abfallenden Flanke des Taktes RCP abgetastet werden (Abbildung 5-5). Beim Lesen ist darauf zu achten, daß das niederwertigste Bit (LSB) zuerst kommt. Nach dem höchstwertigen Bit (MSB) folgt das Pantäts-Bit. Wechselt der Pegel des CLS-Signals von low auf high, sind die am Ausgang stehenden Daten nicht mehr gültig. Die Signalverläufe sind nicht zeitkntisch, so daß man diese problemlos abtasten kann.

Abb.5-5
Abb. 5-5:Zeitdiagramm der wichtigsten Ausgangssignale CLS, RCP und RDP. Bei negativer Logik liegen auf der abfallenden Flanke des Taktes (RCP) gültige Daten (RDP) an.




Die Vorgehensweise beim Schreiben einer Magnetkarte ist ähnlich wie beim Lesen. Der wesentliche Unterschied besteht dann, daß beim Schreiben kein Taktsignal aus den Flußwechseln des Magnetstreifens gewonnen werden kann. Immerhin möchte man diese erst aufbnngen. Magnetkartencodierer besitzen deshalb einen oder mehrere Oszillatoren, die die benötigten Taktsignale mit unterschiedlichen Frequenzen liefern. Je nach der Bit-Dichte, mit der man die Daten schreiben möchte, werden verschiedene Frequenzen benötigt (vgl. Abschnitt 5.1). Bevor man Daten auf die Magnetkarte schreiben kann, muß sichergestellt sein, daß sich der Schreibkopf an der nchtigen Stelle des Magnetstreifens befindet. Um diese Position zu detektieren, besitzen Magnetkartencodierer z.B. einen Photosensor, der das Signal STW (Start Wnte) liefert (negative Logik!). Erst wenn dieses Signal low ist, darf mit dem Schreiben begonnen werden. Der eingebaute Oszillator liefert die Taktsignale WCP (Wnte Clock Pulse). Die zu schreibenden Daten WDT (Write Data) sind mit der abfallenden Flanke von WCP zu synchronisieren (Abbildung 5-6).

Abb.5-6
Abb. 5-6:Zeitdiagramm für das Schreiben von Daten. Die Daten (WDT) sind mit der abfallenden Flanke der Taktimpulse (WCP) zu synchronisieren.