Etude Et Simulation d’Un Système RFID

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministre de lEnseignement Suprieur et de laRecherche Scientifique

Universit des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene

Facult dElectronique et Informatique Dpartement Tlcommunications

Mmoire de MASTER Domaine : Sciences et Technologie

Spcialit : Gnie Electrique Option : Systmes de Tlcommunications

THEME

Propos et dirig par : Prsent par :

Pr TOUHAMI Rachida BOUKROUNA Walid

Mr LABANDJI Samy KORCHI Narimane

Soutenu le /06/2013 Devant le jury compos de : Prsident : Pr CHIBANI Youcef

Examinateur : Mme FERGANI Lamia Promoteur : Pr TOUHAMI Rachida Co-promoteur : Mr LABANDJI Samy

Promotion: 2012-2013

Etude et simulation dun systme RFID

Ce travail a t ralis dans le laboratoire dInstrumentation de la Facult dElectronique et

dInformatique, avec lquipe systme radiofrquence et microonde sous la direction du Professeur

R. TOUHAMI et de Monsieur S. LABANDJI.

Comme il nous est difficile dexprimer toute notre reconnaissance et notre gratitude envers

dabord DIEU tout puissant qui a guid nos pas vers la ralisation de ce mmoire de fin dtudes, et

ensuite envers des personnes que nous ne sommes pas prts oublier :

Nous tenons exprimer nos sincres remerciements notre promotrice Mme R .TOUHAMI

qui nous a encadrs et encourags et surtout pour ses prcieux conseils.

Nous exprimons particulirement notre gratitude Mr Y. CHIBANI davoir aimablement

accept de nous faire lhonneur de prsider ce jury.

Nous remercions galement Mme L.FERGANI davoir accept dexaminer notre travail avec

un grand plaisir.

Nos remerciements vont galement notre Co-promoteur Mr S.LABANDJI, pour son aide,

sa patience, sa bonne humeur, ses conseils, ses encouragements, son soutien et surtout sa gentillesse

tout au long de notre projet.

Enfin tous ceux qui ont particip cette tude, notamment lquipe du laboratoire

dInstrumentation, ainsi que toutes personnes qui nous ont aid, soutenus et encourag, de prs ou

de loin tout au long de nos tudes.

Sommaire

SOMMAIRE

Liste des figures

Liste des tableaux

Abrviations

Introduction Gnrale ................................................................................................................. .01 Chapitre 1 :

Etat de lart de la technologie RFID ........................................................................................... .03

Introduction .................................................................................................................................... .03

1.1 Prsentation de la technologie RFID ........................................................................................ .04

1.2 Le systme RFID ..................................................................................................................... .04

1.3 Evolution de la technologie RFID ............................................................................................ .05

1.4 Etat de lart ................................................................................................................................ .05

1.4.1 Le lecteur RFID .......................................................................................................... .05

1.4.2 Le tag RFID ................................................................................................................ .07

1.4.3 Les antennes RFID ..................................................................................................... .08

1.5 Les diffrents types de tag RFID .............................................................................................. .10

1.5.1 Tag actif ..................................................................................................................... .10

1.5.2 Tag passif ................................................................................................................... .11

1.5.3 Tag semi-passif .......................................................................................................... .11

1.6 Diffrents standards de la RFID................................................................................................ .11

1.7 Tags Ultra Haute Frquence (UHF) .......................................................................................... .12

1.8 Mode de communication ........................................................................................................... .12

1.8.1 TTF (Tag Talks First) ........................................................................................................ .12

1.8.2 RTF (Reader Talks First) .................................................................................................. .12

1.9 Rgulations et normes RFID ..................................................................................................... .12

1.9.1 Standard EPC Global ................................................................................................. .13

1.9.2 Standard ISO .............................................................................................................. .13

1.10 Les applications de la RFID .................................................................................................... .14

Sommaire

1.11 Conclusion ............................................................................................................................. .15

Chapitre 2:

Etude de larchitecture dun systme RFID UHF...................................................................... .17

Introduction ..................................................................................................................................... .17

2.1 Architecture dun systme RFID UHF ..................................................................................... .18

2.2 Architecture dun lecteur RFID UHF ...................................................................................................... .19 2.2.1 Lmetteur .................................................................................................................. .19

2.2.2 Le rcepteur ................................................................................................................ .20

2.2.3 Le circulateur ............................................................................................................. .21

2.2.4 Emission et rception ................................................................................................. .22

2.3 Architecture dun Tag RFID UHF passif .................................................................................. .22

2.3.1 Lantenne ................................................................................................................... .23

2.3.2 Le bloc de redressement ............................................................................................ .24

2.3.3 Le bloc de dmodulation ........................................................................................... .25

2.3.4 Circuit logique (mmoire) .......................................................................................... .26

2.3.5 Le bloc de modulation ................................................................................................ .26

2.4 Mode de dispersion .................................................................................................................. .27

2.4.1 Principe de rtrodiffusion backscattering ............................................................ .28

2.5 Protocole de communication ..................................................................................................... .28

2.5.1 Transfert dnergie non simultan ............................................................................. .28

2.5.2 Transfert dnergie simultan .................................................................................... .29

2.6 Les modulations utilises dans le systme RFID ...................................................................... .30

2.5.1 Modulation du lecteur vers le tag ............................................................................... .30

2.5.2 Modulation du tag vers le lecteur .............................................................................. .31

2.5.3 Normes et rgulations ................................................................................................ .31

2.7 Principe de communication entre le lecteur et le tag UHF ....................................................... .31

2.7.1 Phase de liaison montante Communication du lecteur vers le tag ......................... .32

2.7.2 Phase de liaison descendante Communication du tag vers le lecteur .................... .32

2.8 Conclusion ................................................................................................................................ .33

Sommaire

Chapitre 3 :

Conception dun tag RFID 900MHz .......................................................................................... .35

Introduction ..................................................................................................................................... .35

3.1 Les antennes pour les tags RFID passifs ................................................................................... .36

3.1.1 Lantenne diple planaire ........................................................................................... .36

3.1.2 Lantenne fentes ...................................................................................................... .36

3.1.3 Lantenne patch .......................................................................................................... .36

3.2 Conception et simulation dune antenne diple 900MHz ......................................................... .37

3.2.1 Simulation de lantenne diple calcule .................................................................... .38

3.2.2 Rsultat de simulation de S11 de lantenne diple ..................................................... .38

3.2.3 Rsultat de simulation du diagramme de rayonnement ............................................. .39

3.3 Conception et simulation dune antenne patch 900MHz .......................................................... .40

3.3.1 Modlisation dune antenne patch rectangulaire ........................................................ .41

3.3.1.1 Permittivit effective .................................................................................... .41

3.3.1.2 Calcul de la largeur du patch ......................................................................... .41

3.3.1.3 Calcul de la longueur du patch ...................................................................... .42

3.3.1.4 Estimation de limpdance dentre de lantenne .......................................... .42

3.3.2 Calcul dune antenne patch 900MHz ......................................................................... .43

3.3.3 Implmentation de lantenne sur CST Microwave Studio ......................................... .45

3.3.4 Rsultat de simulation de S11 de lantenne patch ....................................................... .45

3.3.5 Rsultat de simulation dimpdance dentre Z11 ...................................................... .46

3.3.6 Taux dondes stationnaires TOS (VSWR) ................................................................ .47

3.3.7 Rsultat de simulation du diagramme de rayonnement du gain et de la directivit .. .48

3.4 Comparaison entre les deux antennes ....................................................................................... .50

3.5 Conception du bloc modulateur dun lecteur RFID .................................................................. .51

3.5.1 Simulation dune requte du lecteur .......................................................................... .53

3.6 Conception dun tag RFID passif 900MHz .............................................................................. .54

3.6.1 Simulation du bloc redresseur .................................................................................... .55

Sommaire

3.6.1.1 Simulation du redresseur diode simple ....................................................... .55

3.6.1.2 Simulation du doubleur de tension ................................................................ .56

3.6.2 Conception et simulation du bloc dmodulateur ........................................................ .58

3.6.3 Conception et simulation du bloc modulateur .......................................................... .59

3.7 Synthse du circuit RFID .......................................................................................................... .60

3.8 Conclusion ................................................................................................................................ .62

Conclusion gnrale ..................................................................................................................... .63

Bibliographie

Annexes

Annexe 1 ............................................................................................................................................ .I

Liste des figures

Figure 1.1 : Les lments de base d'un systme RFID ................................................................. .04

Figure 1.2 : Bloc diagramme dune puce simple mobile pour le lecteur RFID ............................. .06

Figure 1.3 : Bloc diagramme du lecteur ......................................................................................... .06

Figure 1.4 : Schma bloc dun tag RFID UHF .............................................................................. .08

Figure 1.5 : Perte de rendement en fonction de la frquence ......................................................... .08

Figure 1.6 : Conception de lantenne bi-bande .............................................................................. .09

Figure 1.7 : Simulation du gain dantenne ..................................................................................... .09

Figure 1.8 : Simulation du gain de lantenne ................................................................................. .10

Figure 1.9 : ROS mesures et simules ............................................................................................. .10

Figure 1.10 : Spectre radio frquence RFID .................................................................................. .11

Figure 2.1 : Schma bloc dun systme RFID ............................................................................... .18

Figure2.2 : Schma bloc dun lecteur ............................................................................................ .19

Figure 2.3 : Exemple de chane dmission classique ................................................................... .19

Figure 2.4: Schma bloc dun rcepteur ........................................................................................ .20

Figure 2.5: Exemple de chane rception classique ...................................................................... .21

Figure 2.6 : Le circulateur .............................................................................................................. .21

Figure 2.7: Schma bloc dun tag RFID UHF ............................................................................... .23

Figure 2.8: Circuit redresseur ........................................................................................................ .24

Figure 2.9: Dtecteur denveloppement ......................................................................................... .26

Figure 2.10: Rflexion de londe incidente grce la technique de modulation de charge .......... .27

Figure 2.11: Reprsentation dune communication RFID ............................................................. .28

Figure 3.1: Exemple dune antenne antennes fente .................................................................... .36

Figure 3.2: Une antenne patch lment rectangulaire ................................................................. .37

Figure 3.3 : Lantenne diple sur CST Microwave Studio ............................................................ .38

Figure 3.4 : Simulation du S11 de lantenne diple. ....................................................................... .38

Liste des figures

Figure 3.5 : Diagramme de rayonnement de lantenne diple. ..................................................... .39

Figure 3.6 : Diagramme de rayonnement de phi pour thta=0. ................................................... .40

Figure 3.7 : Diagramme de rayonnement de thta pour phi=0... .................................................. .40

Figure 3.8: Lignes de champ lectrique autour dune ligne microruban ....................................... .41

Figure 3.9: Schma quivalent dune antenne patch ..................................................................... .42

Figure 3.10 : Reprsentation du point dimpdance 50Ohm sur le patch. ..................................... .44

Figure 3.11: Lantenne patch sur CST Microwave studio. ............................................................ .45

Figure 3.12: Simulation du S11. ..................................................................................................... .45

Figure 3.13 : Reprsentation du S11 sur labaque de Smith ........................................................... .46

Figure 3.14: Partie relle de limpdance dentre Z11. ................................................................. .46

Figure 3.15: Partie imaginaire de limpdance dentre Z11. ........................................................ .47

Figure 3.16: Rsultat de simulation du TOS. ................................................................................. .47

Figure 3.17: Diagramme de rayonnement du gain de lantenne patch 900MHz. ....................... .48

Figure 3.18: Diagramme de rayonnement de la directivit de lantenne patch 900MHz. .......... .48

Figure 3.19 : Vue de dessus du diagramme de rayonnement du gain. ........................................... .49

Figure 3.20: Le diagramme de rayonnement de phi pour thta=0 . ........................................... .49

Figure 3.21: Le diagramme de rayonnement de thta pour phi=90. ............................................ .50

Figure 3.22: Le diagramme de rayonnement de phi pour thta=90. ........................................... .50

Figure 3.23: Modulateur ASK base dun multiplieur ................................................................. .51

Figure 3.24 : Signal de la porteuse ................................................................................................. .52

Figure 3.25 : Signal modulant. ....................................................................................................... .52

Figure 3.26 : Signal modul en ASK ............................................................................................. .52

Figure 3.27 : Circuit de lmetteur du lecteur RFID. ..................................................................... .53

Figure 3.28 : Signal de la requte. ................................................................................................. .54

Figure 3.29 : Spectre du signal modul ......................................................................................... .54

Figure 3.30 : Circuit redresseur simple diode. ............................................................................ .55

Figure 3.31 : Signal reu par lantenne tag .................................................................................... .56

Liste des figures

Figure 3.32 : Signal de sortie du redresseur simple diode .......................................................... .56

Figure 3.33 : Circuit doubleur de tension ...................................................................................... .56

Figure 3.34: Signal reu aux bornes du diviseur de diode ............................................................. .57

Figure 3.35 : Signal de sortie du doubleur ..................................................................................... .57

Figure 3.36 : Le circuit de dmodulation ....................................................................................... .58

Figure 3.37 : Signal dmodul ....................................................................................................... .58

Figure 3.38 : modulateur base de transistor ................................................................................ .59

Figure 3.39 : Signal en bande de base ............................................................................................ .59

Figure 3.40: Signal modul en amplitude ...................................................................................... .60

Figure 3.41 : Circuit du systme RFID .......................................................................................... .61

Figure 3.42 : Signal de la requte avec la rponse du tag .............................................................. .62

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Normes ISO 18000 pour la standardisation des systmes RFID ............................. .14

Tableau 2.1: Mode de transfert dnergie non simultan .............................................................. .29

Tableau 2.2: Mode de transfert dnergie simultan ..................................................................... .29

Liste des abrviations

ADS Advanced Design System de Agilent AFE Analog Front End ALE Automatic Link Establishement ASK Amplitude Shift Key BB Bande de Base CMOS Complmentaires Mtal Oxyde Semi-conducteur

CST Computer Simulation Technology dB dcibels DDR

Double Data Rate dBi dcibel isotropic dBm dcibels milliwatt DSP Digital Signal Processor EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only

EPC Electronic Product Code FDX Full Duplex FPGA Field Programmable Gate Array FRAM Ferromagnetic Random Access Memory GHz Giga Hertz HDX Half Duplex HF Haute Frquence HMIC Hybride Microwave Integrated Circuit ID Identification IEC International Electrotechnical Commission IFF Identifie Friendly Foe I / Q modulator/demodulator ISM Industrial Scientific-Medical ISO International organization for standardization KHz Kilo hertz LF Low frequency m Mtre mA Milli ampre MHz Mga hertz mm Milli mtre MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit

Liste des abrviations

mW Mili watt NRZ Non-Return-to-Zero Encoding OL Oscillator Local PIE Codage Pulse Interval Encoding PSK Phase Shift Key QFHA Quadrifilar Hlicodale Antenna QSA Quadrilifaire Spirale Antenna RF Radio frquence RFID Radio frenquency RTF Reader Talks First RZ Return to Zero SDRAM Synchronous Dynamic Random Access Memory SRAM Static Random Access Memory TOS Taux dOnde Stationnaire TTF Tag Talks First A Micro Ampre m Micro mtre UHF Ultra Haute Frquence V Volt Vcc Tension crte du signal reu Vd Tension seuil de la diode VSWR Voltage Standing Wave Ratio

Introduction gnrale

Introduction gnrale

Les nouvelles technologies de linformation et de la communication ont un rle fondamental

dans notre socit moderne. Elles participent sa transformation par diffrents effets sur le plan

conomique ainsi que social. Le dveloppement de ces technologies fait apparaitre de nouvelles

applications participant au partage de la connaissance, et contribuant ainsi la croissance

conomique en facilitant lchange et la diffusion des informations. Elles trouvent leurs applications

dans des domaines trs divers tels que la distribution, la logistique, la traabilit la scurit et les

loisirs.

Les systmes RFID, pour Radio Frequency Identification, sont actuellement en plein essor et

se multiplient. Ces systmes sont constitus dun dispositif fixe ou mobile, appel lecteur, autour

duquel on peut trouver une ou plusieurs entits mobiles, appeles tiquettes. Les interfaces sans

contact permettent des communications par ondes radiofrquences, transmettant diverses

informations selon les applications mises en jeu, et notamment un numro didentification de

ltiquette dans le cadre des systmes RFID [1].

Rcemment les systmes RFID ont prouv leur potentiel dans les applications telles que le

contrle daccs, la gestion des chaines de distribution, la protection contre le vol et aux

transactions de la vie courante (titres de transports en commun, cartes bancaires...). Ces applications

sappuient sur diffrents standards dpendant des fonctionnalits, et quelques contraintes locales

telles que la bande de frquence de transmission ou la puissance ncessaire.

En rponse aux contraintes lies aux faibles dbits de communication, plusieurs tudes ont

propos des interfaces sans contact pour un dbit important. Le but de ce projet est ltude et la

simulation dun systme RFID passif pour le standard 900MHz, qui rpond la norme 18000-6c.

Ce mmoire est organis en trois chapitres permettant dtablir le concept propos dans cette

tude.

Le premier chapitre prsente un tat de lart sur les systmes RFID. Une vision sur lensemble

des caractristiques et lvolution de ce systme est propose. Une synthse bibliographique sur les

diffrentes publications qui ont t faite dans ce domaine. Les types des tags et les frquences et

normes utilises seront prsents. Nous terminerons ce chapitre par les domaines dapplication.

Le deuxime chapitre se focalisera sur une tude dtaille de larchitecture dun systme

RFID passif. Une prsentation des procdures de communication et des architectures relatives aux

systmes RFID fonctionnant en UHF.

1

Introduction gnrale

Le troisime chapitre est entirement ddi la conception de la partie RF dun tag RFID

passif fonctionnant 900MHz. Nous prsentons tout dabord la conception de lantenne. Ensuite

une modlisation de lmetteur dun lecteur RFID. Puis une conception des principaux blocs RF

constituant un tag RFID passif.

Enfin, le mmoire se terminera par une conclusion gnrale rsumera le travail exposs dans

ce mmoire.

2

Chapitre 1 Etat de lart sur la technologie RFID

Introduction

Les progrs dans les domaines des tlcommunications et de llectronique ont permis de

donner corps une ide assez ancienne : celle de lidentification distance par radiofrquence.

Lidentification par radiofrquence ou RFID (Radio Frquency Identification Devices) permet

didentifier distance des objets ou des individus, larrt ou en mouvement, et dchanger avec

eux des donnes de fonctions et des applications envisages.

Dans ce chapitre un tat de lart et une prsentation du systme RFID va tre prsent.

Chapitre 1 tat de lart de la technologie RFID

1.1 Prsentation de la technologie RFID

La RFID fait partie des technologies didentification automatique, au mme titre que la

reconnaissance optique de caractres ou de codes barre. En RFID, le transfert d'information

s'effectue par ondes lectromagntiques ce qui permet de lire plusieurs tiquettes la fois

contrairement aux codes-barres o la lecture se fait de manire optique.

La technologie RFID a la particularit de fonctionner distance, sur le principe suivant : un

lecteur met un signal radio et reoit en retour les rponses des tiquettes ou tags qui se trouvent

dans son champ daction. Il existe une varit presque infinie de systmes RFID, diffrents types de

mmoire, diffrentes frquences, diffrentes portes, diffrents types dalimentation.

La technologie RFID permet la lecture des tiquettes mme sans ligne de vue directe et peut

traverser de fines couches de matriaux [1].

1.2 Le systme RFID

Un systme complet RFID est compos des lments suivants :

Un lecteur RFID ou interrogateur, dot dantennes et capable de lire et crire des informations

par transmission radio.

Un tag RFID, ou tiqute, qui contient les donnes de l'lment identifier.

Une antenne utilise pour transmettre le signal (ondes radiofrquences) entre le lecteur et le

transpondeur.

Un contrleur (qui prend la forme d'un ordinateur) de stockage et de traitement des informations

recueillies par le lecteur.

Figure 1.1 : Les lments de base d'un systme RFID [2].

4


1.3 Evolution de la technologie RFID

La RFID est une technologie relativement nouvelle qui a t dveloppe dans les annes

1980. Bien qutant apparue dans les annes 1940 dans la Seconde Guerre Mondiale pour

identifier/authentifier des appareils en vol IFF (Identifie Friendly Foe). En 1970, les systmes

RFID restent une technologie confidentielle, usage militaire pour le contrle d'accs aux sites

sensibles, notamment dans le nuclaire. Dans les annes 1990, la standardisation pour une

interoprabilit des quipements RFID commencer par les cartes puces puis les systmes tags-

lecteur de manire gnrale. Les technologies RFID sont aujourdhui largement rpandues dans

quasiment tous les secteurs industriels (aronautique, automobile, logistique, transport, sant, vie

quotidienne, etc.). En 2009 le Centre National de Rfrence RFID a t cr.

1.4 Etat de lart

Notre projet consiste tudier la technologie RFID. Avant dentamer le principe

fonctionnement de cette technologie, nous prsenterons les investigations du systme RFID, et les

prsentent par les diffrents travaux de recherches qui ont t publi.

1.4.1 Le lecteur RFID

Une mthode de conception dun circuit radio du lecteur RFID a t labore, qui travaille

la frquence ISM 915MHz [3]. Le tag RFID utilise la modulation rtrodiffuse du signal pour

communiquer avec le lecteur. Le signal rtrodiffus est un signal trs faible transmis par le tag, pour

recevoir ce signal en mission cest le problme cl. Pour rsoudre ce problme un rcepteur

canaux multiples est utilis avec les dtecteurs de multicanaux. Cette conception permet au lecteur

RFID UHF dinterroger le tag jusqu' 10m.

Timothy Boles & al [4] illustrent les rsultats de l'laboration d'un modulateur /

dmodulateur MMIC I / Q intgr pour les applications du lecteur RFID, utilisant la technologie

HMIC comme un moyen d'intgration. HMIC est une technologie d'intgration qui associe le

silicium et le verre faible perte, en utilisant des structures en 3 dimensions dans une grande varit

de circuits micro-ondes hautes performances.

Un lecteur mono-puce RFID UHF oprant 900 MHz pour les applications de tlphonie

mobile a t mis en uvre dans une technologie CMOS 0,18 m [5]. L'architecture dun metteur-

rcepteur RF en conversion directe avec le circuit frontal RF hautement linaire, et un circuit

d'annulation de dcalage en courant continu sont utilis pour rduire les grandes fuites d'metteur.

5


Un synthtiseur de frquence bas sur une topologie de N fractionnaire verrouillage de phase en

boucle est galement intgr. Le lecteur consomme un courant total de 89 mA en dehors de

l'amplificateur de puissance externe avec une tension d'alimentation de 1,8 V. Il ralise une

puissance maximale de sortie de l'metteur de 4 dBm.

Figure 1.2 : Bloc diagramme dune puce simple mobile pour le lecteur RFID [5].

Un lecteur RFID UHF [6] compatible avec le standard EPC Class-1, Gnration-2, oprant

dans la bande 915MHz a t labor. Le lecteur RFID UHF comprend un bloc RF analogique, un

bloc de la bande de base et une commande d'horloge comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 1.3 : Bloc diagramme du lecteur [6].

Le bloc front end contient un circuit d'mission, un circuit de rception, un synthtiseur de

frquence et un circulateur. Le bloc de bande de base contient une puce FPGA, les ressources

matrielles, DDR SDRAM, FLASH, cette structure de bande de base a un avantage pour la mise en

uvre des diffrents types de normes RFID, et de rduire efficacement le temps de conception de

dveloppement et de cot.

Une conception simple dun lecteur RFID UHF bas sur la norme ISO 18000-6B avec moins

de circuit, d'extension et de priphrie [7]. Ils dcrivent la conception du matriel et des logiciels du

lecteur RFID. Le matriel comprend un circuit RF d'mission et un circuit RF de rception. En

particulier dans le systme de rception, utilise un circuit intgr et un programme pour la

6


dmodulation du signal qui permet dobtenir une conception dun rcepteur optimis. Grce la

technologie du filtre et d'amplification sensible, le systme peut recevoir un faible signal modul.

Ce lecteur fonctionne pour une gamme de frquence de 800MHz 960 MHz, avec une distance de

travail de 7 9m.

Des mthodes de coexistence dun lecteur fixe avec un lecteur mobile pour augmenter le taux

dutilisation du systme RFID [8], le fonctionnement de la coexistence est un facteur important

pour les systmes RFID passives, le signal d'un lecteur qui va interfrer avec le signal provenant

dautres lecteurs ce qui va provoquer des problmes de collision de lecture. Des nouveaux

protocoles et de simples mthodes pour rsoudre les problmes de collision des lecteurs pour le

systme RFID htrogne et cela par un signal bas entre un lecteur fixe et un lecteur mobile.

1.4.2 Le tag RFID

Une conception dun tag RFID passive avec une faible consommation base sur la nouvelle

technologie CMOS pour une large bande [9], o des condensateurs planaires sont utiliss pour

stocker localement la charge afin dalimenter le tag. Les condensateurs de stockage utiliss

montrent une excellente aptitude au fonctionnement des circuits CMOS, en maintenant la stabilit

de niveau de tension.

Amlioration de la rtrodiffusion exploite dans le systme RFID [10]. Lamplitude de

maximisation de la diffrence de coefficient de rflexion complexe entre les deux tats n'est pas

suffisante pour optimiser la communication de rtrodiffusion tag-lecteur, contrairement ce qui est

communment admis dans le domaine. Une mthode de slection de la charge du tag s'applique

toute antenne de l'tiquette a t propose, y compris les antennes de diffusion minimale comme un

cas particulier ; la mthode est base sur l'antenne tag avec le mode de calcul, de structure et forme.

Celle-ci emploie la thorie des antennes /communication simple et s'applique la fois passive, ainsi

qu des tiquettes RFID semi-passives.

Une puce dun tag RFID a t conue en utilisant la technologie standard CMOS numrique

0.13m [11], la consommation lectrique de la puce est seulement 1 mW, et la surface de la puce

est de seulement 0,14 mm x 0,23 mm. Les tensions d'alimentation la fois pour les circuits

analogiques et numriques sont choisies avec soin pour une consommation minimale. Tous les

circuits analogiques sont optimiss pour un fonctionnement trs faible puissance, une

consommation de courant de 0,5 uA pour la partie numrique et de 0,5 uA pour la partie analogique

a t atteinte.

7


Figure 1.4 : Schma bloc dun tag RFID UHF [11].

1.4.3 Les antennes RFID

Le dveloppement de petites antennes intgres joue un rle important dans l'volution des

applications RFID commerciales qui sont en pleine expansion. Un dveloppement des antennes

intgres pour un lecteur RFID portable a t labor [12], l'antenne peut tre utilise sur deux

bandes de frquence de 840MHz-845MHz et 920MHz-925MHz qui est alloue pour une utilisation

de la RFID en Chine. La mthode est simple et efficace pour atteindre les deux bandes dsires avec

une perte de rendement de -10 dB, l'antenne double-L peut tre applique en UHF de 860MHz-

960MHz qui est propos pour lutilisation de la RFID par l'ISO / IEC.

Figure 1.5 : Perte de rendement en fonction de la frquence [12].

Wang-Ik Son & al ont conu une antenne bi-bande HF / UHF pour un lecteur RFID portable

[13] afin de profiter des avantages offerts par les systmes RFID HF et UHF. Dans la bande HF

(13,56 MHz), une antenne boucle en spirale est utilise et place dans la zone la plus extrieure de

l'espace disponible, dans la bande UHF (915 MHz), une antenne spirale quadri filaire (QSA) est

utilise, car elle est petite et dispose d'un changement de basse frquence selon la taille de plate-

forme et est place dans le centre de l'antenne HF comme le montre la figure-ci-dessous.

8


Figure 1.6 : Conception de lantenne bi-bande [13].

Une antenne portative a t mise uvre [14], pour remdier la faible bande passante d'une

antenne corrective compacte, une ouverture couple la technique d'alimentation et la structure

magnto dilectrique artificielle sont utilises pour un lecteur RFID UHF. Les antennes proposes

ont des dimensions compactes de 100 mm 100 mm 9,6 mm et 100 mm 100 mm 3,2 mm,

respectivement.

Une nouvelle structure rayonnante pour un systme RFID UHF faible cot, peut tre

utilises avec les lecteurs commerciaux permettent la dtection des tags faible volume

d'interrogation [15], tout en vitant les lectures non dsires en dehors du volume d'interrogation.

Le concept de structure rayonnante a t explor par des simulations d'ondes compltes, et il a t

valid avec les deux mesures en champ proche une vido de dmonstration courte est disponibles en

ligne.

Nemai Chandra Karmakar & al [16] ont conu une antenne intelligente fonctionnant dans la

bande de frquences 860-960 MHz avec une bande passante de 100 MHz pour couvrir une plthore

d'applications dans cette bande, avec plus de 10 dB de perte d'entre de retour, et un gain de 12

dBi. Lantenne intelligente RFID contribue normment dans les domaines du tag RFID avec un

taux de lecture. Un guide de conception dtaille pour le niveau de dveloppement de la couche

physique des composants de l'antenne puce a t prsent.

Figure 1.7 : Simulation du gain dantenne [16].

9


Une poutre en forme dantenne pour un lecteur RFID UHF a t conu [17], cette solution va

permettre d'accrotre la porte de lecture pour les applications RFID UHF, o lantenne RFID UHF

est centre au-dessus de la zone de couverture, une antenne hlicodale quadri filaire (QFHA) a t

choisie, car elle peut fonctionner efficacement dans la RFID UHF et est capable de raliser le

diagramme de rayonnement en forme souhaite.

Une antenne Yagi imprime pour un lecteur portatif RFID UHF est construite et peut tre

utilise la fois dans les rgions des tats-Unis et l'Europe [18]. L'antenne propose se compose de

trois lments rayonnants (directeur, conducteur et rflecteur) qui s'inscrivent dans un format

compact (100 mm x 100 mm). L'antenne prsente un gain maximal de 5,3 dBi et un TOS infrieur

2 avec une bande passante de 60MHz, comme le montre la figure ci-dessus.

Figure 1.8 : Simulation du gain de lantenne [18]. Figure 1.9 : ROS mesures et simules [18].

1.5 Les diffrents types de tag RFID

1.5.1 Tag actif

Un tag RFID est dit actif sil est aliment par une source dnergie interne sous forme dune

batterie, ils peuvent mettre plusieurs centaines de mtres ce qui fait augmenter la porte.

Lorsque le tag transmet des donnes au lecteur, il utilise cette source pour driver lnergie

ncessaire la transmission. Pour cette raison, les puces actives peuvent communiquer avec des

lecteurs moins puissants et capables de transmettre des informations sur une distance assez

grande [2].

Les tags actives sont couteux et plus complexes produire et assurent, outre des fonctions de

transmission, des fonctions soit de captage soit de traitement de linformation capte, soit

les deux [1].

10


1.5.2 Tag passif

Les tags RFID passifs n'ont aucune source d'nergie bord. Ils tirent exclusivement leur

nergie des radios frquences RF envoyes par le lecteur afin de transmettre leurs donnes.

Cependant, lnergie rcupre est plus faible que celle dune batterie. De ce fait, les tags

passifs sont, en gnral, plus petits et moins chres que les tags actifs. Par contre, la porte utile des

tags passifs est beaucoup plus courte que celle des tags actifs. De plus, ils exigent des lecteurs plus

puissants et ont une faible capacit mmoire qui est de l'ordre de quelques kilo-octets [2].

1.5.3 Tag semi-passif

Les tags semi-passifs sont un compromis entre les tags actifs et les tags passifs. Ils disposent

comme les tags actifs de sources dalimentation qui leur sont propres. Ce type de tag est

gnralement dune conception simple. Ces tags sont plus robustes et plus rapides en lecture et en

transmission que les tags passifs, mais ils sont aussi plus chers [19].

1.6 Diffrents standards de la RFID

Les systmes RFID gnrent des ondes lectromagntiques, ils doivent ainsi veiller ne pas

perturber le fonctionnement des autres systmes radio. On ne peut, en principe, utiliser que les

plages de frquences spcifiquement rserves aux applications industrielles, scientifiques ou

mdicales, ces plages de frquence sont appeles ISM.

Figure 1.10 : Spectre radio frquence RFID.

La communication entre des tags RFID et des lecteurs est aussi affecte par la frquence radio

utilise, qui dtermine la vitesse de communications aussi bien que la distance dont les tags peuvent

tre lus. La basse frquence "LF" des tags, qui oprent moins de 135 KHz, est ainsi approprie

aux utilisations courte porte, comme l'identification animale et des systmes antivol, etc. Les

systmes qui oprent 13.56 MHz sont caractris comme la haute frquence "HF".

11


La troisime bande de frquence, l'Hyperfrquence "UHF", les tiquettes sont plus sensibles

aux facteurs exognes comme l'eau, qui absorbent l'nergie de l'tiquette et bloquent ainsi sa

capacit de communiquer avec un lecteur. Ces tiquettes, fonctionnent peu prs 900 MHz,

peuvent tre lues aux distances plus longues [20].

1.7 Tags ultra haute frquence

La plage ultra-haute frquence inclut deux gammes de frquences, 433 MHz et 860-960 MHz,

quils sont utiliss pour les applications RFID. La gamme de frquences 433 MHz est utilise pour

les tags actifs, tandis que la gamme de frquences 860-960 MHz est principalement utilise pour

les tags passifs et certains tags semi-passifs, les tags passifs dans cette gamme sont utiliss en

champ lointain pour obtenir un couplage radiatif, ou un couplage par rtrodiffusion [21].

Les tags UHF sont gnralement plus coteux, mais ils ont une dure de vie plus longue, ce

qui les rend plus conomiques [21].

1.8 Mode de communication

Une communication commence ds que le premier interlocuteur parle. Le tout tant

maintenant de savoir qui du lecteur ou du transpondeur va, peut ou doit parler en premier. Pour cela,

il existe deux modes :

1.8.1 TTF (Tag Talks First)

Dans ce mode, le tag annonce sa prsence son arrive dans le champ d'un lecteur. Ce mode

peut poser des conflits lorsque plusieurs tiquettes annoncent leur prsence simultanment [22].

1.8.2 RTF (Reader Talks First)

Dans ce mode qui est mis en uvre dans le standard EPC global Classe 1 Gnration 2, le

lecteur interroge constamment son environnement afin de dtecter la prsence de nouveaux

arrivants. Une requte est propage rgulirement, et lorsqu'un tag entre dans le champ est capable

de rpondre, il renvoie une rponse annonant sa prsence [22].

1.9 Rgulations et normes RFID

Pour tre largement accepte, toute technologie exige une sorte de normes et de rglements

qui fournissent des lignes directrices pour la conception, la fabrication et l'utilisation de la

technologie.

12


Il existe plusieurs normes rgissant le domaine de la RFID, celles-ci ont pour objectif

dharmoniser le secteur de la RFID afin de faciliter laccs au march et daugmenter les volumes

de ventes. De plus, elles doivent garantir linteroprabilit des systmes RFID et bien sr, protger

lutilisateur des dangers que cette technologie peut ventuellement provoquer au niveau de la sant

et du respect de la libert individuelle.

ce jour, deux organisations proposent des normes pour les systmes RFID : lISO et lEPC

Global. Avant de prsenter brivement ces dernires, le paragraphe suivant expose les rgulations

auxquelles doivent satisfaire les systmes RFID.

1.9.1 Standard EPC Global

EPC Global dveloppe des standards uniquement pour les applications didentification

dobjet. Ces normes grent, en plus des spcifications techniques, la structure des donnes et donc

lallocation des numros didentification spcifiques chaque tag. En effet, cest ce dernier point

qui fait la force de linitiative EPC Global, car elle est porte par les organismes qui grent dj les

normes dutilisation des codes-barres [23].

La norme Gnration 2 dfinit les rgles de communication entre le tag et le lecteur, alors que

la norme ALE dfinit des rgles pour la collecte des donnes et le filtrage et la gestion de lecteur et

de surveillance [2].

1.9.2 Standard ISO

ISO (Organisation internationale de normalisation) est le plus grand organisme de

normalisation au monde base Genve. Cette organisation sest intresse la RFID afin de

dfinir les rgles respecter par les tiquettes destines la traabilit dobjets, et cela dans les

principales gammes de frquences [24].

Les normes ISO 18000-x pour l'identification sans contact des articles dfinissent les donnes

essentielles, pour permettre les changes entre les tags et les lecteurs.

Le Tableau suivant prsente les principales normes dveloppes par lISO qui rglementent

les paramtres de communication [24].

13


Tableau 1.1 : Normes ISO 18000 pour la standardisation des systmes RFID [24].

Rfrence Frquence concerne

Intitul Statut

18000-1 Vocabulaire et dfinitions

RFID pour la gestion dobjet- Partie 1 : Architecture de rfrence et dfinition des paramtres normaliser

Publi le 13/09/2004

18000-2


Dans le domaine industriel, un systme RFID sert relever les donnes des capteurs et

contrler les quipements industriels. Il permet galement un suivi des produits en usine, le

stockage et l'achat.

Dans le domaine de scurit, le contrle daccs est lune des applications les plus connues

de la technologie RFID : avec la RFID il ny a pas besoin dutiliser des clefs ou des cartes

magntiques. Il suffit de passer une carte daccs devant un lecteur et la porte souvre ou ne

souvre pas en fonction des droits dont dispose le porteur. [25]

1.11 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons prsent un tat de lart et le dveloppement de la technologie

didentification par radio frquence RFID UHF.

La RFID permet de recueillir des donnes automatiquement tandis que des microcontrleurs

sont en cours d'excution, ce qui rduit l'intervention humaine. Les progrs rcents dans la

fabrication de semi-conducteurs ont permis de rduire le cot de la RFID un point qu'il est

dsormais rentable d'utiliser la RFID grande chelle.

Les applications des systmes RFID sont extrmement nombreuses et senrichissent tous les

jours de nouvelles ides.

15

Chapitre 2 Etude de larchitecture dun systme RFID

Introduction

Lidentification automatique RFID se compose dun lecteur et dun tag. Ces deux

composantes communiquent entre elles travers un canal de transmission, constitu par lair, afin

de fournir une solution didentification radiofrquence sans contact physique.

Dans ce chapitre, nous allons faire une tudie dtaille dun systme RFID passif, en

prsentant les principaux blocs dun lecteur et dun tag RFID passif. Ensuite les protocoles de

communications utiliss pour ce systme.

Chapitre 2 Etude de larchitecture dun systme RFID UHF

2.1 Architecture dun systme RFID UHF

Larchitecture classique dun systme RFID, comme lillustre la figure (2.1), est constitue de

trois composants principaux :

Un tag RFID.

Un lecteur RFID.

Une base de donnes appele trs souvent middleware.

Figure 2.1 : Schma bloc dun systme RFID.

Le lecteur RFID est llment responsable de la lecture des tags radiofrquence, et de la

transmission des informations quelles contiennent (code EPC ou autre, informations dtat, cl

cryptographique) vers le niveau suivant du systme (middleware). Selon la technologique

utilise, on peut lire mais aussi crire des donnes sur le tag.

La base de donnes sert rpertorier lensemble des tiquettes du systme avec un ensemble

dinformations associes ces tiquettes. Les lments dinformations sont propres au domaine

dapplication et peuvent contenir la localisation dun tag RFID, le prix du produit porteur de

ltiquette, etc.

Le Tag RFID a pour fonction de stocker les donnes et de les communiquer au lecteur. Il est

munis d'une puce contenant les informations, et une antenne qui leurs permettent de recevoir et de

rpondre aux requtes radio mis depuis le lecteur.

Lecteur Base de donnes

Antenne du lecteur

Liaison cble

ou sans fil

Antenne

Tag

Puce

Support

18


2.1 Architecture dun lecteur RFID UHF

Le lecteur constitu dun circuit, qui met des ondes radio travers une antenne, et dun autre

circuit qui reoit et dcode les informations envoyes par le tag, et les envoie au dispositif base des

donnes [1]. La sparation des signaux mis et reus se fait laide dun circulateur. Lantenne

isotrope du lecteur qui rayonne de lnergie qui se propage dans toutes les directions pour atteindre

le tag, figure (2.2).

Figure2.2 : Schma bloc dun lecteur.

2.2.1 Lmetteur

Lmetteur du lecteur RFID envoi les requtes au tag, et il fournit un signal dalimentation

pour le tag passif.

Les donnes arrivent codes de la partie numrique, elles sont filtres en bande de base puis

modules grce une porteuse gnre par un oscillateur. Le signal modul est ensuite amplifi

avant d'tre transmis, pour fournir une puissance de sortie suffisante. Le schma bloc dune chane

dmission classique dun lecteur RFID est donn dans la figure (2.3).

Filtre Amplificateur Antenne En bande de base Modulateur de puissance Donnes Envoys Oscillateur

Figure 2.3 : Exemple de chane dmission classique.

metteur

Antenne

Rcepteur

19


2.2.2 Le rcepteur

Le rcepteur du lecteur RFID se compose de trois principaux blocs classs selon la nature des

signaux lentre :

Bloc radio frquence RF.

Bloc en bande de base.

Bloc numrique.

Figure 2.4: Schma bloc dun rcepteur.

Le bloc RF assure le traitement des signaux capts. Il se compose principalement dune

antenne assurant la dtection des signaux, un filtre passe bande permet la slection de la bande utile,

un amplificateur faible bruit amplifie les niveaux des signaux gnralement faibles et un ou

plusieurs mlangeurs permettant la dmodulation du signal qui peut se faire en une (Figure2.5) ou

plusieurs tapes.

Le bloc en bande de base assure le traitement des signaux en bande de base, il se compose

dun ou de plusieurs filtres, un amplificateur gain variable et un convertisseur analogique

numrique.

Le bloc numrique (gnralement un DSP) assure le traitement numrique du signal.

Il existe deux grandes familles des rcepteurs. La premire famille des rcepteurs est appele

rcepteurs homodynes galement connu sous la conversion directe. Le principe de la conversion

directe est de baisser la frquence intermdiaire zro permettant ainsi de consommer moins de

puissance.

Traitement RF

Traitement BB

ADC DSP

OL

Bloc radio frquence Bloc en bande de base Bloc numrique

20


La seconde famille des rcepteur est appele htrodyne conu sur le principe du mlange de

frquences, pour convertir le signal reu en une frquence intermdiaire plus basse qu'il est plus

facile d'utiliser que la frquence reue en direct.

Les lecteurs RFID UHF utilisent gnralement un rcepteur homodyne. Les rcepteurs de

conversion directe sont gnralement plus compacts et souvent moins chers que leurs homologues

htrodynes. La transmission par la conversion directe est relativement simple mettre en uvre et

est populaire dans de nombreux systmes radio [26].

Filtre Amplificateur Antenne

en bande de base Dmodulateur faible bruit

Donnes reu

Oscillateur

Figure 2.5: Exemple de chane rception classique.

Le signal reu est dabord amplifi laide dun amplificateur faible bruit (LNA pour Low

Noise Amplifier), filtr puis dmodul.

2.2.3 Le circulateur

Les circulateurs sont constitus dau moins trois ports daccs orients 120 les uns des

autres autour dun conducteur central, figure (2.6). Il fonctionne de la faon suivante : la puissance

entrant par laccs K sort totalement par laccs suivant K+1.

Figure 2.6 : Le circulateur.

Les circulateurs sont largement utiliss dans les systmes microondes tels que la sparation

des signaux dmission et de rception, le multiplexage et le dmultiplexage de canaux de

tlcommunications.

1 2

3

21


2.2.4 Emission et rception

Lmission et la rception des signaux peuvent se faire de deux faons :

Par lutilisation de deux antennes, lune ralisant lmission et lautre ralisant la rception.

Ce type darchitecture est dit bi-statique. Il demande une bonne isolation entre les deux

antennes.

Par lutilisation dune seule antenne ralisant lmission et la rception comme le montre la

figure (2.2). Ce type darchitecture est dit mono-statique. Cette architecture est souvent la

plus rencontre car elle est moins encombrante et conomique.

Malheureusement, les antennes, les circulateurs ne sont pas parfaits. Lisolation entre la voie

montante et la voie descendante nest gnralement pas suffisante, et la perturbation qui vient de

sajouter au signal reu peut limiter la sensibilit de la rception, et donc abaisser considrablement

les performances globales du systme. Ce dfaut est souvent corrig laide dun bloc de

compensation [23].

2.3 Architecture dun Tag RFID UHF passif

Le tag radiofrquence est compos dune puce contenant les informations, qui est relie une

antenne permettant de recevoir et de rpondre aux requtes radio mis depuis un lecteur. Les Tags

RFID sont de petits dispositifs, tels que des tiquettes autoadhsives, qui peuvent tre colles ou

incorpores dans des produits.

On distingue 3 catgories dtiquettes RFID :

Les tiquettes en lecture seule, non modifiables.

Les tiquettes criture une fois, lecture plusieurs fois.

Les tiquettes en lecture et critures multiple.

Un tag RFID UHF est constitu dun tage redresseur, dun dmodulateur, dun modulateur,

dun tage de mmorisation des informations transmises par le signal modulant ou des informations

stockes localement, et dune horloge. La figure (2.7) montre le schma bloc dun tag.

22


Figure 2.7: Schma bloc dun tag RFID UHF.

Le signal envoy du lecteur est reu par lantenne du tag qui va le convertir en un courant

alternatif, de ce dernier le tag va extraire la puissance et linformation. Ltiquette doit alors

interprter les donnes qui en rsultent, pouvant ncessiter lcriture dans la mmoire non volatile,

et agir sur limpdance de lantenne de telle faon moduler le signal rtrodiffus vers le lecteur.

2.3.1 Lantenne

Lantenne est un lment conducteur qui transforme une nergie lectrique en nergie de

rayonnement lectromagntique, ainsi cette dernire la traduise en courant lectrique induit.

Le choix de lantenne dun tag dpend trs troitement de lapplication vise. En effet, la

nature de lobjet identifier, sa taille ainsi que sa localisation par rapport au lecteur imposent

lutilisation dun type dantenne plutt quun autre. Par exemple, si lapplication vise exige

lidentification dun objet quelque soit sa position par rapport au lecteur, le concepteur aura tout

intrt choisir une antenne omnidirectionnelle pour le tag. Inversement, lapplication peut aussi

exiger une directivit forte de lantenne du tag, afin par exemple daugmenter la distance de lecture.

Le deuxime paramtre prendre en compte est la nature de lobjet identifier. Si cet objet

est mtallique par exemple, les antennes patchs sont prfres pour leur meilleure immunit face

linfluence du mtal.

Enfin, des critres tels que le cot de fabrication et les dimensions des antennes sont aussi

prendre en compte lors du choix de ces dernires.

En plus de ces critres directement lis aux applications vises, il faut aussi bien sr prendre

en compte les critres de performance pour choisir une antenne approprie un tag. En effet, les

fonctions de rcupration dnergie et de rtro-modulation dpendent directement de la qualit de

ladaptation entre les impdances de la puce et de lantenne. Il est donc primordial de prendre en

Redresseur

Dmodulateur

Modulateur

Horloge

Circuit logique

Antenne

23


compte les caractristiques propres de lantenne comme son impdance dentre, sa bande passante

et son diagramme de rayonnement, lors de la conception globale du systme RFID [23].

Pour finir, prcisons que pour plus de 80% des tags RFID UHF raliss aujourdhui les

antennes utilises sont des antennes du type diple ou diple modifi. Ce type dantenne prsente

lavantage dtre simple raliser tout en garantissant des performances acceptables pour le

fonctionnement gnral des systmes RFID et cela, pour la grande majorit des applications vises

aujourdhui [23].

2.3.2 Le bloc de redressement

La fonction de rcupration de lnergie est gnralement assure par un redresseur cest

llment le plus important dans le tag RFID passif. Il doit fournir la tension continue ncessaire

avec un maximum defficacit possible, cest cette tension qui permet lalimentation du tag [27].

La tension est redresse par une diode qui permet au courant de circuler dans une direction,

le signal rsultant est liss laide dun condensateur de stockage pour crer une tension plus ou

moins constante assurant lalimentation de la puce durant la phase de rtro-modulation.

Figure 2.8: Circuit redresseur.

Considrant que la capacit est initialement dcharge. Nous avons remplac le circuit

logique par une rsistance. On pose Vd : la tension seuil de la diode, et Vcc : la tension crte du

signal reu.

Dans la premire phase, lorsque la tension sur lentre de lantenne Vin sera au niveau

+VccVd, la diode fonctionne comme un interrupteur ferm. Une tension (Vcc-Vd) redress en

simple alternance apparat aux bornes du condensateur et de la rsistance. Pendant ce temps la

capacit C va se charger.

VIN

24


Dans la seconde phase, la tension sur lentre de lantenne Vin sera VCC Vd ce qui

empche le passage du courant dans la diode. Le condensateur se dcharge travers la rsistance,

avec un temps de dcharge gale au produit des valeurs RC, Le condensateur joue ainsi le rle d'un

rservoir d'nergie qui restitue la rsistance durant la demi-priode pendant laquelle le redresseur ne

conduit pas. Si ce temps est long par rapport au temps du signal RF, la tension dalimentation est

peu prs constante pendant le temps du signal RF.

Toutefois, il faut fournir une tension optimale provenant de la tension RF disponibles

lantenne pour un fonctionnement complet du circuit logique. La tension de sortie du redresseur

nest pas la tension de crte de lentre, mais la diffrence entre la tension crte de lentre Vcc et la

tension dallumage de la diode Vd.

Le circuit logique doit disposer dune tension suprieure 1V pour pouvoir fonctionner. Une

approche trs frquente pour obtenir des tensions plus leves partir dun redresseur est

lutilisation dun doubleur.

Souvent, le redresseur est suivi dun rgulateur ou dun limiteur de tension afin de stabiliser la

tension et de protger la puce des risques de surtension.

Pour viter des tensions trop importantes sur lalimentation ou sur les bornes de lantenne,

une limitation de la tension des antennes est assure. Si le niveau de tension sur lantenne est trop

important, les bornes de celle-ci seront partiellement mises la masse afin de limiter les niveaux de

tension.

2.3.3 Le bloc de dmodulation

La dmodulation consiste rcuprer le signal informatif modulant qui est contenu dans la

partie suprieure (ou infrieure) de lenveloppe du signal modul. Gnralement, la dmodulation

damplitude est ralise par un dtecteur denveloppe qui prsente lavantage dtre trs simple.

Le schma de base du dtecteur denveloppe est dcrit par la figure (2.9). Le principe consiste

utiliser une diode pour bloquer la partie ngative du signal modul en amplitude. Le filtre RC

limine la porteuse et sa constante de temps doit tre judicieusement choisie.

La sortie du circuit sera une tension dont les variations suivent lenveloppe de la tension

dentre.

25


Figure 2.9: Dtecteur denveloppement.

2.3.4 Circuit logique (mmoire)

La taille de la mmoire des tags RFID est gnralement de quelques octets plusieurs

kilooctets. Les mmoires peuvent tre en lecture seule, mais aussi en lecture/criture.

Dans les systmes trs simples, les donnes du tag et le numro de srie sont crites sur la

puce lors de la fabrication et ne peuvent pas tre modifies. A linverse, dans les systmes plus

complexes, le lecteur peut crire des donnes sur le tag.

On utilise principalement trois types de mmoire : Les EEPROMs (Electrically Erasable

Programmable Read-Only Memory), les FRAMs (Ferromagnetic Random Access Memory) et les

SRAMs (Static Random Access Memory).

2.3.5 Le bloc de modulation

Lorsque le lecteur fournit une porteuse non module au tag pour assurer un support physique

la communication de retour, elle laisse ce dernier agir totalement sa guise selon son propre mode

de fonctionnement.

Pour la RFID UHF la fonction de rtro-modulation est assure par un systme de modulation

de la charge lentre de lantenne. Cette dernire est commande par la partie numrique du tag.

La modulation de charge entraine une variation du coefficient de rflexion au niveau de linterface

entre lantenne du tag et la puce. En dautres termes, elle consiste en une variation de limpdance

dentre de la puce. Il est possible de faire varier la partie relle et/ou la partie imaginaire de cette

impdance. Ainsi, en fonction du signal binaire qui commande la modulation de charge et en

fonction du type de modulation, le signal incident est plus ou moins rflchi comme indiqu sur la

figure (2.10). Sur cette figure, limpdance Zt reprsente une charge adapte limpdance de

lantenne.

Entre radio frquence Sortie

Dmodule

26


Figure 2.10: Rflexion de londe incidente grce la technique de modulation de charge.

La qualit de la modulation dpend de la facilit avec laquelle on peut diffrencier les deux

tats binaires, lors de la dmodulation. Pour une modulation de type ASK, cela consiste avoir une

diffrence damplitude maximal entre ltat haut et ltat bas. On lobtient, lorsque lon passe de

ladaptation et la dsadaptation de lantenne. Cependant la dsadaptation de lantenne implique une

rflexion totale de londe incidente, donc la rcupration dnergie devient impossible. Cest

pourquoi lindice de modulation est pris de manire raliser un compromis entre la rcupration

de lnergie et la qualit de la transmission de donnes.

En ce qui concerne la modulation PSK, la qualit de la modulation dpend du dphasage que

lon peut obtenir. Cette technique prsente lavantage de pouvoir procurer la mme quantit

dnergie au tag, quelque soit ltat binaire du signal modulant. Ce type de modulation prsente

lavantage dtre mieux immunis par rapport au bruit. Cependant, elle est plus difficile dtecter

et entrane donc un cot plus important au niveau du lecteur.

2.4 Modes de dispersion donde

On dfinit habituellement trois modes de dispersions (scattering) :

Le mode mono-statique ou de backscattering, le mode direct ou scattering et le mode bi-

statique.

La grande majorit des applications RFID en UHF fonctionnent en rsonance range, cela

est du fait que les dimensions des antennes des tags seront de lordre de grandeur des longueurs

dondes utilises, et en mode mono-statique dit de backscattering.

27


2.4.1 Principe de rtrodiffusion backscattering :

Londe incidente induit des charges lectriques dans le tag, il se produit alors des circulations

de courants lectriques lintrieur du tag, qui vont produire des puissances que ce dernier va

(re)rayonner, semblant ainsi rflchir une partie de londe incidente.

La puissance rflchie par le tag peut tre reue et dtecte par lantenne de rception du

lecteur pouvant servir ainsi concrtement de signal informant la prsence ou non dun tag dans le

champ lectromagntique.

De plus, pendant son illumination, que le tag tl-alimenter, pourvu quil ait t duqu pour

rpondre dune manire prcise par lintermdiaire dune modulation spcifique de communication

baptis sur backscattering modulation [24].

2.5 Protocole de communication

Tous les moyens de communication ncessitent un protocole: un accord sur la manire dont

les informations seront changes. La communication consiste en un transfert de donnes associ

un transfert dnergie. La communication des donnes est bidirectionnelle entre le lecteur et le tag :

la communication du lecteur vers le tag est appele liaison montante et la rponse du tag vers le

lecteur est appele liaison descendant.

Figure 2.11: Reprsentation dune communication RFID.

Il existe de diffrents modes de transfert dnergie du lecteur vers le tag afin dassurer sa

tl-alimentation, cela consiste fournir de lnergie lectrique ncessaire pour alimenter la puce

contenue par le tag.

2.5.1 Transfert dnergie non simultan

Dans une premire phase londe RF se propageant du lecteur vers le tag na pour but unique

que de fournir de lnergie au tag de faon charger la capacit dalimentation prsente son

bord afin que celle-ci puisse tre capable dalimenter lensemble du tag pour assurer son bon

fonctionnement.

Lecteur Tag

Energie

Liaison montante

Liaison descendante

28


Aprs cette phase dalimentation, le tag est prt recevoir des ordres de requte provenant du

lecteur et de retourner des informations vers celui-ci puis le cycle recommence, mais ceci prend du

temps et manque parfois de souplesse [24].

Tableau 2.1: Mode de transfert dnergie non simultan.

Squence

Transfert dnergie

Liaison montante

Liaison descendante

2.5.2 Transfert dnergie simultan

Londe provenant du lecteur est capable pendant la phase de lchange du lecteur vers le tag,

dassurer simultanment la fourniture de lnergie et lchange des donnes.

Certains systmes y associent un transfert de donnes dit full duplex (souvent not FDX),

dans ce mode dchange de donnes lors des liaisons montantes et descendantes seffectuent

simultanment.

Dautres part un transfert dit half duplex (souvent not HDX) correspond un mode

altern de communication dans lequel les liaisons de donnes montantes et descendantes ne sont

pas simultanes, et par consquent dans lequel les messages montants et descendants ne peuvent pas

se percuter.

Tableau 2.2: Mode de transfert dnergie simultan.

FDX : Full duplex

Transfert dnergie

Liaison montante

Liaison descendante

HDX : Half duplex

Transfert dnergie

Liaison montante

Liaison descendante

29


Dans les dispositifs RFID en place ce jour, le mode dchange de donnes le plus

couramment employ est le mode half duplex , ce qui signifie que le lecteur et le tag

communiquent entre eux alternativement, par tranches de temps, et non pas simultanment.

Dans le cas dune procdure HDX, le protocole de communication entre le lecteur et le tag est

gnralement compos de trois phases temporelles :

Phase de rveil du tag : le lecteur envoi une onde lectromagntique non module vers le tag

pour lui permettre de rcuprer lnergie ncessaire son fonctionnement et de se mettre

dans un tat dattente des instructions venir du lecteur.

Phase dinstruction : le lecteur envoi un message au tag, cest une transmission numrique

sur porteuse qui assure cette communication, paralllement lenvoi des instructions, le

lecteur doit continuer assurer lalimentation du tag. Les normes cites dans le chapitre 1

proposent plusieurs protocoles de communication optimiss selon les types dapplication

[28].

Phase de lecture : le lecteur reoit la rponse du tag. Ce dernier, aprs rception des

instructions du lecteur, se met en mode rtro-modulation pour rpondre ces instructions.

Ainsi, le tag se fait comprendre en rflchissant plus ou moins londe incidente.

2.6 Les modulations utilises dans le systme RFID

En tlcommunications, le signal transportant une information doit passer par un moyen de

transmission entre un metteur et un rcepteur. Le signal est rarement adapt la transmission

directe par le canal de communication choisi, hertzien, filaire, ou optique.

La modulation peut tre dfinie comme le processus par lequel le signal est transform de sa forme

originale en une forme adapte au canal de transmission.

2.6.1 Modulation du lecteur vers le tag

Le lecteur interroge le tag et reoit des informations provenant du celui-ci. Lors de la phase

dmission, la porteuse est module et le spectre rayonn dpend du type de codage bit, du dbit

binaire, de la bande passante du signal modulant en bande de base, du type de modulation, des

techniques dtalement de spectre utilises, etc., et le tout devra tre conforme aux normes et

rgulations en vigueur [24].

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Il est possible dutiliser de trs nombreux types de modulation de porteuse afin de transmettre

un flot binaire, citons par exemple :

Modulation damplitude ASK (Amplitude Shift Keying);

Modulation de frquence FSK (Frequency Shift Keying);

Modulation de phase PSK (Phase Shift Keying).

La plupart des applications RFID utilisent la modulation de porteuse de type ASK, vu quelle

reprsente un bon compromis entre la simplicit des circuits de dtection du ct du tag.

Un tag RFID passive a besoin de lnergie obtenue partir du lecteur afin de fonctionner son

circuit, si ce courant est interrompu, le tag peut ne pas fonctionner. Cest pour cela un codage doit

tre choisi afin dassurer le transport de lnergie les plus efficients possibles.

Les codages les plus utiliss durant la modulation du lecteur vers le tag sont : NRZ (No

Return to Zero), Codage Pulse Interval Encoding (PIE) et RZ (Return to Zero).

2.6.2 Modulation du tag vers le lecteur

Pendant la phase de communication du tag vers le lecteur, on est en prsence dune

modulation dimpdance dantenne effectue par le circuit intgr du tag selon un codage bit

particulier et entrane le re-rayonnement de londe [24].

2.6.3 Normes et rgulations

Ds que lon met une onde radiolectrique, il est ncessaire de se plier aux exigences des

lgislations, rgulations et normes concernant les perturbations que cela peut engendrer. Celles-ci

touchent Le niveau de puissance rayonne selon les bandes de frquences dans lesquelles elles sont

produites et dpendent fortement des pays o elles sont appliques. Il en est de mme en ce qui

concerne les normes et les limites des niveaux radiolectriques se rapportant la scurit et la

sant des individus [24].

2.7 Principe de communication entre le lecteur et le tag UHF

Le modle de communication selon lequel fonctionnent les systmes RFID normaliss utiliss

en UHF rside dans le principe RTF Reader Talk First , et en mode half duplex (liaison

alternative entre le lecteur et le tag). Le tag porte les donnes, alors que le lecteur interroge le tag et

rcupre ces donnes. L'interface, pour n'importe quelle application, entre l'utilisateur et le lecteur

dun systme RFID est fournie par la base de donnes.

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2.7.1 Phase de liaison montante Communication du lecteur vers le tag

Pendant la premire phase du half duplex le lecteur met la frquence porteuse pour tl-

alimenter le tag. Simultanment, pendant cette phase de fonctionnement, la porteuse est module

par exemple en ASK afin dassurer la transmission des requte au tag. Le lecteur fournit au tag

l'alimentation ncessaire son activation vu quil ne possde pas dalimentation.

Le tag illumin par londe lectromagntique incidente, peut selon ltat de son adaptation

dimpdances antenne/charge, soit absorber, soit re-rayonner une partie de la puissance quil reoit.

Pour les tags passifs, pendant cette phase on fait en sorte que celui-ci absorbe le maximum de

puissance possible, afin de raliser la meilleure tl-alimentation possible et donc dobtenir une

distance de fonctionnement la plus importante possible. Il nempche que durant cette phase, le tag

re-rayonnera une partie de londe incidente.

Les requtes sont dtectes au niveau du tag par le dmodulateur et analyses par un circuit

numrique. La rtrodiffusion des donnes peut tre ralise lorsque le modulateur commute

l'impdance du tag entre deux tats (en fermant le circuit du modulateur).

En rsum, pendant la liaison montante :

Assurer le transport de lnergie vers le tag afin que celui-ci puisse assurer la tche qui lui

incombe.

De servir de support lenvoi de donnes du lecteur vers le tag.

Assurer la prsence dun support physique la communication du tag vers le lecteur pour la

liaison descendante.

Une adaptation dimpdance dantenne et de la charge.

2.7.2 Phase de liaison descendante Communication du tag vers le lecteur

Pendant la seconde phase du half duplex , le lecteur met alors une porteuse non module

afin dassurer un support physique la rponse du tag faisant suite aux commandes dinterrogations

prcdentes, et de lui procurer de lnergie pour l'activation des circuits internes du tag.

Le principe utilis pour effectuer celle-ci est base sur la modulation dune partie rflchie de

londe incidente quil reoit du lecteur. Ce mcanisme de fonctionnement est connu sous le nom de

backscattering . Pour cela :

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Le tag a besoin d'une nergie de rtrodiffusion suffisante pour satisfaire la sensibilit du

lecteur.

Le circuit logique interne du tag procde, au rythme des donnes transmettre vers le

lecteur, la modulation de la valeur de limpdance de charge de lantenne.

Cela a pour effet de dsaccorder lantenne de rception du tag et donc de changer la valeur

de son impdance au rythme binaire des donnes transmettre.

Du fait de ce dsaccord, une partie de londe incidente, au lieu dtre absorbe par le tag,

elle est rflchie. Le tag fait donc varier la puissance de londe rflchie vers le lecteur.

Le signal de retour backscattering , est constitu dune partie de londe incidente

module du la variation du rythme des donnes que souhaite transmettre le tag.

2.8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons tudi les diffrents blocs dun systme RFID, nous avons

reprsent les blocs constituant un lecteur RFID UHF, ainsi que les blocs constituant un tag RFID

UHF passif, d'o nous avons vu le protocole de communication et les modulations utilises pour un

systme RFID passif.

A la fin le principe de communication entre le lecteur RFID UHF et le tag RFID UHF passif

a t tabli.

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Chapitre 3

Introduction

Lobjectif de ce chapitre est de concevoir la partie RF dun tag RFID passif quil doit

fonctionner la frquence 900MHz pour la norme ISO 18000-6c.

Pour cela, nous allons concevoir et simuler une antenne du tag RFID fonctionnant 900MHz ou

nous allons utiliser le logiciel CST Microwave Studio. Ensuite nous allons raliser un modulateur ASK

qui modlise le lecteur RFID en utilisant le logiciel ADS. Puis nous allons passer la conception et la

simulation des circuits RF dun tag RFID passif la frquence 900MHz en utilisant le logiciel ADS.

Le logiciel CST Microwave studio (Computer Simulation Technology), est un logiciel qui

permet de faire les simulations lectromagntique.

Le logiciel dAgilent ADS (Advanced Design System de Agilent), est ddi la simulation des

circuits et des systmes hyperfrquences. Cet outil performant est largement utilis dans lindustrie et

dans les laboratoires de recherche.

Chapitre 3 Conception dun tag RFID 900MHz

3.1 Les antennes pour les tags RFID passifs

La communication entre le lecteur et le tag seffectue travers les antennes qui quipent lun

et lautre, ces lments tant responsables du rayonnement radiofrquence. En gnral lantenne des

tags RFID doit tre compacte, lgre, et de simple structure, facile lusinage et avec un faible cout

si elle est destin pour les applications grand public.

Les antennes planaires sont les plus convenables pour les tags RFID, et parmi les plus

rpandus on trouve les antennes diples et les antennes patchs.

3.1.1 Lantenne diple planaire

Le diple planaire est une antenne compose de deux branches conductrices carts en

directions opposs, imprims sur un substrat dilectrique ce qui fait une antenne monocouche,

figure (3.3). Elle a une longueur totale dune demi-longueur donde mais peut tre rduits en

utilisant des techniques de miniaturisation. Lalimentation de lantenne est place entre les deux

branches.

3.1.2 Lantenne fentes

Les antennes fente imprimes contiennent une fente, thoriquement de nimporte quelle

forme, dans le plan de masse, reli au substrat, ce sont des antennes monocouche. Elles sont moins

apprcies que les antennes de type diple pour leur grande quantit de matire conductrice.

Figure 3.1: Exemple dune antenne fente.

3.1.3 Lantenne patch

Lantenne planaire ou patch (en anglais) est une antenne plane dont l'lment rayonnant est

une surface conductrice gnralement carre, spare d'un plan rflecteur conducteur (plan de

masse) par une lame dilectrique appele substrat.

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Lantenne patch est plus directive que les diples, mais elle prend une surface considrable,

en plus elle est en deux couches.

Figure 3.2: Une antenne patch lment rectangulaire.

3.2 Conception et simulation dune antenne diple 900MHz

Dans cette partie nous allons concevoir une antenne diple planaire pour les applications tag

RFID fonctionnant la frquence 900MHz.

Pour cela on commence par le calcul de la longueur de lantenne :

Nous avons la relation entre la frquence et la longueur donde dans le vide:

0

= 0

. . . . . (3.1) Pour : f0= 900MHz on trouve 0=33cm

La permittivit effective peut tre calcule avec lexpression suivante [29] :

= 1 + 12 1 1 + ( ) (3.2) Avec w cest la largeur dun brin micro ruban et h lpaisseur du substrat.

La longueur de lantenne elle scrit :

= 02 . . . (3.3) Le substrat utilis pour ce calcul est le RO4360 (voir Annexe 1), ayant une permittivit

relative de 6.15.

Pour w=1mm et h=1.524mm, on obtient = 2.66 et = 10.11 .

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3.2.1 Simulation de lantenne diple calcule

Aprs avoir calcul la dimension de lantenne, nous allons faire la simulation avec le logiciel

CST Microwave studio. La figure ci-dessous est une illustration de lantenne modlise laide du

logiciel CST.

Figure 3.3 : Lantenne diple sur CST Microwave Studio.

Aprs une premire simulation nous avons remarqu que la frquence de rsonance de

lantenne nest pas sur 900MHz. Donc nous avons modifi la longueur de lantenne qui donne

L=14.1cm.

3.2.2 Rsultat de simulation de S11 de lantenne diple

Figure 3.4 : Simulation du S11de lantenne diple.

Le paramtre S11 reprsente le coefficient de rflexion lentre de l'antenne, si S11 = 0 dB

la frquence de rsonance, alors toute la puissance est rflchie par l'antenne et rien n'est rayonne,

le paramtre S11 doit tre in

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Etude Et Simulation d’Un Système RFID