Simple Communication System And RFID Application Speaker ：龔至宏 (Chih-Hung Kung) (Chinese-traditional edition) Intelligent Mechatronics Assistive Devices

Simple Communication System

And RFID Application

Speaker ：龔至宏 (Chih-Hung Kung)

(Chinese-traditional edition)

Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室

通訊在現今中擁有三種重要特性 :○普遍性

○實用性

○必要性

1

為什麼要報告通訊 (Communication)相關內容 ????

輔具工程或醫學工程中許多地方都需要使用到通訊的技術或構想 ( 如訊號處理、系統控制、語音辨識等…… )


什麼是通訊 ?將訊息由某 A 傳到另一某 B 的過程。

什麼是電信 ?用電氣轉換方式藉由網路達成通訊的方式。

通訊 ?? 電信 ??

2Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室

一個基本的通訊架構與流程

原始信號

S(t)

調變

Modulation

高頻載波訊號

S1(t)發射器

雜訊

noise

發射訊號解調變

Demodulation

分離出高頻載波訊

號

S1(t)

原始信號

S(t)

接收器

還原傳輸通道


① 類比訊號 (Analog Signal)② 數位訊號 (Digital Signal)

Analog Signal

Digital Signal

一個連續性狀態變化波形

一個離散性狀態變化波形 (0-1兩種變化 )

( 電腦或數位系統計算使用的數據資訊來源 )

信號的種類


Modulation：將原始信號藉由更適合的傳輸介質來做傳輸，以提高傳輸效率與傳輸距離的方式。

( 傳輸介質通常為一個高頻訊號其頻率 >>原始信號頻率 )

Demodulation：將調變後的訊號解出還原原始信號的過程。

原始信號s(t)

高頻載波信號傳送

調變 (Modulation) 與解調變 (Demodulation)


什麼是頻譜 ? 為什麼要看頻譜 ?

頻譜是用以分析所發出的電磁波在不同波長 ( 或頻率 )的強度與特性的分佈。要了解一個信號的特性就要知道信號波形的頻譜分布情形。

分析特性WHY??

頻譜 (Spectrum)

轉換10月份台北車

站旅客穿著顏

色統計


上圖：示波器原始信號s(t)

下圖：頻譜分析儀的頻譜圖800MHZ信號模擬 ( 含不知名雜訊 )

頻譜 (Spectrum)


Fourier：任何複雜的波都可以簡化為多個正弦波的和

時變週期函數－傅立葉級數 (Fourier Series) 時變非週期函數－傅立葉轉換 (Fourier Transform)

任何複雜

信號源 + + +….

通訊系統中如何將時域 (Time Domain)

轉成頻域 (Frequency Domain)?

F


Fourier Series－用於週期性函數而言

Fourier Transform－用於非週期函數而言

tt)dfnsin(2s(t)T2Bn

t)dtfncos(2s(t)T2An

dts(t)T1A

T1f

1nt)fnsin(2Bn t)fncos(2An s(t)

02T

2T-0

02T

2T-0

2T

2T-0

0

00

000

0

0

0

0

0

0

基本頻率

dt- e ftj2-s(t)S(f)s(t)F

t)fcos(2Ams(t) 0


實際以一個週期性方波來看 Fourier轉頻譜

s(t)2ft20 12ft2 0

tt)dfnsin(2s(t)T2Bn

t)dtfncos(2s(t)T2An

dts(t)T1A

T1f

1nt)fnsin(2Bn t)fncos(2An s(t)

02T

2T-0

02T

2T-0

2T

2T-0

0

00

000

0

0

0

0

0

0

基本頻率


.........t)7fsin(27

1

t)5fsin(25

1t)3fsin(23

1t)fsin(22

2

1s(t)

even is-n ----- 0odd isn -----2/n

0

000

000

000

0

000

0

0 )dsin(n1 1

/2T/2T- t)dtnfsin(2s(t)

T2Bn

0dt/2T/2T- t)nfcos(2s(t)

T2An

21

ft2Let d20 )s(

21

0)dcos(n1 1

dt /2T/2T- s(t)

T1A

則


0 0 0

0

1 1sin(2 f t) sin(2 3f t) sin(2 5f t)

1 2 3 5s(t)12 sin(2 7f t) .........7

則


常見的各種調變技術

飛鴿傳書中一定要使用鴿子來載送嗎 ??

13

Analog Modulation： AM(調幅 ) 、 FM( 調頻 )

Digital Modulation： ASK(振幅鍵移 )

PSK(相位鍵移 )

FSK(頻率鍵移 )


AM (Amplitude Modulation )振幅調變

原始信號 s(t)

載波信號 sc(t)

AM調變訊號

藍色的是原始信號

類比信號調變


FM (Frequency Modulation )頻率調變

FM調變上圖 : 原始信號 S(t)

上圖 : 載波訊號 Sc(t)

類比信號調變


ASK振幅鍵移 (Amplitude Shift Keying)

ASK

調變

數位信號調變


PSK相位鍵移 (Phase Shift Keying)

利用載波的相位來表示數位信號的 0 與 1

數位信號調變


FSK頻率鍵移 (Frequency Shift Keying)

FSK 調變

數位信號調變


數位通訊相較於類比通訊的優點 :1.抗干擾能力強，採用再生中繼消除雜訊累積2.便於加密處理3.設備便於整合化及小型化4.便於和電腦連接5.適應各種通信業務，便於構成整合服務數位網路 (ISDN)

類比通訊與數位通訊的特點比較


類比通訊與數位通訊的特點比較數位通訊相較於類比通訊的缺點 :數位通信的許多優點都是用比類比通信佔據更寬的系統頻寬而換得的。( 傳統電話頻寬 (BW)4KHz ，數位電話 BW卻要 64KHz)

頻寬只需 4KHz 頻寬需 64KHz


分頻多工存取 FDMA(Frequency-Division Multiple Access)

分時多工存取 TDMA(Time-Division Multiple Access )

多重存取技術 (Multiple-Access Technology)


分頻多工存取 FDMA

將不同的頻率波道分給不同用戶使用戶能在同一時間也能連續使用。



分時多工存取 TDMA 在同一頻道中，將時間切分成許多小段，提供各個不同用戶使用。



回顧 : 一個理想的通訊架構

原始信號s(t)

調變Modulati

on

高頻載波fc>>f

頻譜分析發射端 1

類比信號

數位訊號

類比 : AM FM

數位 : ASK FSK PSK

週期訊號： Fourier Series

非週期 :Fourier Transform

發射端1

發射端2

發射端N多重存取技術 TDMA FDMA

分離

解調變Demodulation

高頻載波fc>>f

原始信號s(t)

接收端 A


RFID Application

我在手臂植入了一針 RFID 晶片


磁卡 ????RFID Card

磁條式卡片

磁條式 + 晶片辨識

RFID Card

您知道您的皮包裡眾多卡片的真正名稱嗎 ???


無線射頻辨識技術(Radio Frequency Identification簡稱RFID)

優點 :1.卡片內建晶片 (RFIC) ，非接觸式資料讀取，且卡片不需內建電源。

2.保密性高，體積小，應用層面效率高。3.成本低廉，後續市場發展看好( 全面性取代多種辨識功能) 。

RFID Card

What is RFID??


RFID 卡片端 (Tag)

RFID 讀取器 Reader

RFID的組成


http://tw.wrs.yahoo.com/_ylt=A8tUxxzCb0BFe1AAbOZt1gt./SIG=1ef390smt/EXP=1161937218/**http%3A//tw.search.yahoo.com/search/images/view%3Fback=http%253A%252F%252Ftw.search.yahoo.com%252Fsearch%252Fimages%253Fp%253DRFID%2526ei%253DUTF-8%2526fr%253Dfp-tab-img-t%2526x%253Dwrt%26w=225%26h=225%26imgurl=www.hardware.no%252Fnyheter%252Fimages%252Frfid_brikke.jpg%26rurl=http%253A%252F%252Fwww.hardware.no%252Fartikkel%252F7583%26size=11.2kB%26name=rfid_brikke.jpg%26p=RFID%26type=jpeg%26no=9%26tt=154,302%26oid=53ab3a15d6ded448%26ei=UTF-8

RFID System概觀

讀取機 Reader

發送高頻電磁載波

( 通常不帶有資料 )

回傳卡片內資料

( 調變與編碼過 )

RFID 卡片端 (Tag)


RFID主體系統動作細節 ( 讀取機發射能量載波 )

高頻載波產生器放大載波提高功率

環型電感天線 A

發射高頻電磁載波RFID Tag

卡片端讀取機Reader

置放於捷運閘口的讀取機


整流濾波產生驅動直流電源

記憶體與 MPU

( 微型處理器 )

數位調變 (ASK.PSK…..)

RFID Tag

RFIC 射頻晶片

Tag 上的環型電感接收天線 A

Tag 上的環型

電感發射天線 B

讀取機Reader

RFID主體系統動作細節 ( 卡片動作回傳資料 )

在天線上感應諧振後產生應電勢

射頻晶片

Chip

產生電源驅動


高頻載波產生器放大載波提高功率

Reader 讀取機處理運算器

(MUP)

環型電感天線 A

發射高頻電磁載波RFID Tag

卡片端放大、解調變、

還原資料的信號處理

後

續

控

制

環型電感天線 B

讀取機Reader

RFID主體系統動作細節 ( 讀取機接收資料處理 )


實體『悠遊卡』內部構造

電感螺旋天線

RFIC 射頻晶片

螺旋電感天線RFIC 射頻晶片


RFIC?? What is IC?? What Is Chip??

RFID上的 Chip

將 Chip經過打線後再用樹酯或陶瓷封裝就變成 IC

晶片廠生產的晶圓


RFIC核心構造 ??

電感螺旋天線

Chip

和砂礫一樣小搭配適當的感測器放入人體或人工關節讀取資料是有可行性的

Chip 放大


RFID 應用於金融卡、個人證件資料夠安全嗎 ?

容許辨識條件一：頻率容許辨識條件二：至少 70幾位元的加密的數位資料

01110101010101010101010101010101111101010111110101011111111111110101010101010101 <= 最爛的 RFID 資料位元數

不易破解!!!!

RFID資料安全性問題 ??????


過去曾經完成的作品之一讀取機發射天線

讀取機接收天線

高頻載波震盪部份RS232 輸出

微處理器MPU

Tag 接收天線

Tag 發射天線

微處理器與

信號處理部份


38

常用 RFID的頻率與特性135KHz-最能在障礙物中穿梭

13.56MHz-表現平衡性最佳

2.45GHz-最容易被製成小型 RFID

UHF頻帶 (860MHz-960MHz)- 通訊距離長

受水分或金屬影響

厚度 ( 薄 )

受干擾程度( 少 )

天線設計容易與否

RFID 尺寸( 小 )

通訊距離


通訊距離受干擾程度( 少 )


RFID 尺寸( 小 )

厚度 ( 薄 )

厚度 ( 薄 )




RFID 尺寸( 小 )



RFID 尺寸( 小 )


厚度 ( 薄 )


參考文獻或資料 :1. 藍國桐，通訊原理與應用，全華科技圖書 2005.3

2.Simon Hayhin ，” communication system 4th Edition” ， Wiley

3.SystemView By ELANIX 使用入門4.C.K.Harmon ，” Standardization and Communication of RFID” ，

RFID Committee,25 Jan 2000.

5.M Reymolds ，” The Physics Of RFID” ， ThingMagic LCC.

6. 黃智裕，凌菁偉，微帶天線設計 - 使用 IE3D ，全華圖書有限公司 2003

7. 邱健榮，無線射頻辨識系統之十六位元答詢機晶片設計，碩士論文，中華大學， 2004.7


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