SNT Übung 1

ZHW, NTM, 2007, Rur
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Übung 18: RFID
Aufgabe 1 Lastmodulation.
Bei den induktiven RFID-Systemen (z.B. ISO 15693) wird im Uplink meistens Lastmodulation mit Hilfsträger verwendet. In der folgenden Abbildung ist ein Modell für den
Lastmodulator sowie die (ASK-) Datenmodulation im Transponder dargestellt.
Energie, Takt fc
Transponder
Lastmodulation (ASK, m<<1)
ASK
binäre Daten
(Manchester
kodiert, R=fc/512)
Reader
y(t)
u(t)
x(t)
Hilfsträger
rechteckförmig
fH = fc / 32
-m
(0<m<<1)
1
Träger
fc = 13.56 MHz
a) Skizzieren Sie eine Bitperiode im Basisband (Signal u(t)) und nach der ASK-Modulation
mit dem Hilfsträger (Signal y(t)), wenn eine „0“ bzw. „1“ übertragen wird.
b) Skizzieren Sie den Spannungs- bzw. Signalverlauf y(t) „über“ der Reader-Spule.
c) Skizzieren Sie die Betragsspektren IU(f)I, IX(f)I und IY(f)I.
d) Beschreiben Sie mit Worten, wie der Reader die Transponder-Daten demodulieren kann.
e) Kennen Sie ein anderes Nachrichtensystem, wo ein Hilfsträger eingesetzt wird.
Aufgabe 2 Kurzfragen.
a) Wenn induktive RFID-Transponder sich in der Nähe von Metalloberflächen befinden oder
wenn sie sogar in Metalloberflächen eingebaut werden (z.B. Gasflaschenidentifikation),
kann es Probleme geben. Machen Sie einen guten Vorschlag zur Bauform.
b) Sie müssen ein RFID-System in einem Umfeld mit Nässe oder Wasser einsetzen. Für
welchen Frequenzbereich (<135 kHz, 13.56 MHz oder 868 MHz) entscheiden Sie sich
und warum?
c) Ein RFID-Reader arbeitet bei 868 MHz und hat eine Sendeleistung von PR = 1 W.
Die Reader-Antenne hat einen Gewinn von GR = 3 dBi. Die Transponder-Antennen
haben einen Gewinn von GT = 1 dBi. Die Transponder brauchen eine minimale
Empfangsleistung von PT = 100 μW, um die „Ansprechschwelle“ zu überwinden.
Erstellen Sie ein Linkbudget. Bestimmen Sie die maximale Reader-Transponder-Distanz.
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Aufgabe 3 Spektrum für UHF-RFID-Anwendungen.
In Europa ist für UHF-RFID-Anwendungen der Frequenzbereich 865-868 MHz vorgesehen, wobei im Bereich 865.6 - 867.6 MHz eine maximale Sendeleistung von 2 W ERP
erlaubt ist.
In den USA ist für UHF-RFID-Anwendungen der Frequenzbereich 902-928 MHz vorgesehen, wobei unter Einhaltung von gewissen Randbedingungen eine maximale Sendeleistung von 4 W EIRP erlaubt ist.
a) Wie viele Prozente mehr Sendeleistung für UHF-RFID-Anwendungen sind in den USA
im Vergleich zu Europa erlaubt?
Hinweise:
Eine als EIRP (effective isotropic radiated power) gekennzeichnete Leistungsangabe
drückt aus, mit welcher Sendeleistung ein Kugelstrahler gespeist werden müsste, um
eine definierte Strahlungsleistung zu erzeugen.
Eine Antenne mit Gewinn G darf deshalb nur mit einer um den Faktor G geringeren
Sendeleistung P = PEIRP / G gespeist werden, um einen vorgegebenen PEIRP-Grenzwert
nicht zu überschreiten.
Eine als ERP (effective radiated power) gekennzeichnete Leistungsangabe drückt aus,
mit welcher Sendeleistung ein Dipol (Gewinn G = 2.15 dBi) gespeist werden müsste, um
eine definierte Strahlungsleistung zu erzeugen.
b) Warum kann man in Europa nicht das gleiche Frequenzband wie in den USA für UHFRFID-Anwendungen verwenden?
c) Welchen Frequenzbereich bezeichnet man mit „UHF“?
d) Warum braucht es eigentlich die oben erwähnten UHF-Bänder, wenn das 2.4 GHz ISMBand doch weltweit verfügbar ist?
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Musterlösung
Aufgabe 1
a) Die Datenrate R = 13.56 MHz / 512 = 26.48 kb/s.
Die Bitdauer Tb = 1 / R = 512 / 13.56 μs = 37.76 μs.
Binäre Manchester-Codierung:
u(t)
logisch 0
u(t)
logisch 1
1
t
t
Tb/2
Tb
Tb
Tb/2
Das Bit-Coding auf dem Hilfsträger (Signal x(t)) ist im Standard ISO 15693-2:2000(E),
Kapitel 8.4.1, Seite 9 dargestellt.
Eine logische 0 startet mit 8 Rechteck-Pulsen der Frequenz fH = 13.56 MHz / 32 bzw.
423.75 kHz (Dauer Tb/2 =18.88 μs) gefolgt von einer halben Bitperiode ohne Modulation
(Dauer Tb/2 =18.88 μs).
logisch 0
x(t)
t
TH = 32 / fc
Tb/2 = 256 / fc
Tb
Eine logische 1 startet mit einer halben Bitperiode ohne Modulation (Dauer
Tb/2 =18.88 μs) gefolgt von 8 Rechteck-Pulsen der Frequenz 13.56 MHz / 32
bzw. 423.75 kHz (Dauer Tb/2 =18.88 μs).
b) Wenn x(t) = 0 misst man an der Readerspule y(t) = cos(2π·fc·t).
Wenn x(t) = 1 misst man an der Readerspule y(t) = (1-m)·cos(2π·fc·t), wobei m ein sehr
kleiner positiver Wert ist.
Umhüllende der
y(t)
Schwingung mit fc
Schwingung mit fc (nicht gezeichnet)
t
Tb
logisch 0
c) Das stochastische Basisband-Signal u(t) hat ein sin(x)/x-förmiges Spektrum U(f) wegen
der rechteckförmigen Pulsform. Die erste Nullstelle liegt bei 1/Pulsbreite = 2R. Zusätzlich
weist U(f) eine DC-Linie auf.
Die ASK-Modulation mit dem Hilfsträger bewirkt nur eine Frequenztranslation um
fH = 423.75 kHz. Das Basisbandspektrum U(f) wird ins obere und (in Kehrlage) ins untere
Seitenband von X(f) verschoben. Eigentlich gäbe es noch weitere Spektralanteile bei 3fH,
5fH usw. (nicht eingezeichnet), weil das Hilfsträgersignal rechteckförmig ist. Sie spielen
aber keine Rolle, weil sie nicht übertragen werden (LC-Parallelschwingkreise haben BPCharakter).
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Der Lastmodulator (AM mit Träger) verschiebt das Spektrum nochmals um fc. Die
Information ist redundant im oberen und im unteren Seitenband vorhanden. Zusätzlich
weist Y(f) eine sehr grosse Trägerlinie auf.
IU(f)I
f
2R
IX(f)I
f
fH
IY(f)I
f
fc-fH
fc
fc+fH
d) Im Transponder muss mit einem BP die Information im unteren oder oberen Seitenband
extrahiert werden. Dabei muss die sehr grosse Trägerkomponente möglichst stark unterdrückt werden. Nach der BP-Filterung kann das (Manchester-kodierte) Datensignal mit
einem Hüllkurvendetektor (nicht-kohärent) demoduliert werden.
e) Beim FM-Rundfunk wird das Differenzsignal „(L-R)/2“ zuerst mit einem Hilfsträger von
38 kHz AM-moduliert, bevor es zusammen mit dem Summensignal „(L+R)/2“ dann FM
moduliert wird.
Aufgabe 2
a) Manchmal kann die Transponder-Spule auf einen Ferrit-U-Kern gewickelt werden, der
dann an oder in die Metalloberfläche eingebaut wird. Damit wird das Magnetfeld des
Readers gezwungen, durch die Transponder-Spule zu „fliessen“.
Diese Bauform ist im RFID-Buch von K. Finkenzeller, 3. Auflage, S. 17 dargestellt.
b) Wasser oder Nässe hat keinen Einfluss auf die magnetische Kopplung. Bei der EMKopplung hingegen kann es Probleme geben.
Bei den RFID-Kopplern hat man es im Nahfeld bis ca. Wellenlänge / 6 mit magnetischer
Kopplung und im Fernfeld ab ca. Wellenlänge / 6 mit EM-Kopplung zu tun.
Deshalb sind für diese Anwendung RFID-Systeme im Frequenzbereich < 135 kHz
oder bei 13.56 MHz zu wählen. Letztere sind oft etwas resistenter gegenüber „niederfrequenten“ Störungen und manchmal etwas einfacher realisierbar, weil man bei den
Antennenspulen mit nur wenigen Wicklungen auskommt.
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Die UHF-RFID-Systeme bei 868 MHz sind für diese Anwendung ungeeignet, weil sie
EM-Kopplung verwenden (Wellenlänge / 6 ≈ 5 cm).
c) Linkbudget:
Sendeleistung
Antennengewinn Reader
Freifelddämpfung
Antennengewinn Transponder
min. Empfangsleistung
PR
GR
-Af
GT
PT
30 dBm (= 1 Watt)
3 dBi
-44 dB
1 dBi
-10 dBm (= 100 μW)
Die Reichweite R kann aus der Formel für die Freifelddämpfung berechnet werden.
Wir haben die Formel in der folgenden Form kennengelernt:
Af [dB] = 32.4 + 20·log10(f[MHz]) + 20·log10(R[km])
Umgeformt für die Reichweite in Metern:
Af [dB] = 32.4 + 20·log10(f[MHz]) + 20·log10(R[m]) – 60
Einsetzen von f = 868 MHz, Af = 44 dB und Auflösen nach R ergibt:
max. Distanz Reader-Transponder R = 10 (44-32.4-58.8+60) / 20 = 4.4 m
Aufgabe 3
a) Ein Kugelstrahler muss mit 2.15 dB bzw. 1.64 Mal stärker gespeist werden als ein Dipol,
um die gleiche Strahlungsleistung (in Hauptstrahlrichtung) zu erzeugen.
PEIRP = 1.64 ∙ PERP => PEIRP = 2∙1.64 = 3.28 W in Europa. Die maximal erlaubte Sendeleistung in den USA beträgt 4 W EIRP und liegt damit 22 % über dem Wert in Europa.
b) In Europa ist das Band 890-925 MHz für den GSM-900-Uplink reserviert.
c) UHF heisst „Ultra High Frequency“ und umfasst den Frequenzbereich 300 MHz – 3 GHz:
d) Die Reichweite ist im 900 MHz Bereich deutlich grösser als im 2.4 GHz Bereich.