ITRM20120190A1 - Sistema di codifica, decodifica e ricetrasmissione senza fili di dati sensoriali. - Google Patents

Description

"SISTEMA DI CODIFICA, DECODIFICA E RICETRASMISSIONE SENZA FILI DI

DATI SENSORIALI"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un sistema di ricetrasmissione dati senza fili il cui compito à ̈ quello di trasmettere dati a breve distanza.

Stato dell’arte

La trasmissione wireless a corto raggio di dati sensoriali trova applicazione in numerosi campi che vanno dal monitoraggio di parametri biologici in medicina, alla misura di quantità di natura meccanica, nelle applicazioni industriali.

Negli ultimi anni sono state sviluppate un certo numero di tecnologie adatte per questo scopo anche se quella emergente à ̈ basata sul concetto di sistemi di identificazione a radio-frequenza (RFID). Ciò à ̈ dovuto alla convergenza di alcuni approcci innovativi quali lo “energy harvesting†a radio-frequenza, il riutilizzo della portante RF, il metodo di modulazione mediante variazione del carico connesso all'antenna, l'elettronica organica e quella basata su stampa ink-jet.

Lo energy harvesting a RF e il riutilizzo della portante, ad esempio, hanno permesso lo sviluppo di sensori RFID privi batteria (cioà ̈ completamente passivi) che possono funzionare per anni senza alcuna manutenzione.

Una classificazione delle tecnologie attualmente disponibili permette di suddividere i sistemi passivi si possono in due famiglie: quelli basati su chip di silicio (chip-based) e quelli senza chip di silicio (chip-less). La prima famiglia sfrutta un chip CMOS a basso consumo di potenza per implementare le funzionalità principali del tag (rettificazione della portante RF, regolazione della tensione DC, demodulazione ASK, decodifica del ID, modulazione di carico, etc.). L'impiego di pochi blocchi aggiuntivi (condizionamento del segnale, ADC, etc.) consente di adattare i tag (transponder) basati su chip di silicio ad applicazioni sensoriali. In questo caso il vantaggio risiede nella modulazione digitale del segnale trasmesso e, quindi, nella robustezza del trattamento dei dati.

I costi di produzione di questi tag sono principalmente associati all'integrazione eterogenea del chip di silicio con l'antenna RF, che viene tipicamente realizzata mediante un substrato flessibile.

Per ridurre i costi sopra citati, sono stati introdotti i tag di tipo senza chip di silicio e, negli ultimi anni, applicati alla trasmissione wireless di dati sensoriali. Tipicamente i tag di questo tipo sfruttano un'antenna le cui proprietà elettriche possono essere controllate dal cambiamento del parametro fisico da misurare. A tal proposito ci sono, principalmente, due approcci: il primo consiste nell'indurre un cambiamento permanente delle proprietà dell'antenna nel momento in cui una certa soglia critica venga superata (accelerazione, temperatura, livello di un fluido, etc.). Il secondo si basa sull'impiego di un antenna caricata con un'impedenza il cui valore dipende dalla variabile da misurare. In entrambi i casi il sistema di misura wireless deve avere un'accuratezza assoluta, il che limita sensibilmente le prestazioni del sistema rispetto a tolleranze di fabbricazione e distanza di misura.

Un'ulteriore metodologia prevede che la trasmissione wireless di dati misurati da sensori sia associata alla generazione di un segnale d'intermodulazione da parte del tag che, allo scopo, viene illuminato da due onde di frequenza diversa. Il vantaggio di questa idea à ̈ che la risposta del tag avviene a una precisa frequenza e, quindi, la presenza o l'assenza del tag può difficilmente essere equivocata. Tecniche simili sono state utilizzate dai radar armonici per cancellare l'eco dello sfondo e in alcuni tag a 1-bit basati sulla duplicazione di frequenza.

Quasi tutti i tag appartenenti della famiglia chip-less trasmettono informazioni fisse (equivalenti, ad esempio, a un codice a barre). Per quanto riguarda i pochissimi esempi di tag chip-less equipaggiati con sensori, tuttavia, l'informazione viene associata alla variazione di uno dei parametri fisici dell'antenna del tag. La situazione tipica à ̈ costituita da un'antenna collegata con un circuito risonante la cui frequenza naturale dipende dal parametro da misurare. Ne risulta che l'accuratezza della misura deve essere di tipo assoluto e quindi piuttosto scarsa. Secondo la presente invenzione, invece, si utilizzano due segnali, uno dei quali funge da riferimento per l'altro. L'accuratezza, quindi, à ̈ di tipo relativo, il che consente misure molto più precise. Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di risolvere i numerosi problemi lasciati ancora aperti dalla tecnica nota e ciò à ̈ ottenuto attraverso un metodo di codifica, decodifica e ricetrasmissione senza fili di dati sensoriali come definito nella rivendicazione 16, basato su un sistema comprendente un dispositivo di codifica e trasmissione come definito nella rivendicazione 1, un dispositivo di ricezione e decodifica come definito nella rivendicazione 9.

Ulteriori caratteristiche della presente invenzione sono definite nelle corrispondenti rivendicazioni dipendenti.

Vantaggi dell’Invenzione

La presente invenzione, superando i citati problemi della tecnica nota, comporta numerosi ed evidenti vantaggi.

In particolare, la presente invenzione rappresenta un nuovo approccio per risolvere il problema della accuratezza assoluta di molti sensori wireless passivi di tipo "chipless". A tale scopo l'informazione del sensore à ̈ codificata come differenza di fase (o come differenza di ampiezza) tra due segnali, uno che funge da riferimento per l'altro. L'invenzione si configura come un apparato in grado di consentire la trasmissione della informazione in maniera wireless, secondo la metodologia RFID, una metodologia cioà ̈ in grado di attivare e consentire il trasferimento dei dati solo nel momento in cui questi sono richiesti (tag o transponder).

Vantaggiosamente, la presente invenzione può trovare impiego ad esempio nella misura di parametri fisici (deformazioni strutturali, pressioni, temperature, etc.) in sistemi meccanici rotanti. Si consideri, ad esempio, la deformazione delle pale di una turbina. Questa potrebbe essere trasdotta in una variazione capacitiva per mezzo di un sensore MEMS a condensatore e determinare lo sfasamento del tag.

L'informazione così codificata può essere letta senza contatto da un lettore montato sullo statore e correlata all'angolo istantaneo della turbina. Ovviamente il tag à ̈ completamente passivo e quindi non necessita di manutenzione (sostituzione della batteria). La configurazione coassiale delle antenne del lettore e del tag soddisfa le ipotesi necessarie al funzionamento del sistema.

Un’ulteriore area di applicazione à ̈ quella del packaging intelligente di beni e prodotti. In questo caso il tag potrebbe essere installato sul package e il lettore disposto a una certa altezza sopra il nastro trasportatore che serve per movimentare o smistare i prodotti. Il sensore disponibile sul tag à ̈ in grado di misurare un parametro fisico del prodotto come, ad esempio, la temperatura di alimenti congelati (controllo della catena del freddo). Anche in questo caso l'ipotesi di parallelismo tra le antenne del lettore e del tag à ̈ automaticamente soddisfatta grazie al nastro trasportatore. La lettura, inoltre, potrebbe avvenire sotto il controllo di una telecamera in modo da garantire l'allineamento tra i due sistemi d'antenna (cioà ̈ quello del lettore e quello del tag). Una angolazione casuale dei package intelligenti sul nastro trasportatore, invece, viene automaticamente risolta grazie alle potenzialità del sistema. Per ridurre i costi il tag potrebbe essere realizzato sfruttando un'elettronica organica, quest'ultima stampata su carta o cartone mediante processo ink-jet.

Infine, imponendo degli sfasamenti prestabiliti e fissi (cioà ̈ non soggetti a nessuna variazione sensoriale) l'invenzione potrebbe funzionare come un normale sistema RFID passivo. Ad esempio, imponendo sfasamenti ciascuno differente dall'altro per 22.5°, si possono avere a disposizione 16 codici diversi. Rispettando le ipotesi parallelismo e allineamento tra le antenne del lettore e del tag questi codici possono essere letti indipendentemente dall'angolo di rotazione. Una delle possibili applicazioni dei tag con codici fissi a bassissimo costo consiste nella guida di robot all'interno di edifici. In tal caso i tag operano come dei piccoli radio-fari permettendo al robot di individuare con esattezza le coordinate geometriche di un insieme di punti di riferimento.

Il sistema secondo l’invenzione à ̈ composto da un lettore e da un tag. Il lettore ha il compito di illuminare il tag con un segnale a radio-frequenza e di leggerne i dati trasmessi. Il tag à ̈ un circuito equipaggiato con un sistema di antenne ortogonali, con un moltiplicatore armonico di frequenza e con un sensore passivo. Il sistema può essere applicato alla misura di parametri fisici di varia natura (temperatura, umidità, stress meccanico, intensità di illuminazione, etc.) a seconda del tipo di sensore passivo applicato al sistema.

Il presente trovato unisce al vantaggio di impiegare tag completamente privi di batteria (caratteristica ormai comune a molti tag RFID commerciali) quello di trasmettere dati sensoriali. Per questo scopo il tag inventato utilizza la differenza di fase o di ampiezza tra due segnali uno dei quali funge da riferimento per l'altro (sfruttando quindi un'accuratezza relativa e non assoluta). Questi segnali sono irradiati dal tag grazie a due antenne ortogonali l'una rispetto all'altra.

Gli ultimi sviluppi dei semiconduttori organici e la bassa complessità circuitale del tag inventato (l'unico dispositivo elettronico necessario à ̈ un diodo) consentiranno, in un futuro prossimo, la produzione industriale del tag mediante tecnologie di stampa conduttiva ink-jet su substrati flessibili a bassissimo costo, non esclusa tra questi la carta.

Inoltre, una delle maggiori sfide tecnologiche à ̈ rappresentata dal costo di produzione. Le peculiarità del sistema secondo l’invenzione possono essere riassunte come segue.

• Tag completamente passivo. Il tag à ̈ privo di batteria e quindi non ha bisogno di manutenzione. Può funzionare con sicurezza anche in ambienti saturi di gas o sostanze esplosive.

• Utilizzo di frequenze armoniche. Questo consente al lettore di distinguere il segnale del tag senza subire interferenze a causa del segnale riflesso dallo sfondo.

• Minimizzazione dei componenti elettronici richiesti dal tag (elettronica chip-less). L'unico dispositivo elettronico necessario à ̈ un diodo ovvero un qualsiasi elemento non lineare atto alla generazione armonica. Siccome studi recenti dimostrano la fattibilità di tale dispositivo mediante semiconduttori organici e metodologie ink-jet, il tag inventato potrà essere agevolmente realizzato utilizzando substrati flessibili (eventualmente carta) e stampanti a getto d'inchiostro anziché silicio.

• Utilizzo di due antenne ortogonali. Tale sistema d'antenna permette al lettore di ricavare informazioni anche sull'orientazione (rotazione) del tag. Tutto ciò à ̈ particolarmente rilevante ai fini del costo della produzione.

Breve descrizione dei disegni

La presente invenzione, superando i problemi della tecnica nota, comporta altri numerosi ed evidenti vantaggi che, assieme alle caratteristiche e alle modalità di impiego risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione preferita, presentata a scopo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ uno schema a blocchi di un dispositivo di trasmissione di dati (definito anche tag o transponder) secondo la presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ uno schema a blocchi di un dispositivo di ricezione di dati (definito anche lettore o reader) secondo la presente invenzione;

- la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi di un ricevitore vettoriale (basato su un’architetture in fase e quadratura a omodina) facente parte del lettore di figura 2;

- la figura 4 rappresenta il sistema di coordinate adottato nel piano del tag (piano<Î3⁄4>--<η>) e componenti del campo elettrico alla frequenza 2f<0>;

- la figura 5 rappresenta il sistema di coordinate adottato nel piano del lettore (piano<x>--<y>), questo può essere ruotato di un angolo<Î ̧>rispetto al sistema di coordinate del tag;

- le figure 6a e 6b sono grafici che rappresentano parte reale U<R>e parte immaginaria U<I>della funzione complessa<U>in al variare dell'angolo di rotazione<Î ̧>.

Descrizione dettagliata dei disegni

La presente invenzione sarà nel seguito descritta nel dettaglio sulla base delle figure suindicate.

Secondo un metodo di ricetrasmissione dei dati in accordo con la presente invenzione, occorre innanzitutto generare un segnale di misura di una grandezza fisica. Ciò, come si vedrà, può essere realizzato attraverso un sensore.

Quindi, dovrà essere generata una portante S0a una frequenza di lavoro f0e tale portante dovrà essere trasmessa, senza fili, a un dispositivo di tipo tag o transponder, che come sarà descritto nel seguito, può riceverla.

Sulla base della portante ricevuta, deve essere generato un corrispondente segnale armonico a una frequenza multipla della frequenza portante f0.

Preferibilmente, il segnale armonico à ̈ generato a una frequenza doppia rispetto al segnale portante, come indicato in figura 2 a titolo esemplificativo e non limitativo. Il segnale armonico à ̈ quindi ripartito in due componenti armoniche. La prima componente armonica non à ̈ alterata dal sensore mentre, la seconda componente armonica à ̈ modulata sulla base del segnale di misura.

Preferibilmente, la modulazione comprende una variazione di fase della seconda componente armonica rispetto alla prima componente armonica, in funzione del segnale di misura.

In alternativa o in associazione, la modulazione può anche prevedere una variazione di ampiezza della seconda componente armonica rispetto alla prima componente armonica, in funzione del segnale di misura.

Quindi, sia la prima componente armonica che la seconda componente armonica modulata, vengono trasmesse, senza fili, secondo polarizzazioni ortogonali.

A questo punto, il metodo prevede che il lettore o reader debba ricevere, separatamente, la prima componente armonica e la seconda componente armonica modulata e, successivamente, elaborarle per estrarre il segnale di misura.

Tale metodo à ̈ attuabile tramite un apparato di ricetrasmissione comprendente un dispositivo di codifica e trasmissione senza fili di dati (il tag o transponder) e un corrispondente dispositivo di decodifica e ricezione senza fili di dati (il lettore o reader) secondo la presente invenzione.

La figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo 1 per la codifica e la trasmissione senza fili di dati sensoriali secondo la presente invenzione che comprende mezzi di ingresso di un segnale di misura SMdi una grandezza fisica.

Tali mezzi di ingresso possono vantaggiosamente comprendere apparati di ingresso atti a ricevere un segnale da un sensore 2, particolarmente da un sensore di tipo passivo che generi tale segnale di misura SM.

Il dispositivo 1 Ã ̈ di fatto un transponder e quindi comprende uno stadio ricevitore 3 atto a ricevere un segnale portante S0a una frequenza portante f0.

Preferibilmente, lo stadio ricevitore 3 comprende un’antenna ricevente 4 atta a ricevere il segnale portante S0. In particolare, à ̈ vantaggioso utilizzare un’antenna ricevente del tipo a elica o a spirale. In questo modo la potenza all'uscita dell'antenna à ̈ massima indipendentemente dalla polarizzazione o dall'orientazione relativa tra il dispositivo tag o transponder 1 e il dispositivo lettore o reader 21 Come sarà chiarito nel seguito, il dispositivo di lettura o reader, parte della presente invenzione, si occupa anche di generare e trasmettere la portante che serve a illuminare il tag 1.

Il dispositivo 1 comprende inoltre uno stadio di elaborazione 5 del segnale portante, per generare un corrispondente segnale armonico a una frequenza multipla della frequenza portante f0.

Tale stadio di elaborazione può ad esempio comprendere un duplicatore di frequenza, per generare un segnale armonico a frequenza 2f0, doppia rispetto a detto segnale portante. Il moltiplicatore di frequenza può utilizzare un qualsiasi dispositivo elettronico non-lineare, per esempio un diodo a giunzione, varactor, oppure di tipo Schottky.

Inoltre, il dispositivo 1 comprende uno stadio di ripartizione 6, ad esempio un divisore di potenza, utilizzato per ripartire il segnale armonico in una prima componente armonica S1e una seconda componente armonica S2.

La seconda componente armonica S2viene immessa in uno stadio di modulazione 7 che opera sulla base del segnale di misura SM.

Ad esempio, lo stadio di modulazione 7 può comprendere mezzi per variare la fase della seconda componente armonica rispetto alla prima componente armonica, in funzione del segnale di misura, di un angolo ∆φ proporzionale al segnale di misura SM. Per questo scopo si possono utilizzare opportuni circuiti basati, ad esempio, su condensatori variabili di tipo micro-elettro-meccanico (MEMS).

In alternativa oppure in associazione, lo stadio di modulazione 7 può comprendere mezzi per variare l’ampiezza della seconda componente armonica rispetto alla prima componente armonica, in funzione del segnale di misura SM.

Quindi, il dispositivo 1 comprende un primo stadio di trasmissione senza fili 8 per la trasmissione della prima componente armonica S1e un secondo stadio di trasmissione senza fili 9 per la trasmissione della seconda componente armonica S2Mmodulata. I due stadi di trasmissione 8, 9 operano secondo polarizzazioni ortogonali, ad esempio per mezzo di antenne a dipolo 10, 11 disposte tra loro ortogonalmente.

Ad esempio, con riferimento alla figura 1, la prima componente armonica à ̈ re-irradiata in polarizzazione verticale, mentre la seconda componente armonica, sfasata di un angolo ∆φ viene re-irradiata in polarizzazione orizzontale.

La successiva figura 2 Ã ̈ invece uno schema a blocchi di un dispositivo 21 per la ricezione senza fili e la decodifica di dati sensoriali trasmessi da un dispositivo per la codifica e la trasmissione 1 descritto in precedenza.

Il sistema secondo la presente invenzione, come più volte detto, à ̈ del tipo transponder-lettore. Quindi, il transponder 1 si attiva e trasmette i dati solamente quando il lettore 21 lo richiede.

In particolare, la richiesta del lettore 21 si concretizza nell’illuminare il transponder 1 con un segnale portante S0a una frequenza portante f0, come detto già sopra.

Perciò, il dispositivo di ricezione 21, cioà ̈ il lettore, comprende innanzitutto uno stadio oscillatore 22 per generare una portante S0a una frequenza f0. Quindi, attraverso uno stadio di trasmissione senza fili 23, la portante S0viene trasmessa per illuminare un dispositivo di trasmissione 1 (tag) come prima descritto.

Questo, provoca l’attivazione del tag o transponder 1 e quindi l’irradiazione della prima componente armonica S1e della seconda componente armonica modulata S2M. Il trasmettitore 23 può operare sia a onda continua, sia sfruttando una portante modulata. A questo scopo può essere previsto un ingresso M per un segnale di modulazione. A titolo esemplificativo, il trasmettitore 23 à ̈ mostrato come composto da un modulatore e da un amplificatore di potenza PA. Quest'ultimo à ̈ seguito da un filtro passa basso a frequenza f0(oppure da un filtro elimina banda alla frequenza armonica a cui opera il tag o transponder). La presenza del filtro à ̈ preferibile per ridurre le armoniche generate dall’amplificatore PA, in modo da eliminare il rischio di accecamento dei ricevitori 25 e 26 contenuti nel lettore o reader 21. Le armoniche del trasmettitore, infatti, devono essere preferibilmente mantenute al di sotto del tappeto di rumore dei ricevitori 25 e 26.

Lo stadio di trasmissione 23 comprende quindi un’antenna trasmittente 24 atta a trasmettere detta portante S0. Questa, preferibilmente, à ̈ del tipo a elica o a spirale, in modo da massimizzare la potenza di illuminazione indipendentemente dall'orientazione relativa tra il lettore e il transponder.

Il dispositivo 21 comprende inoltre un primo stadio di ricezione 25 atto a ricevere la prima componente armonica S1ed un secondo stadio di ricezione 26 atto a ricevere la seconda componente armonica modulata S2M. Ciò à ̈ ottenuto tramite l’adozione di rispettive antenne a polarizzazione lineare 27, 28, tra loro disposte ortogonalmente. A titolo esemplificativo e non limitativo queste antenne possono essere di tipo a dipolo o patch planari.

Vantaggiosamente, lo stadio oscillatore 22, ad esempio di tipo Phased Locked Loop (PLL), genera inoltre, in maniera sincrona, un segnale armonico a una frequenza multipla della frequenza portante f0, in particolare a frequenza 2f0nel caso esemplificativo e non limitativo di figura 2. Tale segnale à ̈ utilizzato come oscillatore locale degli stadi di ricezione.

Ognuno dei due ricevitori, dunque, risulta sensibile a una particolare polarizzazione dell'onda elettromagnetica. Nello specifico, secondo quanto indicato in figura 2, il primo stadio ricevitore 25 riceve il segnale in polarizzazione verticale mentre, il secondo stadio ricevitore 26 riceve quello in polarizzazione orizzontale. Poiché l'informazione del sensore à ̈ contenuta nella differenza di fase o di ampiezza che sussiste tra le due polarizzazioni, per recuperarla à ̈ necessario utilizzare un ricevitore vettoriale per ciascun canale. Preferibilmente, tale ricevitore vettoriale à ̈ basato su un'architettura in fase e quadratura (IQ) a omodina, come illustrato nella successiva figura 3.

Infine, il dispositivo 21 comprende uno stadio di elaborazione dei segnali IQ presenti all'uscita dei due ricevitori vettoriali, per estrarre il segnale di misura della grandezza fisica.

Sulle modalità matematica per estrarre il segnale di misura dalle componenti lettere la ricevitore, si rimanda più avanti alla trattazione teorica. L’implementazione di tali algoritmi in un software deve essere ritenuto alla portata di un esperto del settore e quindi non se ne darà descrizione in questa sede.

In conclusione, la caratteristica originale e innovativa del sistema proposto consiste nel combinare una codifica dell'informazione, cioà ̈ del segnale di misura, come differenza di fase (o di ampiezza) tra due segnali, con un sistema di antenne polarizzate ortogonalmente e con un duplicatore di frequenza.

Le antenne polarizzate ortogonalmente consentono di avere due segnali indipendenti di cui uno costituisce il riferimento dell'altro (realizzando quindi una misura relativa e non assoluta) mentre, il moltiplicatore di frequenza, permette una facile separazione tra segnale di interrogazione e il segnale di risposta.

Dalla descrizione dell'invenzione appare chiaramente come ciò consenta di determinare sia lo stato sensoriale sia l'angolo di rotazione tra tag e lettore.

Di seguito verrà sviluppata la teoria di funzionamento del sensore wireless proposto. Per prima cosa si considera il rilevamento di due onde piane di frequenza 2f<0>e con polarizzazione ortogonale. La scelta della seconda armonica (frequenza 2f<0>) deve essere considerata, nella trattazione teorica seguente, a titolo esemplificativo e non limitativo. Tali onde sono generate e irradiate dal tag mentre, l'informazione di fase e d'ampiezza a loro associate à ̈ recuperata dal lettore. L'illuminazione del tag con una portante a frequenza f<0>, la generazione della seconda armonica e la codifica dell'informazione basata sulla variazione di fase può essere ricondotta a tecniche ben note che verranno riassunte nella rimanente parte di questo paragrafo.

La teoria verrà sviluppata assumendo di avere il piano dell'antenna del tag parallelo a quello dell'antenna del lettore. Inoltre verrà ipotizzato che il sistema delle due antenne sia assialmente allineato lungo la (comune) direzione di propagazione.

Questa ipotesi, per quanto restrittiva, risulta soddisfatta in molte applicazioni industriali come, ad esempio, le misure senza contatto di grandezze meccaniche in sistemi rotanti, motori e turbine, o il monitoraggio di oggetti sopra nastri trasportatori. In quest'ultimo caso à ̈ possibile immaginare che il tag sia interrogato solamente quando si trova in posizione ortogonale al lettore.

Codifica dell'informazione del tag

La funzionalità del sensore wireless proposto dipende dall'informazione contenuta nella variazione di fase (ed eventualmente d'ampiezza) applicata alle due onde piane a frequenza<2 f 0>e polarizzate ortogonalmente. Tali onde sono completamente individuate se si conoscono i vettori del campo elettrico a esse associati. Sulla base delle ipotesi precedenti questi possono assumere la configurazione generale illustrata nella successiva figura 4.

In particolare: il sistema di coordinate<Î3⁄4>-<η>identifica il piano del tag. In questo

E E

piano i due vettori campo elettrico<Î3⁄4>e<η>sono irradiati da due antenne identiche, polarizzate linearmente rispettivamente lungo le due direzioni<Î3⁄4>e<η>.

Adottando il formalismo dei vettori complessi si può scrivere:

jÏ•Î3⁄4EÎ3⁄4= EÎ3⁄4e u Î3⁄4

jϕηEη=Eηe u η (e-1)

Dove<E k>, Ï• k e<u k>, con<k =Î3⁄4 , η>, sono rispettivamente le ampiezze e le fasi dei campi elettrici nonché il vettore unitario (o versore). In particolare le ampiezze<E k>sono assunte reali e positive, avendo concentrato tutte le relazioni di fase tra i due campinella quantità<Ï• k>.

Come conseguenza di (e-1) il campo elettrico totale<E T>, irradiato dal tag a<2 f 0>, Ã ̈ dato da:

ET=EÎ3⁄4+ Eη

<j>ϕ 

= EÎ3⁄4eÎ3⁄4 E

ï£ ̄u Î3⁄4 η e<j ∆>Ï• u

ï£ ̄ Eη

 Î3⁄4  (e-2)

Con<EÎ3⁄4 ≠ 0>ed essendo<∆ Ï•>la differenza di fase tra i due campi:

∆ϕ =ϕη− Ï•Î3⁄4(e-3)

È importante notare che (e-2) à ̈ l'espressione generale di un'onda piana polarizzata in modo ellittico. Sia il caso puramente lineare (<∆ϕ = 0, Ï€>) che quello puramente circolare (<Eη/ E Î3⁄4 = 1>and<∆ϕ = ± Ï€ /2>) possono essere considerati casiparticolari della polarizzazione ellittica. Ciò significa che l'informazione relativa al tag può essere codificata o in termini di differenza di fase<∆ Ï•>o in termini di rapporto di E

ampiezze<η>/ E<Î3⁄4>.

Si consideri ora un lettore collocato a una distanza<d>dal tag. Il lettore sfrutta due antenne uguali in polarizzazione lineare per rilevare l'onda piana (in polarizzazione ellittica) generata dal tag. Questa situazione à ̈ riassunta nella figura 5, dove il piano dell'antenna del lettore à ̈ stato assunto parallelo a quello dell'antenna del tag. In questo schema le due antenne del lettore sono collocate lungo gli assi<x>e<y>. Inoltreun angoloÏ‘può formarsi tra gli assi<Î3⁄4>ex. In generale quest'angolo non sarà notodato che dipende dal modo in cui il tag à ̈ connesso all'oggetto da monitorare.

Come ipotesi finale si consideri il caso in cui i sistemi d'antenna del lettore e del tag siano perfettamente allineati lungo l'asse (di propagazione)<z>. In questo caso il campo elettrico del lettore nel punto<E R>Ã ̈ semplicemente dato dal campo del tag<E T>moltiplicato per la funzione di trasferimento del canale:

E =α<−>j<β>d

Re E T (e-4)

doveαà ̈ la perdita dovuta al percorso,<β>à ̈ la costante di propagazione edà ̈ la

distanza tra lettore e tag. Adottando il modello di radiazione per lo spazio liberoαe<β>

sono:

λ

α = D

4 π dRDT

2 π

β =

λ (e-5)

In (e-5) la lunghezza d'onda<λ>viene calcolata a<2 f 0>mentre<D R>e<D T>sono,

rispettivamente, le direttività delle antenne del lettore e del tag. Il campo elettrico nel

piano del lettore,<E R>, può essere proiettato lungo l'antenna del ricevitore orientata

secondo l'asse<x>:

Ex=ERâ‹… ux

 E

= E uÎ3⁄4â‹…ux+ η e j<∆>Ï• 

0ï£ ̄ uη⋅ ux

ï£ ̄ E Î3⁄4  (e-6)

similmente, per l'antenna ricevente orientata lungo l'asse<y>si ottiene:

Ey=ERâ‹… uy

 E 

= E0ï£ ̄uÎ3⁄4â‹…uy+ η e j<∆>Ï•u

Eη⋅ uy

ï£ ̄ Î3⁄4  (e-7)

In (e-6) e (e-7) il fasore<E 0>Ã ̈ definito come:

j (<Ï•>)

E =αe<Î3⁄4>−<β>d

0E Î3⁄4 (e-7)

Considerando che le proiezioni di versori<Î3⁄4>e<η>lungo le direzionixe<y>sono

date da:

u Î3⁄4 â‹… u x = cos Ï‘

u η⋅ u x = − sin ϑ

u Î3⁄4 â‹… u y = sin Ï‘

u η ⋅ u y = cos ϑ (e-9)

si ottiene:

 E 

E = E η

ï£ ̄osÏ‘ − e j<∆ Ï•>

x 0c sin ϑ

ï£ ̄ E Î3⁄4  (e-10)

 E

Ey= E0sinϑ η e j<∆ ϕ>

ï£ ̄ cos ϑ

ï£ ̄ E Î3⁄4  (e-11)

I campi<E x>eE<y>possono alla fine essere correlati alle tensioni ricevute, elaborate dai due canali del lettore. A questo scopo si può sfruttare la lunghezza efficace dell'antenna le . Le tensioni ricevute riferite all'ingresso sono:

V i

k=le E k(e-12)

dove<k=x , y>e l'apiceista per input. Se, per esempio, si considera un'antenna adipolo a semionda il massimo<l e>Ã ̈:

λ

le=

Ï€ (e-13)

che risulta minore di<λ /2>a causa della distribuzione sinusoidale della corrente lungo il dipolo stesso. Inserendo (e-10) e (e-11) in (e-12) e usando le formule di Eulero per esprimere<ej∆ ϕ>

si ottiene:

V<i>

x=leE0(Ax+j Bx)(e-14)

V i

y=leE0(Ay j B y ) (e-15)

dove le quantitàAeBcontengono tutta l'informazione relativa al tag e cioà ̈<∆ Ï•>,<Eη / E Î3⁄4>e Ï‘ :

E

A x = cosϑ− ηcos ∆ϕ sin ϑ

E Î3⁄4

E

A y = sinϑ+ ηcos ∆ϕ cos ϑ

E Î3⁄4 (e-16)

E

B x = − ηsin ∆ϕ sin ϑ

E Î3⁄4

E

B = η

y sin ∆ϕ cos ϑ

E Î3⁄4 (e-17)

I segnali nel domino del tempo possono essere facilmente ottenuti dai fasori in (e-14), (e-15) inserendo in questi l'espressione di<E 0>riportata in (e-8). La tensione all'ingresso del canale<x>Ã ̈ data da:

v<i>(t)=ℜ<i j2 ω 0t>

x {Vxe}

=V{(<j (2ω 0t+Ï•Î3⁄4 − βd )>

0ℜ AxjBx) e}

=V0[Axcos(2ω0t+Ï•Î3⁄4− β d)

−Bxsin(2ω0t+Ï•Î3⁄4− βd)](e-18)

essendo<V 0>l'ampiezza del segnale ricevuto:

V0=leE0=αleEÎ3⁄4

(e-19)

Similmente la tensione d'ingresso del canale<y>può essere scritta come:

v<i>

y(t)=V0[Aycos(2ω0t+Ï•Î3⁄4− β d)

−Bysin(2ω0t+Ï•Î3⁄4− βd)](e-20)

Una volta ottenuta l'espressione nel domino del tempo à ̈ facile derivare i prodotti di conversione e, da questi, le componenti del segnale d'uscita in fase<i(t )>e inquadratura<q(t )>. Per il canale<x>si ottiene:

ix(t)= LPF{2G<rx>

vv<i>

x(t)cos (2ω0t −ψ )}

=G<rx>

vV0(AxcosψR− Bxsin ψR)(e-21)

q<i>

x(t)= LPF{−2G<rx>

vvx(t)sin (2ω0t −ψ )}

=G<rx>

vV0(AxsinψR+ Bxcos ψR)(e-22)

rx

dove<G v>à ̈ il guadagno totale (di tensione) del ricevitore,<ψ>à ̈ la fase dell'oscillatore locale e<LPF { }>à ̈ l'operatore passa basso che estrae le componenti in banda base (rimuovendo il prodotto di conversione a<4ω 0>). La quantità<ψ R>à ̈ definita come:

ψR=ψ Ï•Î3⁄4− β d (e-23)

Similmente le uscite del canale<y>sono:

i (t)=G rx

y vV0(AycosψR − By sin ψ R )(e-24)

qy(t)=G rx

vV0(AysinψR By cos ψ R ) (e-25)

Nel caso di una portante modulata, cioà ̈ di un segnale iniettato all'ingresso M di figura 2, (e-21)-(e-25) rappresentano l'ampiezza zero-picco del segnale in banda base all'uscita del ricevitore.

rx Come osservazione finale à ̈ importante notare che il guadagno del ricevitore<G v>la fase del'oscillatore locale<ψ>sono state assunte identiche sia per il canalexsia per ilcanale<y>del lettore o reader. In pratica questa condizione può essere ottenuta calibrando i due ricevitori

Le relazioni (e-21)-(e-22) e (e-24)-(e-25) costituiscono un insieme di quattro equazioni che possono essere scritte in ogni istante. I termini noti sono dati dai segnali in fase e in quadratura all'uscita dei due canali del lettore o reader, ovvero da dati misurabili. Le incognite sono l'ampiezza ricevuta<V 0>, la fase complessiva ricevuta<ψ R>ele grandezze del tag, segnatamente:<Ï‘>,<∆ Ï•>e<Eη / E Î3⁄4>. Come risultato si ottengono 5incognite; ciò significa trovare un'ulteriore relazione basata sulla conoscenza del sistema. Ad esempio il tag può essere progettato per avere un determinato rapporto<Eη / E Î3⁄4>, codificando, per tanto, tutta l'informazione nella grandezza<∆ Ï•>.

Al fine di eliminare<V 0>e<ψ R>dal sistema di equazioni precedente si può calcolare il seguente rapporto a ogni istante di tempo:

ix j q

U =U j U = x

R I iy j q y (e-26)

Sviluppando le espressioni precedenti si ottiene:

i

= xiy qx q

U y

R i2

y q 2

y

A

= xAy Bx B y

A2

y B 2

y (e-27)

q i −i q

U I = x y x y

i2 2

y q y

B −A

= xAy x B y

A2 B 2

y y (e-28)

I valori<U R>e<U I>possono essere calcolati direttamente dalle tensioni d'uscita misurate (termini noti), mentre le incognite del tag sono contenute all'interno delle grandezze<A>e<B>. La relazione tra<U R>,<U I>e queste incognite viene trovata inserendo le equazioni (e-16), (e-17) in (e-27), (e-28). Dopo qualche passaggio si ottiene:

1 ï£ ́ 2

 

U R = ï£²ï£ ̄1 − E η

cosϑ sin ϑ

D uï£ ́ï£ ̄  E

 ï£ Î3⁄4 

ï£ ̧ 



E

η

<cos>∆ϕ (cos2Ï‘ − sin 2 Ï‘ ï£ ́ï£1⁄4

)ï£1⁄2

E Î3⁄4 ï£ ́ï£3⁄4(e-29)

1 E

U I =−<η>sin ∆ ϕ

D u E Î3⁄4 (e-30)

dove il denominatore<D u>Ã ̈ dato da:

2

E

D η 

u<=>sin 2 

ϑ   2

 ϑ

ï£ E Î3⁄4 cos

ï£ ̧

E

2<η>cosϑsinϑ cos ∆ ϕ

E Î3⁄4 (e-31)

Si noti che, previa una opportuna calibrazione del sistema (basata sulla rilevazione dei valori delle uscite IQ quando la distanza tra tag e lettore appartiene a un insieme di valori noti), à ̈ possibile ottenere anche il dato ψ<R>. Siccome ψ<R>à ̈ espresso dalla relazione (e-23), il trovato descritto nella presente invenzione può consentire anche la misura delle variazioni di distanza (distanza relativa) tra lettore e tag. Tale misura presenta delle periodicità per multipli interi della lunghezza d'onda, quest'ultima essendo calcolata alla frequenza armonica impiegata dal sistema.

Analisi di un caso particolare

Si consideri il caso particolare con<Eη/ E Î3⁄4 = 1>, cioà ̈ il caso in cui sia uguale lapotenza trasmessa dalle due antenne ortogonali a frequenza<2 f 0>. Sotto questa ipotesi le equazioni (e-27), (e-28) si riducono a:

cos ∆ϕcos ( 2 Î ̧

U )

R=

1+cos ∆ϕsin ( 2Î ̧ ) (e-32)

− sin ∆ ϕ

UI=

1+cos ∆ϕsin ( 2Î ̧ ) (e-33)

La funzione<U R>à ̈ singolare tutte le volte che il suo denominatore risulta uguale a zero. Questo avviene per particolari valori della fase<∆ Ï•>(ovvero per la fase che codifica l'informazione del sensore) e dell'angolo di rotazione<Î ̧>. Gli angoli criticipossono essere facilmente calcolati e sono riportati in tabella 1. Per<∆ϕ = n Ï€>conn intero, invece, il numeratore della funzione<U I>à ̈ sempre uguale a zero. Tuttavia, per<∆ Ï•>vicino agile angoli critici della tabella 1, anche i valori<U I>possono essere molto alti.

Tabella 1: Angoli Critici

∆ Ï•Î ̧

0,2Ï€ K

3 7

π , π K

4 4

Ï€, 3Ï€ K

1 5

π , π K

4 4

Il problema della singolarità si manifesta per quei valori di<∆ Ï•>che producono onde con polarizzazione puramente lineare. Tale problema può essere sempre risolto nel seguente modo: quando si rileva un valore elevato di<U R>si valuta il rapporto tra<(iy j q y )>e<(ix j q x )>al posto di quello in (e-26). Alternativamente, il valore critico di<∆ Ï•>può essere evitato condizionando opportunamente il segnale modulante. Quest'ultimo approccio à ̈ illustrato in figura 6, dove<U R>e<U I>sono tracciate in funzionedell'angolo di rotazioneÎ ̧e per<∆ Ï•>nell'intervallo 45 e 135 gradi.

È interessante notare che<∆ϕ = 90 deg .>implica una polarizzazione circolare pura e quindi sia<U R>che<U I>sono indipendenti dall'angolo di rotazione.

La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a una sua forma di realizzazione preferita. E’ da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) per la codifica e la trasmissione senza fili di dati sensoriali comprendente: - mezzi di ingresso di un segnale di misura (SM) di una grandezza fisica; - uno stadio ricevitore (3) atto a ricevere una portante (S0) a una frequenza portante (f0); - uno stadio di elaborazione (5) di detta portante per generare un corrispondente segnale armonico (SA) a una frequenza multipla della frequenza portante (f0); - uno stadio di ripartizione (6) di detto segnale armonico (SA) in una prima componente armonica (S1) e una seconda componente armonica (S2); - uno stadio per modulare (7) detta seconda componente armonica (S2) sulla base di detto segnale di misura (SM); - un primo stadio di trasmissione senza fili (8, 10) di detta prima componente armonica (S1) e un secondo stadio di trasmissione senza fili (9, 11) di detta seconda componente armonica modulata (S2M), secondo polarizzazioni ortogonali.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto stadio ricevitore (3) comprende un’antenna ricevente (4) atta a ricevere detto segnale portante (S0).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detta antenna ricevente (4) Ã ̈ del tipo a elica o a spirale.
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto stadio di elaborazione di detto segnale portante comprende un duplicatore di frequenza (5), per generare un segnale armonico (SA) a frequenza 2f0doppia rispetto a detto segnale portante (S0).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto duplicatore di frequenza (5) impiega un dispositivo elettronico non-lineare.
6. 6. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto stadio per modulare (7) detta seconda componente armonica (S2) comprende mezzi per variare la fase di detta seconda componente armonica (S2) rispetto a detta prima componente armonica (S1), in funzione di detto segnale di misura (SM), per ottenere una componente armonica modulata (S2M).
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto stadio per modulare (7) detta seconda componente armonica comprende mezzi per variare l’ampiezza di detta seconda componente armonica (S2) rispetto a detta prima componente armonica (S1), in funzione di detto segnale di misura (SM), per ottenere una componente armonica modulata (S2M).
8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti primo e secondo stadio di trasmissione senza fili comprendono rispettive antenne a dipolo (10, 11), tra loro disposte ortogonalmente.
9. 9. Dispositivo (21) per la ricezione senza fili e la decodifica di dati sensoriali trasmessi da un dispositivo (1) per la codifica e la trasmissione secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente: - uno stadio oscillatore (22) per generare una portante (S0) a una frequenza portante (f0) - uno stadio di trasmissione senza fili (23, 24) di detto segnale portante (S0); - uno primo stadio di ricezione (25) atto a ricevere detta prima componente armonica (S1) ed un secondo stadio di ricezione (26) atto a ricevere detta seconda componente armonica modulata (S2M); - uno stadio di elaborazione di detta prima componente armonica e detta seconda componente armonica modulata ricevute, per estrarre detto segnale di misura (SM) di una grandezza fisica.
10. 10. Dispositivo (21) per la ricezione senza fili e la decodifica di dati sensoriali secondo la rivendicazione 9, in cui detto stadio oscillatore (22) genera inoltre un segnale armonico (SA) a una frequenza multipla della frequenza portante (f0), utilizzato come oscillatore locale di detti primo e secondo stadio di ricezione.
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detti primo e secondo stadio di ricezione sono ricevitori vettoriali.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detti ricevitori vettoriali sono basati su un’architettura in fase e quadratura.
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, in cui detto stadio di trasmissione senza fili (23, 24) comprende un’antenna trasmittente (24) atta a trasmettere detto segnale portante (S0).
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detta antenna trasmittente (24) Ã ̈ del tipo a elica o a spirale.
15. 15. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 14, in cui detti primo e secondo stadio di ricezione senza fili (25, 26) comprendono rispettive antenne a dipolo (27, 28), tra loro disposte ortogonalmente.
16. 16. Metodo per la ricetrasmissione senza fili di dati sensoriali, comprendente i passi di: - generare un segnale di misura (SM) di una grandezza fisica; - generare un segnale portante (S0) a una frequenza portante (f0); - trasmettere senza fili detto segnale portante (S0); - ricevere detto segnale portante (S0) trasmesso; - generare un corrispondente segnale armonico (SA) a una frequenza multipla della frequenza portante (f0); - ripartire detto segnale armonico (SA) in una prima componente armonica (S1) e una seconda componente armonica (S2); - modulare detta seconda componente armonica (S2) sulla base di detto segnale di misura (SM), per ottenere una componente armonica modulata (S2M); - trasmettere detta prima componente armonica (S1) e detta seconda componente armonica modulata (S2M), secondo polarizzazioni ortogonali; - ricevere detta prima componente armonica (S1) e detta seconda componente armonica modulata (S2M); - elaborare detta prima componente armonica (S1) e detta seconda componente armonica modulata (S2M) ricevute, per estrarre detto segnale di misura (SM) di una grandezza fisica;
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui detto segnale armonico (SA) ha una frequenza 2f0doppia rispetto a detto segnale portante (S0).
18. 18. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 17, in cui detto passo di modulare detta seconda componente armonica (S2) comprende una variazione di fase di detta seconda componente armonica (S2) rispetto a detta prima componente armonica (S1), in funzione di detto segnale di misura (SM).
19. 19. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 18, in cui detto passo di modulare detta seconda componente armonica (S2) comprende una variazione di ampiezza di detta seconda componente armonica (S2) rispetto a detta prima componente armonica (S1), in funzione di detto segnale di misura (SM).
20. 20. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 16 a 19, facente uso di un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8 e di un dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 9 a 15, comprendente inoltre un passo di elaborare detta prima componente armonica (S1) e detta seconda componente armonica modulata (S2M) ricevute, per estrarre variazioni di distanza tra detto dispositivo di trasmissione (1) e detto dispositivo di ricezione (21).