KR101114179B1 - Ｒｆｉｄ 리더 센서티비티 향상 기술을 이용한 ａｓｋ복조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수신신호의 전력 레벨 감도 범위를 향상시킬 수 있도록 로그앰프에 기반하여 설계되고, 수신 감도가 향상되면서도 SNR이 저하되지 않도록 AD컨버터가 구현되며, 낮은 입력신호를 복원할 수 있는 입력증폭단이 구비되는 RFID 리더 ASK 복조기에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기는 RF 신호에 소정 주파수 신호를 연산하여 IQ신호로 분리하는 믹서; 상기 믹서로부터 전달된 RF 신호의 저대역 주파수를 추출하는 저대역필터부; 상기 저대역 필터링된 RF 신호를 직류전압신호로 출력하여 레벨을 감지하는 로그앰프부; 및 상기 레벨이 감지된 RF 신호를 베이스밴드신호로 AD변환시키는 AD컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기의 상기 저대역필터부는 출력단에 볼티지 게인 증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기의 상기 AD컨버터는 정궤환 구조를 가지는 비교기로 구현되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 약 -90 dBm 까지 수신 전력레벨이 향상되므로 수신률이 안정적으로 유지되고, 전압 이득 증폭을 통하여 비트 오율을 향상시키며, 히스테리스를 위한 정궤환 비교기 설계를 통하여 페이딩 환경에서 신호를 보다 용이하게 수신할 수 있으므로 전파 환경의 변화가 심한 상태에서도 SNR을 향샹시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Description

ＲＦＩＤ 리더 센서티비티 향상 기술을 이용한 ＡＳＫ 복조기{Amplitude shift keying demodulater using sensitivity elevation technology of Radio Fruquency IDentification reader}

도 1은 종래의 RFID 리더 ASK 복조기의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도.

도 2는 종래의 RFID 리더 ASK 복조기의 각 구성부가 출력하는 신호 파형을 순차적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더 ASK 복조기가 사용된 RFID 리더의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도.

도 4는 본 발명의 실시예에 사용되는 RFID 태그의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ASK복조기의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저대역필터부 및 VGA가 하나의 회로단으로 구성된 회로 형태를 예시한 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로그앰프부가 IC칩을 포함한 회로소자로 구현된 형태를 예시한 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 로그앰프부의 출력단 신호 파형을 측정한 그래프.

도 9는 도 8에 의한 로그앰프부의 출력단 신호 파형을 기준으로 출력단과 입력단 레벨의 상관 관계를 도시한 그래프.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 AD컨버터가 IC칩을 포함한 회로소자로 구현된 경우의 회로 형태를 예시한 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

200: RFID 리더 210: 입력단앰프

220: 밴드패스필터 230: 믹서

240: RFID 리더 ASK 복조기 242: 저대역필터

244: 전압이득증폭기 246: 로그앰프부

248: AD컨버터 250: 제어모듈

본 발명은 RFID 리더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 관한 RFID 리더의 ASK 복조기에 관한 것이다.

현재, 유비쿼터스(ubiquitous) 네트워크 기술이 많은 이들의 주목을 받고 있는데, 유비쿼터스 네트워크 기술이란 시간과 장소에 구애됨이 없이 다양한 네트워크에 자연스럽게 접속할 수 있도록 하는 기술을 의미한다.

이러한 유비쿼터스 네트워크 기술의 차세대 기술로서 RFID 기술을 들 수 있으며, 그 중에서 상거래에 도입된 RFID 기술이 대표적이다.

일반적으로, 상거래형 RFID 시스템은 상품에 부착되어 세부정보가 내장된 전자태그, 상기 전자태그의 정보를 RF통신을 이용하여 읽는 RFID리더로 이루어지며, 상품에 부착된 상기 전자태그는 상기 RFID리더가 위치되는 지역을 통과하며 RF통신을 이용하여 정보를 전달하게 되므로 상품의 유통, 조립, 가격 변동, 판매 등의 물류/유통 관리가 효율적으로 처리될 수 있는 기반을 제공한다.

한편, 종래의 RFID 리더의 수신단의 경우, ASK(Amplitude Shift keying) 변조 방식을 이용한 포락선 검파를 통하여 구현되는 것이 일반적인데, 종래의 설계 방식에 의하면, 비트 오율이 저하되으로 데이터 인식률이 낮게 형성된다는 단점이 있다.

RFID 리더는 고속으로 이동하는 태그를 대상으로 하기 때문에 전파 환경의 변화가 심하고, 외부의 환경 변화에 따라 수신 신호의 변화가 크게 발생된다.

따라서, 이러한 환경 변화를 극복하여 수신 데이터의 에러율을 낮추기 위해서는 RFID 트랜시버의 설계가 중요한 측면으로 인식된다.

도 1은 종래의 RFID 리더 ASK 복조기(100)의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 2는 종래의 RFID 리더 ASK 복조기(100)의 각 구성부가 출력하는 신호 파형을 순차적으로 도시한 도면이다.

도 1에 의하면, 종래의 RFID 리더 ASK 복조기(100)는 안테나(120), 정류필터(rectifier)(140), 저대역필터(160) 및 레벨감지부(lever detector)(180)를 포함하 여 구성되는데, 상기 안테나(120)는 가령, 800 MHz 내지 900 MHz 대역의 무선 채널을 통하여 태그와 RF 신호를 송수신한다.

상기 안테나(120)를 통하여 수신된 RF 신호는 레벨감지부(180)가 에지 성분을 검출하기에는 적합하지 않은 신호(도 2의 (a))로서, 상기 정류필터(140)는 이를 보다 직류 성분에 가깝도록 소정 영역의 주파수 대역만을 필터링 처리한다(도 2의 (b)).

상기 저대역필터(160)는 필터링 처리된 신호의 에지 성분을 검출하고(도 2의 (c)), 상기 레벨감지부(180)는 에지 성분이 검출된 신호를 디지털 신호로 변환한다(도 2의 (d)). 상기 레벨감지부(180)로는 일반적으로 다이오드가 사용된다.

이렇게 ASK 복조된 신호는 제어모듈(200)에 의하여 신호 해석되고 정보로서 처리되는데, 종래의 ASK 복조 방식은 전술한 바와 같이 포락선 검파를 사용하면 간단히 설계할 수 있는 장점이 있으나, 이는 판독 거리가 멀어질수록 반사 신호의 전력 분포에서 널(null)신호의 위치는 가까워지고, 널신호와의 인접 영역에서 유용한 신호들은 상당히 약해지게 된다.

이러한 현상은 수신 시스템의 S/N(Signal/Noise)비를 저하시키며, 수신 동작의 실패 요인으로 작용한다.

특히, 검파 문턱치가 수신된 신호 레벨에 의존한다는 측면에서, 페이딩 환경에서 ASK 변조 성능이 크게 떨어지게 되고, 페이딩 환경에서 삽입된 잡음 성분은 미약한 신호를 다루는 RFID 수신회로에서 치명적으로 작용되는 경우가 많다.

따라서, 본 발명은 RFID 태그로부터 수신가능한 신호의 전력 레벨 감도 범위를 향상시킬 수 있도록 로그앰프(Logarithmic Amplifier)에 기반하여 설계되고, 수신 감도가 향상되면서도 SNR이 저하되지 않도록 노이즈 영향을 최소화하여 AD컨버터가 구현되며, 시간에 따라 변화되는 낮은 입력신호를 복원할 수 있는 입력증폭단이 구비되는 RFID 리더 ASK 복조기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기는 RF 신호에 소정 주파수 신호를 연산하여 IQ신호로 분리하는 믹서; 상기 믹서로부터 전달된 RF 신호의 저대역 주파수를 추출하는 저대역필터부; 상기 저대역 필터링된 RF 신호를 직류전압신호로 출력하여 레벨을 감지하는 로그앰프부; 및 상기 레벨이 감지된 RF 신호를 베이스밴드신호로 AD변환시키는 AD컨버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기의 상기 저대역필터부는 출력단에 볼티지 게인 증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기의 상기 AD컨버터는 정궤환 구조를 가지는 비교기로 구현되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기의 상기 로그앰프부는 다수개의 증폭기로 구성되는 증폭단, 상기 증폭기와 연결되는 감지기들로 구성되는 감지회로단 및 감지회로단과 연결되는 오프셋 보상 회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더 ASK 복조기에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더 ASK 복조기(240)가 사용된 RFID 리더(200)의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 3에 의하면, 본 발명의 실시예에 따른 RFID 리더(200)는 입력단앰프(210), 밴드패스필터(220), 믹서(230), ASK복조기(240) 및 DSP(Digital Signal Processor)(250)을 포함하여 구성된다.

우선, 안테나를 통하여 RFID 태그(300)로부터 RF신호가 수신되면, 상기 입력단앰프(210)는 RF신호를 필터링처리가 가능하도록 소정 진폭으로 증폭시키고, 상기 밴드패스필터(220)는 소정 대역의 주파수만을 통과시킴으로써 상기 증폭된 RF신호가 보다 촘촘한 주기의 주파수로 변환되어 신호의 에지 검출이 용이해지도록 한다.

상기 믹서(230)는 사인파 또는 코사인파와 같은 소정 주파수 신호를 상기 밴드패스필터링된 RF신호와 연산하여 I(송신)신호 또는 Q(수신)신호로 분리하고 분리된 I신호 또는 Q신호를 상기 ASK복조기(240)로 전달한다.

상기 ASK복조기(240)는 전달된 IQ신호의 저대역 필터링, 전압 이득(voltage gain) 증폭, 직접 데시벨값에 비례한 직류전압신호로의 출력 및 AD(Analog to Digital)변환을 처리하여 DSP(250)가 최종적으로 복조된 디지털 신호를 분석하고 정보를 처리할 수 있도록 하는데, 상기 ASK복조기(240)에 대해서는 이하에서 도 5 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 DSP(250)는 통신프로토콜을 구비하여 RFID 태그(300)와의 무선통신을 제어하고, 상기 RFID 태그(300)의 위치를 파악하기 위하여 주기적으로 정보요청신 호를 송출한다.

또한, DSP(250)는 상기 RFID 태그(300)로부터 수신되고 ASK복조기(240)에서 복조된 태그식별정보의 코드를 분석하는데, 이때 데이터 포맷을 변환하고, 필요한 정보를 추출하기 위하여 필터링을 처리한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 사용되는 RFID 태그(300)의 구성요소를 개략적으로 도시한 블록도이며, 도 4에 의하면, 상기 RFID 태그(300)는 태그안테나(310), 수신복조부(330), 송신변조부(340), 전원부(320), 태그제어부(350) 및 태그메모리(360)를 포함하여 구성된다.

상기 태그안테나(310)는 무선 채널을 통하여 정보요청신호를 인입시키거나 신호처리된 태그식별정보를 송출시키는데, 보통 다이폴안테나가 사용된다.

상기 전원부(320)는 상기 수신복조부(330), 태그제어부(350) 및 송신변조부(340)로 전원을 공급하는 장치이다. 상기 RFID 태그(300)는 태그안테나(310) 및 전원부(320)의 구동방식에 따라 능동(active) 방식과 수동(passive) 방식으로 분류되는데, 가령 상기 RFID 태그(300) 및 RFID 리더(200)가 능동 방식으로 동작시에는 400MHz ~ 900MHz 의 주파수 대역을 가지는 UHF 신호가 사용된다.

상기 수신복조부(330)는 상기 인입되는 정보요청신호를 디지털 데이터로 복조하여 상기 태그제어부(350)로 전달하고, 상기 태그제어부(350)는 상기 복조된 정보요청신호의 코드를 분석하여 태그식별정보를 생성한다. 그리고, 상기 태그제어부(350)는 통신프로토콜을 구비하여 상기 RFID 리더(200)와의 무선통신을 제어한다. 이때, 상기 태그메모리(360)는 정보코드체계를 저장하고, 상기 태그제어부(350)는 이를 이용하여 상기 태그식별정보를 생성한다.

상기 송신변조부(340)는 상기 생성된 태그식별정보를 RF신호로 변조하고, 변조된 태그식별정보는 태그안테나(310)를 통하여 상기 RFID 리더(200)로 송출된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 ASK복조기(240)의 구성 요소를 개략적으로 도시한 블록도이다.

도 5에 의하면, 상기 ASK복조기(240)는 저대역필터부(LPF)(242), VGA(Voltage Gain Amplifier)(244), 로그앰프부(246) 및 ADC(Analog to Digital Converter)(248)를 포함하여 구성된다.

상기 저대역필터부(242)는 상기 믹서(230)로부터 전달된 RF 신호(I신호 또는 Q신호)의 저대역 주파수를 필터링 처리하는데, 즉 RF 신호의 전체 주파수 대역 중에서 소정 대역 이하의 주파수 신호만을 추출함으로써 신호 처리의 효율성을 높이게 된다.

상기 VGA(244)는 전압 이득을 증폭함으로써 시간에 따라 변화되는 낮은 입력신호로서의 RF 신호를 복원하기 좋은 상태로 증폭시킨다.

이는 비트 오율을 감소시키고 페이딩 환경에서도 높은 인식률을 가지도록 하는데, 수신 레벨이 약 -90 dBm 구간에서도 안정적으로 신호가 복원되도록 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저대역필터부(242) 및 VGA(244)가 하나의 회로단으로 구성된 회로 형태를 예시한 도면이다.

또한, 상기 로그앰프부(246)는 VGA(244)를 거친 RF 신호를 직류전압신호로 출력하여 레벨을 감지하는 기능을 수행하는데, IQ신호를 직접 데이벨값에 비례한 직류전압신호로 출력시킴으로써 수신 가능한 전력 레벨의 신호 감도 범위를 확장시킬 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로그앰프부(246)가 IC칩을 포함한 회로소자로 구현된 형태를 예시한 도면이다. 또한, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 로그앰프부(246)의 출력단 신호 파형을 측정한 그래프이고, 도 9는 도 8에 의한 로그앰프부(246)의 출력단 신호 파형을 기준으로 출력단과 입력단 레벨의 상관 관계를 도시한 그래프이다.

도 7에 의하면, 상기 로그앰프부(246)는 다수개의 증폭기로 구성되는 증폭단(a), 상기 증폭기와 연결되는 감지기들로 구성되는 감지회로단(b), 감지회로단과 연결되는 오프셋 보상 회로(c), 바이어스 회로(d), 미러 회로(e) 및 출력단증폭부(f)로 이루어진다.

본 발명에 의한 ASK복조기(240)의 회로들은 이러한 로그앰프부(246)를 기반으로 하여 설계되었으므로, 도 8 및 도 9를 참조하면, RFID 태그(300)로부터 수신되는 신호의 전력 레벨 감도가 약 -92 dBm(도 9의 "A"라인)까지 향상되었음을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 ADC(248)가 IC칩을 포함한 회로소자로 구현된 경우의 회로 형태를 예시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 상기 ADC(248)는 로그앰프부(246)에서 레벨이 감지된 RF 신호를 베이스밴드신호로 AD변환시키는 기능을 수행하는데, 로그앰프부(246)에서 RF신호가 직류전압신호로 출력됨에 있어서, SNR(Signal to Noise Ratio)을 최소화 하기 위하여 정궤환 구조를 가지는 비교기(OP앰프)로 구현된다.

즉, 상기 ADC(248)는 RF신호의 진행 경로 상에서 각 구성단의 노이즈 영향을 충분히 낮게 하기 위하여, 히스트레리스 현상을 위한 OP 앰프 설계를 정궤환 구조로 구현한 것이다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 의한 RFID 리더 ASK 복조기에 의하면, 약 -90 dBm 까지 수신 전력레벨이 향상되므로 수신률이 안정적으로 유지되고, 노이즈 영향이 최소화되므로 페이딩 환경에서 ASK 변조 성능이 떨어지는 종래 변조 방식의 문제점을 극복할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 전압 이득 증폭을 통하여 비트 오율을 향상시키고, 히스테리스를 위한 정궤환 비교기 설계를 통하여 페이딩 환경에서 신호를 보다 용이하게 수신할 수 있으므로 전파 환경의 변화가 심한 상태에서도 SNR을 향샹시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. RF 신호에 소정 주파수 신호를 연산하여 IQ신호로 분리하는 믹서;

   상기 믹서로부터 전달된 RF 신호의 저대역 주파수를 추출하는 저대역필터부;

   상기 저대역 필터링된 RF 신호를 직류전압신호로 출력하여 레벨을 감지하는 로그앰프부; 및

   상기 레벨이 감지된 RF 신호를 베이스밴드신호로 AD변환시키는 AD컨버터를 포함하며,

   상기 로그앰프부는

   다수개의 증폭기로 구성되는 증폭단, 상기 증폭기와 연결되는 감지기들로 구성되는 감지회로단 및 감지회로단과 연결되는 오프셋 보상 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더 ASK 복조기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저대역필터부는

   출력단에 볼티지 게인 증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 RFID 리더 ASK 복조기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 AD컨버터는

   정궤환 구조를 가지는 비교기로 구현되는 것을 특징으로 하는 RFID 리더 ASK 복조기.
4. 삭제

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