KR20170002701A - 대역-통과 델타 시그마 변조기를 이용하는 백스캐터 rfid 시스템에서 전용 데이터 채널을 생성하기 위한 장치 - Google Patents

대역-통과 델타 시그마 변조기를 이용하는 백스캐터 rfid 시스템에서 전용 데이터 채널을 생성하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

안테나의 반사 계수에 따라 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나를 포함하는 통신 장치가 개시된다. 통신 장치는 자신의 입력에서 신호를 변조하고 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하는 적어도 하나의 대역-통과 델타 시그마 변조기를 포함하며, 안테나의 반사 계수는 가변 임피던스 회로의 출력에 기초하여 변동된다. 이 통신 디바이스는 RFID 태그들과 같은 애플리케이션들에서 이용될 수 있다.

Description

대역-통과 델타 시그마 변조기를 이용하는 백스캐터 RFID 시스템에서 전용 데이터 채널을 생성하기 위한 장치{APPARATUS FOR GENERATING DEDICATED DATA CHANNELS IN BACKSCATTER RFID SYSTEM USING BAND-PASS DELTA SYGMA MODULATOR}
본 발명은 일반적으로 대역-통과 신호 변조를 이용하여 백스캐터(backscatter) 라디오 주파수 통신 네트워크들에서 전용 데이터 전송 채널들을 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
라디오 주파수 식별(Radio Frequency Identification; RFID) 시스템들은 리더 디바이스 및 적어도 하나의 무선 단말, 또는 태그를 포함하는 근접-장 통신 네트워크에서 아이템들을 로케이팅 및 트래킹하는데 흔히 이용된다. 캐리어 신호를 포함하는 통전 시간(Energized time)-변동 전자기 라디오 주파수(RF) 파들은 주어진 RFID 네트워크 또는 시스템에서 리더로부터 태그들로 전송된다. 태그들은 리더의 RF 신호를 리더로 역으로 반사하도록 백스캐터 기술(backscatter technology)을 이용하여, 데이터를 인코딩 및 전송하도록 신호를 변조한다.
도 1은 태그들(101a-c)로부터 리더 디바이스(103)로의 데이터 전송이 동일한 주파수 채널 또는 스펙트럼(104) 상에서 수행되는 종래 기술의 RFID 시스템을 도시한다. 설정된 백스캐터링 기술을 이용하여, RFID 시스템 또는 네트워크 내의 복수의 태그들 각각은 통상적으로 동일한 백스캐터링된 캐리어 신호 상에서 RF 신호들을 송신한다. 그러므로 각각의 태그로부터의 백스캐터링된 RF 신호들은 주어진 리더 디바이스/RFID 네트워크와 연관된 동일한 RF 스펙트럼 내에서 다른 태그의 백스캐터링된 RF 신호들과 오버랩한다.
결과적으로, 다수의 태그들의 동일한 RFID 리더 디바이스에 의해 통전되고 동시에 주어진 주파수 채널을 이용하여 그 각각의 오버랩하는 신호들을 리더로 역으로 반사할 때 RFID 시스템들 내의 태그 충돌이 발생한다. 따라서 태그 충돌 문제는 매우 다수의 태그들이 동일한 RF 장(field)에서 함께 판독되어야 할 때마다 악화된다. 리더는 동시에 생성된 신호들이 충돌할 때 이들 신호들을 구별할 수 없다. 태그 충돌들은 리더를 혼동하고, 데이터 전송 에러들을 생성하고 일반적으로 RFID 시스템 또는 네트워크 내의 데이터 쓰루풋을 감소시킨다.
다양한 시스템들은 개별 태그들을 분리하도록 제안되었다. 예를 들어, 충돌 에러들의 감소에 목적을 둔 일 기술에서, 태그 충돌이 발생했다고 리더가 인지할 때, 리더는 특별 "갭 펄스(gap pulse)" 신호를 송신한다. 이 신호의 수신 시에, 각각의 태그는 그 데이터를 송신하기 이전에 대기할 인터벌을 결정하도록 랜덤 번호 카운터를 참고한다. 각각의 태그가 고유 번호 인터벌을 얻기 때문에, 태그는 그의 데이터를 상이한 시간들에 송신한다. 그러나 데이터 쓰루풋 레이트의 견지에서 전체 RFID 시스템 성능에 관한 불리한 영향이 여전히 존재한다.
태그가 상태들 간의 임피던스 매칭을 변경함으로써 그의 반사 계수를 변경하는 위상 시프트 키잉(phase shift keying; PSK) 및 진폭 시프트 키잉(amplitude shift keying; ASK)과 같은 이러한 신호 변조 방식을 이용하여, 태그에 의해 수신된 신호를 변조하고 백스캐터링된 변조된 신호를 리더 디바이스에 재방출하는 것은 알려져 있다. 그러나 주어진 주파수 채널 상에서 오버랩하는 백스캐터링된 신호들로부터 발생하는 태그 충돌들의 불리한 효과가 여전히 남아있다.
또한, 특히 고주파수 RF 신호들의 맥락에서, 리더 디바이스의 DC 오프셋의 효과 및 리더의 위상 잡음의 효과들이 있다.
RFID 네트워크들에서 백스캐터링 태그 단말들의 설계는 몇몇 추가의 특별한 과제들을 포함한다. 백스캐터링된 태그 신호는 단지 반사된 신호만을 제공하는 것은 아닌데; 단일-안테나 시스템에서, 리더 디바이스의 전송 안테나로부터 다양한 주변 객체들로 의도되지 않은 반사로 인해, 보통 훨씬 더 많은 신호가 있다. 원치하는 반사된 신호들을 리더 디바이스에서 로컬 발진기 신호와 혼합되고; 이들은 (보통) 변조되지 않기 때문에, 이들은 DC 오프셋들: 믹서로부터 출력된 더 큰 DC 전압들을 생성한다. 다행히도, 원치않는 신호는 DC에 가까운 많은 정보를 포함하지 않는 경우(데이터가 1들 또는 0들의 긴 스트링을 가질 때조차 태그 상태에서 주파수 천이들을 보장하도록 태그 심볼들이 선택되는 한 그러할 것임), 이 오프셋을 필터링하는 것이 간편할 수 있다. 그러나 이것은 일반적으로 바람직하지 않다. 믹서 출력에서의 결과적인 큰 스윙(swing)은 필터링하기 더 어렵고, 수신기가 복구를 위해 몇 마이크로초를 소모할 때까지 태그로부터 임의의 반사를 알아내는 것을 어렵게 한다.
위의 문제는 별개의 전송 및 수신 안테나들(이중상태 구성)을 이용함으로써 개선될 수 있는데; 이 경우에, (단일) 안테나로부터 반사된 신호 대신, 수신기는 통상적으로 반사된 신호보다 훨씬 더 작은, 수신 안태나를 침해한 전송된 신호의 부분만을 다루어야 한다. 약 40dB의 분리가 상업적인 리더에서 흔히 이용되는 큰 이중상태 안테나에 있어서 획득되며, 이는 단일 안테나로부터의 리턴 손실(return loss)보다 20-25dB 더 양호함을 나타낸다. 그러나 한 쌍의 안테나들의 이용은 리더에 대한 비용, 복잡도 및 증가된 공간 요건들을 부가한다. 단일(단상태) 안테나로부터의 반사들을 감소시키기 위한 적응형 안테나 튜너 또는 널러(nuller)가 대안적으로 이용될 수 있지만, 이 해결책은 재차 부가된 비용 및 복잡도를 포함한다.
예를 들어, 리더 디바이스에서 이용되는 바와 같은 발진기들은, 신호의 위상 및 진폭 둘 다가 변동되기 때문에 완벽히 순수한 캐리어 신호를 생성하지 않는다. 위상 잡음은 큰 고정된 반사가 로컬 발진기와 혼합될 때 수신된 신호에서 진폭 잡음으로 변환될 수 있다. 위상 잡음은 보통 혼합 시에 가까운 DC로 변환되는 캐리어 신호의 주파수에 매우 근접한 주파수들에서 가장 높다. 위상 잡음 효과들을 감소시키기 위해, 태그들로부터 원하는 신호를 포함하는 주파수들만을 통과시키는 비교적 좁은 필터를 이용하고 실행 가능한 최고 또는 대역-통과 태그 변조 주파수를 이용하는 것이 바람직하지만, 이는 이용될 수 있는 데이터 스트림들의 타입 밑 변조들의 타입을 제한한다.
인입하는 라디오 주파수(RF) 신호를 백스캐터링(backscattering)하기 위한 안테나 장치가 제공된다. 안테나 장치는 안테나의 반사 계수 특성에 따라 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나, 안테나에 전기적으로 연결되는 출력을 갖는 가변 임피던스 회로, 및 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하고 가변 임피던스 회로에 커플링되는 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기를 포함하고, 안테나의 반사 계수(Γ)는 가변 임피던스 회로의 디지털적으로 제어된 출력에 기초하여 조정된다.
안테나 장치는, 일 실시예에서, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 대역-통과 델타 시그마 변조기의 클로킹이 태그 단말 내의 클록 회로를 통해 생성된다.
대안적인 구성에서, 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 대역-통과 델타 시그마 변조기의 클로킹이 L(여기서 L은 양의 수치값을 나타냄)로 나누어지는 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)에 기초하여 생성될 수 있다.
안테나 장치의 다른 실시예에서, 대역-통과 델타 시그마 변조기의 출력은 반사 계수를 조정하기 위해 2개의 상태들 사이에서 가변 임피던스 회로의 출력을 스위칭한다.
다른 실시예에서, 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내에서 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함할 수 있고 대역-통과 델타 시그마 변조기에 인가되는 입력 신호는 리더 디바이스로부터 인입하는 RF 신호로부터 +/-ω0만큼 오프셋되는 복합 변조 신호(complex modulation signal)로 구성되며, ω0는 인입하는 RF 신호로부터 주파수 오프셋을 나타낸다. 복합 변조 신호는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 중 하나로 구성된다.
안테나 장치의 또 다른 실시예에서, 디지털적으로 제어되는 출력은 대역-통과 델타 시그마 변조기에 대한 동위상 직교(IQ) 상향변환된 신호 입력으로부터 생성된다.
안테나 장치는 다른 실시예에서, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 태그 단말 내부의 클록 회로에 기초할 수 있다.
대안적인 구성에서, 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 M(여기서 M은 양의 수치값을 나타냄)으로 나눠지는 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)를 이용하는 클록 회로에 기초할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상향-변환 변조기는 4로 나눠지는 fs 주위의 데이터를 상향변환하고, 여기서 fs는 대역-통과 델타 시그마 변조기의 샘플링 주파수이다.
다른 구성에서, 상향-변환 모듈에 제공되는 입력 데이터는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 포맷 중 하나로 구성된다.
본 발명은 단지 예로서 다음의 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이다.
도 1은 태그로부터 리더로의 데이터 전송이 동일한 주파수 채널 상에서 수행되는 종래 기술의 RFID 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에서, 백스캐터링에 대한 변동 임피던스를 생성하기 위한 장치를 도치한다.
도 3은 일 실시예에서, 다이렉트 디지털 합성기와 같은 디지털 신호 소스의 주파수만큼 오프셋되는 IQ 신호를 생성하기 위한 장치를 도시한다.
도 4는 다이렉트 디지털 합성기와 같은 디지털 신호 소스의 주파수만큼 오프셋되는 OFDM 신호를 생성하기 위한 장치를 도시한다.
도 5는 데이터 전송이 태그로부터 리더로의 백스캐터를 통해, 전용 주파수 채널들 상에서 수행되는 RFID 시스템의 실시예를 도시한다.
도 6a는 일 실시예에서, QAM 신호를 생성하기 위한 장치를 도시한다.
도 6b는 일 실시예에서, 64QAM 데이터를 생성하는 시스템의 구현을 위한 프로세스를 도시한다.
도 6c는 13dB의 신호 대 잡음 비를 갖는 64QAM 시스템 출력의 성상도 표현을 도시한다.
도 6d는 22dB의 신호 대 잡음 비를 갖는 64QAM 시스템 출력의 성상도 표현을 도시한다.
도 7a는 데이터 레이트 대 전력을 제어하는 표현을 도시한다.
도 7b는 태그와 리더 간의 링크 버짓 대 거리의 표현을 도시한다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같은 변조라는 용어는 라디오 주파수 식별(RFID) 무선 단말, 또는 태그가 정보를 전달하기 위해 리더 안테나의 캐리어 라디오 주파수(RF)를 변경하는 프로세스를 지칭한다. 예를 들어, 위상 변조에서, 리더 디바이스로부터 태그로 전송되는 데이터는 RFID 리더 디바이스에 의해 송신된 캐리어 파의 위상이 변경된 채로 인코딩된다.
도 2는 일 실시예에서, 이를 테면, RFID 네트워크의 리더 디바이스로부터 인입하는 라디오 주파수(RF) 신호를 백스캐터링하도록 안테나(203)에서 변동 임피던스(205)를 생성하기 위해, 패시브 또는 반-패시브일 수 있는, 라디오 주파수 식별(RFID) 통신 네트워크와 같은 무선 통신 네트워크에서의 안테나 장치(200)를 도시한다. RFID 통신 네트워크의 태그 단말의 부분일 수 있는 안테나(203)는 그의 반사 계수(Γ) 특성에 따라 인입하는 리더 디바이스, 또는 캐리어, RF 신호를 백스캐터링한다.
여전히 도 2에 관하여, 안테나(203)로부터 백스캐터링 파를 생성하는데 이용되는 변동 임피던스 회로(205)를 설계하기 위한 일 실시예가 예시된다. 여 기서 임피던스(ΖL)는 제어 비트에 의존하여 2개의 상태들 간에 스위칭된다. 제어 비트가 대역일 때, ΖL은 frf에서 0 임피던스일 것 같고, 백스캐터링 Γ(frf)=1이다. ΖL은 frf 이외의 다른 대역 임피던스를 갖도록 설계된다는 것에 주의한다. 2frf에서 임피던스는 2frf의 폴딩(folding)을 감소시키는데 도움을 준다. 제어가 대역일 때, ΖL>>50옴 이다. 그러므로, Γ=0이고 어떠한 신호도 백스캐터링되지 않는다.
변동 임피던스는 여전히 추가로 백스캐터링된 파에서 위상 시프트를 생성하도록 설계될 수 있다. 즉,
Figure pat00001
여기서 Φ는 2개의 상태들(Φ1 및 Φ2)을 가지며, α는 상수이다. 백스캐터링 임피던스는 이어서 다음에 의해 주어진다:
Figure pat00002
여기서 Ζl는 2개의 상태들(Ζ1 및 Ζ2)를 갖는다. 여기서 Φi는 상태들(Φ1 = 0° 및 Φ2 = 180°)을 갖도록 설계될 수 있다. 여기서 Ζs는 안테나의 임피던스이다. 안테나 임피던스 조정들이 그의 환경에서 주어지기 때문에, 유효 Γ는 단순히 회전되고 스케일링된다. 이는 β가 스케일링 팩터이고, φ가 회전인 Ζsβexp(jφ)로의 ΖS 변경들을 가정함으로써 예시될 수 있다. 그러므로 Γ는 다음과 같이 변경된다:
Figure pat00003
또는,
Figure pat00004
이것이 주어지면, ΖS의 변경은 각각 β-1 및 -φ만큼 Ζ를 스케일링 및 회전하게 된다. 이러한 복합 변조 방식에서, 진폭 보단 오히려 Γ의 위상 변경이 활용될 수 있다.
일 실시예에서, 하나의 필터 또는 더 많은 필터들이 고역-통과, 또는 저역-통과, 델타 시그마 변조기로부터 출력된 대역 잡음의 필터링을 위해 가변 임피던스 회로에 있을 수 있다.
도 3은 동위상-직교(IQ) 신호들이 Γ-ΔΣ 방식(300)을 이용하여 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기를 통해 복합 파형들을 생성하기 위해 어떻게 이용될 수 있는지를 도시하는데; 대역-통과 델타 시그마 변조를 위한 복합 변조 방법 및 장치는 본 명세서에서 "Γ-ΔΣ 방식"으로서 표시되고 이로서 지칭될 것이다. 여기서, 믹서들로의 신호는 fs/4에서 다이렉트 디지털 합성기(DDS)(407) 또는 클록에 의해 IQ 상향-변환된다. 신호들은 이어서 대역-통과 델타 시그마 변조기(302)에 인가된다. 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기(302)는 복합 변조 신호를 생성하기 위해 샘플 레이트(fs)로 인가된다. 본 명세서에서 지칭되는 바와 같이, 대역-통과 델타 시그마 변조기는,
fs/4-BW/2
내지
fs/4+BW/2
의 범위에 이르는 입력 데이터를 나타내는 출력 비트 스트림을 생성하며, 여기서 fs는 대역-통과 델타 시그마 변조기의 샘플링 주파수를 나타내고, BW는 대역-통과 델타 시그마 변조기가 설계된 미리 정의된 대역폭을 나타낸다. 태그 안테나의 복합 IQ 백스캐터링된 신호는 약 frf +/- fs/4일 것이며, 여기서 frf는 RFID 네트워크에서 리더 디바이스 신호의 주파수이다. 출력 비트 스트림이 fs/4만큼 리더 디바이스 신호의 주파수로부터 오프셋되기 때문에, 이들 둘 다는 리더 디바이스에서 DC 오프셋의 효과를 감소시키고 리더 디바이스의 위상 잡음의 효과를 감소시킨다. 이러한 방식으로, 가우시안 최소 시프트 키잉(Gaussian minimum shift keying; GMSK), nPSK, 직교 위상 시프트 키잉(quadrature phase shift keying; QPSK), nQAM 및 OFDM 신호를 포함하는 임의의 타입의 복합 변조가 적용될 수 있으며, 여기서 n은 정수를 나타내고, 대역-통과 델타 시그마 변조기에 인가된 입력 신호는 리더 디바이스의 인입하는 라디오 주파수 신호로부터 +/-ω0 만큼 오프셋되는 복합 변조 신호로 구성되며, 여기서 ω0는 인입하는 RF 신호로부터 주파수 오프셋을 나타낸다.
일 실시예에서, 태그 안테나 장치는, RFID 네트워크 또는 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함할 수 있고, 대역-통과 델타 시그마 변조기의 클로킹이 L(여기서 L은 양의 수치값을 나타냄)로 나눠지는 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)에 기초하여 구동될 수 있다.
추가의 실시예에서, 안테나 장치는, RFID 네트워크 또는 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함할 수 있으며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 태그 단말 내부의 클록 회로에 의해 구동될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 안테나 장치는, RFID 네트워크 또는 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 M(여기서 M은 양의 수치값을 나타냄)으로 나눠지는 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)에 기초하여 클록 회로에 의해 구동될 수 있다.
일 실시예에서, 대역-통과 델타 시그마 변조기(302)의 출력은 RTZ(non-return to zero)일 수 있고, 따라서 데이터가 1101101인 경우, 출력은 10100010100010일 것이며; 각각의 비트 간에 0이 있다는 것에 주의한다. 대안적인 실시예에서, 대역-통과 델타 시그마 변조기(302)의 출력은 NRZ(non-return to zero) 타입 신호일 수 있고; 예를 들어, 데이터가 1101101인 경우, 출력은 1101101이고, 데이터 스트림에 어떤 것도 부가되지 않는다.
도 4는 일 실시예에서, DDS(407)와 같은 디지털 신호 소스의 주파수만큼 오프셋되는 직교 주파수 분할 멀티플렉싱(orthogonal frequency division multiplexing; OFDM) 신호를 생성하기 위한 Γ-ΔΣ 방식(400)을 위한 장치를 도시한다. 믹서들에 대한 입력 신호는 fs/4에서 다이렉트 디지털 합성기(DDS)(307) 또는 클록에 의해 상향-변환된다. 신호들은 이어서 대역-통과 델타 시그마 변조기(402)에 인가된다. 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기(402)는 복합 변조 신호를 생성하도록 샘플링 레이트(fs)로 적용된다.
도 5는 데이터 전송이 태그로부터 리더로의 백스캐터를 통해 대역-통과 델타 시그마 변조를 위한 Γ-ΔΣ 방식의 복합 변조 장치 및 방법을 이용하여 전용 주파수 채널 상에서 수행될 수 있는 RFID 통신 네트워크(500)의 실시예를 도시한다. 고유한 또는 전용 채널들(505, 506, 507)은 RFID 통신 네트워크(500)에서 이용되는 태그들(501a-c)의 각각의 태그에 대해 생성될 수 있다. 생성된 채널들은 주파수(frf+/-fs/4) 근처에 위치될 수 있으며 재차 frf는 리더 디바이스로부터의 캐리어 신호의 주파수를 나타낸다. 태그 단말들(501a-c)의 각각의 태그 단말의 안테나들(503a-c)은 안테나들(503a-c) 각각에 대해 특정한 반사 계수 특성에 따라 이를 테면, 리더 디바이스(502)로부터 인입하는 RF 신호를 백스캐터링한다. 가변 임피던스 회로(도 5에서 도시되지 않음)는 안테나(503a-c)에 전기적으로 연결되는 출력을 갖는다. 대역-통과 델타 시그마 변조기는 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하도록 가변 임피던스 회로의 입력에 커플링되어서, 안테나들(503a-c)의 각각의 안테나의 반사 계수(Γ)는 가변 임피던스 회로의 출력을 변경함으로써 조정될 수 있다.
도 6a는 일 실시예에서, 직교 진폭(QAM) 신호들을 생성하기 위한 변조기 장치(600A)를 도시한다. 입력 데이터 비트들은 I, 및 Q 신호들을 생성하기 위해 LUT(룩업 테이블)(601)에 인가된다. I 및 Q 신호들은 이어서 fs/4로 상향변환되고 이어서 fs로 샘플링되는 대역-통과 델타 시그마 변조기(502)에 인가된다.
도 6b는 일 실시예에서, 64QAM 데이터를 생성하는 시스템을 구현하는 600B 프로세스를 도시한다. 단계(610)에서 인입하는 IQ 데이터는 64QAM 데이터를 생성하기 위해 단계(611)에서 이용된다. 데이터는 이어서 단계(612)에서 업-샘플링되고 단계(613)에서 fs/4로 상향-변환된다. 4차 대역-통과 델타 시그마 변조기는 이어서 단계(614)에서 신호에 적용되어, 특정한 태그 안테나의 반사 계수를 변조할 수 있다. 출력은 이어서 리더에 의해 복조되고, 동반 출력 성상도 주어진 상이한 레벨의 신호 대 잡음(SNR) 비에 대해 플로팅될 수 있다.
도 6c는 13dB의 신호 대 잡음 비를 갖는 64QAM 시스템 출력의 성상도 표현을 도시한다.
도 6d는 22dB의 신호 대 잡음 비를 갖는 64QAM 시스템 출력의 성상도 표현을 도시한다.
도 6c 및 도 6d의 성상도들은 대역-통과 델타 시그마 변조기를 포함하는 Γ-ΔΣ 방식을 적용함으로써 생성되는 64QAM 변조를 도시한다. 성상도들은 태그 안테나로부터의 출력, 즉 대역-통과 델타 시그마 변조기가 구동하고 이어서 리더 디바이스에 통과시키는 것을 취함으로써 생성된다. 리더 디바이스는 리더 디바이스의 캐리어 신호 RF 주파수를 이용한 하향-변환, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 데이터의 디지털화하는 것, 이어서 데이터를 다운-샘플링하고 디지털 필터에 통과시키는 것, 마지막으로 IQ 데이터를 복조하는 것을 수행한다. 도시된 도 6c 및 도 6d의 성상도 플롯들은 복조된 데이터를 나타낸다.
이를 테면, 대역-통과 델타 시그마 변조기를 구동하기 위해 무선 태그 단말에 의해 활용되는 클로킹 기능(clocking function)에 관하여, 클로킹 기능의 생성은 RFID 네트워크의 리더 디바이스에 의해 제공되는 인입하는 RF 캐리어 신호의 주파수에 기초하여 클록 회로 생성을 통해 또는 태그 리더 내의 클록 회로에 의해 제공될 수 있다.
예를 들어, 클록으로서 리더로부터의 신호들을 이용하는 예에서, 리더는 frf에 있는 경우, 태그에 의해 이용되는 클록은 frf 또는 임의의 주파수, frf/N(즉, frf가 클록을 생성하기 위해 N으로 나누어짐)일 것이며, 여기서 N은 몇몇 정수이다.
도 7a는 데이터 레이트 대 전력을 제어하는 표현을 도시한다. 태그와 리더(r) 간의 거리에 기초하여 변조 타입 및 데이터 레이트에 의존하는 전력 관리 시스템이 소개될 수 있다. 리더가 충분히 근접하게 되면(즉, r<rmin), 태그는 턴 온되기에 충분한 전력을 획득한다. rmin으로부터 rcritical까지, 태그는 느린 클록 및 ASK 또는 PSK를 이용하여 전송한다. r<rcritical이면, 태그는 64QAM을 이용하여 전송하기 시작할 수 있다. RF 백스캐터링 기술에 대해, 태그에 의해 수신된 전력(즉, PRX(r))는 다음에 의해 주어진다:
Figure pat00005
여기서 λ는 캐리어 신호의 파장이고, r은 태그와 리더 간의 거리이고, PTX는 전송기의 전력이고, GTX는 리더의 안테나 이득이고, GRX 는 태그의 안테나 이득이다. 태그로부터 변조된 전력은 이어서 리더에 의해 수신된다.
도 7b 는 태그와 리더 간의 링크 버짓 대 거리의 표현을 도시한다. 태그와 리더 간의 링크 버짓은 태그-리더 거리의 함수로서 도시된다. 태그에 의해 수신된 전력은 태그가 리더로부터 더 멀리 이동함에 따라 감소된다. 몇몇 이러한 위치에서, 태그의 백스캐터 전력은, 그것이 리더로 역으로(back) 이동할 때 감쇄한다. 신호 대 잡음비(SNR)는 리더 내의 발진기의 위상 잡음을 극복하고 리더에 의해 수신되는 전력에 의해 주어진다.
예를 들어, 리더로부터 오는 전력이 (1/r^2)로서 감소하기 때문에, 복합 변조 기술은 리더가 근접하게 될 때 적용될 수 있다. 리더가 더 멀어질 때, 더 낮은 변조들이 이용될 수 있다. 복합 변조의 적용은 더 높은 SNR 및 더 많은 전력을 요구한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 패시브 및 반-패시브 RFID 통신 네트워크들에 관하여 본 명세서에서 설명되었지만, 본 명세서에서 제시된 해결책들은 다른 양상들의 무선 통신에 적용될 수 있다는 것이 고려되며, 실제로 당업자에 의해 이해될 것이다. 이에 따라, 당업자는 본 명세서에서 설명된 특정한 실시예들이 예 시적이지만, 반드시 포괄적(comprehensive)이진 않다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 다른 다양한 변형들의 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이 당업자들 의해 이루어질 수 있다.

Claims (30)

  1. 인입하는 라디오 주파수(radio frequency; RF) 신호를 백스캐터링(backscattering)하기 위한 안테나 장치에 있어서,
    안테나의 반사 계수 특성에 따라 상기 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나;
    상기 안테나에 전기적으로 연결되는 출력을 갖는 가변 임피던스 회로; 및
    상기 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하고 상기 가변 임피던스 회로에 커플링되는 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기
    를 포함하고,
    상기 안테나의 반사 계수(Γ)는 상기 가변 임피던스 회로의 디지털적으로 제어되는 출력에 기초하여 조정되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 클로킹이 상기 태그 단말 내의 클록 회로를 통해 생성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 클로킹이 L(여기서 L은 양의 수치값을 나타냄)로 나눠진 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)에 기초하여 생성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 출력은 상기 반사 계수를 조정하기 위해 2개의 상태들 사이에서 상기 가변 임피던스 회로의 출력을 스위칭하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내에서 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하고, 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기에 인가되는 입력 신호는 상기 리더 디바이스로부터 상기 인입하는 RF 신호로부터 +/-ω0만큼 오프셋되는 복합 변조 신호(complex modulation signal)로 구성되며, 여기서 상기 ω0는 상기 인입하는 RF 신호로부터의 주파수 오프셋을 나타내는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복합 변조 신호는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 중 하나로 구성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 출력은 RTZ(return to zero) 타입 신호 및 NRZ(non-return to zero) 타입 신호 중 하나인 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털적으로 제어되는 출력은 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기에 대한 동위상 - 직교(in-phase - quadrature; IQ) 상향변환된 신호 입력으로부터 생성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 상기 태그 단말 내부의 클록 회로에 기초하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는, 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향-변환 변조기로부터의 데이터의 생성이 M(여기서 M은 양의 수치값을 나타냄)으로 나눠지는 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)를 이용하는 클록 회로에 기초하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상향-변환 변조기는 4로 나눠지는 fs 주위의 데이터를 상향변환하고, 여기서 fs는 대역-통과 델타 시그마 변조기의 샘플링 주파수인 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    IQ 상향-변환 변조기에 대한 데이터 입력은 샘플링되지 않은 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상향-변환 모듈에 제공되는 입력 데이터는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 포맷 중 하나로 구성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기로부터 출력된 대역 외 잡음(out of band noise)을 필터링하기 위해 상기 가변 임피던스 회로에 있는 적어도 하나의 필터 디바이스를 더 포함하는, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 장치는 리더 디바이스를 포함하는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템의 태그 단말에 포함되고, 상기 안테나 장치는 상기 태그 단말이 상기 리더 디바이스의 미리 결정된 임계 거리 내에 있을 때만 RF 신호들을 백스캐터링하도록 활성화되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 안테나 장치.
  16. 인입하는 라디오 주파수(radio frequency; RF) 신호를 백스캐터링(backscattering)하기 위한 방법에 있어서,
    안테나에 전기적으로 연결되는 출력을 갖는 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하도록 대역-통과 델타 시그마(ΔΣ) 변조기를 동작시키는 단계;
    상기 안테나의 반사 계수 특성(Γ)을 상기 가변 임피던스 회로의 디지털적으로 제어되는 출력에 기초하여 조정하는 단계; 및
    상기 안테나의 반사 계수 특성에 따라 상기 안테나에 의해 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하는 단계를 포함하는, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며,
    상기 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법은, 상기 태그 단말 내의 클록 회로를 통해 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기를 클로킹하는 단계를 더 포함하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며,
    상기 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법은, 양의 수치값 L로 나눠진 상기 인입하는 RF 신호의 캐리어 주파수(frf)에 기초하여 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기를 클로킹하는 단계를 더 포함하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가변 임피던스 회로의 출력을 디지털적으로 제어하는 것은, 반사 계수를 조정하기 위해 2개의 상태들 사이에서 상기 가변 임피던스 회로의 출력을 스위칭하는 것을 포함하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  20. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하고, 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기에 인가되는 입력 신호는 상기 리더 디바이스로부터 상기 인입하는 RF 신호로부터 +/-ω0만큼 오프셋되는 복합 변조 신호(complex modulation signal)로 구성되며, 여기서 상기 ω0는 상기 인입하는 RF 신호로부터의 주파수 오프셋을 나타내는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 복합 변조 신호는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 중 하나로 구성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  22. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 출력은 RTZ(return to zero) 타입 신호 및 NRZ(non-return to zero) 타입 신호 중 하나인 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  23. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    동위상 - 직교(in-phase - quadrature; IQ) 상향변환된(up-converted) 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기에 IQ 상향변환된 신호를 입력하는 단계를 더 포함하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 상기 IQ 상향변환된 신호를 생성하는 것은 상기 태그 단말 내부의 클록 회로에 의해 생성된 클록 신호에 기초하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, IQ 상향변환(up-conversion)으로부터의 데이터의 생성은 M(여기서 M은 양의 수치값을 나타냄)으로 나눠진 상기 리더 디바이스의 캐리어 신호 주파수(frf)를 이용하는 클록 회로에 기초하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 IP 상향변환된 신호를 생성하는 단계는 데이터 입력 신호를 fs/4로 상향변환하는 단계를 포함하고, 여기서 fs는 상기 대역-통과 델타 시그마 변조기의 샘플링 주파수인 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    IQ 상향-변환 변조기에 대한 데이터 입력은 샘플링되지 않은 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상향-변환 모듈에 제공되는 입력 데이터는 GMSK, QPSK, nPSK, nQAM, 및 OFDM 신호 포맷 중 하나로 구성되는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  29. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대역-통과 델타 시그마 변조기로부터 출력된 대역 외 잡음(out-of-band noise)을 필터링하도록 필터 장치를 동작시키는 단계를 더 포함하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
  30. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 라디오 주파수 식별(RFID) 시스템 내의 리더 디바이스에 전자기적으로 커플링되는 태그 단말의 부분을 포함하며, 백스캐터링된 RF 신호를 보내는 것은 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위해 사용된 상기 태그 단말이 리더 디바이스의 미리 결정된 거리 내에 있을 때만 발생하는 것인, 인입하는 RF 신호를 백스캐터링하기 위한 방법.
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