TW498289B - Bandwidth efficient pulse processor for RFID data communication - Google Patents

Description

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在射頻辨識（RHD)系統中，資料被傳送到、並健存在 RFID標籤上。發射器或.·詢問器，.必須必須藉由以一特 定載波頻率、及以接近載波頻率的一頻帶來廣播，而把命 令和資料送到駐留在-RF標藏上的詢答IHC。所傳輸的 頻帶普通參照為系統之傳輸頻帶寬度。 立法者藉由把限制加到汉!^傳輸之幅度和頻率上而控 制RC頻譜之使用。最終地，RFID系統之設計者必須限制 IRHD詢問器發出的頻帶寬度和位準。此限制直接衝 擊系統之性能，特別是資料速率和傳輸範圍。 在R FID命令發訊上的挑戰係在一有限傳輸頻帶寬 度、載波激勵接收器和最佳化資料通過率間建立一有效折 衷0 i ---·—#. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) έί-r —

本發明之;^ i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

本發明提供一種詢問器，用來縮減為把一命令或控制 信號傳送到一射頻辨識詢答器所需的頻帶寬度。此詢問器 包括一載波信號產生器、用一成形脈衝包封把載波信號調 又的調變為、及把經調變載波信號傳送到詢答器的_發 射器。經調變載波信號導致縮減的傳輸信號頻帶寬度。在 本發明之一較佳實施例中，該成形脈衝包封係一正弦包 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 4 ▲ A7 B7 五、發明說明（2 ) --------- 封，且經調變載波信號係一經提升餘弦調變信號。 簡單描沭 前述概要以及本發明之較佳實施例的下面詳細描述當 與附圖連結讀取時將較佳瞭解。為了說明本發明，圖式中 顯示有目前較佳的實施例。然而請瞭解到，本發明不限於 所顯示的精確配置和器件。圖式中： 第ί A圖係沒有符號間戒護的一習知技術脈衝位置調 變系統之時間相對幅度圖； 第1B圖係有符號間戒護的一習知技術脈衝位置調變 系統之時間相對幅度圖； 第2 A圖係一習知技術載波信號之頻率相對幅度圖； 第2B圖係依據本發明的一載波信號之頻率相對幅度 圖； 弟3圖係依據本發明的載波信號之時間相對幅度圖； 第4圖係依據本發明之一較佳實施例的一詢問器之結 構圖； 第5圖係第4圖之詢問器的一發射器之結構圖； 經濟部智慧財產局負工诮費合作社印製 第6 A圖係一習知技術載波間隙調變設計之功率頻譜 密度圖；及 第6 B圖係依據本發明的一經提升餘弦包封調變設計 之功率頻譜密度圖。 本發明之詳細描述 某些語詞在此使用只為了方便而不是用來限制本發 明。圖式中，縱貫幾個圖式，相同參考單字被使用來指定 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 498289 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 相同元件。 本發明提供一種脈衝處理器電路，用來在脈衝位置調 反系統中使帛，以藉由把一正弦調幅響應加諸在用來遠距 激勵和發訊一 RFID詢答器的射頻（RF)載波上，而使傳輸 的諧波成份最小化。 低成本的RFID標籤由來自一詢問器或“讀取器·，的電 或磁場來激勵。如可銘感的，詢問器傳輸係受RFm詢答 益電路之電力需要限制。亦即，詢問器之傳輸信號激勵詢 答器電路，同時把資料提供給該電路。 在可送出資訊並把它儲存在RnD標籤上的RFID系統 中，詢問器必須藉由以-特定載波頻率和以接近該載波的 頻TT把叩々和資料送到駐留在一 RF標籤上的詢答器 電路之詢答HIC—普通習知技術發訊方法係“定距亦 即’以使用來把命令和資料從詢問器傳播到耵標籤之詢 答器電路的一時間分隔系列之間隙來短暫載止載波。 使用定距方法的習知技術系統之性能受限於r f】d詢 答器必須能夠在載波傳輸間隙期間維持功能。在間隙期 間’詢答器電路必須操作在非定距期間中自灯載波獲得 的内容儲存之保留上。當傳輸間隙加寬時，詢答器電路操 帶）偏離載波越多。 另外’普通使用符號間的-戒護時間使得在兩相鄰間 隙之情形中’各個別間隙之起點可由詢答器電路解決。此 戒護時間限制有效的資料傳輸率。第以圖顯示有PPM(脈 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I « eifl n n ϋ n 6— in 一 of · .ϋ n i__HB n 率 498289 五、發明說明（4 ) 經濟部智慧財產局1工销費合作社印製 衝位置調變’亦即，在構成各個別我把傳輸的符號 的四個相等時隙中之_個中的脈衝之位置）的_2位元符於 序列队如卜在第㈣中’沒有一戒護頻帶的，^ 隙：到’〇,間隙中。在第1B圖巾，有戒護頻帶，間隙清楚。 同柃，傳輸14四個符號的整個時間因戒護頻帶之需要而較 大。 Λ 本發明提供克服電力傳遞和頻帶寬度需求間的衝突、 並有消除符號間戒護時間需求之優點的詢問器和相關聯信 號處理設計。 藉由使用一正弦包封來取代發訊間隙，可符合上述三 個需求。第2Α圖說明如普通由習知技術系統使用的一載 波間隙。第2Β圖說明具有和寬隙相同的基頻、但允許標 籤自此中描述的電磁場獲得能量之一正弦包封。 可從RF載波獲得的電力直接與載波之幅度相關，並 自載波獲得期間能量。為了容易計算，假設2 π時間單位 的一間隙區間。在針對此時間區間的一非經調變載波下的 面積係2*2 7Γ =4 7Γ。在間隙下的面積係〇*2疋，對於在 發訊期間沒有可獲得能量。在經提升餘弦調變載波下的面 積係由下式表示： J(2 - cos/)c// J(2-cos/y,+ J(2 一 c〇s/)c// 2π 此式給予越過非經調變載波的50%之脈衝調變的平均值使 RFID 1C可自其中獲得能量。 頻帶寬度效率來自兩因數。亦即，（1)因在調變期間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I--裝 i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I-!· •線·

498289 五、發明說明（5) 可獲得能量而允許的較寬等效間隙給卜較低基頻，及⑵ 在間隙包封之正方邊緣中的高頻成份不出現在正弦包封。 再者，本發明中的設計消除符號間戒護時間之需要。 因此，在本發明中無需或不使用戒護頻帶。使用來自第 圖的相同例之符號序列，τ清楚解決在符號間彡界上的相 鄰脈衝。如第3圖中顯示的’由於每單位時間所增加符號 通過率的性能提升被達成。 數位信號係二進位的，意指它們具有的不同邏輯 狀態。連續二進位信號之頻譜成份包含基頻、及該頻率之 諧波。這些諧波可從基頻遠遠伸出，並可在不需要發射上 出現問題。藉由有效移掉諧波發射或將其最小化，一二進 位幅度移變鍵控（ASK)系統可在最大幅度和頻帶寬度或接 近它來運作。 詢問器硬體 二進位（on/off)脈衝由一系統“平順化”，其用近似一 正弦響應的一合成波形來取代邏輯狀態中的陡然轉移。此 正弦響應被選擇因為低（理想上零）的諧波頻率成份。本發 明數量上調整整個系統之時域響應，包括補償調變器、發 射器、和天線中的非線性。最終結果係頻域中的低諧波成 份。 第4和）圖顯示本發明之一較佳實施例。第4圖係脈衝 形成益電路之方塊圖，且第5圖係有適當調變輸入的£級 發射器之方塊圖。 請參考第4圖，一較佳電路1〇使用一光纖輸入12來接 本紙張尺度朝+國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) I----.II--------------------線 (tt*先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 498289

A7 B7 五、發明說明（6) .-------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 收由一可程式邏輯裝置（PLD) 14解碼的一脈寬調變（PWM) 信號。PLD 14控制系統之動作。PWM信號可使用來規定 調變信號之幅度、頻率和相位。在如此規定上的唯一限制 係PLD和ROM空間上的資源。本發明可可適於使用一紅外 線（IR)、配線、光隔離、RF、或其他型式之輸入。輸入係 用較佳提供免除雜訊的如一施密特觸發器16之裝置來檢 知0 --線· 可程式邏輯裝置（PLD)14接收來自脈衝接收器的輸 入。它實施一二進位計數器，以在電路“詢查”來自ROM 中的經取樣正弦數值表的數目時，透過一唯讀記憶體 (R0M)18 (在此為一組EEPROM)來定序。亦即，EEPROM 保持用於正弦波形的一詢查表。為了電磁相容性（EMC)及 /或電磁干擾（EM I)，二進位計數器可用把在連續時鐘週 期上的位元轉移數目最小化、理想上對每一時鐘只提供一 位元轉移的一經修正灰階來實施。此時鐘可為一固定頻 率、或可用雜訊或分立信號來調變，以藉由“散佈”不期望 放射之頻譜而縮減偽造放射之峰值。 經濟部智慧財產局肩工消費合作社印製 PLD 14也提供用來檢索ROM 18之控制信號、及在DAC 20中的一數位至類比轉換器（DAC)功能。PLD 14也根據脈 寬調變（PWM)輸入信號，在對於經平順化輸出脈衝的至少 兩不同脈衝寬度間做選擇。 使用在此實施例中的EEPROM 1 8係位元組寬，並具 有一 14位元位址匯流排；因此它們係16K X 8。當DAC 20 接受12位元資料時，EEPROM 18對組被使用來固持正弦 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧叶產局員工消費合作社印製 498289 A7 B7__ 五、發明說明（7 ) 值之上4和下8位元。也可使用EEPROM以外的其他形式記 憶體，包括動態RAM(DRAM)、靜態RAM(SRAM)、快閃 記憶體、及諸如FRAM或FeRAM的氧鐵電型式記憶體。可 .使用如SRAM的較快依電性記憶體以在程式控制下來改變 脈衝形狀參數、或提供較快的詢查時間，且在本發明之範 脅内。 對於此應用，一電流模式DAC被使用來把來自記憶 體的12位元整數值轉換成一類比電流。本發明也可使用可 為不同數目之量化位準的電壓模式輸出DAC。 一運算放大器電路22實施一電流至電壓轉換，並把信 號放大。另一運算放大器24被使用來把信號低通過濾，並 移掉出現在經取樣正弦波中的不期望諧波。一 NPN型之雙 極接合面電晶體（BJT)被使用來控制流到最後級段放大器 之電流。此係藉由控制基極電流、且因此射極電流而完成。 此電流放大器普通參照為一“通過電晶體，，，如它將針對發 射器放大器通過所有的電流。它也用來逐漸戴止流到最終 發射器之電流。雖然較佳實施例使用BJT，諸如金屬氧化 FET (MOSFET)、接合面FET(JFET)、絕緣閘極雙極電晶 體（IGBT)或其他閘結裝置也很合適。電路可針對不同資料 速率以可變脈寬來運作。 第5圖顯示RFID發射器之方塊圖28。較佳實施例使用 係一經修正E級發射器的一切換發射器，如在名為··用於 電抗性負載的驅動電路·，的美國專利第5,926,093號（Bowers 等人）中描述的，其内容在此被合併參考。在較佳組態中， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2iQ x 297公爱） 10 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-----------線· 498289

經濟部智慧財產局負工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（8) 調變電壓Vm()d被顯示來直接驅動MOSFET汲極。 藉由改變Vm()d和流到M〇SFE丁切換放大器的電流，本 發明在激勵和減能輸出裝置上產生一經數量控制的平順轉 移。就是此漸進、正弦波轉移允許系統在或接近由個別立 法者允許的最大頻帶寬度、及在或接近最大放射位準處來 運作。藉由在時域中產生一正弦波響應來消除數位信號之 諧波而使這為可能。 第6 A圖係一習知技術載波間隙調變設計之功率頻譜 在度圖’且第6B圖係依據本發明的一經提升餘弦包封調 變設計之功率頻譜密度圖。請參考第6a和6B圖，本發明 提供明顯較少的諧波成份’並因此為一貪頻帶寬度^有效設 丄 / d、. 計。 本發明之範疇不限於使用正弦包封，而也包括使用來 取代一載波間隙包封的其他形式之成形脈衝包封。一經提 升調變的載波係較佳的成形信號。一梯形信號係一替換實 施例。 那些熟知該技術者將銘感到，可對上述實施例做改變 而不偏離其廣闊發明觀念。因此請瞭解到本發明不限於揭 露的特定實施例，而意圖涵蓋在本發明之精神和範疇内的 修正。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 498289 A7 B7__ 五、發明說明（9 ) 元件標號對照 10…較佳電路 12…光纖輸入 14…可程式邏輯裝置（PLD) 16…施密特觸發器 18…唯讀記憶體（ROM) 20…數位至類比轉換器（DAC) 22、24…運算放大器 26…雙極接合面電晶體（BJT) 28 — RFID發射器 (免先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 12

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .一種詢問器，用來縮減為把一命令或控制信號傳送到 一射頻辨識詢答器所需的頻帶寬度，該詢問器包含： 一載波信號產生器； 一調變器’其用一成形脈衝包封把載波信號調變； 及 一發射器，其把該經調變載波信號傳送到該詢答 器’該經調變載波信號導致一縮減的傳輸信號頻帶寬 度。 2·依據申請專利範圍第1項的詢問器，其中該成形脈衝包 封係一正弦包封，且該經調變載波信號係一經提升餘 弦調變信號。 3. 一種縮減頻帶寬度之方法，用來縮減為把一詢問器之 一命令或控制信號傳送到一射頻辨識詢答器所需的頻 帶寬度，該方法包含： 該询問器產生一載波信號； 用一成形脈衝包封把該載波信號調變；及 把該經調變載波信號傳送到該詢答器，其中該經 調變載波信號導致一經縮減傳輸信號頻帶寬度。 4·依據申請專利範圍第3項的方法，其中該成形脈衝包封 係一正弦包封，且該經調變載波信號係一經提升餘弦 調變信號。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂—— 線丨 13