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Full and Half Duplex procedure

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Presentation on theme: "Full and Half Duplex procedure"— Presentation transcript:

1 Full and Half Duplex procedure
Use an electronic microchip with data storage capacity of up to a few kilobytes Data-carrying device : Data transfer between the transponder and a reader Half Duplex (HDX) Full Duplex (FDX) Similar to the modulated cross-section procedure in radar technology < 30MHz Load modulation Simple circuitry Harmonic Procedure Sub-harmonic Procedure 3.2 전이중(full duplex) 및 반이중(half duplex) 방식 HDX는 트랜스폰더에서 리더로의 데이터 전송과 리더에서 트랜스폰더로의 데이터 전송이 번갈아 가면서 일어난다 FDX에서 트랜스폰더에서 리더로의 데이터 전송은 리더에서 트랜스폰더로의 데이터 전송과 동시에 일어난다 HDX/FDX는 모두 리더로부터 트랜스폰더로의 에너지 전송이 연속적이라는 사실, 즉 데이터 흐름의 방향에 독립적이라는 공통점을 갖고 있다. 순차적 시스템(SEQ)에서 트랜스폰더로부터 리더로의(펄스 동작에서 펄스 시스템으로) 에너지 전송은 제한된 주기로 일어난다. 트랜스폰더에서 리더로의 데이터 전송은 트랜스폰더로 전력이 공급되는 중간에 생긴다. HDX Sequential System (SEQ) Reader Transponder FDX

2 Full and Half Duplex procedure
펄스 시스템은 (데이터 전송 관점에서) 종종 반이중 시스템으로 불리기도 함 Down link : data transfer from the reader to the transponder

3 Inductive Coupling Power supply to passive transponders
weak transformer-type coupling DC Power Generation Magnetic field H Reader Rectification 유도성 결합 트랜스폰더는 보통 단일 마이크로칩의 전자 데이터 전송 기기와 안테나 기능을 갖는 큰 면적의 코일로 이뤄진다. 유도성 결합 트랜스폰더는 거의 대부분 수동형으로 동작한다. 이것은 마이크로칩의 동작을 위한 모든 필요 에너지를 리더가 제공한다는 것을 의미한다(그림 3.13). 이런 이유 때문에 리더의 안테나 코일은 강하고 높은 주파수의 전자기장을 발생하는데, 이것은 코일의 단면적과 코일 주변의 면적을 관통한다. 사용되는 주파수 범위의 파장이 리더의 안테나와 트랜스폰더 간의 거리보다 몇 배 더 크기 때문에 전자기장은 트랜스폰더와 안테나 간의 거리를 고려한 단순 교류 자기장으로 다룰 수도 있다(더 상세한 내용은 절 참조). 리더의 안테나 코일과 병렬로 연결된 커패시터 Cr의 커패시턴스는 리더의 전송 주파수와 일치하는 공진주파수를 갖는 병렬 공진 회로를 형성 트랜스폰더의 안테나 코일과 커패시턴스 C1은 리더의 전송 주파수를 조정하는 공진회로를 형성한다. 트랜스폰더 코일에서의 전압 U는 병렬 공진 회로의 공진에 의해 최고로 도달한다. 트랜스포머 모델 리더와 트랜스폰더의 안테나 코일 간의 전력 전달의 효율은 동작 주파수 f, 감긴수(number of windings) n, 트랜스폰더 코일이 차지하는 면적 A, 두 코일이 이루는 각도, 그리고 두 코일간의 거리에 비례한다 Transponder Resonance Capacitor Resonance Capacitor trimming cap. to compensate for resonance frequency manufacturing tolerances 135 kHz Typical windings 13.56MHz Typical 3-10 windings

4 Inductive Coupling 트랜스 포머 결합 : 두 코일의 배치는 약결합인 경우 트랜스포머로 결합으로 설명, 리더와 트랜스폰더의 안테나 코일 간의 전력 전달의 효율은 동작 주파수 f, 감긴수(number of windings) n, 트랜스폰더 코일이 차지하는 면적 A, 두 코일이 이루는 각도, 그리고 두 코일간의 거리에 비례한다. 윗 그림 설명 : 유도성 결합 트랜스폰더의 여러 가지 설계 모양. 사진은 플라스틱 하우징이 주입되기 전의 트랜스폰더를 보여준다 Different designs of inductively coupled transponders. The photo shows half finished transponders, i.e. transponders before injection into a plastic housing (reproduced by permission of AmaTech GmbH & Co. KG, D-Pfronten)

5 Inductive Coupling 사용주파수, 코일의 turn수, 유도 전압과의 관계 : 주파수 f가 증가할수록, 트랜스폰더 코일에 필요한 코일 인덕턴스와 감긴 수 n은 감소한다(135kHz: 보통 회, 13.56MHz: 보통 3-10회). 트랜스폰더에 유도된 전압이 여전히 주파수 f에 비례하기 때문에(4장 참조), 감소된 감긴 수는 더 높은 주파수에서 전력 전달의 효율에 영향을 거의 주지 않는다 그림 설명 : 통합 안테나를 갖는 주파수 범위 <135kHz인 유도성 결합 트랜스폰더용 리더 Reader for inductively coupled transponder in the frequency range <135 kHz with integral antenna (reproduced by permission of easy-key System, micron, Halbergmoos)

6 Modulation product by load modulation with subcarrier
Data Transfer : transponderreader Transponder Magnetic field H Binary Code Signal, subcarrier freq. (fs) 리더 안테나 위에 있는 트랜스폰더의 궤환 결과는 리더의 안테나 코일에서의 변환된 임피던스 ZT로 나타낼 수 있다. 트랜스폰더 안테나에서의 부하 저항을 on과 off로 스위치함으로써 임피던스 ZT에서의 변화를 가져오며, 따라서 리더 안테나에서의 전압 변화가 생긴다( 절 참조). 이것은 멀리 떨어져 있는 트랜스폰더에 의한 리더 안테나 코일에서의 전압 UL의 진폭 변조 효과를 갖는다. 부하 저항이 on과 off로 스위치되는 시간이 데이터에 의해 제어된다면 이 데이터는 트랜스폰더에서 리더로 전송될 수 있다. 이 데이터 전송 형식을 부하 변조(load modulation)라고 부른다. 부반송파(subcarrier)를 갖는 부하 변조 트랜스폰더에서의 추가적인 부하 저항이 매우 높은 기본 주파수 fS에서 on과 off로 스위치 된다면 리더 fREADER의 전송 주파수 근처에 ±fS의 거리에서 두 주파수 신호가 생성된다.  무선 기술 용어에서는 새로운 기본 주파수를 부반송파라고 부른다. Load modulation Modulation product by load modulation with subcarrier Generation of load modulation in the transponder by switching the drain-source resistance of an FET on the chip. signal

7 Data Transfer Example : circuit-load modulation with subcarrier
13.56MHz Subcarrier (212 kHz) /64 Divider NAND Full-wave Rectifier SW w.r.t output of IC3a Q : TP 가 Reader기로 너무 가까이 가면 ? 윗그림 : 부변조파를 갖는 부하 변조를 사용하는 트랜스폰더에 대한 회로 예 동작 주파수 : MHz, 부반송파 : 212 kHz 동작 원리 설명 리더의 교류 자기장에 의해 안테나 코일 L1에 유도된 전압은 브릿지 정류기(D1-D4)를 사용하여 정류  전압 공급 C1 : 평활 작업 병렬 정류기(ZD 5V6) : 공급 전압의 증가를 방지 높은 주파수 안테나 전압(13.56 MHz)의 부분은 주파수 분배기의 보호 저항(R1)을 통해서 타이밍 입력(CLK)으로 움직이고 트랜스폰더에 내부 클럭 신호의 발생을 위한 기본을 제공한다. 4024 : 26(=64)로 나눠진 후에 212 kHz의 부반송파 클럭 신호는 출력 Q7에서 사용 가능하다. 데이터 입력(DATA)에서의 직렬 데이터 흐름에 의해 제어되는 부반송파 클럭 신호는 스위치(T1)로 통과 만일 HIGH 로직 신호가 데이터 입력(DATA)에 존재하면 부반송파 클럭 신호는 스위치(T1)을 통과 부하 저항(R2) : 부반송파 주파수에 따라 on과 off로 스위치 임의로 표현된 회로에서 트랜스폰더 공진 회로는 MHz에서 커패시터 C1으로 공진 발생.

8 Example : Subharmonic Procedure
Inductive Coupling Example : Subharmonic Procedure Basic circuit of a transponder with subharmonic back frequency 128 kHz 64 kHz Subcarrier (64 kHz) 부고조파 방식 부고조파 전송 방식에서, 보통 2분주 된 이차 주파수 fB는 트랜스폰더로부터의 데이터열과 변조된후, 변조된 신호는 출력 드라이버를 통해 트랜스폰더 안테나에 되돌려 급전된다. 예 : 동작 주파수 128 kHz를 2분주하여 64 kHz로 트랜스폰더 응답 주파수로 사용 윗 그림 설명 : 부고조파 후방 주파수를 갖는 트랜스폰더의 기본 회로. 수신된 클럭 신호는 두 개로 분리된다. 데이터는 변조되고 탭을 통해 트랜스폰더 코일에 급전된다

9 Electromagnetic Backscatter Coupling
Q : RFID의 인식거리를 넓히고자 한다. 사용 주파수와 인식거리와의 관계는 ? RFID systems in which the gap between reader and transponder is greater than 1m Long-range systems UHF frequencies : 868 MHz (Europe), 915MHz (USA) 908.5~914MHz (Korea) Short Wavelength Microwave frequencies : 2.5GHz, 5.8GHz ANT size & Efficiency Free space path loss 전자기 역산란 결합 리더와 트랜스폰더 사이의 간격이 1m 이상인 RFID 시스템을 장거리 시스템이라고 부른다. 이러한 시스템들은 868 MHz(유럽)과 915 MHz(미국), 마이크로파 주파수인 2.5 GHz 및 5.8 GHz의 UHF 주파수에서 동작한다. 이러한 주파수 범위의 단파장은 30MHz 이하의 주파수 범위에서 사용 가능한 것보다 훨씬 더 작으면서 효율은 더 높은 안테나의 구조로 만들어 준다. Free space path loss aF at different frequencies and distances. the transponder’s antenna gain : (dipole), the reader’s antenna gain : 1 (isotropic)

10 Active Transponder antenna Lithium batteries
능동형 트랜스폰더 개념 : 15m까지의 긴 거리를 얻거나 받아들일 수 있는 범위에서 큰 전력 소모로 트랜스폰더 칩을 동작시킬 수 있도록 하기 위해서, 역산란 트랜스폰더는 종종 트랜스폰더 칩에 전력을 공급하는 배터리를 갖는다. 이 배터리의 전력 소모를 작게 하기 위해, 마이크로칩은 보통 전력을 절약하는 ‘파워 다운’ 혹은 ‘대기’ 모드를 갖는다. 만약 트랜스폰더가 리더의 범위 박으로 이동하면 칩은 자동으로 전력을 절약하는 ‘파워 다운’ 모드로 스위치 된다. 리더의 감지 범위에서 충분히 강한 신호가 수신되면 칩은 재활성된다. 윗 그림 설명 : 2.45 GHz 대역의 능동형 트랜스폰더. 데이터 반송파는 두 개의 리튬 전지에 의해 전력이 공급된다. 트랜스폰더의 마이크로파 안테나는 u자형 영역 형태로 인쇄 기판 위에 보인다 Active transponder for the frequency range 2.45 GHz.

11 Data Transmission The efficiency with which an object reflects electromagnetic waves. reflection cross-section Operating principle of a backscatter transponder. 입사 전력 P1’의 일부가 안테나에 의해 반사되고 전력 P2로 되돌아간다. 안테나의 반사 특성(=반사 단면적)은 안테나에 연결된 부하를 바꿈으로 해서 영향을 받을 수 있다. 트랜스폰더에서 리더로 데이터를 송신하기 위하여 안테나와 병렬로 연결된 부하 저항 RL은 전송되는 데이터열을 갖는 시간에 따라 on과 off로 스위치 된다. 따라서 트랜스폰더로부터 반사된 전력 P2의 진폭은 변조될 수 있다(변조된 역산란). The impedance of the chip is ‘modulated’ by switching the chip’s FET

12 Close Coupling 2 Full and Half Duplex Procedure Close coupling systems
ranges between 0.1 cm and a maximum of 1 cm. frequency range : 1-10MHz Efficiency : Very good Close coupling transponder in an insertion reader with magnetic coupling coils 밀접 결합 시스템은 0.1 cm에서 최대 1cm의 범위로 설계된다. 따라서 트랜스폰더는 동작을 위해 리더 안에 삽입되거나 표시된 면(‘touch & go’) 위에 놓인다. 비접촉 밀접 결합 칩 카드의 기계적, 전기적 파라미터들은 ISO 을 따른다. The mechanical and electrical parameters of contactless close coupling chip cards standard, ISO 10536

13 : transponderreader Data Transfer Magnetic Coupling
Load Modulation in close coupling systems Plate capacitors are constructed from coupling surfaces isolated from one another. Capacitive Coupling Reader’s coupling surface Electrical Field E 자기 결합 부반송파를 갖는 부하 변조는 밀접 결합 시스템에서 트랜스폰더에서 리더로의 자기 결합 데이터 전송에 또한 사용된다. 밀접 결합 칩 카드에 대한 부반송파 주파수와 변조는 ISO 10536에 명시되어 있다. 용량성 결합 리더와 트랜스폰더 간의 짧은 거리로 인해, 밀접 결합 시스템은 또한 용량성 결합을 이용한다. 평판 커패시터는 다른 한쪽으로부터 분리된 결합 면으로부터 만들어지고, 이러한 판들은 트랜스폰더와 리더에서 배치되어서 트랜스폰더가 삽입되었을 때 서로 정확히 평행을 이루게 된다(그림 3.23). 이 방식은 또한 밀접 결합 스마트카드에서도 사용된다. 전기적 특성은 ISO 10536에 정의되어 있다. Transponder’s coupling surface Capacitive coupling in close coupling systems

14 Electrical Coupling Capacitive coupling An electrically coupled system
a×b=4.5cm×7cm (스마트 카드에 대응하는 형태)를 갖는 트랜스폰더 읽기를 위해 필요한 전극 전압(f=125kHz) 수동형 트랜스폰더의 전력 공급 방법 : 트랜스폰더의 안테나는 평판(전극)위에 놓인 두 개의 도체면으로 구성되고, 트랜스폰더가 리더의 전기장 안에 놓인다면, 두 개의 트랜스폰더 전극 사이에서 전압이 발생하고이를 전력으로 사용한다 An electrically coupled system

15 : transponderreader Data Transfer
2 Full and Half Duplex Procedure Data Transfer : transponderreader 윗 그림 : 전기결합 RFID 시스템의 등가 회로도 설명 트랜스폰더와 전송 안테나 사이(CR-T)와 트랜스폰더 안테나와 지구 전위(CT-GND) 간의 커패시터 둘 다 활성화되기 때문에 전기적 결합에 대한 등가회로 다이어그램은 CR-T, RL, CT-GND로 이뤄진 간략화된 전압 분배기 형태로 고려될 수 있다. 트랜스폰더의 전극의 하나를 건드림으로써 커패시턴스 CT-GND가 발생하고 따라서 읽기 영역은 매우 커지게 된다. Equivalent circuit diagram of an electrically coupled RFID system 3.2.5 Data Transfer : Reader  Transponder • ASK: amplitude shift keying • FSK: frequency shift keying • PSK: phase shift keying Because of the simplicity of demodulation, the majority of systems use ASK modulation.


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