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문제 정의
- 본 논문에서는 ISO standard 14443(Type-A) 규격을 만족하는 13.56 MHz RFID 리더의 설계와 구현을 제시한다. 변복조 회로를 포함하는 아날로그 전반부는 PSPICE 9.
제안 방법
- 13.56MHz RFID 리더 제작은 마이크로칩사의 MCRF455 RFID 태그 칩과 PIC16F876 프로세서를 이용하여 구현하였다[15]. 제작된 시스템의 동작 측정을 위해 Tektronix 사의 TDS3034B DSO를 사용하였다.
- 사용하였다. LC대역통과필터는 태그로부터 수신한 데이터 신호를 필터링하기 위한 부분으로 코일과 커패시터로 구현하고, 신호의 진폭을 제한하기 위해 고속스위칭 다이오드를 사용하였다. 아울러 캐리어 신호에 의한 잡음을 제거하기 위해 노치(Notch)필터를 사용하였다.
- 아울러 캐리어 신호에 의한 잡음을 제거하기 위해 노치(Notch)필터를 사용하였다. 다단 증폭기와 대역통과필터를 사용하여 수신한 데이터 신호를 원하는 이득으로 증폭하고, 원하는 대역의 신호만을 추출하였다. 대역통과필터는 전압이득이 26 dB인 고역 통과 필터와 전압이득이 29 dB인 저역통과필터를 사용해 구현하였다.
- 다단 증폭기와 대역통과필터를 사용하여 수신한 데이터 신호를 원하는 이득으로 증폭하고, 원하는 대역의 신호만을 추출하였다. 대역통과필터는 전압이득이 26 dB인 고역 통과 필터와 전압이득이 29 dB인 저역통과필터를 사용해 구현하였다. 펄스 정형화(Pulse shaping)를 위해 평균값 추출회로와 비교기를 사용하였다.
- 일반적인 RFID 리더에서는 디코더 모듈만이 존재하지만 하드웨어 적 검증을 위해 인코더 모듈을 설계하고 연동시험을 하였다. 데이터 신호를 맨체스터 코딩하기 위해서두 배 빠른 클록을 사용하였고, 시스템의 동기를 위해 데이터를 래치한 다음 원래 신호보다 두 배 빠른 클록을 사용하여 맨체스터 인코더를 사용하여 코딩하였다. 맨체스터 코딩된 데이터는 디코더를 이용해 원래의 신호로 복구하고 시스템의 동기를 맞추기 위해 클록 분주기로 분주한 클록을 이용하여 데이터를 래치하였다.
- 전력증폭기는 기존 증폭기들과 달리 큰 전류를 구동할 수 있도록 설계하여 출력 상에서 높은 dBm의 전력을 소화할 수 있다. 또한 태그와 리더의 거리에 따라 출력전력의 크기를 가변적으로 조정할 수 있도록 전압레귤레이터를 사용하여 출력전압을 가변 할 수 있는 전력 증폭회로를 설계하였다. 공진회로는 주파수 선택적 특성을 가지기 때문에 RFID 시스템이 특정 주파수 성분만을 골라 낼 수 있다.
- 데이터 신호를 맨체스터 코딩하기 위해서두 배 빠른 클록을 사용하였고, 시스템의 동기를 위해 데이터를 래치한 다음 원래 신호보다 두 배 빠른 클록을 사용하여 맨체스터 인코더를 사용하여 코딩하였다. 맨체스터 코딩된 데이터는 디코더를 이용해 원래의 신호로 복구하고 시스템의 동기를 맞추기 위해 클록 분주기로 분주한 클록을 이용하여 데이터를 래치하였다.
- 56 MHz RFID 리더의 설계와 구현을 제시한다. 변복조 회로를 포함하는 아날로그 전반부는 PSPICE 9.2를 이용하여 설계하고 시뮬레이션을 통해 기능을 확인하였다. 변조방식은 변조 깊이(Modulation depth) 100%인 ASK(Amplitude Shift Keying)# 채택하였고, 수신 복조 데이터의 부하변조 방식은 맨체스터 코딩으로 이루어진다.
- 본 논문에서 제안한 RFID 리더의 송신단과 수신단은 PSPICE를 이용하여 모델링하고 기능 시뮬레이션을 수행하여 검증 후 제작하였다. 소프트웨어적 처리 모듈인 맨체스터 코딩모듈과 CRC 발생기 및 검사 모듈은 VHDL언어로 설계하고 Modelsim을 이용하여 그 기능을 검증 후 제작하였다.
- 검증 후 제작하였다. 소프트웨어적 처리 모듈인 맨체스터 코딩모듈과 CRC 발생기 및 검사 모듈은 VHDL언어로 설계하고 Modelsim을 이용하여 그 기능을 검증 후 제작하였다.
- 변조방식은 변조 깊이(Modulation depth) 100%인 ASK(Amplitude Shift Keying)# 채택하였고, 수신 복조 데이터의 부하변조 방식은 맨체스터 코딩으로 이루어진다. 아울러 디지털 부분에서는 수신데이터의 에러검출을 위한 CRC 블록과 데이터 충돌이 발생한 비트의 정확한 위치 파악을 위한 맨체스터 블록은 VHDL 언어로 설계하고 Synplify 7.3을 이용하여 합성하였으며, Modelsim 5.7C를 이용하여 디지털 시뮬레이션을 수행하였다[9]. 멀티 태그 환경 하에서 반드시 필요한 충돌방지 기능은 RFID 시스템의 응용 측면에서 매우 중요한 요소로 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다[10T3].
- 안테나로부터 상대적으로 높은 전력의 수신신호를 다룰 수 있고, 입력신호의 제한이 없으며, 신호의 크기가 증가할수록 왜곡이 감소된다는 장점을 이용하기 위해 포락선 검파기를 사용하였다. LC대역통과필터는 태그로부터 수신한 데이터 신호를 필터링하기 위한 부분으로 코일과 커패시터로 구현하고, 신호의 진폭을 제한하기 위해 고속스위칭 다이오드를 사용하였다.
- 증폭기로 구성된다. 포락선 검파기는 수신부에 들어오는 맨체스터 코딩된 신호를 검파하기 위해 고속 스위칭 소자인 BAS21 를 사용해 설계하였다.
대상 데이터
- 시스템의 전원은 5V를 사용하였다. 동작시험을 위해 사용된 태그는 마이크로칩사의 MCRF455 RFID 태그 칩 이다.
- 본 논문에서 설계하고 제작된 13.56MHz RFID 리더는 RFID 태그에 데이터를 송수신하기 위한 트랜시버모듈, 그리고 데이터 처리부로 구성되어 있다. 송신부는 신호발생기, 전력 증폭기, 동조회로로 구성되어 있으며, 수신부는 포락선 검파기, 노치필터, 대역통과필터, 평균값 추출기, 비교기로 구성되어 있다.
- 변조를 하는 주요한 목적은 원천신호를 잡음에 강하면서도 멀리 보내고 송신 안테나의 크기를 줄이기 위해서이다. 설계된 변조기는 신호발생기에서 생성된 신호와 데이터 처리부의 제어신호에 따라 고속 동작이 가능한 소자인 Fairchild사의 NC7SZ08을 사용하였다. 전력증폭기는 최종단에서 충분한 전력을 가진 신호를 전송할 수 있도록 변조신호의 전력을 증폭하는 기능을 수행한다.
- 신호발생기는 RFID 시스템에 필요한 캐리어 신호를 발생시키는 부분으로 본 논문에서는 13.56MHz의 오실레이터를 사용하였다. 변조기는 송신단의 핵심으로서, 종류에 따라 여러 블록으로 분류된다.
- 이러한 전송 오류를 검출하기 위해 CRC(Cyclic Redundancy Check)-16/ITU 모듈을 사용하였다. 생성 다항식은 %16+X12+X5+1 이며, 레지스터의 초기 값은 "FFFF" 이다.
- 56MHz RFID 리더 제작은 마이크로칩사의 MCRF455 RFID 태그 칩과 PIC16F876 프로세서를 이용하여 구현하였다[15]. 제작된 시스템의 동작 측정을 위해 Tektronix 사의 TDS3034B DSO를 사용하였다.
데이터처리
- 대역통과필터는 전압이득이 26 dB인 고역 통과 필터와 전압이득이 29 dB인 저역통과필터를 사용해 구현하였다. 펄스 정형화(Pulse shaping)를 위해 평균값 추출회로와 비교기를 사용하였다. 그림 6은 설계한 수신부의 회로도를 나타낸 것이다.
이론/모형
- 멀티 태그 환경 하에서 반드시 필요한 충돌방지 기능은 RFID 시스템의 응용 측면에서 매우 중요한 요소로 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다[10T3]. 본 논문에서는 기존 논문들에서 제시하고 있는 충돌방지 알고리즘을 개선하기 보다는 일반적으로 많이 사용하고 있는 이진검색알고리즘을 채택하였다[14].
성능/효과
- 따라서 그림 8은 수신단 필터회로의 출력파형 들로 그림(a)는 노치필터의 출력파형이고, 그림(b)는 고역 통과 필터, 그림(c)는 저역통과필터, 그림 (d)는 최종적으로 펄스 정형화 회로를 거친 줄력파형을 보여준다. 그림 9는 그림 8에서의 각각의 필터회로를 통과한 수신신호들을 FFT(Fast Fourier Transform) 수행한 파형으로서 그 결과 70 KHz 대역의 신호가 나타남을 확인할 수 있었고 수신 신호의 필터링이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
- 표 1은 CRC 테이블을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과와 CRC 테이블의 값을 비교한 결과 올바르게 시뮬레이션이 수행되었음을 알 수 있다.
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