본 논문에서는 컴프레시브 RFID 신호를 탐지하기 위한 컴프레시브 수신기의 이론적 배경과 구체적 구현 방법, 그리고 분산 지연선과 chirp LO의 설계 방안에 대해 기술하였다. 컴프레시브 수신기의 주요 구성품 중 하나인 분산 지연선을 대역폭 6 MHz, 분산 지연 시간$13{\mu}s$으로 설계하여 $LiNbO_3$ 재질 기반의 SAW(Surface Acoustic Wave) 기술을 통해 구현하였고, DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 chirp LO를 구현하였다. 또한 RFID 리더에 내장되어 연동될 수 있도록 컴프레시브 수신기를 구성하였다. 시험 결과, 단일 신호 입력시 주파수 오차는 최대 25 kHz, 수신 감도는 -44 dBm, 500 kHz 간격으로 동시에 입력되는 6개의 신호에 대한 주파수 오차는 최대 75 kHz로서 제작된 컴프레시브 수신기가 밀집된 RFID 운영 환경에 적합함을 보였다.
본 논문에서는 컴프레시브 RFID 신호를 탐지하기 위한 컴프레시브 수신기의 이론적 배경과 구체적 구현 방법, 그리고 분산 지연선과 chirp LO의 설계 방안에 대해 기술하였다. 컴프레시브 수신기의 주요 구성품 중 하나인 분산 지연선을 대역폭 6 MHz, 분산 지연 시간 $13{\mu}s$으로 설계하여 $LiNbO_3$ 재질 기반의 SAW(Surface Acoustic Wave) 기술을 통해 구현하였고, DDS(Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 chirp LO를 구현하였다. 또한 RFID 리더에 내장되어 연동될 수 있도록 컴프레시브 수신기를 구성하였다. 시험 결과, 단일 신호 입력시 주파수 오차는 최대 25 kHz, 수신 감도는 -44 dBm, 500 kHz 간격으로 동시에 입력되는 6개의 신호에 대한 주파수 오차는 최대 75 kHz로서 제작된 컴프레시브 수신기가 밀집된 RFID 운영 환경에 적합함을 보였다.
In this paper, the theoretical background and the specific implementation method of a compressive receiver for RFID signal detection as well as the design method of DDL(Dispersive Delay Line) and chirp LO are described. DDL, which is one of the main components of the compressive receiver, is designe...
In this paper, the theoretical background and the specific implementation method of a compressive receiver for RFID signal detection as well as the design method of DDL(Dispersive Delay Line) and chirp LO are described. DDL, which is one of the main components of the compressive receiver, is designed to have $13{\mu}s$ dispersive delay time and 6 MHz bandwidth using the SAW technique based on $LiNbO_3$ material. The chirp LO is designed using DDS(Direct Digital Synthesizer). Also the compressive receiver is fabricated to be installed into the RFID reader. Test results show the maximum frequency error of 25 kHz for single signal input, the receiver sensitivity of -44 dBm, and the maximum frequency error is 75 kHz for 6 multi-tone input signals. These results indicate that the fabricated compressive receiver is working well even in dense RFID operating environments.
In this paper, the theoretical background and the specific implementation method of a compressive receiver for RFID signal detection as well as the design method of DDL(Dispersive Delay Line) and chirp LO are described. DDL, which is one of the main components of the compressive receiver, is designed to have $13{\mu}s$ dispersive delay time and 6 MHz bandwidth using the SAW technique based on $LiNbO_3$ material. The chirp LO is designed using DDS(Direct Digital Synthesizer). Also the compressive receiver is fabricated to be installed into the RFID reader. Test results show the maximum frequency error of 25 kHz for single signal input, the receiver sensitivity of -44 dBm, and the maximum frequency error is 75 kHz for 6 multi-tone input signals. These results indicate that the fabricated compressive receiver is working well even in dense RFID operating environments.
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문제 정의
LiNbOs 재질 온도이동 계수가 94 ppm이고, DDL의 동작 온도 범위가 -20-+60 莒라면, 온도에 따른 DDL의 주파수 편차는 식 (12)에 의해 중심 주파수를 기준으로 최대 ±640 kHz의 오차가 발생할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 컴프레시브 수신기에 온도 센서를 추가하여, DDL의 주파수 편차로 인한 주파수 측정 오차를 개선하였다.
본 논문에서는 UHF 대 역 RFID 신호 탐지를 위한컴프레시브 수신기의 설계 방법을 제안하였고, 컴프레스브 수신기의 주요 구성품인 DDL과 chirp LO를구현하였다. 컴프레시브 수신기의 동적 범위를 향상시키기 위해 DDLe Hamming 가중치를 적용하여 제작되었고, chirp LO는 DDS를 이용하여 구현하였다.
또한 실시간 주파수 탐지 능력을 통해 주파수 호핑 efrequency hopping) 방식을 이용하는 UHF 대역 RFID 시스템의 주파수 충돌을 회피하기 위한수단으로 컴프레시브 수신기가 적용될 수 있다的. 본 연구팀은 DDS(Direct Digital Synthesizer) 기반의 chirp LO가 적용된 컴프레시브 수신기의 구현에관한 연구를 참고문헌 [4]를 통해 발표한 바 있다. 본논문에서는 참고문헌 [4]에서 다루지 못한 컴프레시브 수신기의 구체적 설계 방안을 제시하고, 주요 구성품인 DDL의 구현 방법과 시험 결과를 나타내었다.
본 연구팀은 DDS(Direct Digital Synthesizer) 기반의 chirp LO가 적용된 컴프레시브 수신기의 구현에관한 연구를 참고문헌 [4]를 통해 발표한 바 있다. 본논문에서는 참고문헌 [4]에서 다루지 못한 컴프레시브 수신기의 구체적 설계 방안을 제시하고, 주요 구성품인 DDL의 구현 방법과 시험 결과를 나타내었다. 또한 UHF 대역 RFID 리더에 컴프레시브 수신기가 적용되기 위해 필요한 주파수 정확도와 수신 감도에 대해 논의하고, 시험 결과를 통해 설계 방법의타당성을 제시하였다.
가설 설정
RFID 리더에 내장된 컴프레시브 수신기의 수신감도는 RFID 리더 운영 조건에 따라 다양하게 결정될 수 있으나, 본 논문에서는 반경 100 m 내에서 여러 리더가 동시에 운영되는 조건을 가정하여 감도를결정하였다. 그림 4는 타 리더의 출력이 36 dBm(4 W)이고, 수신 안테나의 이득이 0 dB일 때, 거리에따른 수신 신호 세기를 Friis 공식에 의해 나타낸 것이다.
컴프레시브 수신기의 주요 구성품 중 하나인 DDLe LiNbO3 재질 기판의 SAW 기술을 통해 제작하였고, 참고문헌 [4]에서 제안된 DDS를 이용한 chirp LO의구체적 설계 변수에 대해 논의하였다. 밀집 환경의 RFID 시스템에 제작된 컴프레시브 수신기의 적용가능성을 판단하기 위해 대역 내에 최대 6개의 신호가 동시에 존재할 경우를 가정하여 주파수 정확도를측정하였다. 또한 RFID 리더와 연동되는 컴프레시브 수신기의 수신 감도를 측정하여 제작된 컴프레시브 수신기가 실제 RFID 리더 운영 환경에 적합함을확인하였다.
제안 방법
이는 식 (12)를 통해 계산한 640 kHz를 초과하는 것으로 DDL의 가공오차나 전기적오차에 의한 것으로 판단된다. DDL의 온도 보정은 그림 10에 나타낸 것처럼 DDL 바로 옆에 위치한 온도 센서 의 센싱 정보와 온도 보상전 주파수 측정 정보를 온도 보상 메모리에 장입하여 최종 출력단에서보상하도록 하였고, 온도 보상은 -20 ~+60 ℃ 범위에서 0.5 ℃ 간격으로 하였다. DDL 온도 보정을 거친 컴프레시브 수신기의 주파수 측정 오차는 전 주파수 대역에서 25 kHz(디지털 1 bit)를 초과하지 않았다.
chirp LO를 설계하였다. DDS의 신호 발생을 위한 기준 클럭(reference clock)은 300 MHz를적용하였고, 안정적인 주파수 출력을 위해 63~75 MHz 대역을 26 “s 동안 선형적으로 출력하도록 하였다. 그림 3에서 결정된 chirp LO의 주파수 범위를얻기 위해 672 MHz fixed LO를 통한 up conversion을통해 735~747 MHz 대역의 chirp 신호를 발생하도록하였다.
본논문에서는 참고문헌 [4]에서 다루지 못한 컴프레시브 수신기의 구체적 설계 방안을 제시하고, 주요 구성품인 DDL의 구현 방법과 시험 결과를 나타내었다. 또한 UHF 대역 RFID 리더에 컴프레시브 수신기가 적용되기 위해 필요한 주파수 정확도와 수신 감도에 대해 논의하고, 시험 결과를 통해 설계 방법의타당성을 제시하였다.
컴프레시브 수신기가 6 MHz 대역폭으로 설계되었으나, RFID 리더의 대역 통과 필터(bandpass niter)에 의해 수신할 수 있는 주파수 대역은 910-914 MHz 대역으로 제한되어 시험은 4 MHz 대역에 대해서만 진행하였다. 또한 다중 신호를 모의하기 위해 HP사의 벡터 신호 발생기(Vector Signal Generator: VSG)를 신호원으로 사용하였다. 국내 관계 법령 변경에 의해 UHF 대역 RFID의 주파수 범위가 변경되었으나, 컴프레시브 수신기는 chirp LO의 주파수 범위만 조정해 주면 큰 변경 없이 적용이 가능하다.
먼저 컴프레시브 수신기 설계를 위한 수학적 개념과 펄스 압축 과정에 대해 기술하였고, 설계 주요항목들의 관계식 및 결정 방법에 대해 논의하였다. 컴프레시브 수신기의 주요 구성품 중 하나인 DDLe LiNbO3 재질 기판의 SAW 기술을 통해 제작하였고, 참고문헌 [4]에서 제안된 DDS를 이용한 chirp LO의구체적 설계 변수에 대해 논의하였다.
본 논문에서는 Analog Device사의 AD9854 DDS를이용하여 chirp LO를 설계하였다. DDS의 신호 발생을 위한 기준 클럭(reference clock)은 300 MHz를적용하였고, 안정적인 주파수 출력을 위해 63~75 MHz 대역을 26 “s 동안 선형적으로 출력하도록 하였다.
만약 수신기의 입력 대역폭과 DDL의 대역폭을동일하게 설계한다면 chirp LO의 대역폭은 12 MHz 이 되고, 식 (8)에 의해 스캔 시간은 20 “s 이상이어야 한다. 이론적으로는 DDL의 분산 지 연 시간이 길수록 주파수 분해능이 나 압축 펄스의 특성이 좋아지지만 실제 DDL의 제작에 있어 크기, 가격, 구현의용이성 등을 고려하여 13 “s으로 결정하였다. 이렇게 결정된 컴프레시브 수신기의 주요 설계 항목은그림 3과 같다.
제작된 컴프레시브 수신기를 RFID 리더에 장착시켜 시험을 수행하였다. 컴프레시브 수신기가 6 MHz 대역폭으로 설계되었으나, RFID 리더의 대역 통과 필터(bandpass niter)에 의해 수신할 수 있는 주파수 대역은 910-914 MHz 대역으로 제한되어 시험은 4 MHz 대역에 대해서만 진행하였다.
시험을 수행하였다. 컴프레시브 수신기가 6 MHz 대역폭으로 설계되었으나, RFID 리더의 대역 통과 필터(bandpass niter)에 의해 수신할 수 있는 주파수 대역은 910-914 MHz 대역으로 제한되어 시험은 4 MHz 대역에 대해서만 진행하였다. 또한 다중 신호를 모의하기 위해 HP사의 벡터 신호 발생기(Vector Signal Generator: VSG)를 신호원으로 사용하였다.
컴프레시브 수신기의 동적 범위를 향상시키기 위해 DDLe Hamming 가중치를 적용하여 제작되었고, chirp LO는 DDS를 이용하여 구현하였다. 이렇게 구현된 DDL과 chirp LO를 컴프레시브 수신기에 적용하여 RFID 리더 내부에 장착하였다.
논의하였다. 컴프레시브 수신기의 주요 구성품 중 하나인 DDLe LiNbO3 재질 기판의 SAW 기술을 통해 제작하였고, 참고문헌 [4]에서 제안된 DDS를 이용한 chirp LO의구체적 설계 변수에 대해 논의하였다. 밀집 환경의 RFID 시스템에 제작된 컴프레시브 수신기의 적용가능성을 판단하기 위해 대역 내에 최대 6개의 신호가 동시에 존재할 경우를 가정하여 주파수 정확도를측정하였다.
성능/효과
이때, 주파수 측정 간격은 50 kHz로 하였다. 3절에서 언급한대로 36 dBm(4 W) 세기의 신호를 방사하는 반경 100 m 이내 RFID 리더 신호를 탐지하기위해서 수신 감도는 _40 dBm 이하이어야 하는데, 측정 결과 최대 -44 dBm으로 요구 조건을 만족하였다.
밀집 환경의 RFID 시스템에 제작된 컴프레시브 수신기의 적용가능성을 판단하기 위해 대역 내에 최대 6개의 신호가 동시에 존재할 경우를 가정하여 주파수 정확도를측정하였다. 또한 RFID 리더와 연동되는 컴프레시브 수신기의 수신 감도를 측정하여 제작된 컴프레시브 수신기가 실제 RFID 리더 운영 환경에 적합함을확인하였다.
온도보상을 거친 컴프레시브 수신기의 주파수 측정 오차는 최대 75 kHz 이하로 RFID 리더의한 채널 간격인 200 kHz를 넘지 않았다. 또한 RFID 리더의 front end 를 포함한 컴프레시브 수신기의 수신 감도는 -44 dBm으로 이론적으로 반경 100 m 이내에 존재하는 RFID 리더 신호들을 탐지할 수 있었다.
실제 시험은 상온(+25 笆)에서 수행하였으나, 보드의 온도상승으로 인해 125 kHz까지 오차가 발생한 것으로판단된다. 온도 챔버(chamber)를 이용하여 운용 환경을 +60 ℃까지 높여본 결과 주파수 오차는 최대 800 kHz로 나타났다. 이는 식 (12)를 통해 계산한 640 kHz를 초과하는 것으로 DDL의 가공오차나 전기적오차에 의한 것으로 판단된다.
제안된 방식을 사용하면 국내나 유럽 등 RFID 대역으로 허가된 주파수 범위가 북미 지역에 비해 상대적으로 매우 좁은 지역에서 주파수 호핑 방식을사용하는 RFID 시스템의 전파 간섭 문제를 상당히개선시켜 시스템 전체의 성능을 높일 수 있다. 향후 DDL의 분산 지연 시간과 대역폭을 확장하여 주파수 분해능을 포함한 컴프레시브 수신기의 성능을 개선할 예정이다.
후속연구
있다. 향후 DDL의 분산 지연 시간과 대역폭을 확장하여 주파수 분해능을 포함한 컴프레시브 수신기의 성능을 개선할 예정이다.
참고문헌 (8)
James B. Y. Tsui, Microwave Receivers with Electronic Warfare Applications, John Wiley & Sons, pp. 278-328, 1986.
William E. Snelling, Evaggelos Geraniotis, "Analysis of compressive receivers for the optimal interception of frequency-hopped waveforms", IEEE Transactions on Communications, vol. 42, no. 1, pp. 127-138, Jan. 1994.
Kwok H. Li, Laurence B. Milstein, "On the use of a compressive receiver for signal detection", IEEE Transactions on Communications, vol. 39, no. 4, pp. 557-566, Apr. 1991.
W. Gregory Lyons, Duane R. Arsenault, Alfredo C. Anderson, T. C. L. Gerhard, Peter G. Murphy, Mark M. Seaver, Rene R. Boisvert, Richard L. Slattery, and Richard W. Ralston, "High temperature superconductive wideband compressive receivers", IEEE Transactions on MTTs, vol. 44, no. 7, pp. 1258-1278, Jul. 1996.
H. W. Fuller, "Broadband MW pulse compression using crimped coax delay lines", Microwave Journal, vol. 23, p. 52, Apr. 1980.
Jun-Ho Choi, Jong-Won Yang, Sun-Phil Nah, and Won Jang, "Design and fabrication of reflective array type wideband SAW dispersive delay line", JKEES, vol. 6, no. 2, pp. 110-116, Jun. 2006.
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