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RFID and the Internet of Things
Giuseppe Iannaccone
Universita` di Pisa
email: [email protected]
tel: 050-2217677 – 366 6709149
home page: www.iannaccone.org
Ricevimento: Su appuntamento
(Mercoledì 10:30-13:30 o altrimenti) – in Dip.
Giuseppe Iannaccone
1. Radio Frequency IDentification
2. Internet of Things
Giuseppe Iannaccone
Automatic Identification
(Auto-ID)
Giuseppe Iannaccone
Codice a Barre (Barcode)
• UPC (Universal Product Code) – US – 1973
• EAN (European Article Number) – 1976
(Supermercati)
– 13 cifre
Giuseppe Iannaccone
Riconoscimento ottico di caratteri
(OCR)
• inizio negli anni 60
• Lettore molto complicato
Giuseppe Iannaccone
Procedure Biometriche
• Identificazione di persone sulla base di caratteristiche
fisiche “uniche”
• Identificatione della voce
• Dattiloscopia (riconoscimento di impronte digitali)
• Identificazione della retina o dell’iride.
Smart Card
• introduzione: 1984 – carte telefoniche prepagate
• memoria o memoria + microprocessore
• contatto galvanico con il lettore usando contatti a molle
• permettono protezione contro accesso o manipolazione indesiderata
• contatti vulnerabili allo sporco, corrosione, usura
• i lettori devono essere frequentemente manutenuti e protetti da atti vandalici (se in luoghi pubblici)
Giuseppe Iannaccone
Carte di memoria• memoria + macchina a stati finiti per il
controllo + eventuale logica per la cifratura
Giuseppe Iannaccone
Carte a Microprocessore
• Applicazioni a piu’ alto valore aggiunto
Giuseppe Iannaccone
Sistemi RFID
(Radio Frequency IDentification)
• Transponder (Transmit-Responder) attaccato
all’oggetto da identificare
• Lettore (Reader, Interrogator)
Giuseppe Iannaccone
Sistemi RFID –transponder
Giuseppe Iannaccone
History
• H. Stockman, “Communication by means of reflected
power”, Proc. IRE, pp. 1196-1204, Oct. 1948.
• 1950s: IFF system: Identification Friend or Foe
• D. B, Harris, “Radio Transmission systems with modulatable
passive responder”, U. S. Patent 2927321, Mar. 1st, 1960.
• Late 60s: EAS companies Sensormatic, Checkpoint founded
• Late 80s: Toll roads in Europe (Italy, Spain)
• 90s: Immobilizer (TIRIS)
• …
Giuseppe Iannaccone
Confronto tra sistemi auto-ID
Giuseppe Iannaccone
Classificazione dei sistemi RFID In base
all’alimentazione del transponder• Transponder Attivi
– L’alimentazione è fornita da una batteria a bordo.
– il transponder e’ in pratica un normale ricetrasmettitore (transceiver).
• Transponder Semipassivi– La batteria fornisce solo la potenza per la logica e la gestione
della memoria
– Per la trasmissione si sfrutta il campo irradiato dal lettore mediante la tecnica di modulazione della radiazione retrodiffusa
• Transponder Passivi– Tutta l’energia necessaria per il funzionamento proviene dal
campo irradiato dal lettore
Giuseppe Iannaccone
Frequency regulations: ISM bands(Industrial Scientific Medical)
Giuseppe Iannaccone
Accoppiamento lettore-transponder• Ricordare: λ = c/f [ f = Frequenza, λ = Lunghezza d’onda, c = velocità di
propagazione della luce nel vuoto]
• f = 100 KHz – 30 MHz � λ = 3 Km – 10 m
• Per portate R tipiche abbiamo quindi R << λ, quindi il transponder si trova in
regione di campo vicino, e predomina l’accoppiamento attraverso il campo
magnetico (induttivo) o elettrico (capacitivo).
• f = 868 MHz – 5.8 GHz � λ = 34.6 cm - 5.1 cm
• Per portate R tipiche abbiamo R >> λ, regione di campo lontano, e
l’accoppiamento è elettromagnetico (il campo elettromagnetico si descrive
in termini di propagazione di onde).
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Classificazione dei sistemi RFID In
base al tipo di comunicazione – Full Duplex o Half Duplex
• il transponder trasmette quando anche il lettore trasmette.
• Il metodo di comunicazione deve consentire al lettore di riconoscere il debole segnale proveniente dal transponder rispetto al segnale proveniente dal lettore stesso.
– Sequenziale
• Periodicamente il lettore interrompe la trasmissione e il transponder comincia a trasmettere.
• Lo svantaggio in questo caso e’ che quando quando il transponder trasmette non e’ alimentato.
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Half duplex (HDX)
• A intervalli di tempo alternati trasmettono il lettore
(downlink) e il transponder (uplink). In ogni caso l’energia per
la comunicazione viene trasferita costantemente dal lettore al
transponder.
• Sono HDX le procedure nelle quali il transponder trasmette
mediante modulazione del carico o modulazione della
radiazione retrodiffusa.
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HDX
Energy transfer
downlink
uplink
Full Duplex (FDX)
• L’informazione viene trasferita contemporaneamente nelle
due direzioni. In questo caso di solito il trasponder trasmette a
un subarmonica della frequenza del lettore, o a una frequenza
completamente diversa (anarmonica). Anche in questo caso
l’energia viene trasferita con continuità dal lettore al
transponder.
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FDX
Energy transfer
downlink
uplink
• La comunicazione lettore transponder avviene in modo
alternato, ma l’energia viene trasferita dal lettore al
transponder SOLO quando il lettore trasmette informazione.
Durante questo tempo, il transponder deve i) ricevere
l’informazione e ii) accumulare l’energia che gli
servirà, appena terminerà l’impulso di trasmissione, per
rispondere (tipicamente su un condensatore).
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SEQ
Energy transfer
downlink
uplink
Systemi sequenziali (SEQ) (o impulsati)Classificazione in base al tipo di
memoria• Dimensione della memoria
– 1 bit = transponder nel campo del lettore (si/no)
– Codice di identificazione del tipo di oggetto– circa 10 byte
– Codice di identificazione unico (circa 100 byte)
– Informazioni addizionali ( 1-100 Kbyte)
• Programmabilità– Non programmabili (memoria scritta una sola volta)
– Programmabili (EEPROM-FRAM)
• Logica– Macchina a stati (memory card) – non riprogrammabile
– Microprocessore (microprocessor card) –riprogrammabile
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Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
Giuseppe Iannaccone
Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
• Contenitore di vetro
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Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
• Contenitore di vetro
• Contenitore plastico
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Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
• Contenitore di vetro
• Contenitore plastico
• Transponder per
superfici metaliche
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Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
• Contenitore di vetro
• Contenitore plastico
• Transponder per
superfici metaliche
• Formato ID-1 Smart
Card Contactless
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Confezione dei transponder
• Dischetti (ABS)
• Contenitore di vetro
• Contenitore plastico
• Transponder per
superfici metaliche
• Formato ID-1 Smart
Card Contactless
• Smart Label
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Classificazione in base alla distanza di
funzionamento (I)• Sistemi ad accoppiamento vicino (close-coupling systems).
– La distanza di funzionamento è inferiore a 1 cm: il transponder
deve essere inserito nel lettore o appoggiato su una superficie
del lettore.
– L’accoppiamento avviene attraverso campo elettrico o
magnetico a frequenza compresa tra DC e 30 MHz
– La vicinanza tra carta e lettore rende molto semplice
l’alimentazione della carta
– Applicazioni tipiche quelle in cui è importante la sicurezza (e non
la distanza): controllo dell’accesso.
– Standard per carte di formato ID-1: ISO 10536
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Classificazione in base alla distanza di
funzionamento (II)• Sistemi ad accoppiamento remoto
– Indicano i sistemi con portata in lettura e scrittura da qualche
centimetro a 1 m, e sono quasi tutti basati su accoppiamento
induttivo tra transponder e lettore.
– Sono di gran lunga i sistemi più diffusi, e per i quali una serie di
standard internazionali è già presente:
– contactless smart card: ISO 14443
– smart label e contactless smart card: ISO 15693
– Le frequenze di funzionamento sono tipicamente:
• 135 KHz,13.56 MHz, 27.125 MHz (solo applicazioni speciali,
per es. Eurobalise)
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Classificazione in base alla distanza di
funzionamento (III)• Sistemi a grande portata
– Distanza lettore – transponder > 1 m
– Funzionano tutti nelle bande UHF o microonde: tipicamente
• 868 MHz (Europa),
• 915 MHz (USA),
• 2.45 GHz e 5.6 GHz
– Nella maggioranza dei casi il transponder trasmette mediante la
modulazione della radiazione retrodiffusa (backscatter) o SAW.
– Con transponder completamente passivi si ottengono portate
fino a 3 m in Europa e 8 m negli USA, con transponder attivi si
ottengono portate fino a 15 m.
– Diversi Standard (tra cui ISO-18000)
Giuseppe Iannaccone
Classificazione in base alla
complessità del transponder (I)• Sistemi di fascia bassa (Low End)
– Sistemi EAS (sono il livello di complessità più basso.
– Transponder di sola lettura con microchip.
• Il dato contiene un numero seriale unico composto da molti
bit (pes es. 64 o 96 bit per lo standard EPC)
• Appena il transponder si trova nel campo del lettore
comincia a trasmettere in continuazione il proprio codice. Il
transponder non riceve nessuna informazione dal lettore.
• Il vantaggio è che il transponder è semplice (costa poco) e
consuma poco (grande portata).
• Rimpiazzo dei codici a barre, ad esempio
– nell’identificazione di container e pedane (ISO 18000),
– nell’identificazione di animali (ISO 11785)
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Classificazione in base alla
complessità del transponder (II)• Sistemi di fascia media (Mid Range)
– Transponder con memoria di lettura/scrittura,
• fino a 100 Kbyte di EEPROM o SRAM, a seconda che il
transponder sia passivo o attivo.
• Macchina a stati finiti che puo’ eseguire semplici operazioni
di lettura e scrittura.
• Supportano protocolli anticollisione, che permettono a un
lettore di interrogare in sequenza più transponder presenti
nella sua regione di interrogazione, facendo in modo che i
transponder non interferiscano.
• Supportano procedure di autenticazione tra lettore e
transponder e criptazione del flusso dei dati.
Giuseppe Iannaccone
Interferenze elettromagnetiche• Sensibilità alle interferenze elettromagnetiche
• I campi generati da motori elettrici e azionamenti elettrici presenti
nell’ambiente dove il sistema RFID opera, inducono disturbi sia sul lettore
sia sul transponder.
• I problemi sono molto più forti per i sistemi ad accoppiamento induttivo
che per i sistemi ad accoppiamento elettromagnetico (le frequenze di
funzionamento sono più separate).
• Possibilità di causare disturbi elettromagnetici
• E’ un aspetto critico in ambienti sensibili (ad es. ospedalieri), in cui sono
presenti apparecchiature sensibili alle interferenze.
• Nei sistemi con transponder passivi il lettore tipicamente irradia una
potenza molto maggiore che nei sistemi con transponder attivi
• In ambienti estremanente sensibili si preferiscono quindi transponder
attivi.
Giuseppe Iannaccone
Portata (Operating Range)• Fattori da considerare nello scegliere la portata del sistema:
– Accuratezza con la quale si puo’ posizionare il transponder in pratica
– Minima distanza tra i transponder nelle condizioni di utilizzo.
– Velocità con cui il transponder si muove nella regione di interrogazione del lettore (il tranponder deve rimanere nella regione di interrogazione un tempo sufficiente per trasmettere i dati)
• Non sempre si cerca di ottenere la massima portata possibile.
• Ad esempio: nel caso di smart card per l’accesso una distanza di circa 10 cm, così da non richiedere il posizionamento preciso della carta sul lettore e ed essere sicuri che nella regione di interrogazione del lettore ci sia soltanto una carta (e quindi non ci siano problemi di collisione).
• Per avere una portata grande e allo stesso tempo non avere problemi di collisioni puo’ essere utile che il lettore abbiama un’irradiazione direzionale, cosa che per esempio si puo’ fare a microonde e non si puo’ fare con l’accoppiamento induttivo.
Giuseppe Iannaccone
Requisiti di sicurezza
(cifratura e autenticazione)• E’ importante determinare che requisiti di sicurezza deve avere il sistema.
Bisogna considerare:
– il beneficio personale che un potenziale malintenzionato non autorizzato
potrebbe ottenere introducendosi nel sistema.
– il danno che potrebbe causare agli altri (che puo’ essere molto maggiore del
proprio beneficio )
– quanti e chi sono gli utenti del sistema (spazio pubblico, spazio interno) e
quindi quanti potrebbero essere i malintenzionati.
• Esempio:
– borsellino elettronico (usato in pubblico, alto vantaggio per il
malintenzionato, enorme danno di immagine per chi gestisce l’applicazione):
– ski-pass (usato in pubblico, medio vantaggio per il malintenzionato, danno
medio per chi gestisce l’applicazione)
Giuseppe Iannaccone
RFID Global Market (systems and
services)
0
5
10
15
20
25
30
2006 2008 2009 2010 2016
System and Services (B$)
Giuseppe Iannaccone
IDTechEx Report RFID Forecasts, Players, Opportunities 2009-2019
WoS Search – RFIDwww.isiknowledge.com
Internet of Things
Giuseppe Iannaccone
• National Intelligence Council
• Global Trends 2025 (Nov. 2008)
• Disruptive Technologies
– Appendix F: The Internet of Things
Internet of Things (IoT)
• The term has been coined circa 2000 by members of the RFID
community (Auto-ID Labs)
– Originally referred to the possibility of discovering
information about a tagged object by browsing an
Internet address or database entry corresponding to a
particular RFID tag.
– Extended to the general idea of things (everyday objects)
that are readable, locatable, addressable, controllable via
the Internet (via WLAN, WSN,RFID)
– Leverages technology progress in power efficient
sensing, computing, communicating …
Giuseppe Iannaccone
IoT: types of communication
• Ideal case: 2-way communication typical of IP
• Original concept: model of RFID query & response
• Thing-to-person (and vice versa)
– Objects continuously report they data to humans
– Humans can remotely access objects
• Thing-to-thing
– No human originator.
– Humans are notified only if required
Giuseppe Iannaccone
Enabling building blocks
• Communication protocols
• Low-power microcontrollers
• Low-power wireless communication
• RFID technology
• Energy harvesting technology (ambient
vibration, sound, RF, temperature variations, solar)
• Sensors & actuators
• Location technology
Giuseppe Iannaccone
IoT Applications
• Retail and Logistics
– Accurate inventorying, loss control, fast checkout with no
shoplifting, cold-chain auditing, monitoring of perishable
material,
• Product Management
– Track product usage, monitor performance, manage
warranties, anti-counterfiting
• Surveillance
• Smart (and green) buildings
• Onboard diagnostics in transportation
– Tyre pressure monitoring, driving assistance, …
Giuseppe Iannaccone
IoT Present Applications: examples
• Remote metering
– ENEL: 30 millions electronic metering systems
– Lonworks PLC protocol
– World largest smart metering deployment
Giuseppe Iannaccone
The Economist, Oct 8th, 2009
Some countries are further ahead than others in
developing smart grids. Italy (surprisingly, perhaps)
is a pioneer, at least in smart metering. In the early
2000s Enel, the country’s biggest utility, started
installing smart meters in most households so that it
could clamp down on theft and cut off non-payers
remotely
Use cases (10-15 years)
• Fully automatic shopping
• Tutored maintenance during operations
• Handheld devices as universal remote controls
for the environment
• Medicine cabinet as a pharmacist (???)
• Intelligent green buildings
Giuseppe Iannaccone
IoT: Technology roadmap Issues determining the development of the IoT
• Business issues:
– Logistics and supply-chain
support (adoption of RFID to
streamline the supply chain)
– Deterring knockoffs (anti-
counterfeiting: drugs and
luxury goods)
– Deterring thefts (advanced
EAS)
– Food Safety
– Item-level RFID (China IDs)
– Automotive-industry
competitiveness
(maintenance, onboard
safety, differentiation)
– Energy costs and
environmental concerns
– IP rights (NeoMedia patent)
– Standards
– Business collaboration
– Personal and Business
security
• Government issues
– Spectrum policy
– E-waste
– Geolocation
– Cyber-warfare
Giuseppe Iannaccone
WoS search: Internet of Things IoT Most Cited
WoS search: “wireless sensor
networks”WSN most cited papers
Sistemi RFID passivi
ad
accoppiamento elettromagnetico
Giuseppe Iannaccone
Sistemi ad Accoppiamento
Elettromagnetico• Bande ISM 434 MHz, 868 MHz
(EU), 916 MHz (US), 2.45 GHz, ...
• 868 MHz � λ = 34.5 cm
• 2.45 GHz � λ = 12.2 cm
• Regione di campo lontano, conviene ragionare in termini di propagazione di onde elettromagnetiche
• L’elemento di accoppiamento tra lettore e tag è un’antenna
• Pa potenza trasmessa dal lettore
• Pe potenza assorbita dal Tag
• Ps potenza riflessa dall’antenna
• (nel caso di adattamento Pe=Ps)
Giuseppe Iannaccone
PT
Alimentazione del transponder
• Se il tag è passivo, il limite
principale alla portata del sistema è
la necessità di alimentare il
tag, cioè:
(Pe > Pe_minima)
• R distanza tra le antenne
• GT guadagno dell’antenna del
lettore
• S vettore di pointing all’antenna del
tag (W/m2)
• Ae Area Efficace dell’antenna del tag
• GR Guadagno d’antenna del
transponder, legato a Ae da:
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24 R
PGS TT
π=
PT
2
4E RA G
λ
π=
Sistemi ad Accoppiamento
Elettromagnetico (III)• Potenza Pe assorbita dal tag
• Attenuazione nella propagazione
nello spazio libero (in assenza di
perdite)
• In dB
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PT2 2
24 4E E R R
cP A S G S G S
f
λ
π π= = =
2 2 24TF
E T R
P f R
P c G G
πα
=
�
10log 147.6 20log( ) 20log( ) 10log( ) 10log( )TF R T
R
PR f G G
Pα
= = − + + − −
Sistemi ad Accoppiamento
Elettromagnetico (IV)
• GR e f non sono completamente indipendenti: per frequenze più alte e’
possibile, a parità di ingombro, ottenere GR maggiori. In generale pero’, a f
piu’ alte corrisponde una portata minore.
• Se conosciamo la Pe minima per il funzionamento del trasponder, la
portata è data da:
Giuseppe Iannaccone
10log 147.6 20log( ) 20log( ) 10log( ) 10log( )TF R T
R
PR f G G
Pα
= = − + + − −
2
max 2min
1
4
T T R
E
P G GcR
P fπ
=
Sistemi ad accoppiamento
elettromagnetico (V)• Il prodotto PT GT ha un valore massimo stabilito per legge. E’ la cosidetta
potenza EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)
– la EIRP è definita come la potenza che dovrebbe avere una antenna isotropa
per fornire la stessa densità di irradiazione nella direzione massima:
• antenna con guadagno – antenna isotropa
� EIRP = PTGT
– Ad esempio in EU abbiamo il limite EIRP = 500 mW a 2.45 GHz(in US ERP = 4 W
(ERP Effective Radiated Power = EIRP/1.64 – Si fa riferimento a un dipolo a
λ/2)
• Il guadagno del tag di solito non e’ molto alto, perche’ non si vogliono
imporre limitazioni all’orientamento del tag. Spesso l’antenna e’ un dipolo
a λ/2 (GR= 1.64)
Giuseppe Iannaccone
2 24 4
T TG P EIRPS
R Rπ π= =
Sistemi ad accoppiamento
elettromagnetico (VI)• Supponiamo
– EIRP = PT GT = 500 mW, GR= 1.64
– Potenza DC per far funzionare il tag PDC = 5 µW
– Rendimento del raddrizzatore/regolatore η =10%
• Otteniamo Pe_min = 50 µW, da cui
• Se possiamo scendere a PDC = 1 µW, η =20%, otteniamo
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Frequency Range
868 MHz 3.52 m
915 MHz 3.34 m
2.45 GHz 1.25 m
Frequency Range
868 MHz 11.1 m
915 MHz 10.6 m
2.45 GHz 3.95 m
Potenza ricevuta dal lettore• Se il tag e’ attivo, l’unico fattore
che limita la portata è la
sensibilità del lettore
• Calcoliamo la potenza delle
radiazione retrodiffusa che arriva
al lettore:
equazione del radar
• Le proprietà di riflettività dell’antenna vengono espresse da un unico
parametro sintetico: la sezione di cattura radar (Radar Cross Section =
RCS), una superficie.
• L’intensità di radiazione della radiazione retrodiffusa in corrispondenza
dell’antenna del lettore è
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PT
24BS
SS
R
σ
π=
Potenza ricevuta al lettore• La potenza ricevuta al lettore PR è quindi:
• dove AT è l’area efficace dell’antenna del lettore:
• La RCS - sezione di cattura radar di un oggetto (bersaglio)
dipende in generale da:
– dimensioni e forma dell’oggetto
– struttura e materiale della superficie dell’oggetto
– lunghezza dell’onda elettromagnetica
– polarizzazione dell’onda elettromagnetica
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( ) ( )
2 2
2 2 34 44 4 4
T T T T T TBS T BS
A S A G P G PP A S
R R R
σ σ σλ
π π π= = = =
2
4T TA G
λ
π=
equazione del radar
Modulazione della radiazione retrodiffusa
(modulation of the backscattered radiation)
• consiste nel modulare l’impedenza che si vede a valle dell’antenna, in modo da
modulare (nello stesso modo) il “backscatter”, cioè la parte di radiazione che
viene riflessa indietro nella direzione del lettore.
• Supponiamo che la modulazione sia binaria, e quindi che l’impedenza del tag
venga modulata tra due valori:
stato 1: (R1 || jX1) stato 2: (R2 || jX2)
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Modulazione della radiazione
retrodiffusa (II)
• Ra: resistenza d’irradiazione dell’antenna (trascuriamo le perdite)
• PRF: potenza assorbita dal tag
• Vbs: e’ la tensione ai capi di Ra, cioè il segnale che viene re-irradiato, e quindi e’ proporzionale al segnale effettivamente ricevuto dal lettore.
• Nel caso di trasponder passivo c’è un tradeoff importantissimo:
più profondamente moduliamo la radiazione retrodiffusa, più è alto il rapporto segnale-rumore al ricevitore, ma più disadattiamo l’antenna, e quindi riduciamo il valore di PRF rispetto alla potenza disponibile (compromettendo l’alimentazione del tag).
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Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa• L’impedenza vista dall’antenna e’
solo resistiva (X1 = X2 � ∞), e nei
due stati (1,2) vale R1 o R2.
• Vogliamo che la potenza trasferita
al tag sia indipendente dallo stato
(1,2):
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1 2RF RF RFP P P= =
( ) ( )
2 21 2
1 22 21 2
1 1
2 2
s s
RF RFa a
V R V RP P
R R R R= = =
+ +
Abbiamo quindi
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (II)
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( ) ( )2 21 1 2 2
1 1
2 / 2 /a a a aR R R R R R R R=
+ + + +
( ) ( )
1 2
2 21 2a a
R R
R R R R=
+ +
da cui
21 2 aR R R=�
possiamo scrivere, con N positivo:
quindi PRF si puo’ esprimere in funzione di Ra e N:
1 2/ e a aR R N R NR= =
( ) ( )
22
2 2
1 1
2 2 1
a sRF s
aa a
NR V NP V
RNR R N= =
+ +
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (III)• Supponendo che il livello 1 e 2 siano equiprobabili, la potenza media
trasferita al tag è
• dove PAV è la potenza disponibile (available), cioè la potenza trasferita al
tag in caso di completo adattamento (N = 1).
• Ovviamente, per ogni N,
Giuseppe Iannaccone
( ) ( )1 2
2
2 2
1 1 1 4
2 2 2 1 1
sRF RF RF RF AV
a
V N NP P P P P
R N N≡ + = = =
+ +
21
8
s
AVa
VP
R=
RF AVP P≤
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (IV)• La tensione Vbs ai capi di Ra è
proporzionale al segnale ricevuto
• Nello stato 1 abbiamo
• Nello stato 2:
• Quindi Vbs è modulato in ampiezza (fase costante)
tra due livelli Vbs1 e Vbs2. La profondità di
modulazione èGiuseppe Iannaccone
1
1 / 1
s a s a sbs
a aa
V R V R NVV
R R R N R N= = =
+ + +
1
2
2 1
s a s a s bsbs
a a a
V R V R V VV
R R NR R N N= = = =
+ + +
2 1
2 1
1
1
bs bs
bs bs
V V Nm
V V N
− −≡ =
+ +
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (V)• Possiamo ora calcolare la potenza utile Pu, che definiamo come la potenza
che dissipa su Ra la differenza tra la Vbs effettiva e la Vbs che si ha quando
si trasmette informazione nulla (cioè sempre lo stesso stato).
• Vedremo più avanti il rapporto S/N al ricevitore sarà funzione monotona
crescente di Pu. Se i due stati sono equiprobabili abbiamo
Giuseppe Iannaccone
( )2 1
2 2 221 1 12
4 1 4 1
bs bs su AV
a a
V V N V NP P
R N R N
− − − = = =
+ +
( ) ( ) ( )2 2 2
1 stato2 2 1 stato1 1 1
1 1 1 1( )
2 2u bs bs bs bs bs bs
a a
P v t V P V V P V VR R
= < − > − + −
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (VI)• Possiamo riscrivere PRF e Pu in funzione del solo
• abbiamo:
• è evidente il compromesso:
– se aumentiamo m, aumenta Pu ☺ , ma diminuisce PRF �
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1
1
Nm
N
−=
+
221
2 21
u AV AV
NP P m P
N
− = =
+
( ) ( ) ( )
2 22
2 2 2
4 2 1 2 1(1 )
1 1 1RF AV AV AV
N N N N NP P P P m
N N N
+ + − + = = − = − + + +
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (VII)• Poniamo che sia R1 < R2. Dal punto di vista circuitale, la modulazione della
resistenza vista dall’antenna si realizza aggiungendo o rimuovendo una
resistenza Rmod in parallelo a R2, in modo che R1 = R2||Rmod. Deve essere:
• R2 è la resistenza equivalente del
vero tag, mentre Rmod viene usata
solo per la modulazione. La
potenza realmente assorbita dal
tag nello stato 1 è quindi P’RF
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22
mod 2 22
a
a
R RR
R R=
−
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (VIII)• Abbiamo
• e quindi
• notiamo che
• e infine
Giuseppe Iannaccone
( ) ( ) ( )
2 21 mod
1 2 2 21 2 mod
41'
2 2 1 1
s s AVRF
aa
R PV R VP
R R RR R N N N N= = =
++ + +
( ) ( )
2
2 1 2 2
1 1 1 1'
2 2 4 1 1
s
RF RF RFa
V NP P P
R N N N
= + = + = + +
( )
( ) ( )
( )
2 22 2 22
2 2
1 11 1 1 11
4 81 1
s s
AVa a
N NV N VP m
R R NN N N N
+ + −+ = = = + + +
( )( )
( )
21 1
1RF AV
m mP P
m
+ −=
+
1 11
1 1
N mm mN m N N
N m
− += → + = − → =
+ −
Modulazione B-ASK
della radiazione retrodiffusa (IX)
Giuseppe Iannaccone
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
PR
F/P
AV , P
U/P
AV
modulation index (m)
PRF
/PAV
PU/P
AV
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (I)
• In questo modo la potenza assorbita dal carico è uguale nei due stati
• La parte resistiva dell’ammettenza vista
dall’antenna è Ra
• La parte reattiva viene variata tra ±j∆X
(varicap o induttanza var.)
Giuseppe Iannaccone
j± ∆X
11 1
a
YR j X
= +∆
21 1
a
YR j X
= −∆
2 2 2
a
a as s s
a a a aa
a
jR X
R j X jR X j XV V V V
jR X R jR X R j XRR X
± ∆
± ∆ ± ∆ ± ∆= = =
± ∆ ± ∆ ± ∆+± ∆
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (II)• abbiamo quindi
• se definiamo φ come:
• abbiamo
Giuseppe Iannaccone
2 2 2 2
1 2 2 2 2 2
4
2 2 4 4
s
RF RF RF AVa a aa
V V X XP P P P
R R R X R X
∆ ∆= = = = =
+ ∆ + ∆
2
1 22 2
1 1 4
2 2 4RF IN RF RF AV
a
XP P P P P
R X
∆≡ = + =
+ ∆
2arctan
a
X
Rφ
∆≡
( )2sinRF AVP P φ=
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (III)• Calcoliamo i due livelli Vbs1 e Vbs2
• Vbs1 e Vbs2 sono complessi coniugati.
Giuseppe Iannaccone
j± ∆X
( )
1
2 22
abs s
aa
a
a a as s
aa a
RV V
jR XR
R j X
R R j X R j XV V
R j XR jR X
= =+ ∆
++ ∆
+ ∆ + ∆= =
+ ∆+ ∆
( )2 2 22
a aa abs s s s
a aa aa
a
R R j XR R j XV V V V
jR X R j XR jR XRR j X
− ∆ − ∆= = =
− ∆ − ∆− ∆+− ∆
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (IV)
• calcoliamo la fase di Vbs1
• in questo caso la potenza utile deve essere calcolata tenendo
conto che Vbs1 e Vbs2 sono fasori
Giuseppe Iannaccone
1
2 2
2 24
a jbs s
a
R XV V e
R X
θ−+ ∆=
+ ∆
( )( )1 2 2
2 2
2 2 2 2
2
2 4
2arctan
4 2
a aabs
a a
a a a
a a
R j X R j XR j XV
R j X R X
R X jR X R X
R X R Xθ
+ ∆ − ∆ + ∆∠ = ∠ = ∠ = + ∆ + ∆
+ ∆ − ∆ ∆= ∠ = − ≡ − + ∆ + ∆
2
2 2
2 24
a jbs s
a
R XV V e
R X
θ+ ∆=
+ ∆
( ) ( ) ( )2 2 2
1 stato2 2 1 stato1 1 1
1 1 1 1( )
2 2u bs bs bs bs bs bs
a a
P v t V P V V P V VR R
= < − > − + −
& & & & &
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (IV)• in questo caso la potenza utile deve essere calcolata tenendo conto che
Vbs1 e Vbs2 sono fasori
• nota che
• se gli stati sono equiprobabili otteniamo
Giuseppe Iannaccone
( )2 2 2
1 stato2 2 1 stato1 1 1
1 1 1 1( )
2 2u bs bs bs bs bs bs
a a
P v t V P V V P V VR R
= < − > − + −
& & & & &
( ) ( )
2 1
2 2 2 2
2 2 2 2
2 2
2 2 2 2 2
4 4
a abs bs s
a a
a a a a a aa
s s
a a
R j X R j XV V V
R j X R j X
R jR X jR X X R jR X jR X X jR XV V
R X R X
− ∆ + ∆− = − =
− ∆ + ∆
− ∆ + ∆ + ∆ − + ∆ − ∆ + ∆ ∆ = = + ∆ + ∆
& &
( )
2 2 22 2
22 2
42 sin cos
44
s au AV
aa
V R XP P
RR X
φ φ∆
= =
+ ∆
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (V)• Esprimiamo PRF e Pu in funzione del coefficiente di riflessione così definito:
, dove
abbiamo quindi
chiamiamo
Giuseppe Iannaccone
*1, 2
1, 2
a
a
Z Z
Z Zρ
−=
+1
a
a
j XRZ
R j X
∆=
+ ∆2
a
a
j XRZ
R j X
− ∆=
− ∆
2
12 2
aa
aa a a a
a a a a aa
a
j XRR
R j X jR X R jR X R
j XR jR X R jR X R j XR
R j X
ρ
∆−
+ ∆ ∆ − − ∆= = = −
∆ ∆ + + ∆ + ∆+
+ ∆
2
2
a
a
R
R j Xρ = −
− ∆1 2ρ ρ ρ≡ =
22
2 2
41
4a
X
R Xρ
∆− =
+ ∆�
Modulazione B-PSK
della radiazione retrodiffusa (V)
• abbiamo
Giuseppe Iannaccone
( )2
2
2 2
41
4RF AV AV
a
XP P P
R Xρ
∆= = −
+ ∆
( )( )
2 2 2
22 2
2 2
4
44
2 1
s au
aa
AV
V R XP
RR X
P ρ ρ
∆=
+ ∆
= −
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
PR
F/P
AV , P
U/P
AV
reflection coefficient (ρρρρ)
PRF
/PAV
PU/P
AV
Confronto tra modulazioni ASK e PSK (I)
• Mostriamo Pu e PRF in funzione del coefficiente di riflessione
nei due casi
• Nel caso ASK il modulo del coefficiente di riflessione è proprio
m
• quindi abbiamo
Giuseppe Iannaccone
1, 21, 2
1, 2
1
1
a a aASK
aa a
NR RR R Nm
R R NR R Nρ ρ
−− −= ≡ = = =
+ + +
( )( )
( )
2
,
1 1
1RF ASK AVP P
ρ ρ
ρ
+ −=
+
2, 2u ASK AVP Pρ=
( )2_ 1RF PSK AVP P ρ= − ( )2 2
, 2 1u PSK AVP P ρ ρ= −
Confronto tra modulazioni ASK e PSK (II)
Giuseppe Iannaccone
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
PR
F/P
AV , P
U/P
AV
reflection coefficient (ρρρρ)
PRF
/PAV
, PSK
PRF
/PAV
, ASK
PU/P
AV , PSK
PU/P
AV , ASK
ASK - Probabilità di errore in ricezione• associamo allo stato 2 (Vbs2) lo “1” logico e allo stato 1 (Vbs1) lo “0” logico.
• Immaginiamo che il segnale sia ricevuto, demodulato e riportato in banda
base. Il segnale in banda base sia V=V1 se Vbs=Vbs2, e V=V0 se Vbs=Vbs1.
• Abbiamo
• lo schema a blocchi semplificato del ricevitore è
• W gaussiano, bianco, a media nulla
Giuseppe Iannaccone
2 1
2 1
1 0
1 0
bs bs
bs bs
V VV Vm
V V V V
−−≡ =
+ +
0mV cos( )tω
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
il correlatore da’ gli stessi
risultati di un filtro adattato in
tx e rx
ASK-Probabilità di errore in ricezione (II)
• T tempo di bit
• k costante del mixer
• T multiplo di 1/f0
Giuseppe Iannaccone
0mV cos( )tω
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
0 - / 2 -
( ) cos( )i
i
i
t T Tx t V rect t
Tω
=
∑0
2- / 2 -( ) ( ) cos ( )
im i
i
t T Tz t n t kV V rect t
Tω
= +
∑0( ) ( ) cos( )mn t w t kV tω=
[ ]0 0
2
[ ] [ ]
cos ( ) 1 cos(2 )
2 2
i m i mi m
T T
kV V k V V TkV V t dt t dtω ω= + =∫ ∫
ASK-Probabilità di errore in ricezione (III)
• w è bianco
• Se si è ricevuto un “1” logico in ingresso al decisore si ha
• Se si è ricevuto uno “0” logico:
Giuseppe Iannaccone
{ } ( )0
1 2 2 1( ) ( )2
E Nw t w t t tδ= −
( ) 0 02 2 20
2 1 1 2 1 2
0 0
- cos( ) cos( )2
T T
mn
Nk V t t t t dt dtσ δ ω ω= =∫∫
0 0
0 0 02 2 2 2 2 2 2
0 0
1cos ( ) [1 cos(2 )]
2 2 2 4
T T
m m mN N N
k V t dt k V t dt k V Tω ω= = + =∫ ∫
1 1
2
mk V V TZ n= +
0 0
2
mk V V TZ n= +
ASK-Probabilità di errore in ricezione (IV)
• Possiamo rappresentare i simboli
in una costellazione
• Per semplificare il
calcolo, trasliamo rigidamente la
costellazione
Giuseppe Iannaccone
0C' 1C'
2Z'
1 m V k V T
2
0 m V k V T
2
1Z'( )1 0 m V -V k V T
4
( )1 0 m V -V k V T
4−
Zona di decisione per 0 Zona di decisione per 1
0C 1C1Z
2Z
dd
ASK-Probabilità di errore in ricezione (V)• probabilità di errore nel caso sia ricevuto uno “0”
(integriamo sul semipiano Z1>0)
• dove d= ; l’integrale sull’asse Z2 fa 1
• abbiamo fatto il cambio di variabili
Giuseppe Iannaccone
( )2 2
1 20 1 2
2 2
0
-
1 exp
2 2 e
n n
Z d ZP dZ dZ
πσ σ
∞ ∞ + + = −
∞∫ ∫( )1 0 -
4
mV V V k T
( ) ( )2
1 20 1
2
0
2
1 1 1 1exp 2 exp
2 222 2e
nn n
d
n
Z d dP dZ Y dY erfc
σ
σπσ π σ
∞∞ + = − = − =
∫ ∫
11
4
2 2
m
n n
V k V TZ
Z dY
σ σ
∆+
+= =
ASK-Probabilità di errore in ricezione (VI)• la probabilità di errore nel caso sia ricevuto uno “1” è uguale
• Sostituendo le espressioni già calcolate di σ e d
• al posto di V1 e V0 possiamo sostituire la profondità di modulazione
Giuseppe Iannaccone
1 01
2 2
e e
n
dP P erfc
σ
= =
1 01 0 1 0
0
1 ( - ) 1 ( - )
2 2 84 2
me e
n
V V k V T TP P erfc erfc V V
Nσ
= = =
1 10 0
1 2 1
2 1 8 2 1 2e
m T m TP erfc V erfc V
m N m N
= = + +
ASK-Probabilità di errore in ricezione (VII)
• posso esprimere Pe in funzione della potenza massima del segnale
(quando trasmetto “1”)
�
• la potenza del rumore, filtrato su una banda 2/T (lobo principale della Sinc
trasformata della Rect di ampiezza T) è
• abbiamo quindi:
Giuseppe Iannaccone
21
max 2
mV
P =max
0
1
2 1
me
P TmP erfc
m N
= +
002 2N DR
NP N f
T= =
1 2
2 1e
mP erfc SNR
m
=
+
ASK-Probabilità di errore in ricezione (VIII)
Giuseppe Iannaccone
0 10 20 3010
-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Bit
err
or
pro
bab
ilit
y
SNR (dB)
m = 0.2
m = 0.5
m = 0.7
m = 1
ASK-Probabilità di errore in ricezione (IX)
• Possiamo esprimere Pe in funzione di una sola “potenza modulante”, definita come abbiamo già visto:
• notare che x(t) e’ proporzionale a vbs(t), e quindi la Pu di x è proporzionale alla Pu di vbs. Ottengo
• Cioè Pe dipende solo dal rapporto Pu/NGiuseppe Iannaccone
( ) ( ) ( )( )
22 2 2 1 0
0 1 1 0 0 0 0
1 1( )
2 2 4u
V VP x t V P V V P V V
− =< − > − + − =
1 0 1 00
1 1 1( ) ( )
2 8 2 4 e
N
TP erfc V V erfc V V
N P
= − = − =
( )1 1
2 2
uu
N
Perfc erfc SNR
P
= =
ASK-Probabilità di errore in ricezione (X)
• E’ quindi evidente che per minimizzare la probabilità di errore la modulazione
dovra’ massimizzare l’unico parametro che conta, la Pu.Giuseppe Iannaccone
0 10 2010
-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Bit
err
or
pro
bab
ilit
y
SNRu (dB)
PSK - Probabilità di errore in ricezione
• Fase +θ: “1” logico,
-θ: “0” logico
• struttura semplificata del
ricevitore
• w rumore gaussiano, bianco, a media
nulla
• demoduliamo separatamente le
componenti in fase e in quadratura
Giuseppe Iannaccone
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
0mV cos( )tω
0m-V sin( )tω
PSK - Probabilità di errore in ricezione (II)
• segnale ricevuto
• componenti in fase e in quadratura
Giuseppe Iannaccone
( )0
- / 2 -( ) cos
i
i
i
t T Tx t V rect t
Tω θ
= + =
∑( ) ( )0 0( )cos ( )sinc sm t t m t tω ω= −
( )- / 2 -
( ) cosi
c i
i
t T Tm t V rect
Tθ
=
∑
( )- / 2 -
( ) sini
s i
i
t T Tm t V rect
Tθ
=
∑
iθ θ= ±
nota: per i valori che puo’ assumere θmc(t) è una costante
PSK - Probabilità di errore in ricezione (III)• k costante del mixer (1/V)
• il ramo superiore e’ inutile
(perche’ la fase è simmetrica)
• per semplicità supponiamo che T
sia multiplo di 1/f0
Giuseppe Iannaccone
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
0mV cos( )tω
0m-V sin( )tω
0 0 02
0 0
( ) cos ( ) ( ) cos( )sin( )
T T
a m c m s aZ k V m t t dt k V m t t t dt nω ω ω= − + =∫ ∫
cos( )2
aV k Vm T
nθ= +
0 0 02
0 0
( ) cos( )sin( ) ( ) sin ( )
T T
b m c m s bZ kV m t t t dt kV m t t dt nω ω ω= − + + =∫ ∫
sin( )2
bV k Vm T
nθ= ± +
PSK - Probabilità di errore in ricezione (IV)• si puo’ quindi semplificare il ricevitore usando solo il ramo inferiore
• potenza della componente di rumore (come nel caso della modulazione
ASK)
Giuseppe Iannaccone
(k+1)T
kT
( )dt⋅∫
0m-V sin( )tω
02 2 2
4mn
Nk V Tσ =
PSK - Probabilità di errore in ricezione (V)
• Costellazione di simboli
• Rotazione e traslazione rigida
Giuseppe Iannaccone
-θ
θ
mV k V Tsin( )
2θ
mV k V Tsin( )
2θ−
0C'
1C'
1Z'
2Z'
m V k V Tsin( )
2θ−
m V k V Tsin( )
2θ
0C 1C
2Z
1Z
d
PSK - Probabilità di errore in ricezione (VI)
• Probabilità di errore sul singolo simbolo (come nel caso ASK)
• d è la distanza tra i simboli e l’asse Z2. Facciamo il cambio di variabile
• e otteniamo
Giuseppe Iannaccone
( )2
10 1 1
2
0
1 exp
22 e e e
nn
Z dP P P dZ
σπσ
∞ + = = = − =
∫
11
sin( )
2
2 2n n
V k Vm TZ
Z dY
θ
σ σ
++
= =
( )2
2
1 1 1 2 exp
2 2 2e
nd
n
dP Y dY erfc
σ
π σ
∞
= − = ∫
PSK-Probabilità di errore in ricezione (VII)• Sostituendo d e σ abbiamo:
• la potenza media del segnale ricevuto è Pm=V2/2
• la potenza di rumore e’, come prima
• quindi abbiamo
• dove SNR = Pm/PN
Giuseppe Iannaccone
0
1 sin( )
2 2e
TP erfc V
Nθ
=
002 2N DR
NP N f
T= =
( )1 sin( ) 2
2eP erfc SNRθ=
Giuseppe Iannaccone
PSK-Probabilità di errore in ricezione
(VIII)
0 10 20 3010
-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Bit
err
or
pro
bab
ilit
y
SNR (dB)
θθθθ = 10°
θθθθ = 20°
θθθθ = 60°
θθθθ = 90°
PSK-Probabilità di errore in ricezione
(VIII)• Anche in questo caso posso calcolare la “potenza modulante”
• da cui ottengo, di nuovo
• dove SNRu = Pu/PN. Notare che e’ esattamente la stessa espressione del caso ASK
Giuseppe Iannaccone
( ) ( )2 2
0 1 0 0 0( ) cos( ) cos( ) *0uP x t x P V t V t Pω θ ω θ =< − > + − − +
( )0
2 2 212 sin( )sin( ) sin
2uP V t Vω θ θ
= =
( )0
1 1 sin( )
2 2 2e u
TP erfc V erfc SNR
Nθ
= =
Confronto tra le modulazioni ASK e
PSK (II)• A Parità di PRF, la
PSK consente una
Pu maggiore.
• In generale il
ricevitore ASK
puo’ essere piu’
semplice (non
coerente)
• A volte, anche per
la modulazione
ASK e PSK uso un
ricevitore
coerente.
Giuseppe Iannaccone
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
PR
F/P
AV , P
U/P
AV
reflection coefficient (ρρρρ)
PRF
/PAV
, PSK
PRF
/PAV
, ASK
PU/P
AV , PSK
PU/P
AV , ASK
Esempio Numerico (I)• Consideriamo un Transponder
– frequenza 900 MHz (PEIRP=500mW),
– consumo DC 5 µW
– efficienza raddrizzatore + regolatore 20%
– antenna dipolo λ/2 (G=1.64)
• Vogliamo una portata di 4 m
• PRF minima = 5 µW/20% = 25µW < PAV
• PRF/PAV = 25/36.1 = 0.69 da cu
– ρASK=0.2 � Pu = 2.9 µW
– ρPSK=0.55 � Pu = 15 µWGiuseppe Iannaccone
24
EIRPPS
Rπ=
2 2
236.1 W
4 4AV E R R
cP A S G S G S
f
λµ
π π= = = =
Esempio Numerico (II)• Consideriamo un Transponder
– frequenza 2.45 GHz (PEIRP=500mW),
– consumo DC 5 µW
– efficienza raddrizzatore + regolatore 20%
– antenna dipolo λ/2 (G=1.64)
• Vogliamo una portata di 1.5 m
• PRF minima = 5 µW/20% = 25 µW < PAV
• PRF/PAV = 25/34.4 = 0.73 da cui
– ρASK=0.18 � Pu = 2 µW
– ρPSK=0.52 � Pu = 13.8 µWGiuseppe Iannaccone
24
EIRPPS
Rπ=
2 2
234.4 W
4 4AV E R R
cP A S G S G S
f
λµ
π π= = = =
Schema a blocchi della sezione RF nel
caso di modulazione PSK
• Il gruppo LC prima del modulatore serve a far vedere ±j∆X in parallelo alla
impedenza resistiva che offre la rete di adattamento del moltiplicatore di
tensione
Giuseppe Iannaccone
Moltiplicatore di tensione +
regolatore
• Se possibile, diodi Schottky (minore Vγ)
• A regime, la caduta di tensione su ogni diodo è
• Trade-off nella scelta di N (fattore di moltiplicazione – consumo)
• A parità di Vu per N=1 si ha portata massima.
• Dobbiamo comunque avere VIN > 2 Vγ
Giuseppe Iannaccone
N
VtVV U
d2
)cos( 00 −±= ω