1. Zadání: Úloha D - Signál a šum v RFID Změřte úrovně užitečného signálu a šumu v přenosovém řetězci systému RFID v závislosti na čtecí vzdálenosti. Zjistěte maximální čtecí vzdálenost daného RFID transpondéru. Vypočítejte hodnoty odstupů signálu od šumu pro jednotlivé naměřené vzdálenosti. Nakreslete grafy průběhů intenzity signálu a odstupu signálu/šumu v závislosti na čtecí vzdálenosti. Vysvětlete proč jsou výsledné průběhy právě takové zdůvodněte výsledné průběhy teoreticky. Zaznamenejte spektrum měřeného signálu ze čtecího zařízení. Čemu toto spektrum odpovídá a proč? Na kterém kmitočtu čtečka pracuje? Navrhněte alespoň jeden možný způsob zvýšení čtecí vzdálenosti a svůj návrh zdůvodněte. 2. Vypracování: Seznam zařízení: Čtecí zařízení Transpondér, měřící lavice Osciloskop PC s programem T4WTest Postup měření: Spusťte program T4WTest a nastavte parametry Nastavte minimální vzdálenost mezi RFID transpondérem a čtečkou. Pomocí tlačítka Read vyčtěte údaj uložený v RFID transpondéru (okénko Protocol). Probíhající komunikaci lze na obrazovce osciloskopu zapamatovat stiskem tlačítka STOP. Na připojeném osciloskopu sledujte probíhající komunikaci. Odečtením amplitudy šumu získáte amplitudu šumu v přenosovém kanálu. Amplitudu užitečného signálu odečtěte rovněž. Měření amplitud opakujte postupně i pro další nastavené čtecí vzdálenosti po 1 cm 10. Nalezněte maximální čtecí vzdálenost (v okénku Protocol je ještě naposledy zobrazena hodnota identifikátoru transpondéru). Naměřte další dvě pozice pro kontrolu a dále pokračujte s měřením intenzit vysílaného modulovaného signálu ze čtečky (pokračujte s měřením signálu a šumu). Osciloskop přepněte do funkce měření spektra (matematická funkce FFT) a spektrum signálu v minimální čtecí vzdálenosti zaznamenejte. Frekvenci jednotlivých spektrálních čar odečtete na obrazovce, ale až po posunu dané spektrální čáry pod středovou značku (pomocí prvku Position). - 1 -
2.1 Naměřené hodnoty: Tabulka č. 1 naměřených hodnot (maximální čtecí vzdálenost RFID transpondéru je 2,5 cm, amplituda signálu a šumu byla měřena ve špičkových hodnotách, šum byl považován za konstantní): d [cm] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 A sig Pk-Pk [V] 1,010 0,808 0,648 0,560 0,456 0,416 0,336 0,312 0,248 0,232 0,232 0,224 0,168 A noise Pk-Pk [V] 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 0,232 Tabulka č. 1 1,2 Závislost intenzity signálu na vzdálenosti 1,0 0,8 A sig [V] 0,6 0,4 0,2 0,0 0 1 2 3 4 5 6 d [cm] Graf č. 1 Naměřené a v grafu č.1 vynesené hodnoty byly proloženy exponenciálou. S exponenciálním úbytkem se šíří elektromagnetická vlna vyslaná RFID čtečkou. U indukční vazby nás zajímá intenzita magnetického pole, která v závislosti na čtecí vzdálenosti klesá kvadraticky dle vztahu: kde je: I cs proud anténou čtečky a, b rozměry pravoúhlé antény čtečky d tag čtecí vzdálenost (vzdálenost tagu). (1), - 2 -
2.2 Vypočítané hodnoty Rozdíl mezi úrovní signálu a šumu nazýváme odstup signálu od šumu SNR (Signal to Noise Ratio). Jeho velikost lze vypočítat podle následujícího vztahu: A SNR= 20 log A sig noise [ db] Tabulka č. 2 vypočítaných hodnot (intenzitu šumu jsme brali jako konstantu): d [cm] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 SNR [db] 12,777 10,838 8,922 7,654 5,87 5,072 3,217 2,573 0,579 0 0-0,3-2,8 Tabulka č. 2 Závislost SNR na vzdálenosti 14,0 12,0 10,0 8,0 SNR [db] 6,0 4,0 2,0 0,0-2,0-4,0 0 1 2 3 4 5 6 d [cm] Graf č.2 Vypočítané a v grafu č.2 vynesené hodnoty byly proloženy přímkou (lineárně). Jelikož jsme intenzitu šumu považovali za konstantní, i když se ze zvyšující se vzdálenosti jeho intenzita mírně snižuje, a počítá se s logaritmem, je lineární proložení hodnot logickým důsledkem, protože z grafu č.1 je patrný exponenciální pokles. - 3 -
2.3 Spektrum signálu, pracovní kmitočet čtečky Pomocí osciloskopu, resp. matematické funkce FFT, bylo získáno spektrum signálu (viz Obrázek č.1) vysílaného RFID čtečkou. První, spektrální čára (zleva), podle níž určíme pracovní kmitočet čtečky, byla na frekvenci 125 khz, následují její liché násobky (sudé harmonické jsou potlačeny). Obrázek č.1 Obrázek č.2 Z obrázku č. 2, na němž je zaznamenáno totéž spektrum avšak bez šumu, a který byl pořízen pomocí java apletu demonstrujícího Fourierovy řady, je patrné, že měřený signál má trojúhelníkový průběh. - 4 -
Graf č.3 3. Závěr: V rámci měření jsme se seznámili s dnes hojně využívanou technologií RFID (Radio Frequency IDentification). Naměřené a vypočítané hodnoty (viz tabulka č.1 a 2), resp. vyhotovené grafy (viz graf č.1 a 2) odpovídají teoretickým předpokladům a byly vyhodnoceny v jednotlivých částech tohoto protokolu (část 2.1, 2.2 a 2.3). Čtecí vzdálenost by se mohla dát zvýšit zvýšením proudu protékaného anténou čtečky (viz část 2.1, vztah (1)), popř. u čtečky s kruhovým profilem docílíme delší čtecí vzdálenosti zvýšením průměru (viz Graf č.3). - 5 -