Luận văn thạc sĩ Công nghệ thông tin: Chìa khoá xe thông minh ứng dụng công nghệ RFID chủ động

Ngoài việc xác thực chủ nhân phương tiện khi Keyfob trong bán kính1,5m, hệ thống còn trang bị thêm khả năng phân tích dữ liệu thông minh từ cảm biến chuyển động, đưa ra phán đoán tình hu

NGUYEN VAN XUAN

LUẬN VAN THAC SĨ

NGANH CONG NGHE THONG TIN

Mã sé: 8.48.02.01

TP HO CHi MINH - 2021

NGUYÊN VĂN XUÂN

CHÌA KHOÁ XE THÔNG MINH ỨNG DỤNG

CÔNG NGHE RFID CHỦ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Mã số: 8.48.02.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYEN GIA TUẦN ANH

TP HÒ CHÍ MINH - 2021

Luận văn thạc sĩ với đề tài: “Chia khoá xe thông minh ứng dung công

nghệ RFID chủ động” chuyên ngành Công nghệ thông tin được hoàn thành tại

Trường Đại học Công nghệ thông tin Trong quá trình học tập, nghiên cứu, thựchiện, tác giả nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn thành luận văn

Đầu tiên, tác giả bày tỏ lòng biết ơn và xin gửi lời cảm ơn chân thành nhấtđến thầy TS Nguyễn Gia Tuấn Anh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những trithức khoa học, kinh nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ

Tác giả xin chân thành cảm ơn quý thay, cô giảng viên thuộc Bộ môn Khoa

học và Kỹ thuật thông tin, Phòng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Công nghệ

thông tin đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành tốt luận văn thạc sĩ

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Trưởng Khoa Ngoại

ngữ-Tin học cùng các đồng nghiệp Trường Đại học Cảnh sát nhân dân; Ban lãnh đạo,

phòng nghiên cứu phát triển sản phâm Công ty cổ phần công nghệ tiện ích thôngminh (IKY); Đại ly xe máy uy quyền Long Thanh Đạt (Yamaha) đã cung cấp cáctài liệu, dữ liệu và tạo điều điện thuận lợi về cơ sở vật chất, máy móc thiết bị trongquá thực hiện đê tài.

Luận văn mang tính ứng dụng, thực thi một số thuật toán trên phần cứng tựxây dựng đòi hỏi độ ti mi và chính xác nên không thé tránh khỏi những thiếu sót.Tác giả rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý quý giá của quý thầy, cô giảng viên

và mọi người dé kịp thời tiếp thu và hoàn thiện dé tài

Xin chân thành cảm ơn !

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2021

Hoc viên

Nguyễn Văn Xuân

Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướngdẫn của thầy TS Nguyễn Gia Tuấn Anh Các số liệu, nghiên cứu, trình bày, kết luậnhoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bồ trong công trình nào khác.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Học viên

Nguyễn Văn Xuân

Danh mục các hình vẽ, đô

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.2 Mục tiêu và đối tượng phạm vi của đề tài

1.2.1 Mục tiêu1.2.2 Đối tượng nghiên cứu

1.2.3 Phạm vi nghiên cứu

1.3 Tính mới và tính khoa học của đê 1.3.1 Tính khoa học.

1.3.2 Tính mới 1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.5 B6 cục báo cáo luận vănChương 2 CƠ SỞ LÝ THUYÉT

2.1 Lý thuyết về RFID

2.1.1 Giới thiệu chung.

2.1.2 Thẻ Tag RFID chủ động và thụ động

2.1.4 Khoảng cách đọc dữ liệu.

2.2 Kỹ thuật truyền tin

2.2.1 Giới thiệu

2.2.2 Kỹ thuật điều chế

2.2.3 Kỹ thuật mã hoá kênh truyền

2.2.4 Mã hóa và giải mã Manchester

2.1 Bảo mật dữ liệu

2.1.1 Mã kiểm tra lỗi Checksum

2.1.2 Mã hóa và bảo mật dữ liệu.

2.1.3 Hàm băm-Hashing2.2 Cảm biến gia tốc

3.2.1 Nhận dạng chủ phương tiện với thẻ RFID thụ động

3.2.2 Nhận dang với song RF (433MHz)

3.2.3 Nhận dang với RFID dải tần UHF (860-915MHz)

4.2.2 Mạch phát tín hiệu LF 125kHz

4.2.3 Mạch nhận tín hiệu UHF 433MHz

4.2.4 Cảm biến gia tốc

4.3 Khối Tag (Keyfob)

4.3.1 IC điều khiển Keyfob

4.3.2 Mạch nhận tín hiệu LF 125kHz

4.3.3 Mạch phát tín hiệu UHF 433MHz

4.4 Mã hóa kênh truyền Manchester và điều chế OOK

4.5 Phát hiện và dò sóng trên kênh truyền LF 125kHz

4.5.1 Chíp phát hiện và dò sóng LF AS3933

4.5.2 Thiết lập các thông số thu phát LF 125Khz

4.5.3 Đọc dữ liệu đã giải mã Manchester trên kênh LF 125kHz 82

4.6 Thông số kênh truyền UHF 433MHz

4.6.1 Thiết lập các thông s6 bộ phát UHF

4.6.2 Thiết lập các thông số bộ thu UHF

4.7 Tự động xác thực và bảo mật dữ liệu

4.7.1 Mã ngẫu nhiên OTP

4.7.2 Ham sinh mã kiểm tra lỗi Checksum

4.7.3 Mã hoá cấp một (F1) trên kênh truyền LF

4.7.1 Mã hoá cấp hai (F2) trên kênh truyền UHF

4.7.1 Kiểm soát thời gian phiên xác thực

4.8 Kết quả thực nghiệm

4.8.1 So sánh giữa RFID thụ động và chủ động ở dài tần LF 97

4.8.2 Kết quả thực nghiệm phần cứng

4.9 Công việc đã thực hiện và các công cụ phần mềm 100

4.9.1 Công việc đã thực hiện .100

4.9.2 Công cụ phần mềm 102

.„102

4.9.3 Các nội dung mang tính kế thừa trong luận văn

Chương 5 ĐÁNH GIA, KET LUẬN 104

5.1 Đánh giá chung 1045.1.1 Ưu điểm -.1045.1.2 Nhược điểm 105

5.1.3 Hướng nghiên cứu, phát triên 1055.2 Kết luận „108

DANH MỤC CONG BO KHOA HỌC CUA TÁC GIA 106

TAI LIEU THAM KHAO .107

Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ trên toàn thếgiới, góp mặt vào tat cả các lĩnh vực của đời sống xã hội Bộ khung của cách mang

công nghiệp 4.0 gồm 3 chủ đề cơ bản, đó là:

e Trí tuệ nhân tạo (AI).

e Internet vạn vật (Internet of Things-loT).

e© Di liệu lớn (Big Data).

Trong chủ đề oT, nhu cầu định vị và tự động nhận dạng cũng khôngngừng tăng lên theo đó kèm theo những yêu cầu khat khe hơn về tính ôn định, bảo

mật và khả năng thông minh, phán đoán các tình huống trong thực tế Khác với bài

toán định vị GPS (theo dõi hành trình) đã được nghiên cứu và triển khai phổ biến,định vị trong không gian hẹp (Micro-Location) mang nhiều yếu tố mới mẻ hơn.Mặc dù nhu cầu đã có từ lâu, nhưng do các hạn chế về mặt công nghệ, đặc biệt làdong điện tiêu thụ lớn, tốc độ chip xử ly chậm, công nghệ Micro-Location mới chỉgần đây trở nên phô biến hơn khi lĩnh vực chế tạo vi mạch bán dẫn tạo ra những vi

mạch khắc phục các hạn chế trên

Micro-Location định vị vị trí không gian tương đối của các vật thể gắn thẻTag so với vị trí của một bộ trung tâm (host), có khoảng cách định vị từ vài cm tớihàng chục m, trong không gian 1 hoặc 3 chiều Như vậy nó phù hợp cho cả các ứngdụng trong nhà và ngoài trời Một số ứng dụng Micro-Location nồi tiếng như xácđịnh vị trí container trong cảng, chỉ đường trong bệnh viện, quảng cáo định hướng tới khách hàng trong cửa hàng (ibeacon), trạm thu phí không dừng, nhận dạng chủxe dùng công nghệ RFID, NFC, Bluetooth đã triển khai rộng rãi Mỗi công nghệ

đều có những ưu nhược điểm khách nhau, tuỳ theo ứng dụng

Trong nội dung đề tài này, tác giả ứng dụng Micro-Location sử dụng côngnghệ RFID chủ động, chạy ở băng tần 125Khz, trong việc tự động nhận dạng và xácthực chủ xe, nhằm nâng cao tính bảo mật, hạn chế việc mat xe, chống các truy phéptrái phép Ngoài việc xác thực chủ nhân phương tiện khi Keyfob trong bán kính1,5m, hệ thống còn trang bị thêm khả năng phân tích dữ liệu thông minh từ cảm

biến chuyển động, đưa ra phán đoán tình huống sử dụng, nhận biết tai nạn, tắt máy

truyền UHF đề trở thành một thiết bị RFID chủ động AS3933 trang bị 3 kênh thuđộc lập (antenna 3D) hỗ trợ nhận dạng sóng radio tần số 125kHz trong không gian 3chiều Kết hợp với chíp xử lý ARM Cortex M7 RT1010 mạnh mẽ của NXP, thựchiện các thuật toán mã hoá, giải mã hoá Manchester, các hàm mã hóa đôi xứng, hàmbăm (hashing) nhằm chống nhiễu kênh truyền và tăng cường khả năng bảo mật dữliệu Hệ thống sử dụng 2 dải băng tần là LF (Low Frequency) 125Khz và UHF

(Ultra High Frequency) 433Mhz giúp tăng độ tin cậy trong khi vẫn đảm bảo yêu

cầu về tiết kiệm năng lượng

Kết quả đề tài là một thiết bị thực tế bao gồm 2 phần: SCU (System ControlUnit) và Keyfob SCU đóng vai trò là bộ trung tâm, điều khiển và kiêm soát quá

trình nhận dạng được gắn ở trên phương tiện, trong khi Keyfob thực ra là Remote

Control, đóng vai trò thẻ Tag, được chủ phương tiện mang như chìa khóa thôngminh Sản phẩm đã thử nghiệm va đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật về mặt tính năng,tiêu thụ năng lượng thấp, có thé kết hợp với các doanh nghiệp dé triển khai sản xuấtthương mại.

Các kiến thức trong nội dung đề tài là nguồn tài liệu hữu ích cho các học

giả, người nghiên cứu sau này muốn nghiên cứu về lĩnh vực này, đặc biệt nó là

bước đệm cần thiết cho việc nghiên cứu chủ đề Băng thông siêu rộng (UWB ! Ultra Wideband), đây là chủ đề rat mới và hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong cả tronglĩnh vực IoT và tự động hóa.

-Chữ viết tắt Nội dung

AI Artificial Intelligence

AES Advanced Encryption Standard

AM Amplitude Modulation

BER Bit Error Rate

BLE Bluetooth Low Energy

CLK Clock

CRC Cyclic Redundancy Check

DES Data Encryption Standard

FM Frequency Modulation

FPU Floating Point Unit

FSK Frequency Shift Keying

GPS Global Positioning System

HF High Frequency

IOT Internet Of Things-lot

ISO International Organization For Standardization

LF Low Frequency

MCU | Micro Controller Unit

NFC Near-Field Communications

NRZ Non-Return-To-Zero

OOK On-Off Keying

OTP One Time Password

PCB Printed Circuit Board

PLL Phase Lock Loop

PM Phase Modulation

PWM Pulse-Width Modulation

RFID Radio-Rrequency Identification

RKE Remote Keyless Entry

RSSI Received Signal Strength Indicator

SCU System Control Unit

SPI Serial Peripheral Interface

UHF Ultra High Frequency

UWB Ultra Wideband

WUSN Wireless Underground Sensor Networks.

Bảng 2-1 Bảng phân loại RFID theo tần số.

ấu hình cho AS3933

Bang 4-2 Bảng thông số cấu hình bộ phát UHF 433MHz

Bảng 4-3 So sánh RFID thụ động và chủ động

Bảng 4-1: Bảng thông sô

Bang 4-4 Thiết lập tham sé thử nghiệm

Bảng 4-5 Dòng tiêu thụ của Keyfob

Mô hình Reader và Tag trong hệ thong RFID

Tương tác điện cảm giữa Reader và Tag thụ động

Sơ đồ mạch tương đương

Giao tiếp giữa Reader và Tag thông qua môi trường điện từ

Minh họa dữ liệu và năng lượng truyền qua tương tác điện cảm 28Minh họa điều chế AM, FM từ tín hiệu góc

Minh họa điều chế OOK

Mã hóa kênh NRZ

Giản đồ thời gian của các loại mã hoá kênh truyềnMinh họa hệ thống RF sử dụng mã hóa Manchester

Giản đồ thời gian của mã hóa Manchester

Mã hóa bằng công logic XOR

Mô tả bảng chân ly

Biến đổi các bit trong mã hóa Manchester

Thành phần AC và DC trong tín hiệu thuMach lọc thông cao - High Pass Filter

Nguyên lý mach data slicer

Tín hiệu số ở đầu ra của bộ Data slicer

Giải mã Manchester dùng hardware

Xác định cạnh Active của xung nhịp Clock

Giản đồ giải mã hóa Manchester theo thời gian

Minh họa tính checksum của khối dữ liệu Bo-BạQuá trình mã hóa và giải mã hóa.

Minh họa hàm băm dữ liệtNguyên lý cảm biến gia tốc

Câu trúc của một cảm biên gia tôc 2 chiêu.

Mạch khuếch đại tín hiệu gia tốc

Căn cước công dân dùng thẻ bảo mật, cổng giao tiếp có day

Hình 4.2 Sơ đồ mạch khối Reader/Host

Hình 4.3 Hình ảnh khối Reader/Host

Hình 4.4 Sơ đồ khối MCU RT1010

Hình 4.5.

Hình 4.6 Antenna phát LF 125kHz

Hình 4.7 Sơ đồ mạch thu tín hiệu RF 433MHz

Hình 4.8 Sơ đồ cảm biến chuyên động dùng IC LIS3DH

Hình 4.9 Sơ đồ mạch Keyfob

Hình 4.10 Hình ảnh và các linh kiện trên Keyfob

Hình 4.11 Sơ đồ khối MCU KL03

Hình 4.12 Mạch nhận tín hiệu 3 chiều LF 125kHz

Hình 4.13 Mach phat UHF dùng chip MICRF113

Hình 4.14 Mã hóa Manchester kết hợp với điều chế trên hệ thống

Hình 4.15 Mã hóa Manchester kết hợp với điều chế AM trên RT1010, „66

Hình 4.16 Lưu đồ giải thuật mã hóa Manchester kết hợp điều chế OOK 66Hình 4.17 Sơ đồ khối của chíp AS3933

Hình 4.18 Mô tả tần số sóng mang và Time Windows N

Hình 4.19 Scanning mode

Hình 4.20 Giá trị sai số trong khối phát hiện tan s

Hình 4.21 Carrier Burst trong ludng tin hiệu phát

Hình 4.22 Gia trị các bit đề thiết lập hệ số khuếch đ:

Hình 4.23 Fast Envelope Signals

Hình 4.24 So sánh Fast va Slow trong Data slicer

Hình 4.25 Độ rộng tối thiêu của Preamble trong AS393

Các linh kiện được gắn trên PCB

Các thư mục và file mã nguồn trong luận văn

Mô hình mã hoá xác thực mã OTP và hàm F1, F2

Miêu tả dữ liệu trong quá trình mã hóa

Mô hình khung dit liệu phiên xác thực

Dữ liệu phiên xác thực

Tính Mod va Div trong phép chia cho 256

Mô hình dữ liệu đầu và hàm mã hóa F1

Mô hình dữ liệu đầu và hàm mã hóa F1

Minh họa quá trình quay vòng bit theo cột

RSSI và khoảng cách

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu

Công nghệ RFID không còn là khái niệm mới khi nó đã được nghiên cứu và

phát triển từ những năm 1960 của thế kỷ trước Tuy nhiên, khi vi mạch tích hợpphát triển đã mang lại cho RFID nhiều những đặc điểm mới Một trong sé đó là độnhạy thu cao dẫn tới khoảng cách giao tiếp xa hơn, và đo vay các lĩnh vực ứng dungcũng không ngừng được mở rộng Các công trình nghiên cứu ứng dụng RFID vàolĩnh vực bảo mật, nhận diện chủ phương tiện đã có rất nhiều, tuy nhiên, chủ yếu liênquan đến kỹ thuật RFID bị động, bị giới hạn bởi khoảng cách ngắn và tính bảo mật

yếu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2011, Bộ khoa học và Công nghệ (KH&CN) phê duyệt dự án khoahọc công nghệ "Thiết kế và chế tạo chip, thé, đầu đọc RFID và xây dựng hệ thốngứng dụng” với tổng kinh phí 146 tỷ đồng, thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu vàĐào tạo Thiết kế vi mạch (ICDREC), dự án được thông báo kết thúc thành côngnăm 2015 với các sản phẩm thẻ Tag UHF va IC Reader

Ngoài ra, còn có rất nhiều các công trình, bài báo, luận văn và khóa luận

tốt nghiệp ở Việt Nam về lĩnh vực RFID ở băng tần 125kHz Tuy nhiên thườngnghiên cứu về mô hình ứng dụng trién khai quản lý hàng hóa, con người sử dụngRFID thay cho mã vạch Ở đó, RFID đóng vai trò nhận dang thuần túy, là thường là

kỹ thuật RFID thụ động, khoảng cách giao tiếp gần, khoảng 5-10cm Khi cầnkhoảng cách đọc xa như hệ thống thu phí không dừng, kiểm soát container ra vàocảng hay kiểm soát xe ra vào cơ quan, thì sẽ sử dụng RFID thụ động ở dải tần UHF,vốn đòi hỏi antenna kích thước rất lớn trên đầu đọc Không thấy có tài liệu nghiêncứu về kỹ thuật RFID chủ động ở băng tần 125kHz cho khoảng các đọc lớn từ 1-3m.

Có thể điểm qua một số công trình, nghiên cứu tiêu biểu như sau:

a Bài tạp chi: “UNG DỤNG CÔNG NGHỆ RFID TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH

VỊ TRÍ CONTAINER TRONG CANG CONTAINER? [3]

- Công nghệ sử dụng:

= RFID thụ động, dải tần UHF 902-908 MHz

= Đầu đọc: Speedway Revolution R420 (hãng Impinj)

= Tag/Transponder: HID InLine Ultra 6A7980

= Phan mém: Visual Studio.NET 2015, C#, EF6, WCF 4, SQL Server

= Thir nghiệm lắp đặt ở cảng Nhà Rồng- Khánh Hội

- Chức năng:

= Xác định vị trí container trong cảng theo thời gian thực.

= Cập nhật và đáp ứng các truy van vị trí thời gian thực của clients

"Theo dõi, giám sát thời gian chuyền đến, đi của các container

" Hiển thị bản đồ 3D thời gian thực cho các truy van

- Nhận xét:

Công trình mang tính ứng dụng cao, tuy nhiên mới chỉ dừng lại ở mức thử

nghiệm Công trình tập trung vào việc xây dựng hệ thống phần mềm quản lý, theođối container Còn các module phần cứng như Reader và Tag đều mua thành phẩmtir nước ngoài, sẽ không tối ưu về mặt chỉ phí, bảo trì và vận hành thực tế

b Đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế hệ thống RFID trong dai tan LF” [2]

= Tính toán các tham số mạch thu phát như dòng điện tiêu thụ, cường độ

điện trường, các thông số thiết kế antenna

15

- Nhận xét:

Khoá luận xây dựng được hệ thống RFID theo yêu cầu của đề bài, tác giảcũng cung cấp được nhiều thông tin hữu ich trong việc tính toán và lựa chọn cáclinh kiện phần cứng Tuy nhiên nội dung còn khá đơn giản, cặp module thu phátEM4095/ EM4102 rat phổ biến trên thị trường với các đoạn code có sẵn Không cầnkiến thức chuyên sâu cũng có thể sử dụng được Ngoài khoảng cách đọc chỉ khoảng10-15cm, nhược điểm lớn nhất của các loại thẻ RFID này là rất dễ dang bị copy, gia

mạo.

c Xe điện Vinfast (Escooter) :

Vinfast có thể nói là doanh nghiệp đầu tiên ở Việt Nam ứng dụng công

nghệ LF 125kHz cho các loại chìa khóa xe thông minh của hãng Sử dụng giải pháp

tích hợp của hãng NXP Semiconductor trong đó cả 2 khối LF 125kHz và UHF433MHz đều được tích hợp sẵn trên dòng IC NCF29xx Chip có module phan cứng

mã hóa và giải mã hóa AES-128 cho phép bảo mật dữ liệu tối đa, chống được kỹ

thuật hack brute-force Tuy nhiên, việc tiếp cận phần cứng và phần mềm phát triên

cho dòng chíp này rất khó khăn, do các hãng chỉ hỗ trợ tài liệu và chip mẫu cáccông ty lớn, chuyên về tự động hóa như Honda, Yamaha., Vinfast

Qua đây, ta thay rằng việc nghiên cứu lĩnh vực RFID ở nước ta tuy có phổbiến nhưng chủ yếu ở mức ứng dụng, lệ thuộc vào các module có sẵn, sẽ dẫn tớinhững hạn chế nhất định trong việc làm chủ công nghệ và sản phẩm

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

a Bài báo: “125KHz wake-up receiver and 433MHz data transmitter for

Kénh LF khong nhằm mục đích truyền tai dữ liệu, mà chỉ nhận tín hiệu đánh thức từđầu đọc, sau đó dữ liệu về áp suất lốp sẽ được truyền qua kênh UHF 433MHz.

Bài báo không đề cập tới bat ky kỹ thuật bao mật nao trên kênh truyền, do

chỉ đơn thuần là dữ liệu về áp suất lốp xe

b Bài báo: “Timestamp-based Defense Mechanism Against Replay Attack in Remote Keyless Entry Systems” [8]

Bài báo chỉ ra các điểm yếu trong kỹ thuật truyền tải dữ liệu của hệ thống

xe sử dụng Remote và không có khóa vật lý (RKE) Đó là khi hacker sử dụng kỹ

thuật hack “Replay Attack”, tức copy và phát lại chính xác chuỗi dit liệu xác thực

mà không cần giải mã hay hiểu nội dung thực sự của dữ liệu trong đó Tác đề xuấtgiải pháp bảo mật ding thời gian đính kèm theo chuỗi dữ liệu, mã hóa tat cả theochuân Advanced Encryption Standard (AES) 16 bits Khối thu nhận được sẽ đọcthời gian trên, nếu thời gian nằm trong 1 khoảng cho phép một sai số nào đó, thì yêucầu xác thực coi như hợp lệ

Tuy nhiên trong công trình này, chi băng tan UHF 433MHz được sử dụng,kênh truyền di liệu là kênh truyền 1 chiều, không có cơ chế đồng bộ chính xác về

thời gian giữa Keyfob và Host Nếu Keyfob mắt nguồn do hết pin hoặc Host mat

nguồn, thời gian sẽ ngay lập tức mat đồng bộ, do đó mã yêu cầu xác thực sẽ khôngđược chấp nhận

c Remote xe hơi cao đời mới hoặc các dòng xe máy cao cap.

Tất cả các thiết bị này đều trang bị chìa khóa thông minh (Smart-key) vớikhả năng xác thực chủ xe trong bán kính nhỏ nhất định gần quanh xe Trong đó kỹthuật RFID chủ động hoặc bán chủ động cùng với kênh truyền UHF cho phép bảomật dữ liệu xác thực, chống giả mạo Phần cứng dùng các chip chuyên dụng tíchhợp sẵn các module mã hóa, giải mã hóa AES-128, cho phép thời gian đáp ứng gần

như tức thời, trong khi tiêu thụ năng lượng thấp Tuy nhiên việc tiếp cận tài liệu

phần cứng và phần mềm cho các ứng dụng khác là điều rất khó thực hiện một cáchđại trà.

17

1.2 Mục tiêu và đối tượng phạm vi của đề tài

1.2.1 Mục tiêuXây dựng chìa khóa thông minh cho chủ phương tiện, sử dụng hệ thốngRFID chủ động chạy ở dải tần LF 125kHz và UHF 433MHz bao gồm bộ xử lýtrung tâm (host) và Keyfob, có thé gắn trên phương tiện như 6 tô, xe máy, xe điện

Hệ thống có thể tự động hoặc bán tự động nhận dạng và xác thực chủphương tiện khi chủ phương tiện mang theo chìa khóa thông minh (Keyfob) đứnggần xe trong bán kính 1-2m

Thiết lập kênh truyền an toàn, chống giả mạo xác thực dùng kỹ thuật OTP

và thuật toán mã hóa đối xứng

Phát tín hiệu cảnh báo khi xe gặp tai nạn, gây sự chú ý cho lực lượng cứu

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu

Kỹ thuật dò tìm và thu tín hiệu RFID độ nhạy cao ở tần số 125kHz

Kỹ thuật điều chế AM và mã hóa và giải mã hóa kênh truyền Manchester

Kỹ thuật mã hóa đối xứng và sinh mã ngẫu nhiên OTP

Đề tài mô tả chỉ tiết việc xây dựng phan cứng, phần điều khiển mạch pháttín hiệu LF 125kHz công suất cao dùng nguyên lý day kéo (Push-Pull) nửa cầu Hvới tần số cộng hưởng cưỡng bức bằng tần số cộng hưởng riêng của Antenna phát.Mạch thu tín hiệu dùng chíp AS3933 được tính toán để thu tín hiệu theo cả 3

phương ZXY, đảm bảo Remote có thể hoạt động tốt 6 moi hướng

Đề tài kế thừa và cải tiến kỹ thuật OTP, xây dựng phương pháp sinh mãOTP hiệu quả với tài nguyên tối thiểu và đảm bảo tính ngẫu nhiên Cụ thé là mãOTP hoàn toàn ngẫu nhiên được lấy từ bộ đếm 32 bits, mã này không gửi trực tiếp

từ Reader tới Tag mà được mã hóa nhiều lần, khiến thiết bị thu trái phép khác rấtkhó giải mã Mã xác thực được băm bằng hàm Hash trong phản hồi từ Tag tớiReader.

Độ dài mã OTP được chọn là 4 bytes, cùng 3 byte RemoteID, 01 byte lệnh,

mã Checksum và khóa bảo mật, sau khi được mã hóa có chiều dài tổng cộng 10bytes (80 bits), kết hợp với thời gian xác thực giới hạn trong 500ms Tác giả ướctính được xác suất vô cùng nhỏ chỉ cỡ 8,272*10°5 dé hacker may mắn đò được mãxác thực bằng kỹ thuật hack Brute-force

Đề tài trình bày cụ thể cơ sở lý thuyết, thiết kế thực nghiệm cả phần cứng

và phần mềm, là nguồn tài liệu hữu ích để mở rộng cho các nghiên cứu sau này

trong cùng lĩnh vực.

1.3.2 Tính mới

Như đã đề cập trong phan tình hình nghiên cứu, gần như không tìm thấy kếtquả nghiên cứu hay công trình nào về việc sử dụng RFID chủ động ở dải tân125kHz cho việc nhận dang và xác thực trong phạm vi 1-2m Luận văn “Chia khoá

xe thông minh ứng dụng công nghệ RFID chủ động” này là một trong những công

trình tiên phong, mang nhiều tính mới trong chủ đề RFID

Luận văn xây dựng ứng dung RFID có thê nhận dạng ở khoảng cách từ 2m, lớn hơn hẳn so với các loại RFID phổ thông có khoảng cách đọc chỉ cỡ 10-15cm, trong khi đảm bảo yêu cầu nhỏ gọn về kích thước và tiết kiệm năng lượng

1-19

Việc triển khai các kỹ thuật mã hóa và bao mật dữ liệu trên các nền tảng lớnnhư Window, Linux, các hệ thống nhúng là điều rat phd biến Nhưng dé triển khaitrên nền tảng MCU có tài nguyên hạn hẹp, không có hệ điều hành là một thách thức.

Đề tài đã vượt qua thách thức này bằng các vận dụng sáng tạo việc sinh mã ngẫu

nhiên OTP và biến đổi linh hoạt các hàm mã hóa, giải mã hóa phù hợp với tài

nguyên hệ thống trong khi vẫn đảm bảo thời gian đáp ứng nhanh, hiệu quả

Tác giả đã xây dựng mô hình giải mã hóa Manchester mà không cần chípgiải mã chuyên dụng trên kênh truyền UHF 433MHz, với đặc điểm nỗi bật là thuậttoán chuẩn hóa cụm dit liệu thô

Với đặc tính đâm xuyên tốt qua vật cản của sóng LF 125kHz, luận văn mở

ra một lựa chọn mới trong việc xây dựng kỹ thuật truyền thông trong môi trường vậtcản như trong bê tông, trong đất, nước Đặc biệt là ứng dụng cho mạng lưới cảmbiến dưới lòng đất (WUSN-Wireless Underground Sensor Networks) [6]

1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung 1

Mục tiêu: Nghiên cứu tình hình thực tế việc ứng dụng công nghệ RFID tại

Việt Nam, cụ thé hơn là trong lĩnh vực bảo mật và nhận dạng Bằng cách tìm kiếmthông tin từ các công ty cung cấp giải pháp RFID, tham khảo nội dung các bài báo,luận văn luận án về chủ đề

Kết quả: Tình hình thực tế việc ứng dụng công nghệ RFID ở Việt Nam Ởứng dụng nhận dạng, chủ yếu dùng công nghệ RFID thụ động, với khoảng cách đọcngắn từ 10-15cm

Nội dung 2

Mục tiêu: Nghiên cứu về các ưu điểm nổi trội của RFID chủ động, ưunhược điểm so với RFID chủ động và tính phù hợp của nó trong ứng dụng xác thực

chủ phương tiện dùng chìa khóa thông minh.

Kết quả: Tác giả chỉ ra điểm yếu của kỹ thuật nhận dạng dùng RFID thụđộng, sự cần thiết và phù hợp của việc dùng RFID chủ động trong ứng dụng này

Nội dung 3Mục tiêu: Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của mạch thu, phát RFID125kHz trong khoảng cách 1-3m, các yêu cầu về kỹ thuật và linh kiện phần cứng déđáp ứng được khoảng cách này

Kết quả: Lựa chọn được mô hình thu phát RFID 125kHz, trong đó khối thudùng chip dò sóng LF AS3933 độ nhạy cao, khối phát dùng linh kiện rời theonguyên lý cầu H dùng Mosfet công suất cao

Nội dung 4

Mục tiêu: Tìm hiểu về các kỹ thuật kênh truyền Manchester, mã hóa dữ liệu

AES Xây dựng kênh truyền tín hiệu tin cậy bảo mật giữa SCU và Keyfob Đảm

bảo tính chống nhiễu, chống hack, chống giả mạo mã xác thực

Kết quả: Kỹ thuật mã hóa Manchester được sử dụng cho cả 2 kênh truyền

LF và UHF của hệ thống Dựa trên mô hình AES, tác giả xây dựng mô hình bảo mãhóa thu gọn hơn để có thể chạy trên MCU

1.5 Bố cục báo cáo luận văn

Luận văn nghiên cứu được chia thành 5 chương:

e Chương 1: Tổng quan.

e Chương 2: Cơ sở lý thuyết

e Chương 3: Tình hình thực tế áp dụng kỹ thuật RFID trong ứng dụngbảo mật, nhận dang ở Việt Nam

e Chương 4: Thiết kế và thử nghiệm hệ thống nhận dạng xác thực với

chìa khóa thông minh.

© _ Chương 5: Đánh giá, kết luận.

21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Lý thuyết về RFID

2.1.1 Giới thiệu chung

RFID (Radio Frequency Identification) - thiết bị nhận dạng vô tuyến điện

sử dụng sóng vô tuyến để tự động nhận dạng, theo dõi, quản lý hang hoá, conngười, động vật và các ứng dụng khác? Thiết bị nhận dang vô tuyến điện bao gồmhai khối riêng biệt được kết nối thông qua giao diện vô tuyến:

- Thẻ vô tuyến (Transponder hay còn gọi thẻ RF Tag) mang chip điện tử, cóhoặc không có nguồn điện, được gắn trên đối tượng cần nhận dạng Chíp điện tửchứa thông tin về đối tượng đó

- Thiết bị đọc tần số vô tuyến (RF Reader) phát ra tần số nhất định để kíchhoạt thẻ vô tuyến và thẻ vô tuyến sẽ phát ra thông tin của thẻ Thông tin này đượcđầu đọc thu lại và chuyển tới hệ thống xử lý số liệu

Giao tiếp diễn ra giữa Reader và Tag diễn ra trên cùng một kênh tần sé

Hình 2.1 RFID Reader và Tags trong thực tế

Theo tiêu chí đải tần số hoạt động, thẻ RFID được phân loại vào 4 dải tân

số chính Phân loại theo đặc điểm hoạt động, chúng được chia vào 3 loại là thẻ thụđộng, bán thụ động và chủ động Bảng phân loại dưới đây cung cấp chỉ tiết về bốndai tần chính ma RFID sử dụng cũng như ưu nhược điểm và ứng dụng thực tế của

từng loại.

Bảng 2-1 Bảng phân loại RFID theo tần số.

LF HF ,UHE :Á Microwave

(Tân sô siêu

(Tần số thấp) (Tần số cao) cao) (Vi ba)Dai tần < 135 kHz 13.56 MHz 860-930 MHz 2.45GHz

Đặc điểm đơn giản Đã ngăn, đọc nhiêu nhiêu the Tag, trên các loại môi

° được ứng dụng thẻ Tag 1 lúc Thẻ Tag có t trường khác

đại trà Yêu câu gắn trên các bề nhau.

antenna lớn mặt kim loại.

Quản lýra VÀO “TT: can cước Quản lý chuối Quản lý chuỗi

công, gan thẻ a ˆ cung ứng, hàng cung ứng, hàng

A công dân, thẻ F 4

Ung dung theo dõi động ngân hàng, thé trong kho, bên trong kho, bên

vat, vat nudi di tu điện xe bãi Hệ thông bãi Hệ thông

Nhận dạng chủ MN l thu phí không thu phí không

<a US ñ ~

xe, phuong tién dừng dừng

Tốc độ đọc

nhiều thẻ Chậm ———————————— \lanhcùng lúc

2.1.2 Thẻ Tag RFID chủ động và thụ động.

Thẻ Tag có thể không cần dùng pin hoặc bất cứ nguồn năng lượng tương tựnào để hoạt động, nó tái tạo năng điện chính từ không gian trường điện từ biến thiên

mà Reader tạo ra Dù mức năng lượng này rat nhỏ, nhưng sử dung các vi mạch nhân

điện áp, các mức điện áp 1,8V được tạo ra trong thời gian ngắn, đủ dé cấp cho các

khối xử lý logic và bộ nhớ hoạt động, truyền tải lượng dit liệu cần thiết Khi antennacủa Reader ngừng phát sóng, năng lượng này biến mắt, đồng nghĩa các phan tử trênTag ngừng hoạt động hoàn toàn Loại thẻ này do vậy được gọi là thẻ thu động(passive Tag) Nó không thể tự khởi tạo một quá trình giao tiếp với Reader

Đây là loại thẻ RFID phổ biến nhất do tính tiện dụng, nhỏ gọn, không cần pin vàthay pin định kỳ Tuy nhiên, năng lượng sóng tỉ lệ nghịch với lập phương khoảngcách, nó giảm rất nhanh khi khoảng cách đọc tăng lên, nên nhược điểm lớn của nó

là khoảng cách giao tiếp ngắn

Ngược lại, loại thẻ được tích hợp pin cùng với antenna phát, có thẻ khởi tạo

hoặc yêu cầu một quá trình trao đổi dữ liệu với Reader, được gọi là thẻ chủ động(Active Tag), khoảng cách đọc xa do được cấp năng lượng lớn từ pin

Loại thứ ba là thẻ bán thụ động (Semi-passive), nó được tích hợp pin đề cấpcho các antenna thu, đảm bảo khoảng cách giao tiếp xa Nhưng nó không tích hợp

sẵn antenna phát, do vậy nó cũng không chủ động khởi tạo được một quá trình trao

đôi di liệu với Reader Trong nội dung luận văn này, tác giả sử dụng chip nhậndạng sóng LF, mã AS3933 chạy ở tần số 125kHz dưới dạng bán thụ động, chíp chỉđọc dữ liệu khi Reader phát Để chủ động khởi tạo sự trao đổi dữ liệu từ Keyfob vớihost (Reader), tác giả sử dụng ludng tín hiệu khác, chạy ở băng tần UHF 433MHz

2.1.3 Nguyên lý và cơ chế hoạt động

Hệ thống RFID luôn chứa tối thiểu 2 thành phần là Reader vàTransponder/Tag như hình 2.3.

Hình 2.3 Mô hình Reader va Tag trong hệ thống RFID

Phần Reader thường luôn đóng vai trò chủ động, tích cực, khởi tạo hoặcyêu cầu một quá trình doc/ghi dữ liệu Phần Tag, tùy thuộc là Tag chủ động hoặcthụ động mà có các kỹ thuật khác nhau dé quản lý năng lượng và phản hồi lạiReader.

Nguyên lý cộng hưởng điện từ xuyên suốt cơ chế hoạt động của RFID tần

số thấp Giả sử xét hệ thống RFID sử dung tín hiệu sóng mang ở tần số fo = 125kHz

Bộ Reader sẽ chứa nguồn dao động cưỡng bức V; tần số 125kHz, trong khi antenna

của nó phát cũng có tần số cộng hưởng riêng 125kHz Điều này cho phép tạo ra

công suất phát tối đa Antenna tạo ra một môi trường điện từ trường biến thiên H,

nếu đặt Tag vào môi trường này, antenna của Tag sẽ được cộng hưởng tại tần số125kHz va quá trình trao đôi dữ liệu được diễn ra giữa Reader và Tag

Hình 2.5 Sơ đồ mạch tương đương

Reader phát cả năng lượng và đữ liệu thông qua tương tác điện cảm tớiTags bằng cách đưa dòng điện biến thiên i vào cuộn cảm L¡ cũng chính là antennaphat Rs, Ri lần lượt là điện trở thuần của nguồn phát của dây dẫn Tụ điện C¡ cùngvới cuộn cảm L; tạo mạch cộng hưởng LC, tương tự với La, C2 Như đã phân tích ởtrên, chúng có chung tần số cộng hưởng:

(ay

Mach cộng hưởng La, C2 tai antenna thu sẽ tao ra điện áp cảm ứng v2 lớn tối

đa Điện áp xoay chiều này qua diode chỉnh lưu VD biến thành điện áp một chiều,

tụ C3 nắn phẳng các gợn sóng để tạo ra điện áp DC 6n định nuôi các vi mach trong

ự: Từ thông qua cuộn L¿.

Ny: Số vòng dây cuộn Lì

No: Số vòng dây cuộn La

g: Từ thông qua một vòng dây L2

B:Từ trường.

S: Diện tích vòng dây cuộn La

i: Dòng điện chạy qua antenna của Reader (L1).

Ho: Hệ số môi trường

r: Khoảng cách giữa antenna phát (Li) va antenna thu (L2) a: Góc hợp giữa 2 trục của L; và La

Dễ thấy v2 cực đại khi a = 0, nghĩa là đặt antenna thẻ Tag đồng trục với

anttena của Reader sẽ cho khoảng cách đọc xa nhất Khi đó, biểu thức (1) được viếtlại như sau:

Reader và Tag thông qua môi trường điện từ dưới đây Tag đọc sự biến thiên của v;

để suy ra dir liệu ma Reader gửi đến

1 Reader tạo môi trường điện từ biên thiên

Trường điện từ này để truyền dữ liệu và cáp

năng lượng cho tag thụ động

inn

nh biên độ sóng mang

Tag thay đổi cường độ sóng trong môitrường để Reader “đọc” dữ liệu

Hình 2.6 Giao tiếp giữa Reader và Tag thông qua môi trường điện từ

27

Tag thụ động và bán thụ động, do không có antenna phát, nên sẽ gửi dữ liệu

về reader bằng cách tác động ngược lại sóng mang do Reader phát ra Giả sử Tagmuốn gửi bit 0, nó sẽ tìm cách kéo cường độ sóng xuống thấp bằng cách đóng khóamạch tiêu thụ năng lượng (Load), khi đó La “hút” nhiều năng lượng hơn từ Li dẫntới dòng chạy qua Li là i tăng lên Reader dé dang cảm ứng và đo đạc được sự thayđổi của ¿ và từ đó biết được Tag đang gửi bit nào Đây cũng chính là lý do tại sao kỹ

thuật này được gọi là tương tác điện cảm (Inductive coupling).

Hình 2.7 Minh họa dữ liệu và năng lượng truyền qua tương tác điện cảm

2.1.4 Khoảng cách đọc dir liệu.

Một trong những thông số quan trọng nhất của Tag, thể hiện khả năng của

hệ thống RFID là khoảng cách đọc Khoảng cách đọc ở đây là khoảng cách lớn nhất

ma Reader có thé đọc thông tin từ Tag Nó phụ thuộc vao hai yếu tố chính là độnhạy của Reader và ngưỡng nhận tín hiệu của thẻ Tag Ngoài ra nó cũng phụ thuộc hướng đặt thẻ (so với antenna của reader), môi trường chứa thẻ như keo, nhựa, kim loại

Ở dải tần LF, khoảng cách đọc dữ liệu RFID nhỏ hơn so với các đải tần

khác bởi 2 nguyên nhân chính Thứ nhất, do tương tác điện cảm là nguyên lý cơ bản

ở dải tan này, công thức (3) cho thay M tỉ lệ ngược với 7°, tức cường độ trường điện

từ giảm theo hàm bậc 3 của khoảng cách Nói cách khác, cường độ sóng LF giảm

rất nhất khi khoảng cách tăng Thứ hai, giả sử dòng điện i ở (2) hình sin, biên độ Jo,tần số /; góc pha ban đầu w dang:

i=J,sinQzfit+y) (5)Công thức (2) viết lại thành:

_ đŒ,sinGZ ft +) _

7 -M.1,.22 f cos(2Z fi+y) (6)

Vv, =

Rõ ràng ở sóng LF có tần số thấp (fnho) nên v2 sẽ càng nhỏ Nhớ lại rằng v2

chính là điện áp cảm ứng trên antenna của Tag Giá trị càng nhỏ thì Reader càng khó đọc tín hiệu.

Đối với RFID ở dải tần UHF, khoảng cách đọc z khi không có vật cản cóthé tính toán theo công thức Friis 3:

(7)

r: Khoảng cách doc.

2: Bước sóng.

EIRP: Công suất phát xạ đẳng hướng

Gr :Hé số khuếch đại antenna thu

+: Hệ số công suất truyền giữa chip và antenna, mà có quan hệ với hệ sốphản xạ công suất l/heo biểu thức: r =

Pcup : Ngưỡng năng lượng nhỏ nhất can thiết dé kích hoạt chip trong thẻ

Tag.

3 https://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation

29

2.2 Kỹ thuật truyền tin

2.2.1 Giới thiệuĐiều chế (Modulation) và mã hóa (Coding) là hai khái niệm quan trọngtrong bat kỳ hệ thống truyền thông tin nào Hai thuật ngữ này thường bị lẫn lộn vớinhau ngay cả với những người có kiến thức trong lĩnh vực Hiểu rõ về chúng rõ

ràng là điều quan trọng, từ đó áp dụng đúng nơi đúng chỗ sẽ mang lại hiệu quả cao

nhất trong việc thiết kế Đề tài sẽ không tập trung nghiên cứu sâu mà giới thiệu vềhai khái niệm này ở góc độ đơn giản nhất Trước tiên, hãy thử đặt câu hỏi: Điều gìphải thực hiện để có thể gửi một thông điệp hoặc dữ liệu thông qua một hệ thốngtruyền tin?

2.2.2 Kỹ thuật điều chế

Một thách thức chung đối với hệ thống truyền tải là nhiễu trên đường

truyền, nhiễu tác động đến tín hiệu dẫn tới khó thậm chí không khôi phục lại tín

hiệu gốc Với hệ thông RF thì nhiễu môi trường ảnh hưởng rõ rệt nhất, do sóng RF

có cường độ thấp, mức năng lượng nhỏ, truyền dẫn trong nhiều điều kiện khácnhau Việc điều chế tín hiệu gốc thành các dạng tín hiệu khác nhau là bắt buộc, để

có thể đáp ứng yêu cầu truyền đi xa và khôi phục tại đầu thu

Điều chế là kỹ thuật nhúng tín hiệu mang thông tin vào các sóng mang(carrier) Song mang theo định nghĩa, là một tín hiệu có tan số cao, có thể truyền xatrong môi trường truyền dẫn với suy hao thấp Các tham số của sóng mang như pha,tần số, biên độ hoặc kết hợp chúng tỉ lệ theo một cách nào đó với dữ liệu Sự thayđổi trong pha, tần số, biên độ của sóng mang chứa thông tin của dữ liệu, sự thay

đổi này có thể được phát hiện và giải điều chế (demodulation) tại thiết bị thu trước

khi lọc ra dữ liệu chứa thông tin Có rất nhiều phương pháp điều chế dữ liệu nhưngđều theo một sô dạng cơ bản như sau: Điều chế biên độ - Amplitude Modulation(AM); Điều chế tần số - Frequency Modulation (FM) và điều chế pha -PhaseModulation (PM) Hầu hết các phương pháp điều chế được thực hiện bởi các mạch

tích hợp chuyên dụng.

2.2.2.1 Điều chế biên độ

Điều chế biên độ (AM) biến đổi biên độ sóng mang theo sự thay đổi của dữliệu gốc Quan sát sóng mang trên các máy hiện sóng, dé dang thấy sự biến thiênnhư các gon sóng biên, đường bao biên của sóng mang chứa dit liệu Các sóng AM

dễ dàng được giải điều chế bằng các mạch khôi phục đường bao biên, mà thực chất

là các bộ lọc thông thấp Tần số cao của sóng mang bị chặn lại và làm phẳng bởi các

tụ điện.

Hình 2.8 Minh họa điều chế AM, FM từ tín hiệu gốc

On-Off Keying (OOK): là biến thể điều chế số của AM Chỉ có hai mứcbiên độ sóng mang là 0 và A được sử dụng Mức biên độ 0 (không có sóng mang)biểu diễn bit 0, trong khi biên độ A (có sóng) biểu diễn bit 1 Như vậy kỹ thuật điềuchế này không phù hợp cho dữ liệu analog mà chỉ dé điều chế dữ liệu s6 Tuy nhiên,mạch điều chế tối giản, chỉ đơn thuần là bật và tắt sóng mang tương ứng với các bítdit liệu được gửi đi Đầu ra của bộ giải điều chế cũng chỉ có 2 mức logic là cao (1)

và thấp (0) tương ứng, như hình dưới đây

ỐNG

VW W1 VV

Hình 2.9 Minh họa điều chế OOK

31

Kỹ thuật OOK này sẽ được tác giả sử dụng trên cả hai kênh truyền 125kHz

và 433Mhz dé tạo sự giao tiếp không day giữa bộ điều khiển trung tâm SCU và

Keyfob.

2.2.2.2 Điêu chế tan số

Điều chế tần số (FM) phức tạp hơn nhưng nó cho công suất đầu ra ồn định

ở đầu phát mà không phụ thuộc vào dữ liệu được gửi Phương pháp này biến đổi tần

số sóng mang thành các dai tần liên tục, khác nhau theo đặc điểm dữ liệu Điều nàyđòi hỏi mạch giải điều chế phức tạp, cần sử dụng tới kỹ thuật khóa pha Phase LockLoop (PLL).

Frequency Shift Keying (FSK): Giống như OOK, FSK cũng là một dangđặc biệt của FM, trong đó FSK không sử dung các dải tần liên tục ma chỉ dùng 2 dảitan fl, f2 lần lượt biểu diễn bit 0, 1 tương ứng Trường hợp này, các ưu điểm của

FM vẫn được duy trì trong khi cả mạch điều chế và giải điều chế đều đơn giản đi rấtnhiều

2.2.2.3 Điều chế pha

Pha là góc ban đầu của tín hiệu, pha nó đóng vai trò rất quna trọng trong

việc truyền nhận tín hiệu, đặc biệt trong quá trình đồng bộ và giải điều chế Góc pha

trải trong khoảng từ 0-2z, với mỗi góc pha khác nhau của sóng mang, tín hiệu sẽ

mang một thông tin riêng Từ đặc điểm này, người ta tìm các điều chỉnh các gócpha sóng mang khác nhau để truyền tín hiệu, kỹ thuật điều chế này gọi là điều chếpha PM Phương pháp này vượt trội so với AM và FM ở khả năng ổn định và chống

nhiễu, do nhiễu tự nhiên có thé làm thay đổi biên độ hoặc tần số sóng mang, nhưng

gần như không thể thay đổi được pha

Phase Shift Keying (PSK): Là kỹ thuật điều chế số của PM, trong đó chỉ

một số góc pha đặc biệt được sử dụng như 0, 7/2, 2, 372, 21

2.2.2.4 Kết luận

So sánh giữa các dạng điều chế thì ASK có độ ổn định thấp do ASK sửdụng cường độ tín hiệu dé biểu diễn bit tin hiệu 0,1 Cường độ này dễ thay đôi khisóng truyền qua các vật cản, dẫn tới nhiễu FSK dùng hai dai tần f1, f2 cao, thấp để

biểu diễn mức tín hiệu, nên có độ ồn định tốt hơn và khá trơ với nhiễu PSK dùng

pha tính hiệu để biểu diễn tín hiệu, gần như rất khó bị tác động của môi trường.Trong các hệ thống wireless hiện đại, người ta kết hợp cả kỹ thuật ASK và PSK tạothành các kiểu điều chế BPSK, QPSK, DQPSK cho hiệu quả chống nhiễu cao,luồng tốc độ lớn, BER nhỏ, thường chỉ được thực hiện bởi các phần cứng hoặc ICchuyên dụng

2.2.3 Kỹ thuật mã hoá kênh truyền

Như đã trình bày về các kỹ thuật điều chế phô biến ở trên, điều chế là kỹthuật nhúng thông tin vào sóng mang, nhằm mục đích truyền thông tin được đi xavới tới phía thu Nó biến đổi sóng mang và hoàn toàn không tác động dữ liệu gốc

Vi dụ thông điệp cần gửi đi là chuỗi bit 1010 thì nhúng vào sóng mang vẫn chính là

1010 Mã hoá ở đây là cách chúng ta biến đổi dữ liệu gốc thé nao dé tạo ra chuỗi dữliệu mới mà chính xác, hiệu quả trong việc chống nhiễu trên kênh truyền, có khảnăng tự sửa lỗi và giải mã dễ dàng ở đầu thu Cần phân biệt rõ ràng là mã hoá kênh

truyền (Line Coding) ở đây khác với mã hoá trong lĩnh vực bảo mật

(Cryptography) Giống như điều chế, mã hoá cũng có nhiều kiểu khác nhau, mỗiloại đều có ưu nhược điểm riêng, tuỳ thuộc vào đặc điểm hệ thống đang thiết kế màchọn kỹ thuật phù hợp nhất

Ba kỹ thuật mã hoá kênh truyền, tác giả trình bày trong luận văn này làNRZ, BiPhase va Manchester Trong đó giả sử tất cả dữ liệu mã hoá là dữ liệu nhịphân Mặc dù mã hoá chủ yếu thực hiện trong các module phần cứng do ưu điểmtốc độ cao, trong luận văn này, tác giả sẽ sử dụng phần mềm để thực hiện Các nội

dung sau đây sẽ nghiên cứu nguyên tắc căn bản của các kỹ thuật này dé xây dựng

chương trình mã hoá tối ưu

2.2.3.1 Mã hóa NRZ

NRZ (Non-return-to-zero) là một trong những kỹ thuật mã hoá cơ bản nhất.Trong kỹ thuật này, tín hiệu thông tin “không trở về 0”

33

Hình 2.10 Mã hóa kênh NRZ.

Điền hình của NRZ trong cổng nối tiếp RS232 trên máy tính, ở đó các tín

hiệu là -12V và +12V tương ứng với bit 1, 0 Do tín hiệu không về 0 mà về han

mức âm, nên tính hiệu năng lượng gap đôi, khó bị nhiễu và khoảng cách truyền xa.Phương thức mã hoá này đơn giản, dễ thực hiện, tuy nhiên do việc chuyển đổi mứctín hiệu chỉ xuất hiện khi có sự thay đổi mức logic của bit dữ liệu, dẫn đến đòi hỏiđầu thu phải biết chính xác tốc độ dữ liệu để giải mã chính xác Ví dụ, nếu khôngbiết tốc độ dữ liệu (data rate), đầu thu nhận được mức logic cao-thâp-cao thì dữ liệu

hoàn toàn có thê là 101 hoặc 110011 hoặc 111000111 Đây là lý do tại sao thiết

lập các tham số cổng COM, ta phải thiết lập chính xác tham số Baud-rate

2.2.3.2 Mã hóa BiPhase

Kỹ thuật BiPhase phức tạp hơn một bậc so với NRZ nhưng ưu điểm ở việcđầu thu có thé tự đồng bộ được khung dữ liệu, xung nhịp được phục hồi mà không

cần biết tốc độ dữ liệu trước từ đầu phát Mã hoá BiPhase chèn một chuyển mức tín

hiệu ở cuối mỗi bit frame, đồng thời nếu bit đữ liệu là 1 thì chèn tiếp 1 chuyển mứctại điểm giữa bit frame, xem hình minh hoạ bên dưới

Bi Fame Bi Fane BiFrane biFrane ' 0 i ° ' h ° h 1 i

tin RF của hệ thống Manchester là một phương pháp mã hoá đường truyền dựa trên

kỹ thuật vi sai, mục đích nhằm giảm lỗi truyền dữ liệu BER, tăng cường khả năng

tự sửa lỗi, phục hồi dữ liệu Ở tầng vật lý, mã hoá Manchester kết hợp giữa xung

nhịp (Clock) và dữ liệu (Data) thành một chuỗi bit duy nhất trước khi truyền tải đến

thiết bị nhận Sơ đồ khối dưới đây minh họa một hệ thống RF sử dụng mã hóa

Antenna Antenna

oa

Channel Demodulator

Amplifier

Clock Carier Clock Carier Clock Clock

(High frequency) (High frequency)

Hình 2.12 Minh họa hệ thống RF sử dụng mã hóa Manchester

Được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng RF, Remote Control, RFID, NFC,IEEE 802.3 (Ethernet) do tính đơn giản, dễ thực hiện, mã hóa Manchester có một sốđặc điểm chính như sau:

© Không dùng mức logic cao, thấp dé biểu diễn các bit dữ liệu, mà dùng trang

trái chuyển mức logic — cạnh lên, xuống của tín hiệu đề biểu diễn

© Bit dữ liệu 0 được biểu diễn bằng cạnh lên tín hiệu, trong khi bit dữ liệu 1

được biéu diễn bằng cạnh xuống Như vậy, đảm bảo trong bat ky bit nao, dit

liệu đều có sự chuyển mức logic

© Mã hóa dé dàng thực hiện bằng phần cứng bằng thao tác XOR Data và

Clock.

® Data và Clock được tách riêng ở bộ thu nhờ kỹ thuật vòng khóa pha PLL.

© Nếu dữ liệu là một chuỗi dai chỉ bit 0 hoặc bit 1, mạch giải mã có thể khôngđồng bộ được xung nhịp Clock và cuối cùng là không thẻ giải mã dữ liệu

© Nhược điểm: Clock có tần số gấp 2 lần dữ liệu, dẫn tới hạn chế băng thông

Ví dụ: Một đường truyền LAN 10Mbps sẽ cần xung nhịp Clock 20Mhz vàphổ tín hiệu nằm trong dải từ 5-20M

© Giản đồ thời gian của mã hóa Macchester được minh họa theo sơ đồ sau:

Data

Manchester

(as per G.E Thomas)

Hình 2.13 Giản đồ thời gian của mã hóa Manchester

2.2.4 Mã hóa và giải mã Manchester

Mã hóa và giải mã Machester được thực hiện trên cả 2 phần cứng là SCU

và Keyfob Do vậy, tác giả sẽ đi sâu chỉ tiết về kỹ thuật này trên phương diện lýthuyết và thực thi trên phần cứng, phần mềm

2.2.4.1 Mã hóa Manchester

a Dùng phan cứng:

Encoded_bits >

74AHC1G86GV XOR Gate

Hình 2.14 Mã hóa bằng cong logic XOR

cao, thiết kế đơn giản, nhưng kéo theo sự tăng giá chỉ phí phần cứng, tốn không

gian trên PCB Nhược điêm lớn nhất của mạch này là khi luồng dữ liệu tốc độ cao,

sự thiếu đồng bộ chuẩn xác giữa Clock và Data tạo ra các gai nhiễu (glitches) dẫntới các chuyên mức tín hiệu ảo.

b Dùng phan mém:

Với sự phát triển mạnh mẽ của các dong vi diéu khién - Micro ControllerUnit (MCU), một MCU phé thông cũng có thé thực thi việc mã hoá Manchesterbằng phần mềm với tài nguyên tối thiểu Việc mã hoá được thực hiện theo từngbyte, cho kết quả đầu ra là chuỗi 16 bits Đầu tiên, kiểm tra từng bit trong byte, nếu

là 0 gan kết quả ra là (01) trong khi bít dữ liệu 1 gan bởi bởi cặp bit (10) Quá trình

mã hoá được minh hoạ theo hình sau:

37

BB 7 t Original DATA

E2062) encoded pata

Hình 2.16 Biến đôi các bit trong mã hóa Manchester

* @brief Manchester Encoding function

* input: A single byte of data

* @return 2 bytes of Manchester Encoded data

return encoded_data;

idi mã hoá Manchester

Tiền xử lý dữ liệu để lọc bỏ các thành phần không cần thiết trên tín hiệu làbước đầu tiên cần thực thi trước khi đi vào bộ giải mã tín hiệu Tiền xử lý bao gồm

2 bước cơ bản, thực hiện bằng phần cứng:

+ Lọc tín hiệu AC: Mã hóa Manchester sử dụng kỹ thuật vi sai nên mức tín

hiệu thay đổi liên tục bat ké chuỗi dữ liệu là gì giúp cho tín hiệu luôn có thành phần

AC chứa thông tin dữ liệu Thanh phần DC sinh ra do máy thu hoặc nhiễu môitrường cũng luôn xuất hiện cùng dữ liệu, nó không mang dữ liệu, ngược lại còn tiêu

tốn năng lượng, làm nóng linh kiện, giảm hiệu suất hệ thống.