Một bit là đại lượng nhỏ nhất của thông tin, nó có 2 trạng thái: 1 hay 0. Điều này có nghĩa là chỉ có 2 trạng thái được trình bày bởi transponder 1 bit: "transponder trong vùng thẩm vấn” và "không có transponder trong vùng thẩm vấn”. Mặc dù bị giới hạn, các transponder 1 bit vẫn rất phổ biến, ứng dụng chính của chúng là các thiết bị chống trộm trong các cửa hàng (EAS, giám sát hàng hoá điện tử).
Một hệ thống EAS được làm bởi các linh kiện sau: antenna của reader hay bộ dò hỏi, phần tử bảo mật hay thẻ bảo mật và một thiết bị vô hiệu hoá hệ thống sau khi kết thúc giao dịch. Trong các hệ thống hiện đại, việc vô hiệu hoá được thực hiện khi mã của món hàng được đăng kí tại quầy tính tiền. Một vài hệ thống cũng đặt thêm bộ kích hoạt để kích hoạt lại phần tử bảo mật sau khi vô hiệu hoá hệ thống.
Một đặc điểm quan trọng của hệ thống là tốc độ phát hiện phụ thuộc vào độ rộng của cổng (khoảng cách lớn nhất giữa transponder và antenna của reader). Transponder 1 bit gồm 5 thành phần: - Tần số vô tuyến - Sóng vi ba - Bộ chia tần số - Điện từ - Acoustomagnetic 2.1.1. Tần số vô tuyến
Tần số vô tuyến dựa trên mạch cộng hưởng (LC) được chỉnh tại tần số cộng hưởng xác định fr.Ở những phiên bản cũ, cuộn cảm làm từ các cuộn dây đồng tráng men nối với một tụ điện và được gắn vào một miếng plastic (hard tag). Trong các hệ thống hiện đại thì cuộn cảm được khắc vào một tấm kim loại trên thẻ.
Reader phát ra một trường từ với fg± 10% trong dải tần số vô tuyến. Nếu mạch LC đi vào vùng lân cận của trường từ, năng lượng của trường từ này sẽ cảm ứng vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn dây (Định luật Faraday). Nếu tần số fg của trường bằng với tần số cộng hưởng fr thì mạch LC sẽ sinh ra một dao động cộng hưởng. Dòng điện cảm ứng được sinh ra trong mạch cộng hưởng chống lại sự biến thiên của trường từ đã sinh ra nó, do đó gây ra một sụt áp trong cuộn phát, dẫn đến làm suy yếu trường từ. Sự thay đổi của điện áp cảm ứng được nhận biết nhờ vào một cuộn dây cảm biến. Vì vậy mà reader phát hiện có một mạch cộng hưởng đi vào từ trường của nó.
Hình 2.2. Giới thiệu hoạt động của hệ thống EAS tần số vô tuyến
Sự thay đổi điện áp ở phía phát và các cuộn dây cảm ứng nói chung là rất thấp nên rất khó nhận biết. Tuy nhiên, sự thay đổi nhỏ này cũng đủ để cho reader có thể nhận dạng transponder một cách tin cậy. Điều này đạt được bằng cách sử dụng: tần số của trường từ được phát ra không phải là hằng số mà nó là tần số "quét”. Điều này có nghĩa là tần số của bộ phát liên tục thay đổi từ min tới max. Khoảng tần số này thường là 8,2MHz ± 10%.
Bất cứ khi nào tần số "quét” bằng đúng tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng trên transponder. Transponder bắt đầu dao động, từ đó sinh ra một sụt áp ở
phía phát và cuộn dây cảm biến. Dung sai tần số của transponder phụ thuộc vào dung sai của nhà sản xuất và sự thay đổi của môi trường kim loại, không đóng vai trò như là kết quả của quá trình quét toàn bộ khoảng tần số.
Bởi vì transponder không được phép di chuyển qua quầy tính tiền cho nên chúng cần phải bị vô hiệu hoá để không kích hoạt hệ thống chống trộm. Việc này được thực hiện như sau: thiết bị vô hiệu hoá đặt tại quầy thu ngân sẽ phát ra một trường từ đủ mạnh để điện áp cảm ứng đánh thủng tụ điện của transponder. Tụ điện được thiết kế sao cho việc đánh thủng không thể thay đổi ngược lại và làm cho mạch cộng hưởng không thể hoạt động được dưới tác động của tín hiệu quét.
Các antenna khung diện tích lớn dùng để phát ra trường từ cần thiết trong vùng truy vấn. Antenna khung được tích hợp vào cột và được nối với cổng. Nếu cổng có bề rộng dưới 2m thì ta có thể sử dụng hệ thống RFID tần số vô tuyến.
Hình 2.3. Antenna khung của hệ thống RF (cao 1,2 - 1,6 m) và transponder Hệ số phẩm chất Q của phần tử bảo mật > 60 - 80 Cường độ trường vô hiệu hóa cực tiểu HD 1,5 (A/m) Cường độ trường cực đại trong tầm vô hiệu hóa 0,9 (A/m) Bảng 2.1: Các tham số hệ thống cho các hệ thống RF
Bảng 2.2: Dải tần số của các hệ thống bảo mật khác nhau
2.1.2. Sóng viba
Các hệ thống EAS trong dải viba sử dụng việc tạo ra các hài bằng các linh kiện có đặc tuyến phi tuyến (ví dụ: diode). Hài của một điện áp hình sin A có tần số fAlà một điện áp hình sin B với tần số fBlà số nguyên lần tần số fA. Các hài bậc cao của tần số fAlà 2fA, 3fA, 4fA.
Mạch của transponder 1 bit để tạo ra các hài rất đơn giản: một diode điện dung được nối với một antenna dipole được chỉnh ở tần số sóng mang (Hình 2.4). Antenna dipole tần số 2,45GHz có chiều dài tổng cộng là 6cm. Các tần số sóng mang được dùng là 915MHz, 2,45GHz, 5,6GHz. Nếu transponder nằm trong tầm
của antenna phát, dòng điện trong diode sẽ tạo ra hài của sóng mang, đặc biệt là các hài bậc 2 hay bậc 3, tuỳ thuộc vào loại diode được chọn.
Hình 2.4. Mạch cơ bản và hình dạng cụ thể của transponder viba
Hình 2.5 biểu diển transponder được đặt trong tầm của antenna phát hoạt động ở tần số 2,45GHz. Hài bậc 2 của sóng mang có tần số 4,9GHz được phát lại và được tách bởi bộ thu. Sự xuất hiện hài bậc 2 của tín hiệu có thể kích hoạt hệ thống báo động.
Hình 2.5. Transponder viba nằm trong vùng truy vấn của detector
Nếu sóng mang được điều chế ASK hay FSK thì tất cả các hài cũng sẽ có cùng một dạng điều chế như vậy. Điều này giúp cho hệ thống phân biệt tín hiệu nhiễu và tín hiệu có ích, ngăn chặn báo động sai do các tín hiệu bên ngoài tác động vào.
Ở ví dụ trên, sóng mang được điều chế ASK với tín hiệu 1kHz tín hiệu nhận được ở bộ thu được giải điều chế rồi đưa đến bộ tách sóng 1kHz. Tín hiệu nhiễu xuất hiện ở tần số 4,9GHz không thể kích hoạt báo động sai vì chúng thường không được điều chế và nếu có thì chúng sẽ có một cách điều chế khác.
2.1.3. Bộ chia tần số
Hệ thống này hoạt động với bước sóng dài từ 100-135,5kHz. Transponder gồm có một vi mạch và một cuộn dây cộng hưởng bằng đồng tráng men. Mạch cộng hưởng được hàn với tụ để cộng hưởng tại tần số hoạt động của hệ thống. Những transponder này có thể làm bằng plastic và có thể lấy đi khi hàng hóa được mua.
Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện và hoạt động của EAS sử dụng bộ chia tần số Vi mạch trong transponder nhận năng lượng từ trường từ của thiết bị an ninh (Security device). Tần số ở cuộn tự cảm được chia 2 bằng vi mạch và được gửi ngược trở lại thiết bị an ninh. Tín hiệu này hồi tiếp về bằng một dây rẽ nhánh đến cuộn dây.
Bảng 2.3: Các thông số cơ bản của hệ thống
Trường từ của transponder xung ở một tần số thấp (điều chế ASK) để cải thiện tốc độ nhận dạng. Tương tự như nhận dạng bằng các hài, việc điều chế sóng mang (ASK hay FSK) được duy trì ở phân nửa tần số phát (subharmics). Nó được dùng để phân biệt giữa nhiễu và tín hiệu có ích. Antenna khung được dùng làm antenna cảm biến.
2.1.4. Transponder trường điện từ
Transponder trường điện từ sử dụng từ trường mạch trong khoảng NF từ 10Hz đến 20Hz. Transponder chứa một dải kim loại từ tính dễ biến dạng dưới tác động của ngoại lực. Sự từ hoá của những dải kim loại này thường được lặp lại theo chu kỳ và chúng sẽ bị bảo hoà của trường từ nhờ vào một từ trường mạnh. Mối quan hệ không tuyến tính của cường độ trường H và thông lượng cảm ứng từ B gần bảo hoà cộng với sự thay đổi của cảm ứng từ B ở lân cận của điểm zero của cường độ trường từ H, phát sinh ra các hài ở tần số cơ bản của transponder. Những hài này có thể được nhận và được ước luợng bởi transponder.
Transponder trường điện từ được tối ưu hoá bằng cách thên vào những thành phần tín hiệu có tần số cao hơn tín hiệu chính. Ngoài những hài của tần số chính, còn có thêm các tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu đã cung cấp. Giả sử tín hiệu chính có tần số fS= 20Hz và các tín hiệu thêm vào f1= 3,5kHz và f2= 5,3kHz thì những tín hiệu sau đây được phát ra:
f1+ f2= f1+2= 8,8kHz f1- f2= f1-2 = 1,8kHz fS+ f1= fS+1= 3,52kHz (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Transponder không phản ứng lại với hài của tần số cơ bản nhưng lại bị tác động bởi tần số tổng hay hiệu của các tín hiệu thêm vào.
Các transponder này ở dạng các dải băng dính có chiều dài khoảng cách từ vài cm đến 20cm. Do tần số hoạt động cực thấp, các hệ thống trường điện từ chỉ thích hợp với những sản phẩm có chứa kim loại. Tuy nhiên, những hệ thống này có khuyết điểm là hoạt động của transponder phụ thuộc vào vị trí: để quá trình nhận dạng là tin cậy thì trường từ của transponder phải nằm dọc xuyên qua các dải kim loại.
Hình 2.7. Antenna của hệ thống RFID điện từ (cao 1.40 m) và transponder Để vô hiệu hoá, transponder được khoác lên hay phủ một phần bằng những tấm kim loại từ cứng. Ở quầy thu ngân, người nhân viên chạy một nam châm vĩnh cửu dọc theo tấm kim loại để vô hiệu hoá transponder. Việc làm này sẽ từ hoá những tấm kim loại che phủ. Các dải kim loại được thiết kế sao cho độ từ dư của những tấm kim loại thuận tiện cho những dải kim loại dễ biến dạng này ở điểm bảo hòa nhằm làm cho trường từ của hệ thống an ninh không thể bị kích hoạt được nữa.
Transponder có thể kích hoạt trở lại ở bất cứ thời điểm nào bằng quá trình tái từ hoá. Quá trình này có thể thực hiện với số lần không hạn chế. Do những transponder nhỏ và rẻ tiền, những hệ thống này bây giờ được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp.
Để đạt được độ mạnh trường cần thiết cho quá trình tái từ hoá các dải kim loại, trường được phát ra bằng hệ thống 2 cuộn dây trên các cột ở lối đi. Vài cuộn dây riêng, thường là từ 9 đến 12, nằm trên 2 cột và chúng phát ra trường từ yếu ở trung tâm và mạnh hơn đối với trường từ ở bên ngoài. Độ rộng của cổng lên đến 1,5m có thể thực hiện bằng cách này trong khi tốc độ nhận dạng đạt được bằng 70%.
2.2Hệ thống half-duplex and full-duplex
Trái với các transponder 1 bit thường khai thác những hiệu ứng vật lý đơn giản cho quá trình nhận dạng, các transponder dưới đây sử dụng một vi mạch làm thiết bị mang dữ liệu. Nó có một vùng lưu trữ dữ liệu lên tới vài kByte. Để đọc hay ghi dữ liệu vào thiết bị mang dữ liệu này thì phải thực hiện việc truyền dữ liệu giữa transponder và reader. Việc truyền dữ liệu này có thể là song công hoặc bán song công hay tuần tự.
Trong truyền bán song công: dữ liệu từ transponder đến reader được truyền xen kẽ với dữ liệu từ reader đến transponder. Ở tần số dưới 30MHz, hệ thống thường sử dụng phương pháp load modulator có hay không có sóng mang phụ để điều chế dữ liệu.
Trong truyền song công: dữ liệu từ transponder và reader có thể truyền cùng một lúc.
Tuy nhiên, cả 2 phương pháp đều phải truyền năng lượng liên tục từ reader đến rransponder và độc lập với hướng truyền luồng dữ liệu. Trái lại trong các hệ thống tuần tự (SEQ: Sequential system), việc truyền năng lượng từ transponder đến reader được giới hạn trong một chu kỳ thời gian. Dữ liệu truyền từ transponder đến reader xuất hiện trong những khoảng dừng của năng lượng cung cấp cho transponder.
Hình 2.8. Truyền dữ liệu trong hệ thống song công, bán song công và tuần tự Trong Hình 2.8, dữ liệu được truyền từ reader đến transponder theo đường downlink. Ngược lại, dữ liệu truyền từ transponder đến reader theo đường uplink.
2.2.1. Ghép cảm ứng
Cung cấp năng lượng cho transponder thụ động
Một transponder ghép cảm ứng bao gồm một thiết bị mang dữ liệu, thường là một vi mạch và một cuộn cảm đóng vai trò của một antenna.
Các transponder ghép cảm ứng hầu như đều hoạt động thụ động có nghĩa là tất cả các năng lượng cần thiết cho hoạt động của vi mạch được cung cấp từ reader. Vì vậy mà cuộn dây antenna của reader phát ra một điện trường cao tần và mạnh để lọt vào mặt cắt và diện tích xung quanh cuộn dây transponder. Do bước sóng của tần số sử dụng (<135kHz: 2,540m, 13,56MHz: 22,1m) trong một số trường hợp có thể lớn hơn khoảng cách giữa antenna của reader và transponder, trường điện từ có thể được xem như một trường từ.
Hình 2.9. Năng lượng cung cấp cho transponder thông qua từ trường phát ra của reader
Một phần nhỏ năng lượng này lọt vào antenna của transponder sinh ra một điện thế cảm ứng Ui. Điện thế này được chỉnh lưu và sử dụng như là nguồn cung cấp cho vi mạch. Tụ Cr cùng với cuộn cảm của antenna phát tạo thành mạch cộng hưởng, quyết định tần số hoạt động của reader.
Cuộn dây antenna và tụ C1 của transponder cũng tạo thành một mạch cộng hưởng tương ứng với tần số phát ra của reader. Điện thế U của transponder đạt cực đại nhờ vào sự gia tăng cộng hưởng của mạch cộng hưởng. Hai cuộn dây có thể được xem như là một biến áp mà trong trường hợp mà chỉ có một liên kết rất yếu giữa chúng.
Truyền dữ liệu từ transponder đến reader
Load moudulation: các hệ thống ghép cảm ứng đều dựa trên một loại ghép biến áp (Transformer-type coupling) giữa cuộn sơ cấp trong reader và cuộn thứ cấp trongtransponder nằm trong trường gần của antenna phát.
Nếu một transponder cộng hưởng (chẳng hạn như một transponder có một mạch cộng hưởng ứng với tần số truyền đi của reader) nằm trong trường từ của reader thì transponder sẽ lấy năng lượng từ thông từ đó. Kết quả hồi tiếp của transponder trên antenna của reader có thể tượng trưng cho trở kháng ZT của biến áp trong cuộn dây của reader. Đóng mở một điện trở tải tại antenna của transponder sẽ gây ra sự thay đổi trở kháng của ZT và như vậy sẽ làm thay đổi điện áp ở antenna của reader. Điều này có tác dụng như là điều chế biên độ của điện áp UL của antenna reader bởi một transponder ở xa.
Nếu việc đóng ở khoá được điều khiển bởi luồng dữ liệu thì dữ liệu này có thể được truyền đi từ transponder đến reader. Loại truyền dữ liệu như vậy có thể gọi là Load modulation.
Để khôi phục dữ liệu của reader, điện áp ở antenna của reader được chỉnh lưu. Việc này giống như giải điều chế một tín hiệu điều biên.
Hình 2.10. Truyền dữ liệu bằng load modulation từ transponder đến reader Load modulation sóng mang phụ: do liên kết yếu giữa antenna của reader và transponder, điện áp dao động trên antenna của reader được xem như là tín hiệu có ích có biên độ nhỏ hơn điện áp ở ngõ ra của reader.
Trong thực tế, với hệ thống 13,56MHz, giả sử antenna có điện áp xấp xỉ 100V (điện áp tăng theo cộng hưởng), một tín hiệu có ích thay đổi trong khoảng 10mV được mong đợi (S/N=80 dB). Do việc nhận biết sự thay đổi điện áp nhỏ này
cần một mạch điện vô cùng phức tạp nên phổ của tín hiệu điều chế được tạo ra bởi quá trình điều biên điện áp của antenna được sử dụng.
Nếu điện trở tải trên transponder được đóng mở ở tần số fS rất cao thì 2 vạch phổ được tạo ra ở khoảng cách ± fSxung quanh tần số truyền fReadercủa reader và chúng có thể tách ra dễ dàng (tuy nhiên fS phải nhỏ hơn fReader). Trong thuật ngữ của kỹ thuật vô tuyến, những thành phần này của tần số được gọi là sóng mang phụ (Subcarrier).
Load moulation với sóng mang phụ tạo ra 2 phổ ở antenna của reader.