Simple Communication System And RFID Application Speaker ：龔至宏(Chih-Hung Kung) (Chinese-traditional edition) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室

為什麼要報告通訊(Communication)相關內容???? 通訊在現今中擁有三種重要特性: ○普遍性 ○實用性 ○必要性 輔具工程或醫學工程中許多地方都需要使用到通訊的技術或構想(如訊號處理、系統控制、語音辨識等……) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 1

通訊?? 電信?? 什麼是通訊? 什麼是電信? 將訊息由某A傳到另一某B的過程。 用電氣轉換方式藉由網路達成通訊的方式。 2 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 2

一個基本的通訊架構與流程 接收器 發射訊號 還原 發射器 3 雜訊 noise 原始信號 S(t) 調變 Modulation 解調變 Demodulation 傳輸通道 還原 雜訊 noise 原始信號 S(t) 高頻載波訊號 S1(t) 分離出 高頻載波訊號 S1(t) 發射器 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 3

信號的種類 類比訊號(Analog Signal) 數位訊號(Digital Signal) 一個連續性狀態變化波形 一個離散性狀態變化波形(0-1兩種變化) (電腦或數位系統計算使用的數據資訊來源) Digital Signal Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 4

調變(Modulation)與解調變(Demodulation) Modulation： 將原始信號藉由更適合的傳輸介質來做傳輸，以提高傳輸效率與傳輸距離的方式。 (傳輸介質通常為一個高頻訊號其頻率>>原始信號頻率) Demodulation： 將調變後的訊號解出還原原始信號的過程。 原始信號s(t) 高頻載波 信號傳送 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 5

頻譜(Spectrum) 什麼是頻譜?為什麼要看頻譜? 頻譜是用以分析所發出的電磁波在不同波長(或頻率)的強度與特性的分佈。要了解一個信號的特性就要知道信號波形的頻譜分布情形。 分析特性WHY?? 10月份台北車 站旅客穿著顏 色統計 轉換 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 6

頻譜(Spectrum) 800MHZ信號模擬(含不知名雜訊) 下圖：頻譜分析儀的頻譜圖 上圖：示波器原始信號s(t) 7 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 7

通訊系統中如何將時域(Time Domain) 轉成頻域(Frequency Domain)? Fourier：任何複雜的波都可以簡化為多個正弦波的和 時變週期函數－傅立葉級數(Fourier Series) 時變非週期函數－傅立葉轉換(Fourier Transform) 任何複雜 信號源 F + + +…. Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 8

Fourier Series－用於週期性函數而言 Fourier Transform－用於非週期函數而言 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 9

實際以一個週期性方波來看Fourier轉頻譜 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 10

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常見的各種調變技術 Analog Modulation：AM(調幅)、FM(調頻) Digital Modulation： ASK(振幅鍵移) FSK(頻率鍵移) PSK(相位鍵移) 飛鴿傳書中一定要使用鴿子來載送嗎?? Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 13

類比信號調變 AM (Amplitude Modulation )振幅調變 原始信號s(t) AM調變訊號 藍色的是原始信號 載波信號sc(t) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 14

類比信號調變 FM (Frequency Modulation )頻率調變 上圖:原始信號 S(t) FM調變 上圖:載波訊號 Sc(t) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 15

數位信號調變 ASK振幅鍵移(Amplitude Shift Keying) 16 ASK 調變 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 16

數位信號調變 PSK相位鍵移(Phase Shift Keying) 利用載波的相位來表示數位信號的0與1 17 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 17

數位信號調變 FSK頻率鍵移(Frequency Shift Keying) 18 FSK調變 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 18

類比通訊與數位通訊的特點比較 數位通訊相較於類比通訊的優點: 1.抗干擾能力強，採用再生中繼消除雜訊累積 2.便於加密處理 3.設備便於整合化及小型化 4.便於和電腦連接 5.適應各種通信業務，便於構成整合服務數位網路(ISDN) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 19

類比通訊與數位通訊的特點比較 數位通訊相較於類比通訊的缺點: 數位通信的許多優點都是用比類比通信佔據更寬的 系統頻寬而換得的。 (傳統電話頻寬(BW)4KHz，數位電話BW卻要64KHz) 頻寬只需4KHz 頻寬需64KHz Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 20

多重存取技術(Multiple-Access Technology) 分頻多工存取FDMA (Frequency-Division Multiple Access) 分時多工存取TDMA (Time-Division Multiple Access ) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 21

多重存取技術(Multiple-Access Technology) 分頻多工存取FDMA 將不同的頻率波道分給不同用戶使用戶能在同一時間也能連續使用。 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 22

多重存取技術(Multiple-Access Technology) 分時多工存取TDMA 在同一頻道中，將時間切分成許多小段，提供各個不同用戶使用。 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 23

回顧:一個理想的通訊架構 發射端1 類比: AM FM 數位: ASK FSK PSK 解調變 調變Modulation Demodulation 調變Modulation 高頻載波fc>>f 原始信號s(t) 類比信號 數位訊號 分離 發射端1 頻譜分析 原始信號s(t) 週期訊號：Fourier Series 非週期:Fourier Transform 高頻載波fc>>f 接收端A 多重存取技術 TDMA FDMA Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 24

RFID Application 我在手臂植入了一針RFID晶片 25 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 25

磁卡???? 您知道您的皮包裡眾多卡片的真正名稱嗎??? RFID Card 磁條式+晶片辨識 RFID Card 磁條式卡片 26 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 26

What is RFID?? 無線射頻辨識技術 (Radio Frequency Identification簡稱RFID) 優點: 1.卡片內建晶片(RFIC) ，非接觸式資料讀取，且卡片不需內建電源。 2.保密性高，體積小，應用層面效率高。 3.成本低廉，後續市場發展看好(全面性取代多種辨識功能)。 RFID Card Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 27

RFID的組成 RFID 卡片端(Tag) RFID 讀取器 Reader 28 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 28

RFID System概觀 讀取機 Reader RFID 卡片端 (Tag) 回傳卡片內資料 (調變與編碼過) 發送高頻電磁載波 (通常不帶有資料) RFID 卡片端 (Tag) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 29

RFID主體系統動作細節(讀取機發射能量載波) 環型電感天線 A 高頻載波產生器 放大載波提高功率 發射高頻電磁載波 RFID Tag 卡片端 讀取機 Reader 置放於捷運閘口的讀取機 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 30

RFID主體系統動作細節(卡片動作回傳資料) Tag上的環型電感接收天線 A 整流濾波 產生驅動直流電源 產生電源驅動 記憶體與MPU (微型處理器) 在天線上感應諧振後產生應電勢 讀取機 Reader 數位調變 (ASK.PSK…..) 射頻晶片 Chip RFIC 射頻晶片 Tag上的環型 電感發射天線 B RFID Tag Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 31

RFID主體系統動作細節(讀取機接收資料處理) 環型電感天線 A 高頻載波產生器 放大載波提高功率 發射高頻電磁載波 RFID Tag 卡片端 讀取機 Reader 放大、解調變、 還原資料的信號處理 環型電感天線 B 後 續 控 制 Reader讀取機處理運算器 (MUP) Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 32

實體『悠遊卡』內部構造 電感螺旋天線 RFIC射頻晶片 螺旋電感天線 RFIC射頻晶片 33 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 33

RFIC?? What is IC?? What Is Chip?? 晶片廠生產的晶圓 將Chip經過打線後再用樹酯或陶瓷封裝就變成IC RFID上的Chip Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 34

RFIC核心構造?? 電感螺旋天線 Chip放大 Chip 搭配適當的感測器放入人體或人工關節讀取資料是有可行性的 和砂礫一樣小 35 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 35

RFID資料安全性問題?????? RFID應用於金融卡、個人證件資料夠安全嗎? 容許辨識條件一：頻率 容許辨識條件二：至少70幾位元的加密的數位資料 不易破解!!!! 01110101010101010101010101010101111101010111110101011111111111110101010101010101 <=最爛的RFID資料位元數 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 36

過去曾經完成的作品之一 微處理器MPU 讀取機發射天線 微處理器與 信號處理部份 讀取機接收天線 Tag接收天線 RS232輸出 高頻載波震盪部份 Tag發射天線 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 37

常用RFID的頻率與特性 135KHz-最能在障礙物中穿梭 2.45GHz-最容易被製成小型RFID 13.56MHz-表現平衡性最佳 厚度(薄) RFID尺寸(小) 厚度(薄) 受水分或金屬影響 天線設計容易與否 受水分或金屬影響 天線設計容易與否 通訊距離 受干擾程度(少) 通訊距離 受干擾程度(少) 13.56MHz-表現平衡性最佳 UHF頻帶(860MHz-960MHz)- 通訊距離長 厚度(薄) RFID尺寸(小) RFID尺寸(小) 厚度(薄) 受水分或金屬影響 天線設計容易與否 天線設計容易與否 受水分或金屬影響 通訊距離 受干擾程度(少) 通訊距離 受干擾程度(少) 38 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室

參考文獻或資料: 39 1.藍國桐，通訊原理與應用，全華科技圖書 2005.3 2.Simon Hayhin，”communication system 4th Edition”，Wiley 3.SystemView By ELANIX使用入門 4.C.K.Harmon，”Standardization and Communication of RFID” ，RFID Committee,25 Jan 2000. 5.M Reymolds，”The Physics Of RFID” ，ThingMagic LCC. 6.黃智裕，凌菁偉，微帶天線設計-使用IE3D，全華圖書有限公司 2003 7.邱健榮，無線射頻辨識系統之十六位元答詢機晶片設計，碩士論文，中華大學，2004.7 Intelligent Mechatronics Assistive Devices Lab 智慧型機電輔具實驗室 39

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