Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày việc tính toán thiết kế bộ lọc thông dải theo công nghệ số được sử dụng trong hệ thống nhận dạng bằng tần số vô tuyến. Đối tượng được nghiên cứu là bộ lọc số thông dải có đáp ứng xung hữu hạn và pha tuyến tính. Với mục đích nhằm đề xuất giải pháp thiết kế bộ lọc số thông dải có kết cấu đơn giản mà đặc tính tần số của nó vẫn đạt các yêu cầu về hệ số phẩm chất cao.
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 THIẾT KẾ BỘ LỌC SỐ THÔNG DẢI SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG BẰNG TẦN SỐ VÔ TUYẾN THE DESIGN FOR DIGITAL BAND PASS FILTER USED IN RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION SYSTEMS NGUYỄN KHẮC KHIÊM1, LÊ QUỐC VƯỢNG2, LƯU QUANG HƯNG2 1Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: lqvuong05@gmail.com Tóm tắt Bài viết trình bày việc tính tốn thiết kế lọc thông dải theo công nghệ số sử dụng hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến Đối tượng nghiên cứu lọc số thơng dải có đáp ứng xung hữu hạn pha tuyến tính Với mục đích nhằm đề xuất giải pháp thiết kế lọc số thơng dải có kết cấu đơn giản mà đặc tính tần số đạt yêu cầu hệ số phẩm chất cao Kết nghiên cứu cho thấy giải pháp thiết kế lọc số thông dải cải tiến đảm bảo tối ưu kết cấu hệ số phẩm chất Từ khóa: Bộ lọc thơng dải, lọc số, hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) Abstract This article presents the design of a band-pass filter by digital technology used in radio frequency identification (RFID) system The studied object is a digital band-pass filter with finite impulse respond (FIR) and linear phase For the purpose of proposing a solution for digital band-pass filter design with simple structure, its frequency characteristics still meet the requirements of high quality factor The studied results show that the innovative digital bandpass filter design ensures optimum structure and quality factor Keywords: Band-pass Filter, Digital Filter, Radio Frequency Identification System (RFID) Đặt vấn đề Hệ thống nhận dạng theo tần số vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) ứng dụng mạnh nhiều lĩnh vực Đặc biệt, áp dụng kỹ thuật RFID ngành giao thông vận tải việc đánh số container cảng biển, thu phí khơng dừng,… mang tính tự động hóa có ý nghĩa cải tiến, nâng cao chất lượng hoạt động, ứng dụng kỹ thuật đại Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) sử dụng x(t) y(t) z(t) HPF LPF đầu vào phần thu hệ thống RFID có vai trò ω ω C1 C2 quan trọng có ý nghĩa định hoạt động BPF hệ thống Trong [1] trình bày thiết kế chế tạo ωC1 - ωC2 thành công lọc thông dải có khung cộng hưởng hình chữ L Đây lọc tương tự thơng dải A-BPF Hình Ngun lý thực lọc thông dải (Analog Band Pass Filter) với ưu điểm bật là: kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản tích hợp cao đặc tính tần số đảm bảo thơng số hoạt động giới hạn đáp ứng yêu cầu thích hợp Với ưu điểm này, khẳng định giải pháp từ [1] lọc thông dải phù hợp cho hệ thống RFID X(ω) Trong viết trình bày thiết kế lọc thơng dải theo kỹ thuật số Đặc điểm chung lọc số, thuộc ω[ ] a) loại lọc tích cực, đặc tính tần số có hệ số phẩm H (ω) chất cao: Dải độ (Δf) hẹp; Độ gợn sóng dải ω[ ] thơng (δP) dải chắn (δS) nhỏ Đáng ý có b) Y(ω) thể cho phép tùy chọn điều chỉnh thơng số đặc tính tần số này, ví dụ nâng cao chất lượng nữa, ω[ ] c) giá phải trả kết cấu lọc trở lên phức tạp H (ω) Nói xác nhược điểm lọc số Mặc dù vậy, viết đưa giải pháp cải tiến ω[ ] d) nhằm rút gọn, đơn giản hóa lọc số thông dải D-BPF Z(ω) (Digital Band Pass Filter) để người quan tâm cân ω[ ] nhắc việc sử dụng hệ thống RFID số e) H (ω) trường hợp cụ thể Các giải pháp thực D-BPF ω[ ] f) a) Giải pháp truyền thống thực D-BPF Hình Quá trình xử lý tín hiệu BPF Giải pháp gọi ‘truyền thống’ lọc tương tự hay số, theo ngun lý lọc thơng dải thực 45 90 135 180 o HPF 45 ωC1 90 135 180 o 45 ωC1 90 135 180 o LPF 45 90 ωC2 135 180 o 45 ωC1 90 ωC2 135 180 o 45 ωC1 90 ωC2 135 180 o BPF Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 15 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 tổ hợp lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) lọc thông cao HPF (Hight Pass Filter) theo dạng Hình Nguyên lý hoạt động sơ đồ x(n) y(n) giải thích Hình Trong x(t) tín hiệu xung Dirac; X(ω), Y(ω), Z(ω) phổ tín hiệu tương ứng h(0) HHPF(ω), HLPF(ω), HBPF(ω) đặc tính tần số lọc z1 tương ứng ký hiệu ωC tần số cắt Từ đặc tính tần số Hình b), d), f) HPF, LPF BPF, ta thấy mối quan hệ miền tần số: h(1) z1 H BPF H HPF H LPF (1) Như miền thời gian, gọi hHPF(t), hLPF(t), hBPF(t) với t thời gian thực hay hHPF(n), hLPF(n), hBPF(n) với n thời gian rời rạc đáp ứng xung HPF, LPF BPF thì: hBPF t hHPF t * hLPF t (2) hBPF n hHPF n * hLPF n (3) h(2) z1 Và h(L-1) Trong đó, ký hiệu * phép tính tích chập Hình Cấu trúc điển hình lọc số Quan hệ (2) (3) hoàn toàn phù hợp với cách ghép khối xử lý tín hiệu lọc HPF LPF sơ đồ nguyên lý Hình Về mặt vật lý, lọc số HPF LPF có cấu trúc Hình Trong L = 2N+1 độ dài đáp ứng xung số lượng khâu khuếch đại (N - nửa độ dài đáp ứng xung) Đối với D-LPF hệ số h(n) tính [2, 4-6]: hLPF n C sin C n n0 C n n0 (4) Trong đó, n = ÷ (L – 1) n0 tâm đối xứng thỏa mãn tính tuyến tính n0 = N Tương tự, D-HPF hệ số h(n) theo [2, 4-6] tính là: C 1 hHPF n sin C n n0 C C n n0 n n0 (5) n n0 Tóm lại, giải pháp truyền thống, thực D-BPF ta cần có lọc: D-HPF với LHPF khâu khuếch đại, D-LPF với LLPF khâu khuếch đại tổng số khâu khuếch đại phải là: L LHPF LLPF (6) a) Giải pháp cải tiến thực D-BPF Xuất phát từ đặc tính tần số LPF BPF Hình 4, ta có quan hệ: H BPF H LPF H LPF Thay (4) vào (8), hệ số h(n) D-BPF là: hBPF n 45 90 ωC2 135 180 ω[o] 135 180 ω[o] 135 180 ω[o] a) HLPF1(ω) (7) 45 ωC1 90 b) HBPF(ω) Do tính tuyến tính, suy ra: hBPF n hLPF n hLPF n HLPF2(ω) 1 (8) 45 ωC1 90 ωC2 c) Hình Các đặc tính tần số LPF BPF C sin C n n0 C1 sin C1 n n0 C n n0 C1 n n0 (9) Vậy giải pháp cải tiến thực D-BPF lọc có cấu trúc Hình với L khâu khuếch đại tính theo (9) 16 Tạp chí khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 Tính toán thiết kế D-BPF theo giải pháp cải tiến Sơ đồ thiết kế D-BPF Hình sử dụng đầu vào phần thu hệ thống RFID nên có yêu cầu: - Tần số trung tâm dải thông: fM = 1300 MHz; - Độ rộng dải thông Δf = 76 MHz; Tính tốn thiết kế: - Xác định tần số lấy mẫu fS thời gian trễ khâu z-1 τ : Giả thiết tần số lớn fmax dải tần số công tác lân cận 2.fM = 2600 MHz, ta chọn fmax = 2500MHz vậy, tần số lấy mẫu Nyquist xác định: fS = 2.fmax = 2x2500 MHz = 5000 MHz Thời gian trễ khâu z-1 τ chu kỳ lấy mẫu TS xác định: τ = TS = 1/fS = 1/5000 MHz = 0,2 ns - Xác định tần số cắt fC1 fC2: f f 76 76 1300 1300 1262 MHz f C f M 1338 MHz 2 2 f C1 f M - Quy đổi giá trị tần số sang tần số góc tương đối ω với đơn vị [rad/s]: Vì fmax = 2500MHz cho tương ứng với ωmax = π [rad/s] = 3,1416 [rad/s], nên ta có: fM = 1300 MHz tương ứng ωM = 1,6336 [rad/s]; fC1 = 1262 MHz tương ứng ωC1 = 1,5859 [rad/s]; fC2 = 1338 MHz tương ứng ωC2 = 1,6814 [rad/s] - Xác định hệ số h(n) lọc số D-BPF theo (9) với trường hợp N là: + Trường hợp chọn N = 10, giá trị hệ số h(n) sau tính vẽ thành đồ thị Hình 5a; + Trường hợp chọn N = 20, giá trị hệ số h(n) sau tính vẽ thành đồ thị Hình 5b Dap ung xung FIR co pha tuyen tinh n = N = 10, L = 21 voi C1 = 90.864o va C2 = 96.336o 0.03 0.02 h(n) 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 10 11 n 12 13 14 15 16 17 18 19 20 a) Dap ung xung FIR co pha tuyen tinh n0 = N = 20, L = 41 voi C1 = 90.864o va C2 = 96.336o 0.03 0.02 h(n) 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 n 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 b) Hình Đồ thị biểu diễn hệ số h(n) Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 17 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 Trong trường hợp N = 10 với hệ số h(n) tính áp dụng thuật tốn biến đổi Fourier ta xây dựng đặc tính tần số H(f) có đồ thị Hình Các hệ số phẩm chất đặc tính tần số trường hợp tính là: Tần số giới hạn dải thông là: fCp1 = 1252,1579; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs1 = 1063,5437; Tần số giới hạn dải thông là: fCp2 = 1330,3399; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs2 = 1538,1973; Độ gợn sóng dải chắn là: deltaS1 = 0,2678; Độ gợn sóng dải thơng là: deltaP = 0,046658; Độ gợn sóng dải chắn là: deltaS2 = 0,17611 Dac tinh tan so cua BPF FIR pha tuyen tinh H(f) voi L = 21 Phan thuc H(f) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 f [MHz] Hình Đặc tính tần số trường hợp N = 10 Tương tự, đặc tính tần số H(f) trường hợp với N = 20 có đồ thị Hình Các thơng số đặc tính tần số trường hợp là: Dac tinh tan so cua BPF FIR pha tuyen tinh H(f) voi L = 41 Phan thuc H(f) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 f [MHz] Hình Đặc tính tần số trường hợp N = 20 Hình Đặc tính tần số D-BPF trường hợp so sánh 18 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 Tần số giới hạn dải thông là: fCp1 = 1261,584; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs1 = 1172,6842; Tần số giới hạn dải thông là: fCp2 = 1337,618; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs2 = 1429,8727; Độ gợn sóng dải chắn là: deltaS1 = 0,24225; Độ gợn sóng dải thơng là: deltaP = 0,16329; Độ gợn sóng dải chắn là: deltaS2 = 0,21437 Mặt khác, thực so sánh đặc tính tần số lọc số BPF với thông số trường hợp: - Trường hợp 1: Giải pháp truyền thống lọc có độ dài N1 = N2 = N = 10 Khi L1 = L2 = 21 L = L1 + L2 = 42; - Trường hợp 2: Giải pháp truyền thống lọc có độ dài N1= N2 = (Và N = N1+N2 = 10) Khi L1 = L2 = 11 L = L1 + L2 = 22; - Trường hợp 3: Giải pháp cải tiến lọc có độ dài N = 10 Khi L = 21 Kết luận Từ Hình với hệ số phẩm chất tính tương ứng ta có nhận xét: Khi N tăng lên, độ rộng dải độ giảm lớn bù lại độ gợn sóng dải thơng dải chắn có tăng khơng đáng kể chấp nhận Nhưng với N tăng lên kéo theo độ phức tạp kết cấu DBPF tăng lên nhiều Mặt khác, từ Hình cho thấy, trường hợp với số lượng khâu khuếch đại nhiều (Gấp trường hợp lại) cho ta hệ số phẩm chất đặc tính tần số có giá trị tốt nhất, trường hợp có số lượng khâu khuếch đại xấp xỉ trường hợp giá trị hệ số phẩm chất tồi Vậy rõ ràng, giải pháp cải tiến có số lượng khâu khuếch đại nhất, có nghĩa độ phức tạp kết cấu D-BPF thấp giá trị hệ số phẩm chất độ rộng dải độ, độ gợn sóng dải thơng dải chắn mức trung bình, hay nói giải pháp phù hợp cho sử dụng RFID TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Khiem Nguyen Khac, Nikolay S Knyazev, Vuong Le Quoc, Hung Luu Quang, “Band-pass filter with two L-shaped resonator”, Kỷ yếu hội nghị EWDTS-2018 Kazan, Liên bang Nga ngày 14-17/9/2018, trang 508-511 Đường dẫn tới tài liệu: https://drive.google.com/file/d/1UbW6DKgMOIVoASBuR1hiqJmt5zuYszsT/view [2] Lê Quốc Vượng, Xử lý số tín hiệu, NXB Hàng hải, tháng 8/2017 [3] Phương Xuân Nhàn, Hồ Anh Túy, Lý thuyết mạch, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1993 [4] A.V Oppenheim, R.W Schafer, Digital Signal Processing, Englewood Cliffs, Prentice Hall, NJ, 1975 [5] John G Proakis, Dimitris G Manolakis, Digital Signal Processing: Principle, Algorithms and Applications, MacMillan Publishing Company, printed in the Republic of Singapore, 1992 [6] INMOS Limited, Digital Signal Processing, Prentice Hall International (UK), Ltd Printed and bound in Great Britain at the University Press, Cambridge, 1989 Ngày nhận bài: 28/11/2018 Ngày nhận sửa: 10/12/2018 Ngày duyệt đăng: 14/12/2018 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 19 ... thiết kế D-BPF Hình sử dụng đầu vào phần thu hệ thống RFID nên có yêu cầu: - Tần số trung tâm dải thông: fM = 1300 MHz; - Độ rộng dải thơng Δf = 76 MHz; Tính tốn thiết kế: - Xác định tần số lấy... số H(f) có đồ thị Hình Các hệ số phẩm chất đặc tính tần số trường hợp tính là: Tần số giới hạn dải thơng là: fCp1 = 1252,1579; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs1 = 1063,5437; Tần số giới hạn dải. .. là: fCp1 = 1261,584; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs1 = 1172,6842; Tần số giới hạn dải thông là: fCp2 = 1337,618; Tần số giới hạn dải chắn là: fCs2 = 1429,8727; Độ gợn sóng dải chắn là: deltaS1