Thiết kế bộ lọc số thông dải sử dụng trong hệ thống nhận dạng bằng tần số vô tuyến

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế bộ lọc số thông dải sử dụng trong hệ thống nhận dạng bằng tần số vô tuyến 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 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. Kết quả nghiên cứu cho thấy giải pháp thiết kế bộ lọc số thông dải cải tiến đảm bảo sự tối ưu giữa kết cấu và hệ số phẩm chất. Từ khóa: Bộ lọc thông dải, bộ lọc số, hệ thống nhận dạng bằng 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). 1. Đặt vấn đề Hệ thống nhận dạng theo tần số vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification) hiện đang được ứng dụng mạnh trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, áp dụng kỹ thuật RFID trong ngành giao thông vận tải như việc đánh số container ở các cảng biển, thu phí không dừng,… mang tính tự động hóa và có ý nghĩa cải tiến, nâng cao chất lượng hoạt động, ứng dụng kỹ thuật hiện đại. Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) sử dụng x(t) y(t) z(t) HPF LPF ở đầu vào phần thu của hệ thống RFID có vai trò rất ω ω C1 C2 quan trọng và có ý nghĩa quyết định trong hoạt động BPF của hệ thống. Trong [1] trình bày một thiết kế và chế tạo ωC1 - ωC2 thành công bộ lọc thông dải có 2 khung cộng hưởng hình chữ L. Đây là bộ lọc tương tự thông dải A-BPF Hình 1. Nguyên lý thực hiện bộ lọc thông dải (Analog Band Pass Filter) với các ưu điểm nổi bật là: kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản được tích hợp cao và đặc tính tần số đảm bảo các thông số hoạt động trong giới hạn đáp ứng yêu cầu thích hợp. Với các ưu điểm này, có thể khẳng định giải pháp từ [1] của bộ lọc thông dải là phù hợp cho hệ thống RFID. X(ω) Trong bài viết này trình bày một thiết kế bộ lọc thông dải theo kỹ thuật số. Đặc điểm chung đối với bộ lọc số, thuộc ω[ ] a) loại bộ lọc tích cực, là đặc tính tần số có các hệ số phẩm H (ω) chất khá cao: Dải quá độ (Δf) hẹp; Độ gợn sóng trong dải ω[ ] thông (δP) và dải chắn (δS) nhỏ. Đáng chú ý hơn nữa là có b) Y(ω) thể cho phép tùy chọn điều chỉnh các thông số của đặc tính tần số này, ví dụ nâng cao chất lượng hơn nữa, nhưng như ω[ ] c) một cái giá phải trả là kết cấu của bộ lọc sẽ trở lên phức tạp H (ω) hơn. Nói chính xác đây chính là nhược điểm cơ bản của bộ lọc số. Mặc dù vậy, bài viết này đưa ra một giải pháp cải tiến ω[ ] d) nhằm rút gọn, đơn giản hóa của bộ lọc số thông dải D-BPF Z(ω) (Digital Band Pass Filter) để người quan tâm có thể cân ω[ ] nhắc trong việc sử dụng trong hệ thống RFID đối với một số e) H (ω) trường hợp cụ thể. 2. Các giải pháp thực hiện D-BPF ω[ ] f) a) Giải pháp truyền thống thực hiện D-BPF Hình 2. Quá trình xử lý tín hiệu BPF Giải pháp được gọi là ‘truyền thống’ bởi bộ lọc tương tự hay số, theo nguyên lý thì bộ lọc thông dải được thực 1 0 45 90 135 180 o HPF 1 0 45 ωC1 90 135 180 o 45 ωC1 90 135 180 o 1 0 LPF 1 0 45 90 ωC2 135 180 o 1 0 45 ωC1 90 ωC2 135 180 o 45 ωC1 90 ωC2 135 180 o BPF 1 0 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 57 - 01/2019 15 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2019 hiện như tổ hợp của bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) và bộ lọc thông cao HPF (Hight Pass Filter) theo dạng Hình 1. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này x(n) y(n) được giải thích ở Hình 2. Trong đó x(t) là tín hiệu xung Dirac; X(ω), Y(ω), Z(ω) lần lượt là phổ của các tín hiệu tương ứng h(0) và HHPF(ω), HLPF(ω), HBPF(ω) là đặc tính tần số của các bộ lọc z1 tương ứng và ký hiệu ωC là tần số cắt. Từ các đặc tính tần số Hình 2 b), d), f) của HPF, LPF và BPF, ta có thể thấy mối quan hệ trong miền tần số: h(1) z1 H BPF   H HPF  .H LPF  (1)       Như vậy trong miền thời gian, nếu gọi hHPF(t), hLPF(t), hBPF(t) với t là thời gian thực hay hHPF(n), hLPF(n), hBPF(n) với n là thời gian rời rạc lần lượt là các đáp ứng xung của HPF, LPF và BPF thì: hBPF  t   hHPF  t  * hLPF  t  (2) hBPF  n   hHPF  n  * hLPF  n  (3) h(2) ... z1 Và h(L-1) Trong đó, ký hiệu * là của phép tính tích chập. Hình 3. Cấu trúc điển hình bộ lọc số Quan hệ (2) hoặc (3) cũng hoàn toàn phù hợp với cách ghép các khối xử lý tín hiệu lọc HPF và LPF trong sơ đồ nguyên lý Hình 1. Về mặt vật lý, mỗi bộ lọc số HPF hoặc LPF đều có cấu trúc như Hình 3. Trong đó L = 2N+1 là độ dài của đáp ứng xung và cũng chính là số lượng các khâu khuếch đại (N - nửa độ dài của đáp ứng xung). Đối với D-LPF các hệ số h(n) được tính là [2, 4-6]: hLPF  n   C sin C  n  n0  .  C  n  n0  (4) Trong đó, n = 0 ÷ (L – 1) và n0 là tâm đối xứng khi thỏa mãn tính tuyến tính thì n0 = N. Tương tự, đối với D-HPF các hệ số h(n) cũng theo [2, 4-6] được tính là:  C 1    hHPF  n    sin C  n  n0    C .   C  n  n0  khi n  n0 (5) khi n  n0 Tóm lại, đối với giải pháp truyền thống, khi thực hiện D-BPF ta cần có 2 bộ lọc: một D-HPF với LHPF khâu khuếch đại, một D-LPF với LLPF kh ...