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