An Impulse UWB Radio System for Remotely-Powered Wireless Memory Tag Applications

Abstract

Radio frequency identification (RFID) technologies have been used for decades in a wide variety of applications, e.g. asset tracking, access management and mobile payment. The evolution of memory and radio technologies is enabling development of RFID tags towards wireless memory tags (WMT) with high storage capacity (> 1 gigabit). This work contributes to the research and development of WMT technologies and applications. The main objectives of this work are to show the feasibility of remotely-powered WMTs and that the required host functionality is integrable to today's mobile devices. A key enabler for the technology is the air-interface that supports wireless powering of tags, datarates above 100 Mbit/s and flexible usage needed for the new applications. Thus, an additional objective has been to develop a system with a high performance air-interface and to justify the chosen approach with an implementation showing the performance and feasibility of the system. The scientific merit of the thesis lies in the novel methods and the strong contributions made to the design and development of the new dual-band radio system which overcomes the traditional challenges of single-band RFID systems. In the work an impulse UWB transceiver operating at 7.9 GHz center frequency has been developed. The transceiver utilizes one single super-regenerative oscillator for bi-directional communication. Additionally, synchronization schemes based on the use of a continuous wave signal (on UHF or HF band) for the synchronization of the UWB link have been developed and tested. Finally, the feasibility of the system has been confirmed by designing, developing and testing four system implementations.

Radiotaajuinen etätunnistus (RFID) on laajasti käytetty teknologia, jota on hyödynnetty viime vuosikymmeninä mm. logistiikkasovelluksissa, kulunvalvontajärjestelmissä ja etämaksamisessa. Muisti- ja radioteknologioiden kehitys on mahdollistamassa RFID-tunnisteiden eli RFID-tagien kehittämisen kohti langattomia muistitageja (WMT), joiden tallennuskapasiteetti on merkittävästi nykyisiä tunnisteita suurempi (> 1 gigabitti). Tässä työssä on tutkittu ja kehitetty WMT-teknologioita ja –sovelluksia. Tutkimuksen päätavoitteina on todentaa, että ilman paristoa toimivat langattomat muistitagit ovat toteutettavissa siten, että tagien lukemiseen ja kirjoittamiseen tarvittava toiminnallisuus on integroitavissa matkapuhelimiin. Teknologian toteutettavuuden kannalta merkittävä tekijä on ilmarajapinta, joka mahdollistaa langattoman tehonsiirron tageihin, yli 100 Mbit/s:n datansiirtonopeuden ja joustavan käytön uusissa sovelluksissa. Tästä syystä työn lisätavoitteena on ollut kehittää järjestelmä, jossa käytetty ilmarajapinta saavuttaa tarvitun suorituskyvyn. Valitun lähestymistavan suorituskyky on myös todennettu rakennettujen testijärjestelmien avulla. Työn tieteelliset saavutukset perustuvat työssä kehitettyihin uusiin menetelmiin, sekä uuden kahta taajuusaluetta hyödyntävän radiojärjestelmän suunnitteluun ja kehitykseen. Kahta taajuusaluetta käyttämällä voidaan ratkaista perinteisesti yhtä taajuusaluetta käyttävissä RFID-järjestelmissä havaittuja ongelmia. Työssä on myös kehitetty ultralaajakaistainen (UWB) impulssilähetinvastaanotin, joka toimii 7,9 GHz:n keskitaajuudella. Lähetinvastaanotin hyödyntää yhtä superregeneratiivista oskillaattoria kaksisuuntaiseen tiedonsiirtoon. Tämän lisäksi työssä on kehitetty UWB-linkin synkronoimiseen tarvittavia menetelmiä, jotka perustuvat kapeakaistaisen (UHF- tai HF-taajuisen) signaalin käyttöön. Lopuksi järjestelmän toteutettavuus on varmistettu suunnittelemalla, kehittämällä ja testaamalla neljä eri järjestelmätoteutusta.