Walter Kargl

Improvements in Operational Distance in passive HF RFID Transponder Systems

This paper introduces new transponder-design concepts which aim to enhance the working range in passive HF RFID systems. Sideband theory, system architecture, chip design, verification and interdependencies will be discussed. Test- chip measurements show a decrease of 40% in field strength requirements for operation. The working range enhancement compared to products currently available on the market is at least 20% depending on the reader unit setup.

HF RFID transponder with phase demodulator for very high bit-rates up to 13.56 Mbit/s

Sending larger data volumes over an air interface requires high transmission rates and a demodulator to recognize this data. Amplitude demodulators have been used in the past to detect data rates up to 848 kbit/s and phase demodulators have been used to achieve data rates of 424 kbit/s. This paper presents a 13.56MHz HF transponder with a phase demodulator for very high bit-rates based on the passive near field coupling. The integrated phase demodulator detects phase modulated signals with a bit-rate up to 13.56 Mbit/s at an operating range of 4 cm. On the transponder chip a complete RFID analog front end is integrated. It includes a typical common HF-RFID antenna, for high data rates optimized shunt, phase demodulator and load modulator. A novel phase demodulator principle is introduced in this paper. It uses phase-locked loop (PLL) to obtain accurate time reference for the phase detectors. This allows recognizing the phase shift by the comparison of the incoming phase modulated data with the phase of the time reference. The phase demodulator reported in this paper uses two phase detectors working in an alternating mode. This solution allows to recognize phase shifts of the received data from the antenna with double data rate compared to the solution with one phase detector. The demodulator has been implemented in a 90nm Flash CMOS technology with a supply voltage of 1.5V and a power consumption of 0.56mW. Measurement results show that the phase demodulator is able to recognize very small phase changes down to 5 degrees at a bit rate of 13.56 Mbit/s.

Design and development of a mixed signal prototyping system to achieve very high data rates for contactless applications

SummaryContactless applications like ePassport (electronic passport) demand increased communication speed for higher volumes of exchanged data. Today, those passive applications are working at the carrier frequency of 13.56 MHz, as standardized in ISO/IEC 14443, including data rates up to 848 kbps. However, higher data rates are currently a field of research. For the investigation of very high data rates a mixed signal prototyping system is introduced, based on a new concept of a FPGA-based reader prototyping system. Moreover, an introduction to advanced demodulation methods for contactless transponder devices is given.ZusammenfassungDieser Artikel beschäftigt sich mit kontaktlosen Anwendungen, dazu zählt unter anderem der elektronische Reisepass. Dieser speichert zu den herkömmlichen personenbezogenen Daten auch biometrische Merkmale, welche über eine kontaktlose Schnittstelle zum Lesegerät übertragen werden. Um höhere Datentransfers in kürzeren Übertragungszeiten zu ermöglichen, gibt es Bestrebungen, die Datenrate für derartige passive Kontaktlos-Anwendungen zu erhöhen. Diese arbeiten mit einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz und sind in der Norm ISO/IEC 14443 standardisiert. Dieser Standard sieht derzeit Datenraten bis max. 848 kbps vor, wobei bereits Forschungstätigkeiten hinsichtlich hoher Datenraten laufen. Zur Erforschung und Analyse von hohen Datenraten in Kontaktlos-Anwendungen wird ein Mixed-Signal-System verwendet. Dieses beruht auf einem neuartigen Reader-Konzept, welches durch ein FPGA-basierendes Prototypen-System realisiert wurde. Darüber hinaus werden drei Konzepte zur Demodulation auf dem kontaktlosen Transponder vorgestellt.

Analoge Eingangsstufe mit ADC-basierendem Demodulator für HF-Transponder zur Verarbeitung hoher Datenraten

SummaryNowadays, RFID technology is successfully involved in many different applications of daily life, such as object identification, personal data identification, automotive or access control. Since three years the technology has also been used in electronic passport systems. This year the new security passport with fingerprint has been launched, whereas more personal information has to be stored on the passport chip. The personalization of the contactless chip is a very data-intensive process. At the issuance of the travel documents the data is saved to the chip in a single write process. The data communication between the reader and the transponder is ensured via air interface, whereby the current maximum data rates are limited to 848 kbit/s. To accelerate the personalization process, higher data rates are needed. Thereby new challenges have to be solved at the contactless chip, in particular for the demodulator which extracts the baseband data from the incoming high frequency field. In consideration of this topic the article at hand presents a new demodulator concept for a HF transponder. The summary shows the measurement results of the integrated demodulator. The analog frond end and the demodulator are based on a 90 nm Flash CMOS process.ZusammenfassungDie RFID-Technologie wird heutzutage bereits in sehr vielen unterschiedlichen Bereichen des alltäglichen Lebens erfolgreich eingesetzt, sei es im Warentransport (Objektidentifikation), bei personenbezogener Identifikation, im Automobilbereich oder bei Zugangsberechtigungen. Seit drei Jahren findet diese Technologie auch im elektronischen Reisepass Einsatz, wobei in diesem Jahr die Einführung des neuen Sicherheitsreisepasses mit Fingerabdruck erfolgte, wodurch mehr personenbezogene Daten am Chip des Reisepasses gespeichert werden. Ein wesentlicher Aspekt hinsichtlich größerer Datenmengen ist der Personalisierungsvorgang des kontaktlosen Chips. Bei der Ausstellung des Reisedokumentes werden die Daten in einem einmaligen Vorgang auf den Chip geschrieben. Die Datenübertragung erfolgt über eine kontaktlose Luftschnittstelle, wobei derzeit Datenraten von maximal 848 kbit/s möglich sind. Um den Personalisierungsvorgang zu beschleunigen, ist eine Erhöhung der Übertragungsrate notwendig, dadurch ergeben sich auch neue Anforderungen an den kontaktlosen Chip, insbesondere an den Demodulator, welcher das modulierte Trägersignal zunächst demodulieren muss. In Anbetracht dieser Thematik wird in dem vorliegenden Artikel ein neuartiges Design eines ADC-basierenden Demodulators für den Transponder vorgestellt. Im Abschluss werden Messergebnisse des Demodulators gezeigt und besprochen.