RFID and the Internet of Things

Giuseppe Iannaccone

Universita` di Pisa

email: giuseppe.iannaccone@unipi.it

tel: 050-2217677 – 366 6709149

home page: www.iannaccone.org

Ricevimento: Su appuntamento

(Mercoledì 10:30-13:30 o altrimenti) – in Dip.

Giuseppe Iannaccone

1. Radio Frequency IDentification

2. Internet of Things

Giuseppe Iannaccone

Automatic Identification

(Auto-ID)

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Codice a Barre (Barcode)

• UPC (Universal Product Code) – US – 1973

• EAN (European Article Number) – 1976

(Supermercati)

– 13 cifre

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Riconoscimento ottico di caratteri

(OCR)

• inizio negli anni 60

• Lettore molto complicato

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Procedure Biometriche

• Identificazione di persone sulla base di caratteristiche

fisiche “uniche”

• Identificatione della voce

• Dattiloscopia (riconoscimento di impronte digitali)

• Identificazione della retina o dell’iride.

Smart Card

• introduzione: 1984 – carte telefoniche prepagate

• memoria o memoria + microprocessore

• contatto galvanico con il lettore usando contatti a molle

• permettono protezione contro accesso o manipolazione indesiderata

• contatti vulnerabili allo sporco, corrosione, usura

• i lettori devono essere frequentemente manutenuti e protetti da atti vandalici (se in luoghi pubblici)

Giuseppe Iannaccone

Carte di memoria• memoria + macchina a stati finiti per il

controllo + eventuale logica per la cifratura

Giuseppe Iannaccone

Carte a Microprocessore

• Applicazioni a piu’ alto valore aggiunto

Giuseppe Iannaccone

Sistemi RFID

(Radio Frequency IDentification)

• Transponder (Transmit-Responder) attaccato

all’oggetto da identificare

• Lettore (Reader, Interrogator)

Giuseppe Iannaccone

Sistemi RFID –transponder

Giuseppe Iannaccone

History

• H. Stockman, “Communication by means of reflected

power”, Proc. IRE, pp. 1196-1204, Oct. 1948.

• 1950s: IFF system: Identification Friend or Foe

• D. B, Harris, “Radio Transmission systems with modulatable

passive responder”, U. S. Patent 2927321, Mar. 1st, 1960.

• Late 60s: EAS companies Sensormatic, Checkpoint founded

• Late 80s: Toll roads in Europe (Italy, Spain)

• 90s: Immobilizer (TIRIS)

• …

Giuseppe Iannaccone

Confronto tra sistemi auto-ID

Giuseppe Iannaccone

Classificazione dei sistemi RFID In base

all’alimentazione del transponder• Transponder Attivi

– L’alimentazione è fornita da una batteria a bordo.

– il transponder e’ in pratica un normale ricetrasmettitore (transceiver).

• Transponder Semipassivi– La batteria fornisce solo la potenza per la logica e la gestione

della memoria

– Per la trasmissione si sfrutta il campo irradiato dal lettore mediante la tecnica di modulazione della radiazione retrodiffusa

• Transponder Passivi– Tutta l’energia necessaria per il funzionamento proviene dal

campo irradiato dal lettore

Giuseppe Iannaccone

Frequency regulations: ISM bands(Industrial Scientific Medical)

Giuseppe Iannaccone

Accoppiamento lettore-transponder• Ricordare: λ = c/f [ f = Frequenza, λ = Lunghezza d’onda, c = velocità di

propagazione della luce nel vuoto]

• f = 100 KHz – 30 MHz � λ = 3 Km – 10 m

• Per portate R tipiche abbiamo quindi R << λ, quindi il transponder si trova in

regione di campo vicino, e predomina l’accoppiamento attraverso il campo

magnetico (induttivo) o elettrico (capacitivo).

• f = 868 MHz – 5.8 GHz � λ = 34.6 cm - 5.1 cm

• Per portate R tipiche abbiamo R >> λ, regione di campo lontano, e

l’accoppiamento è elettromagnetico (il campo elettromagnetico si descrive

in termini di propagazione di onde).

Giuseppe Iannaccone

Classificazione dei sistemi RFID In

base al tipo di comunicazione – Full Duplex o Half Duplex

• il transponder trasmette quando anche il lettore trasmette.

• Il metodo di comunicazione deve consentire al lettore di riconoscere il debole segnale proveniente dal transponder rispetto al segnale proveniente dal lettore stesso.

– Sequenziale

• Periodicamente il lettore interrompe la trasmissione e il transponder comincia a trasmettere.

• Lo svantaggio in questo caso e’ che quando quando il transponder trasmette non e’ alimentato.

Giuseppe Iannaccone

Half duplex (HDX)

• A intervalli di tempo alternati trasmettono il lettore

(downlink) e il transponder (uplink). In ogni caso l’energia per

la comunicazione viene trasferita costantemente dal lettore al

transponder.

• Sono HDX le procedure nelle quali il transponder trasmette

mediante modulazione del carico o modulazione della

radiazione retrodiffusa.

Giuseppe Iannaccone

HDX

Energy transfer

downlink

uplink

Full Duplex (FDX)

• L’informazione viene trasferita contemporaneamente nelle

due direzioni. In questo caso di solito il trasponder trasmette a

un subarmonica della frequenza del lettore, o a una frequenza

completamente diversa (anarmonica). Anche in questo caso

l’energia viene trasferita con continuità dal lettore al

transponder.

Giuseppe Iannaccone

FDX

Energy transfer

downlink

uplink

• La comunicazione lettore transponder avviene in modo

alternato, ma l’energia viene trasferita dal lettore al

transponder SOLO quando il lettore trasmette informazione.

Durante questo tempo, il transponder deve i) ricevere

l’informazione e ii) accumulare l’energia che gli

servirà, appena terminerà l’impulso di trasmissione, per

rispondere (tipicamente su un condensatore).

Giuseppe Iannaccone

SEQ

Energy transfer

downlink

uplink

Systemi sequenziali (SEQ) (o impulsati)Classificazione in base al tipo di

memoria• Dimensione della memoria

– 1 bit = transponder nel campo del lettore (si/no)

– Codice di identificazione del tipo di oggetto– circa 10 byte

– Codice di identificazione unico (circa 100 byte)

– Informazioni addizionali ( 1-100 Kbyte)

• Programmabilità– Non programmabili (memoria scritta una sola volta)

– Programmabili (EEPROM-FRAM)

• Logica– Macchina a stati (memory card) – non riprogrammabile

– Microprocessore (microprocessor card) –riprogrammabile

Giuseppe Iannaccone

Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

Giuseppe Iannaccone

Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

• Contenitore di vetro

Giuseppe Iannaccone

Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

• Contenitore di vetro

• Contenitore plastico

Giuseppe Iannaccone

Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

• Contenitore di vetro

• Contenitore plastico

• Transponder per

superfici metaliche

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Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

• Contenitore di vetro

• Contenitore plastico

• Transponder per

superfici metaliche

• Formato ID-1 Smart

Card Contactless

Giuseppe Iannaccone

Confezione dei transponder

• Dischetti (ABS)

• Contenitore di vetro

• Contenitore plastico

• Transponder per

superfici metaliche

• Formato ID-1 Smart

Card Contactless

• Smart Label

Giuseppe Iannaccone

Classificazione in base alla distanza di

funzionamento (I)• Sistemi ad accoppiamento vicino (close-coupling systems).

– La distanza di funzionamento è inferiore a 1 cm: il transponder

deve essere inserito nel lettore o appoggiato su una superficie

del lettore.

– L’accoppiamento avviene attraverso campo elettrico o

magnetico a frequenza compresa tra DC e 30 MHz

– La vicinanza tra carta e lettore rende molto semplice

l’alimentazione della carta

– Applicazioni tipiche quelle in cui è importante la sicurezza (e non

la distanza): controllo dell’accesso.

– Standard per carte di formato ID-1: ISO 10536

Giuseppe Iannaccone

Classificazione in base alla distanza di

funzionamento (II)• Sistemi ad accoppiamento remoto

– Indicano i sistemi con portata in lettura e scrittura da qualche

centimetro a 1 m, e sono quasi tutti basati su accoppiamento

induttivo tra transponder e lettore.

– Sono di gran lunga i sistemi più diffusi, e per i quali una serie di

standard internazionali è già presente:

– contactless smart card: ISO 14443

– smart label e contactless smart card: ISO 15693

– Le frequenze di funzionamento sono tipicamente:

• 135 KHz,13.56 MHz, 27.125 MHz (solo applicazioni speciali,

per es. Eurobalise)

Giuseppe Iannaccone

Classificazione in base alla distanza di

funzionamento (III)• Sistemi a grande portata

– Distanza lettore – transponder > 1 m

– Funzionano tutti nelle bande UHF o microonde: tipicamente

• 868 MHz (Europa),

• 915 MHz (USA),

• 2.45 GHz e 5.6 GHz

– Nella maggioranza dei casi il transponder trasmette mediante la

modulazione della radiazione retrodiffusa (backscatter) o SAW.

– Con transponder completamente passivi si ottengono portate

fino a 3 m in Europa e 8 m negli USA, con transponder attivi si

ottengono portate fino a 15 m.

– Diversi Standard (tra cui ISO-18000)

Giuseppe Iannaccone

Classificazione in base alla

complessità del transponder (I)• Sistemi di fascia bassa (Low End)

– Sistemi EAS (sono il livello di complessità più basso.

– Transponder di sola lettura con microchip.

• Il dato contiene un numero seriale unico composto da molti

bit (pes es. 64 o 96 bit per lo standard EPC)

• Appena il transponder si trova nel campo del lettore

comincia a trasmettere in continuazione il proprio codice. Il

transponder non riceve nessuna informazione dal lettore.

• Il vantaggio è che il transponder è semplice (costa poco) e

consuma poco (grande portata).

• Rimpiazzo dei codici a barre, ad esempio

– nell’identificazione di container e pedane (ISO 18000),

– nell’identificazione di animali (ISO 11785)

Giuseppe Iannaccone

Classificazione in base alla

complessità del transponder (II)• Sistemi di fascia media (Mid Range)

– Transponder con memoria di lettura/scrittura,

• fino a 100 Kbyte di EEPROM o SRAM, a seconda che il

transponder sia passivo o attivo.

• Macchina a stati finiti che puo’ eseguire semplici operazioni

di lettura e scrittura.

• Supportano protocolli anticollisione, che permettono a un

lettore di interrogare in sequenza più transponder presenti

nella sua regione di interrogazione, facendo in modo che i

transponder non interferiscano.

• Supportano procedure di autenticazione tra lettore e

transponder e criptazione del flusso dei dati.

Giuseppe Iannaccone

Interferenze elettromagnetiche• Sensibilità alle interferenze elettromagnetiche

• I campi generati da motori elettrici e azionamenti elettrici presenti

nell’ambiente dove il sistema RFID opera, inducono disturbi sia sul lettore

sia sul transponder.

• I problemi sono molto più forti per i sistemi ad accoppiamento induttivo

che per i sistemi ad accoppiamento elettromagnetico (le frequenze di

funzionamento sono più separate).

• Possibilità di causare disturbi elettromagnetici

• E’ un aspetto critico in ambienti sensibili (ad es. ospedalieri), in cui sono

presenti apparecchiature sensibili alle interferenze.

• Nei sistemi con transponder passivi il lettore tipicamente irradia una

potenza molto maggiore che nei sistemi con transponder attivi

• In ambienti estremanente sensibili si preferiscono quindi transponder

attivi.

Giuseppe Iannaccone

Portata (Operating Range)• Fattori da considerare nello scegliere la portata del sistema:

– Accuratezza con la quale si puo’ posizionare il transponder in pratica

– Minima distanza tra i transponder nelle condizioni di utilizzo.

– Velocità con cui il transponder si muove nella regione di interrogazione del lettore (il tranponder deve rimanere nella regione di interrogazione un tempo sufficiente per trasmettere i dati)

• Non sempre si cerca di ottenere la massima portata possibile.

• Ad esempio: nel caso di smart card per l’accesso una distanza di circa 10 cm, così da non richiedere il posizionamento preciso della carta sul lettore e ed essere sicuri che nella regione di interrogazione del lettore ci sia soltanto una carta (e quindi non ci siano problemi di collisione).

• Per avere una portata grande e allo stesso tempo non avere problemi di collisioni puo’ essere utile che il lettore abbiama un’irradiazione direzionale, cosa che per esempio si puo’ fare a microonde e non si puo’ fare con l’accoppiamento induttivo.

Giuseppe Iannaccone

Requisiti di sicurezza

(cifratura e autenticazione)• E’ importante determinare che requisiti di sicurezza deve avere il sistema.

Bisogna considerare:

– il beneficio personale che un potenziale malintenzionato non autorizzato

potrebbe ottenere introducendosi nel sistema.

– il danno che potrebbe causare agli altri (che puo’ essere molto maggiore del

proprio beneficio )

– quanti e chi sono gli utenti del sistema (spazio pubblico, spazio interno) e

quindi quanti potrebbero essere i malintenzionati.

• Esempio:

– borsellino elettronico (usato in pubblico, alto vantaggio per il

malintenzionato, enorme danno di immagine per chi gestisce l’applicazione):

– ski-pass (usato in pubblico, medio vantaggio per il malintenzionato, danno

medio per chi gestisce l’applicazione)

Giuseppe Iannaccone

RFID Global Market (systems and

services)

0

5

10

15

20

25

30

2006 2008 2009 2010 2016

System and Services (B$)

Giuseppe Iannaccone

IDTechEx Report RFID Forecasts, Players, Opportunities 2009-2019

WoS Search – RFIDwww.isiknowledge.com

Internet of Things

Giuseppe Iannaccone

• National Intelligence Council

• Global Trends 2025 (Nov. 2008)

• Disruptive Technologies

– Appendix F: The Internet of Things

Internet of Things (IoT)

• The term has been coined circa 2000 by members of the RFID

community (Auto-ID Labs)

– Originally referred to the possibility of discovering

information about a tagged object by browsing an

Internet address or database entry corresponding to a

particular RFID tag.

– Extended to the general idea of things (everyday objects)

that are readable, locatable, addressable, controllable via

the Internet (via WLAN, WSN,RFID)

– Leverages technology progress in power efficient

sensing, computing, communicating …

Giuseppe Iannaccone

IoT: types of communication

• Ideal case: 2-way communication typical of IP

• Original concept: model of RFID query & response

• Thing-to-person (and vice versa)

– Objects continuously report they data to humans

– Humans can remotely access objects

• Thing-to-thing

– No human originator.

– Humans are notified only if required

Giuseppe Iannaccone

Enabling building blocks

• Communication protocols

• Low-power microcontrollers

• Low-power wireless communication

• RFID technology

• Energy harvesting technology (ambient

vibration, sound, RF, temperature variations, solar)

• Sensors & actuators

• Location technology

Giuseppe Iannaccone

IoT Applications

• Retail and Logistics

– Accurate inventorying, loss control, fast checkout with no

shoplifting, cold-chain auditing, monitoring of perishable

material,

• Product Management

– Track product usage, monitor performance, manage

warranties, anti-counterfiting

• Surveillance

• Smart (and green) buildings

• Onboard diagnostics in transportation

– Tyre pressure monitoring, driving assistance, …

Giuseppe Iannaccone

IoT Present Applications: examples

• Remote metering

– ENEL: 30 millions electronic metering systems

– Lonworks PLC protocol

– World largest smart metering deployment

Giuseppe Iannaccone

The Economist, Oct 8th, 2009

Some countries are further ahead than others in

developing smart grids. Italy (surprisingly, perhaps)

is a pioneer, at least in smart metering. In the early

2000s Enel, the country’s biggest utility, started

installing smart meters in most households so that it

could clamp down on theft and cut off non-payers

remotely

Use cases (10-15 years)

• Fully automatic shopping

• Tutored maintenance during operations

• Handheld devices as universal remote controls

for the environment

• Medicine cabinet as a pharmacist (???)

• Intelligent green buildings

Giuseppe Iannaccone

IoT: Technology roadmap Issues determining the development of the IoT

• Business issues:

– Logistics and supply-chain

support (adoption of RFID to

streamline the supply chain)

– Deterring knockoffs (anti-

counterfeiting: drugs and

luxury goods)

– Deterring thefts (advanced

EAS)

– Food Safety

– Item-level RFID (China IDs)

– Automotive-industry

competitiveness

(maintenance, onboard

safety, differentiation)

– Energy costs and

environmental concerns

– IP rights (NeoMedia patent)

– Standards

– Business collaboration

– Personal and Business

security

• Government issues

– Spectrum policy

– E-waste

– Geolocation

– Cyber-warfare

Giuseppe Iannaccone

WoS search: Internet of Things IoT Most Cited

WoS search: “wireless sensor

networks”WSN most cited papers

Sistemi RFID passivi

ad

accoppiamento elettromagnetico

Giuseppe Iannaccone

Sistemi ad Accoppiamento

Elettromagnetico• Bande ISM 434 MHz, 868 MHz

(EU), 916 MHz (US), 2.45 GHz, ...

• 868 MHz � λ = 34.5 cm

• 2.45 GHz � λ = 12.2 cm

• Regione di campo lontano, conviene ragionare in termini di propagazione di onde elettromagnetiche

• L’elemento di accoppiamento tra lettore e tag è un’antenna

• Pa potenza trasmessa dal lettore

• Pe potenza assorbita dal Tag

• Ps potenza riflessa dall’antenna

• (nel caso di adattamento Pe=Ps)

Giuseppe Iannaccone

PT

Alimentazione del transponder

• Se il tag è passivo, il limite

principale alla portata del sistema è

la necessità di alimentare il

tag, cioè:

(Pe > Pe_minima)

• R distanza tra le antenne

• GT guadagno dell’antenna del

lettore

• S vettore di pointing all’antenna del

tag (W/m2)

• Ae Area Efficace dell’antenna del tag

• GR Guadagno d’antenna del

transponder, legato a Ae da:

Giuseppe Iannaccone

24 R

PGS TT

π=

PT

2

4E RA G

λ

π=

Sistemi ad Accoppiamento

Elettromagnetico (III)• Potenza Pe assorbita dal tag

• Attenuazione nella propagazione

nello spazio libero (in assenza di

perdite)

• In dB

Giuseppe Iannaccone

PT2 2

24 4E E R R

cP A S G S G S

f

λ

π π= = =

2 2 24TF

E T R

P f R

P c G G

πα

=

�

10log 147.6 20log( ) 20log( ) 10log( ) 10log( )TF R T

R

PR f G G

Pα

= = − + + − −

Sistemi ad Accoppiamento

Elettromagnetico (IV)

• GR e f non sono completamente indipendenti: per frequenze più alte e’

possibile, a parità di ingombro, ottenere GR maggiori. In generale pero’, a f

piu’ alte corrisponde una portata minore.

• Se conosciamo la Pe minima per il funzionamento del trasponder, la

portata è data da:

Giuseppe Iannaccone

10log 147.6 20log( ) 20log( ) 10log( ) 10log( )TF R T

R

PR f G G

Pα

= = − + + − −

2

max 2min

1

4

T T R

E

P G GcR

P fπ

=

Sistemi ad accoppiamento

elettromagnetico (V)• Il prodotto PT GT ha un valore massimo stabilito per legge. E’ la cosidetta

potenza EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)

– la EIRP è definita come la potenza che dovrebbe avere una antenna isotropa

per fornire la stessa densità di irradiazione nella direzione massima:

• antenna con guadagno – antenna isotropa

� EIRP = PTGT

– Ad esempio in EU abbiamo il limite EIRP = 500 mW a 2.45 GHz(in US ERP = 4 W

(ERP Effective Radiated Power = EIRP/1.64 – Si fa riferimento a un dipolo a

λ/2)

• Il guadagno del tag di solito non e’ molto alto, perche’ non si vogliono

imporre limitazioni all’orientamento del tag. Spesso l’antenna e’ un dipolo

a λ/2 (GR= 1.64)

Giuseppe Iannaccone

2 24 4

T TG P EIRPS

R Rπ π= =

Sistemi ad accoppiamento

elettromagnetico (VI)• Supponiamo

– EIRP = PT GT = 500 mW, GR= 1.64

– Potenza DC per far funzionare il tag PDC = 5 µW

– Rendimento del raddrizzatore/regolatore η =10%

• Otteniamo Pe_min = 50 µW, da cui

• Se possiamo scendere a PDC = 1 µW, η =20%, otteniamo

Giuseppe Iannaccone

Frequency Range

868 MHz 3.52 m

915 MHz 3.34 m

2.45 GHz 1.25 m

Frequency Range

868 MHz 11.1 m

915 MHz 10.6 m

2.45 GHz 3.95 m

Potenza ricevuta dal lettore• Se il tag e’ attivo, l’unico fattore

che limita la portata è la

sensibilità del lettore

• Calcoliamo la potenza delle

radiazione retrodiffusa che arriva

al lettore:

equazione del radar

• Le proprietà di riflettività dell’antenna vengono espresse da un unico

parametro sintetico: la sezione di cattura radar (Radar Cross Section =

RCS), una superficie.

• L’intensità di radiazione della radiazione retrodiffusa in corrispondenza

dell’antenna del lettore è

Giuseppe Iannaccone

PT

24BS

SS

R

σ

π=

Potenza ricevuta al lettore• La potenza ricevuta al lettore PR è quindi:

• dove AT è l’area efficace dell’antenna del lettore:

• La RCS - sezione di cattura radar di un oggetto (bersaglio)

dipende in generale da:

– dimensioni e forma dell’oggetto

– struttura e materiale della superficie dell’oggetto

– lunghezza dell’onda elettromagnetica

– polarizzazione dell’onda elettromagnetica

Giuseppe Iannaccone

( ) ( )

2 2

2 2 34 44 4 4

T T T T T TBS T BS

A S A G P G PP A S

R R R

σ σ σλ

π π π= = = =

2

4T TA G

λ

π=

equazione del radar

Modulazione della radiazione retrodiffusa

(modulation of the backscattered radiation)

• consiste nel modulare l’impedenza che si vede a valle dell’antenna, in modo da

modulare (nello stesso modo) il “backscatter”, cioè la parte di radiazione che

viene riflessa indietro nella direzione del lettore.

• Supponiamo che la modulazione sia binaria, e quindi che l’impedenza del tag

venga modulata tra due valori:

stato 1: (R1 || jX1) stato 2: (R2 || jX2)

Giuseppe Iannaccone

Modulazione della radiazione

retrodiffusa (II)

• Ra: resistenza d’irradiazione dell’antenna (trascuriamo le perdite)

• PRF: potenza assorbita dal tag

• Vbs: e’ la tensione ai capi di Ra, cioè il segnale che viene re-irradiato, e quindi e’ proporzionale al segnale effettivamente ricevuto dal lettore.

• Nel caso di trasponder passivo c’è un tradeoff importantissimo:

più profondamente moduliamo la radiazione retrodiffusa, più è alto il rapporto segnale-rumore al ricevitore, ma più disadattiamo l’antenna, e quindi riduciamo il valore di PRF rispetto alla potenza disponibile (compromettendo l’alimentazione del tag).

Giuseppe Iannaccone

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa• L’impedenza vista dall’antenna e’

solo resistiva (X1 = X2 � ∞), e nei

due stati (1,2) vale R1 o R2.

• Vogliamo che la potenza trasferita

al tag sia indipendente dallo stato

(1,2):

Giuseppe Iannaccone

1 2RF RF RFP P P= =

( ) ( )

2 21 2

1 22 21 2

1 1

2 2

s s

RF RFa a

V R V RP P

R R R R= = =

+ +

Abbiamo quindi

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (II)

Giuseppe Iannaccone

( ) ( )2 21 1 2 2

1 1

2 / 2 /a a a aR R R R R R R R=

+ + + +

( ) ( )

1 2

2 21 2a a

R R

R R R R=

+ +

da cui

21 2 aR R R=�

possiamo scrivere, con N positivo:

quindi PRF si puo’ esprimere in funzione di Ra e N:

1 2/ e a aR R N R NR= =

( ) ( )

22

2 2

1 1

2 2 1

a sRF s

aa a

NR V NP V

RNR R N= =

+ +

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (III)• Supponendo che il livello 1 e 2 siano equiprobabili, la potenza media

trasferita al tag è

• dove PAV è la potenza disponibile (available), cioè la potenza trasferita al

tag in caso di completo adattamento (N = 1).

• Ovviamente, per ogni N,

Giuseppe Iannaccone

( ) ( )1 2

2

2 2

1 1 1 4

2 2 2 1 1

sRF RF RF RF AV

a

V N NP P P P P

R N N≡ + = = =

+ +

21

8

s

AVa

VP

R=

RF AVP P≤

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (IV)• La tensione Vbs ai capi di Ra è

proporzionale al segnale ricevuto

• Nello stato 1 abbiamo

• Nello stato 2:

• Quindi Vbs è modulato in ampiezza (fase costante)

tra due livelli Vbs1 e Vbs2. La profondità di

modulazione èGiuseppe Iannaccone

1

1 / 1

s a s a sbs

a aa

V R V R NVV

R R R N R N= = =

+ + +

1

2

2 1

s a s a s bsbs

a a a

V R V R V VV

R R NR R N N= = = =

+ + +

2 1

2 1

1

1

bs bs

bs bs

V V Nm

V V N

− −≡ =

+ +

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (V)• Possiamo ora calcolare la potenza utile Pu, che definiamo come la potenza

che dissipa su Ra la differenza tra la Vbs effettiva e la Vbs che si ha quando

si trasmette informazione nulla (cioè sempre lo stesso stato).

• Vedremo più avanti il rapporto S/N al ricevitore sarà funzione monotona

crescente di Pu. Se i due stati sono equiprobabili abbiamo

Giuseppe Iannaccone

( )2 1

2 2 221 1 12

4 1 4 1

bs bs su AV

a a

V V N V NP P

R N R N

− − − = = =

+ +

( ) ( ) ( )2 2 2

1 stato2 2 1 stato1 1 1

1 1 1 1( )

2 2u bs bs bs bs bs bs

a a

P v t V P V V P V VR R

= < − > − + −

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (VI)• Possiamo riscrivere PRF e Pu in funzione del solo

• abbiamo:

• è evidente il compromesso:

– se aumentiamo m, aumenta Pu ☺ , ma diminuisce PRF �

Giuseppe Iannaccone

1

1

Nm

N

−=

+

221

2 21

u AV AV

NP P m P

N

− = =

+

( ) ( ) ( )

2 22

2 2 2

4 2 1 2 1(1 )

1 1 1RF AV AV AV

N N N N NP P P P m

N N N

+ + − + = = − = − + + +

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (VII)• Poniamo che sia R1 < R2. Dal punto di vista circuitale, la modulazione della

resistenza vista dall’antenna si realizza aggiungendo o rimuovendo una

resistenza Rmod in parallelo a R2, in modo che R1 = R2||Rmod. Deve essere:

• R2 è la resistenza equivalente del

vero tag, mentre Rmod viene usata

solo per la modulazione. La

potenza realmente assorbita dal

tag nello stato 1 è quindi P’RF

Giuseppe Iannaccone

22

mod 2 22

a

a

R RR

R R=

−

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (VIII)• Abbiamo

• e quindi

• notiamo che

• e infine

Giuseppe Iannaccone

( ) ( ) ( )

2 21 mod

1 2 2 21 2 mod

41'

2 2 1 1

s s AVRF

aa

R PV R VP

R R RR R N N N N= = =

++ + +

( ) ( )

2

2 1 2 2

1 1 1 1'

2 2 4 1 1

s

RF RF RFa

V NP P P

R N N N

= + = + = + +

( )

( ) ( )

( )

2 22 2 22

2 2

1 11 1 1 11

4 81 1

s s

AVa a

N NV N VP m

R R NN N N N

+ + −+ = = = + + +

( )( )

( )

21 1

1RF AV

m mP P

m

+ −=

+

1 11

1 1

N mm mN m N N

N m

− += → + = − → =

+ −

Modulazione B-ASK

della radiazione retrodiffusa (IX)

Giuseppe Iannaccone

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

PR

F/P

AV , P

U/P

AV

modulation index (m)

PRF

/PAV

PU/P

AV

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (I)

• In questo modo la potenza assorbita dal carico è uguale nei due stati

• La parte resistiva dell’ammettenza vista

dall’antenna è Ra

• La parte reattiva viene variata tra ±j∆X

(varicap o induttanza var.)

Giuseppe Iannaccone

j± ∆X

11 1

a

YR j X

= +∆

21 1

a

YR j X

= −∆

2 2 2

a

a as s s

a a a aa

a

jR X

R j X jR X j XV V V V

jR X R jR X R j XRR X

± ∆

± ∆ ± ∆ ± ∆= = =

± ∆ ± ∆ ± ∆+± ∆

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (II)• abbiamo quindi

• se definiamo φ come:

• abbiamo

Giuseppe Iannaccone

2 2 2 2

1 2 2 2 2 2

4

2 2 4 4

s

RF RF RF AVa a aa

V V X XP P P P

R R R X R X

∆ ∆= = = = =

+ ∆ + ∆

2

1 22 2

1 1 4

2 2 4RF IN RF RF AV

a

XP P P P P

R X

∆≡ = + =

+ ∆

2arctan

a

X

Rφ

∆≡

( )2sinRF AVP P φ=

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (III)• Calcoliamo i due livelli Vbs1 e Vbs2

• Vbs1 e Vbs2 sono complessi coniugati.

Giuseppe Iannaccone

j± ∆X

( )

1

2 22

abs s

aa

a

a a as s

aa a

RV V

jR XR

R j X

R R j X R j XV V

R j XR jR X

= =+ ∆

++ ∆

+ ∆ + ∆= =

+ ∆+ ∆

( )2 2 22

a aa abs s s s

a aa aa

a

R R j XR R j XV V V V

jR X R j XR jR XRR j X

− ∆ − ∆= = =

− ∆ − ∆− ∆+− ∆

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (IV)

• calcoliamo la fase di Vbs1

• in questo caso la potenza utile deve essere calcolata tenendo

conto che Vbs1 e Vbs2 sono fasori

Giuseppe Iannaccone

1

2 2

2 24

a jbs s

a

R XV V e

R X

θ−+ ∆=

+ ∆

( )( )1 2 2

2 2

2 2 2 2

2

2 4

2arctan

4 2

a aabs

a a

a a a

a a

R j X R j XR j XV

R j X R X

R X jR X R X

R X R Xθ

+ ∆ − ∆ + ∆∠ = ∠ = ∠ = + ∆ + ∆

+ ∆ − ∆ ∆= ∠ = − ≡ − + ∆ + ∆

2

2 2

2 24

a jbs s

a

R XV V e

R X

θ+ ∆=

+ ∆

( ) ( ) ( )2 2 2

1 stato2 2 1 stato1 1 1

1 1 1 1( )

2 2u bs bs bs bs bs bs

a a

P v t V P V V P V VR R

= < − > − + −

& & & & &

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (IV)• in questo caso la potenza utile deve essere calcolata tenendo conto che

Vbs1 e Vbs2 sono fasori

• nota che

• se gli stati sono equiprobabili otteniamo

Giuseppe Iannaccone

( )2 2 2

1 stato2 2 1 stato1 1 1

1 1 1 1( )

2 2u bs bs bs bs bs bs

a a

P v t V P V V P V VR R

= < − > − + −

& & & & &

( ) ( )

2 1

2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

2 2 2 2 2

4 4

a abs bs s

a a

a a a a a aa

s s

a a

R j X R j XV V V

R j X R j X

R jR X jR X X R jR X jR X X jR XV V

R X R X

− ∆ + ∆− = − =

− ∆ + ∆

− ∆ + ∆ + ∆ − + ∆ − ∆ + ∆ ∆ = = + ∆ + ∆

& &

( )

2 2 22 2

22 2

42 sin cos

44

s au AV

aa

V R XP P

RR X

φ φ∆

= =

+ ∆

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (V)• Esprimiamo PRF e Pu in funzione del coefficiente di riflessione così definito:

, dove

abbiamo quindi

chiamiamo

Giuseppe Iannaccone

*1, 2

1, 2

a

a

Z Z

Z Zρ

−=

+1

a

a

j XRZ

R j X

∆=

+ ∆2

a

a

j XRZ

R j X

− ∆=

− ∆

2

12 2

aa

aa a a a

a a a a aa

a

j XRR

R j X jR X R jR X R

j XR jR X R jR X R j XR

R j X

ρ

∆−

+ ∆ ∆ − − ∆= = = −

∆ ∆ + + ∆ + ∆+

+ ∆

2

2

a

a

R

R j Xρ = −

− ∆1 2ρ ρ ρ≡ =

22

2 2

41

4a

X

R Xρ

∆− =

+ ∆�

Modulazione B-PSK

della radiazione retrodiffusa (V)

• abbiamo

Giuseppe Iannaccone

( )2

2

2 2

41

4RF AV AV

a

XP P P

R Xρ

∆= = −

+ ∆

( )( )

2 2 2

22 2

2 2

4

44

2 1

s au

aa

AV

V R XP

RR X

P ρ ρ

∆=

+ ∆

= −

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

PR

F/P

AV , P

U/P

AV

reflection coefficient (ρρρρ)

PRF

/PAV

PU/P

AV

Confronto tra modulazioni ASK e PSK (I)

• Mostriamo Pu e PRF in funzione del coefficiente di riflessione

nei due casi

• Nel caso ASK il modulo del coefficiente di riflessione è proprio

m

• quindi abbiamo

Giuseppe Iannaccone

1, 21, 2

1, 2

1

1

a a aASK

aa a

NR RR R Nm

R R NR R Nρ ρ

−− −= ≡ = = =

+ + +

( )( )

( )

2

,

1 1

1RF ASK AVP P

ρ ρ

ρ

+ −=

+

2, 2u ASK AVP Pρ=

( )2_ 1RF PSK AVP P ρ= − ( )2 2

, 2 1u PSK AVP P ρ ρ= −

Confronto tra modulazioni ASK e PSK (II)

Giuseppe Iannaccone

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

PR

F/P

AV , P

U/P

AV

reflection coefficient (ρρρρ)

PRF

/PAV

, PSK

PRF

/PAV

, ASK

PU/P

AV , PSK

PU/P

AV , ASK

ASK - Probabilità di errore in ricezione• associamo allo stato 2 (Vbs2) lo “1” logico e allo stato 1 (Vbs1) lo “0” logico.

• Immaginiamo che il segnale sia ricevuto, demodulato e riportato in banda

base. Il segnale in banda base sia V=V1 se Vbs=Vbs2, e V=V0 se Vbs=Vbs1.

• Abbiamo

• lo schema a blocchi semplificato del ricevitore è

• W gaussiano, bianco, a media nulla

Giuseppe Iannaccone

2 1

2 1

1 0

1 0

bs bs

bs bs

V VV Vm

V V V V

−−≡ =

+ +

0mV cos( )tω

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

il correlatore da’ gli stessi

risultati di un filtro adattato in

tx e rx

ASK-Probabilità di errore in ricezione (II)

• T tempo di bit

• k costante del mixer

• T multiplo di 1/f0

Giuseppe Iannaccone

0mV cos( )tω

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

0 - / 2 -

( ) cos( )i

i

i

t T Tx t V rect t

Tω

=

∑0

2- / 2 -( ) ( ) cos ( )

im i

i

t T Tz t n t kV V rect t

Tω

= +

∑0( ) ( ) cos( )mn t w t kV tω=

[ ]0 0

2

[ ] [ ]

cos ( ) 1 cos(2 )

2 2

i m i mi m

T T

kV V k V V TkV V t dt t dtω ω= + =∫ ∫

ASK-Probabilità di errore in ricezione (III)

• w è bianco

• Se si è ricevuto un “1” logico in ingresso al decisore si ha

• Se si è ricevuto uno “0” logico:

Giuseppe Iannaccone

{ } ( )0

1 2 2 1( ) ( )2

E Nw t w t t tδ= −

( ) 0 02 2 20

2 1 1 2 1 2

0 0

- cos( ) cos( )2

T T

mn

Nk V t t t t dt dtσ δ ω ω= =∫∫

0 0

0 0 02 2 2 2 2 2 2

0 0

1cos ( ) [1 cos(2 )]

2 2 2 4

T T

m m mN N N

k V t dt k V t dt k V Tω ω= = + =∫ ∫

1 1

2

mk V V TZ n= +

0 0

2

mk V V TZ n= +

ASK-Probabilità di errore in ricezione (IV)

• Possiamo rappresentare i simboli

in una costellazione

• Per semplificare il

calcolo, trasliamo rigidamente la

costellazione

Giuseppe Iannaccone

0C' 1C'

2Z'

1 m V k V T

2

0 m V k V T

2

1Z'( )1 0 m V -V k V T

4

( )1 0 m V -V k V T

4−

Zona di decisione per 0 Zona di decisione per 1

0C 1C1Z

2Z

dd

ASK-Probabilità di errore in ricezione (V)• probabilità di errore nel caso sia ricevuto uno “0”

(integriamo sul semipiano Z1>0)

• dove d= ; l’integrale sull’asse Z2 fa 1

• abbiamo fatto il cambio di variabili

Giuseppe Iannaccone

( )2 2

1 20 1 2

2 2

0

-

1 exp

2 2 e

n n

Z d ZP dZ dZ

πσ σ

∞ ∞ + + = −

∞∫ ∫( )1 0 -

4

mV V V k T

( ) ( )2

1 20 1

2

0

2

1 1 1 1exp 2 exp

2 222 2e

nn n

d

n

Z d dP dZ Y dY erfc

σ

σπσ π σ

∞∞ + = − = − =

∫ ∫

11

4

2 2

m

n n

V k V TZ

Z dY

σ σ

∆+

+= =

ASK-Probabilità di errore in ricezione (VI)• la probabilità di errore nel caso sia ricevuto uno “1” è uguale

• Sostituendo le espressioni già calcolate di σ e d

• al posto di V1 e V0 possiamo sostituire la profondità di modulazione

Giuseppe Iannaccone

1 01

2 2

e e

n

dP P erfc

σ

= =

1 01 0 1 0

0

1 ( - ) 1 ( - )

2 2 84 2

me e

n

V V k V T TP P erfc erfc V V

Nσ

= = =

1 10 0

1 2 1

2 1 8 2 1 2e

m T m TP erfc V erfc V

m N m N

= = + +

ASK-Probabilità di errore in ricezione (VII)

• posso esprimere Pe in funzione della potenza massima del segnale

(quando trasmetto “1”)

�

• la potenza del rumore, filtrato su una banda 2/T (lobo principale della Sinc

trasformata della Rect di ampiezza T) è

• abbiamo quindi:

Giuseppe Iannaccone

21

max 2

mV

P =max

0

1

2 1

me

P TmP erfc

m N

= +

002 2N DR

NP N f

T= =

1 2

2 1e

mP erfc SNR

m

=

+

ASK-Probabilità di errore in ricezione (VIII)

Giuseppe Iannaccone

0 10 20 3010

-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Bit

err

or

pro

bab

ilit

y

SNR (dB)

m = 0.2

m = 0.5

m = 0.7

m = 1

ASK-Probabilità di errore in ricezione (IX)

• Possiamo esprimere Pe in funzione di una sola “potenza modulante”, definita come abbiamo già visto:

• notare che x(t) e’ proporzionale a vbs(t), e quindi la Pu di x è proporzionale alla Pu di vbs. Ottengo

• Cioè Pe dipende solo dal rapporto Pu/NGiuseppe Iannaccone

( ) ( ) ( )( )

22 2 2 1 0

0 1 1 0 0 0 0

1 1( )

2 2 4u

V VP x t V P V V P V V

− =< − > − + − =

1 0 1 00

1 1 1( ) ( )

2 8 2 4 e

N

TP erfc V V erfc V V

N P

= − = − =

( )1 1

2 2

uu

N

Perfc erfc SNR

P

= =

ASK-Probabilità di errore in ricezione (X)

• E’ quindi evidente che per minimizzare la probabilità di errore la modulazione

dovra’ massimizzare l’unico parametro che conta, la Pu.Giuseppe Iannaccone

0 10 2010

-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Bit

err

or

pro

bab

ilit

y

SNRu (dB)

PSK - Probabilità di errore in ricezione

• Fase +θ: “1” logico,

-θ: “0” logico

• struttura semplificata del

ricevitore

• w rumore gaussiano, bianco, a media

nulla

• demoduliamo separatamente le

componenti in fase e in quadratura

Giuseppe Iannaccone

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

0mV cos( )tω

0m-V sin( )tω

PSK - Probabilità di errore in ricezione (II)

• segnale ricevuto

• componenti in fase e in quadratura

Giuseppe Iannaccone

( )0

- / 2 -( ) cos

i

i

i

t T Tx t V rect t

Tω θ

= + =

∑( ) ( )0 0( )cos ( )sinc sm t t m t tω ω= −

( )- / 2 -

( ) cosi

c i

i

t T Tm t V rect

Tθ

=

∑

( )- / 2 -

( ) sini

s i

i

t T Tm t V rect

Tθ

=

∑

iθ θ= ±

nota: per i valori che puo’ assumere θmc(t) è una costante

PSK - Probabilità di errore in ricezione (III)• k costante del mixer (1/V)

• il ramo superiore e’ inutile

(perche’ la fase è simmetrica)

• per semplicità supponiamo che T

sia multiplo di 1/f0

Giuseppe Iannaccone

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

0mV cos( )tω

0m-V sin( )tω

0 0 02

0 0

( ) cos ( ) ( ) cos( )sin( )

T T

a m c m s aZ k V m t t dt k V m t t t dt nω ω ω= − + =∫ ∫

cos( )2

aV k Vm T

nθ= +

0 0 02

0 0

( ) cos( )sin( ) ( ) sin ( )

T T

b m c m s bZ kV m t t t dt kV m t t dt nω ω ω= − + + =∫ ∫

sin( )2

bV k Vm T

nθ= ± +

PSK - Probabilità di errore in ricezione (IV)• si puo’ quindi semplificare il ricevitore usando solo il ramo inferiore

• potenza della componente di rumore (come nel caso della modulazione

ASK)

Giuseppe Iannaccone

(k+1)T

kT

( )dt⋅∫

0m-V sin( )tω

02 2 2

4mn

Nk V Tσ =

PSK - Probabilità di errore in ricezione (V)

• Costellazione di simboli

• Rotazione e traslazione rigida

Giuseppe Iannaccone

-θ

θ

mV k V Tsin( )

2θ

mV k V Tsin( )

2θ−

0C'

1C'

1Z'

2Z'

m V k V Tsin( )

2θ−

m V k V Tsin( )

2θ

0C 1C

2Z

1Z

d

PSK - Probabilità di errore in ricezione (VI)

• Probabilità di errore sul singolo simbolo (come nel caso ASK)

• d è la distanza tra i simboli e l’asse Z2. Facciamo il cambio di variabile

• e otteniamo

Giuseppe Iannaccone

( )2

10 1 1

2

0

1 exp

22 e e e

nn

Z dP P P dZ

σπσ

∞ + = = = − =

∫

11

sin( )

2

2 2n n

V k Vm TZ

Z dY

θ

σ σ

++

= =

( )2

2

1 1 1 2 exp

2 2 2e

nd

n

dP Y dY erfc

σ

π σ

∞

= − = ∫

PSK-Probabilità di errore in ricezione (VII)• Sostituendo d e σ abbiamo:

• la potenza media del segnale ricevuto è Pm=V2/2

• la potenza di rumore e’, come prima

• quindi abbiamo

• dove SNR = Pm/PN

Giuseppe Iannaccone

0

1 sin( )

2 2e

TP erfc V

Nθ

=

002 2N DR

NP N f

T= =

( )1 sin( ) 2

2eP erfc SNRθ=

Giuseppe Iannaccone

PSK-Probabilità di errore in ricezione

(VIII)

0 10 20 3010

-10

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

Bit

err

or

pro

bab

ilit

y

SNR (dB)

θθθθ = 10°

θθθθ = 20°

θθθθ = 60°

θθθθ = 90°

PSK-Probabilità di errore in ricezione

(VIII)• Anche in questo caso posso calcolare la “potenza modulante”

• da cui ottengo, di nuovo

• dove SNRu = Pu/PN. Notare che e’ esattamente la stessa espressione del caso ASK

Giuseppe Iannaccone

( ) ( )2 2

0 1 0 0 0( ) cos( ) cos( ) *0uP x t x P V t V t Pω θ ω θ =< − > + − − +

( )0

2 2 212 sin( )sin( ) sin

2uP V t Vω θ θ

= =

( )0

1 1 sin( )

2 2 2e u

TP erfc V erfc SNR

Nθ

= =

Confronto tra le modulazioni ASK e

PSK (II)• A Parità di PRF, la

PSK consente una

Pu maggiore.

• In generale il

ricevitore ASK

puo’ essere piu’

semplice (non

coerente)

• A volte, anche per

la modulazione

ASK e PSK uso un

ricevitore

coerente.

Giuseppe Iannaccone

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

PR

F/P

AV , P

U/P

AV

reflection coefficient (ρρρρ)

PRF

/PAV

, PSK

PRF

/PAV

, ASK

PU/P

AV , PSK

PU/P

AV , ASK

Esempio Numerico (I)• Consideriamo un Transponder

– frequenza 900 MHz (PEIRP=500mW),

– consumo DC 5 µW

– efficienza raddrizzatore + regolatore 20%

– antenna dipolo λ/2 (G=1.64)

• Vogliamo una portata di 4 m

• PRF minima = 5 µW/20% = 25µW < PAV

• PRF/PAV = 25/36.1 = 0.69 da cu

– ρASK=0.2 � Pu = 2.9 µW

– ρPSK=0.55 � Pu = 15 µWGiuseppe Iannaccone

24

EIRPPS

Rπ=

2 2

236.1 W

4 4AV E R R

cP A S G S G S

f

λµ

π π= = = =

Esempio Numerico (II)• Consideriamo un Transponder

– frequenza 2.45 GHz (PEIRP=500mW),

– consumo DC 5 µW

– efficienza raddrizzatore + regolatore 20%

– antenna dipolo λ/2 (G=1.64)

• Vogliamo una portata di 1.5 m

• PRF minima = 5 µW/20% = 25 µW < PAV

• PRF/PAV = 25/34.4 = 0.73 da cui

– ρASK=0.18 � Pu = 2 µW

– ρPSK=0.52 � Pu = 13.8 µWGiuseppe Iannaccone

24

EIRPPS

Rπ=

2 2

234.4 W

4 4AV E R R

cP A S G S G S

f

λµ

π π= = = =

Schema a blocchi della sezione RF nel

caso di modulazione PSK

• Il gruppo LC prima del modulatore serve a far vedere ±j∆X in parallelo alla

impedenza resistiva che offre la rete di adattamento del moltiplicatore di

tensione

Giuseppe Iannaccone

Moltiplicatore di tensione +

regolatore

• Se possibile, diodi Schottky (minore Vγ)

• A regime, la caduta di tensione su ogni diodo è

• Trade-off nella scelta di N (fattore di moltiplicazione – consumo)

• A parità di Vu per N=1 si ha portata massima.

• Dobbiamo comunque avere VIN > 2 Vγ

Giuseppe Iannaccone

N

VtVV U

d2

)cos( 00 −±= ω