Backscatter readers for single and distributed systems

Abstract

This dissertation proposes the implementation of a distributed backscatter system for Internet of Things applications. The proposed architecture provides more flexibility and greater coverage areas than regular configurations. In this work, the main focus was the development of a digital receiver in Matlab capable of processing signals provided by a Software Defined Radio pen. In a first approach, a single carrier system was implemented using Texas Instruments sub-1GHz Systems On-Chip to generate a Continuous Wave, that targets a semi-passive backscatter tag. This tag uses backscatter modulation to relay information through reflected radio waves, reducing significantly the power needed to send information. The second approach consisted in increasing the number of Continuous Wave carriers and to analyse its capabilities. In an indoor system, with a maximum distance of 5 m, the transmitter needs to output -5 dBm, for the receiver to be able to decode the data with no errors. The system achieves in an outdoor environment, with a transmitted power of 10 dBm, a calculated sensitivity of -76 dBm and a reading range of 20 m with no errors. Moreover, the distributed architecture is validated, successfully implementing the Frequency Division Multiple Access scheme, while being able to decode correctly the backscatter’s tag transmitted data. A possible indoor application of the distributed system is presented with a maximum error of 3.5%.In the end, the proposed objectives of this work were concluded, producing a system that achieves reader capabilities that rival with state of the art RFID readers, using low-cost commercial off the shelf components.

Esta dissertação propõe a implementação de dois sistemas de leitores de backscatter, para aplicações ralacionadas com a Internet das Coisas. O primeiro sistema consiste na leitura de ondas backscatter baseados numa única portadora. O segundo sistema consiste num sistema composto por múltiplas portadoras, com o intuito de estender a área de cobertura e para tornar a implementação mais flexível. Este trabalho foca-se no desenvolvimento em Matlab de um recetor digital, capaz de processar sinais fornecidos por uma pen de Rádio Definido por Sofware. Numa primeira abordagem, um sistema bi-estático foi implementado com recurso a um dispositivo da Texas Instruments, capaz de gerar uma onda contínua para iluminar um circuito backscatter. Esta abordagem permite a criação de um sistema capaz de transmitir informação, associado a um muito baixo consumo energético. A abordagem distribuída consiste em estender a área de cobertura do sistema, utilizando para esse efeito, vários transmissores de onda contínua. O sistema de portadora única permite comunicação backscatter sem erros, até uma potência mínima de -5 dBm dentro de um laboratório. O mesmo sistema, no exterior de um edifício, com uma transmissão de 10 dBm, atinge uma sensibilidade calculada de leitura na ordem dos -76 dBm, alcançando 20 m sem erros. A abordagem distribuída é validada, implementando o Múltiplo Acesso por Divisão da Frequência, enquanto que recebe e descodifica o sinal com informação. Uma possível aplicação do sistema distríbuido dentro de uma sala é apresentado, onde exibe erros máximos de 3.5 %. No final os objetivos propostos foram atingindos, criando um sistema de baixo custo económico, dando ênfase ao desenvolvimento de um recetor capaz de rivalizar com trabalhos apresentados na literatura.