采用ACO-OFDM調制新型可見光-射頻識別標簽系統

葉崇光，馮人海，毛陸虹

(天津大學 電氣自動化與信息工程學院,天津 300072)

0 引 言

目前在工業和商業領域，射頻識別標簽扮演著至關重要的角色[1]。由于其小型化、壽命長、可重復使用的特點[2-3],無源電子標簽已廣泛應用于視覺識別、移動識別、多目標識別、產品長期跟蹤管理等領域。然而由于射頻信號會產生電磁輻射，很多人開始擔心其對人體的副作用[4]?？梢姽馔ㄐ挪捎冒l光二極管(light emitting diode,LED)作為信號發射源，綠色無輻射，成為替代射頻識別的一個關鍵技術。日本新瀉大學的Xiaohan Liu結合混合射頻識別(radio frequency identification,RFID)和熒光通信作出室內導航系統[5]。早稻田大學的Wasinee NOONPAKDEE提出過一種RFID與無線光通信模式[6]。

同時，調制技術作為通信的一個重要的過程，可以提高系統的抗噪聲性能和實現信道復用。目前可見光通信系統中大多使用傳統的二進制啟閉鍵控(on-off keying,OOK)或者脈沖位置調制(pulse position modulation,PPM)方式，這些調制方式雖然簡單但是傳信速度慢，頻譜利用率低，不符合高速通信的要求。為此，也有很多人開始研究可見光通信上的調制方式。來自國家信息和通信技術研究所的Bin Zhen提出了一種多進制脈沖位置調制的有源RFID系統[7]。Hadjer SAADI提出了一種基于RFID使用SDMA-OFDM調制的防碰撞系統[8]。Mohammad Mahfujur Rashid對多頻帶OFDM無載波通信RFID系統誤碼率性能做了分析[9]。其中，正交頻分復用(optical-orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)作為4G技術的關鍵，可以提高帶寬利用率和減少信道間干擾(inter carrier interference,ICI)，是可見光通信中研究的熱門，但它與可見光通信技術不兼容，可見光通信(visible light communication，VLC)發射機只能傳輸正實數信號。為了解決這個問題，Anil Yesilkaya提出了可見光信道和非均勻限幅光正交頻分復用(asymmetrically clipped optical-orthogonal frequency division multiplexing,ACO-OFDM) 的性能分析模型，說明了ACO-OFDM與可見光的適用性[10]。

本文采用ACO-OFDM調制方式將可見光通信與數字標簽基帶部分結合，做出了一套完整的以標簽為終端的通信系統。相比射頻識別技術，該系統的識別距離更遠，功耗更低，低輻射更加符合當今綠色的主題。由于可見光很容易受周圍環境鏡面的折射，相對于采用OOK調制的光RFID系統，該系統采用ACO-OFDM調制技術，通過加循環前綴有效抵抗多徑衰落的干擾，還能提高數據的讀取速度。系統光發射機使用模擬預均衡技術提升LED有限的調制帶寬，將可見光通信的發射端集成于一個芯片，整體采用的互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semicondu-ctor,CMOS)工藝單片集成，實現了LED調制帶寬的展寬。光接收機采用偽差分電路設計，并且采用三級級聯傳統限幅放大器，使系統的增益和帶寬進一步提高。數字部分的設計在現場可編輯邏輯陣列(field programmable gate array,FPGA)上實現，使用FPGA設計可以方便對設計更新或對新的協議標準作出改進，并且相對于數字信號處理(digital signal processing,DSP)，FPGA強大的可編程性可以使系統的架構更加合理，響應速度更快。同時，FPGA的設計可以作為集成電路芯片的前端設計，為以后的調制解調系統芯片化做功能設計。

可見光通信對RFID標簽進行識別的系統整體架構如圖1所示。其中，調制器、解調器和終端標簽是系統的數字部分，光發射機和接收機是系統的模擬部分。下面將從數字和模擬2部分分別對該系統進行介紹。

圖1 可見光-射頻識別標簽系統框架圖Fig.1 Framework diagram of the light-RFID system

1 數字部分設計

1.1 外置EEPROM標簽設計

外置帶電可編程可擦只讀存儲器(electrically erasable programmable read onlymemory,EEPROM)標簽根據電子產品代碼第一類第二代協議(electronic product code class 1 generation 2, EPC C1G2)，對接收機送來的不同命令進行響應。外置EEPROM標簽由數字基帶標簽芯片和外置EEPROM 2部分組成，如圖2所示。圖2中，數字基帶標簽芯片負責對不同命令進行不同的響應，并且控制對外置EEPROM的讀寫。外置EEPROM是SL900芯片中的存儲部分，由于與標簽的交互通信中會涉及大量的數據讀寫，并且這些數據在掉電時均能保持?？紤]到低功耗的設計理念，本設計采用了SL900芯片中的EEPROM模塊作為標簽的存儲部分。

標簽的數字基帶部分是整個系統終端的核心，復雜處理解調器發送來的信號，并作出響應。根據EPC C1G2協議，標簽命令的編碼方式為脈沖寬度編碼 (pulse interval encoding，PIE)，標簽首先將接收到的信號經過PIE解碼器解碼，解碼后的命令會經過命令解析和命令處理做出不同的響應。涉及到命令讀取時，還要將發送的數據加上循環冗余校驗碼(cyclic redundancy check,CRC)，通過FM0編碼或MILLER編碼后發送。本設計通過對整體結構的分析，細致劃分為 13 個模塊，設計了功率控制模塊，控制不同模塊的時鐘，降低了標簽的功率。SL900中EEPROM的存儲按照SPI通信協議存儲，SPI 總線允許標簽以全雙工的同步串行方式對EEPROM進行高速讀寫。圖3為SPI通信協議數據傳輸時序圖。

圖2 外置EEPROM標簽框圖Fig.2 Framework diagram of tag with external EEPROM

圖3 SPI通信協議數據傳輸時序圖Fig.3 Data transmission sequence diagram of SPI

1.2 ACO-OFDM調制解調模塊設計

本設計采用ACO-OFDM調制技術。與傳統可見光通信調制技術不同，ACO-OFDM調制技術是針對可見光通信對第四代移動通信關鍵技術OFDM技術的改進，使其能匹配可見光通信發射機的要求，同時也極大提高了可見光通信系統的信息傳輸速率和對頻譜利用率。ACO-OFDM調制解調模塊的框架圖如圖4所示。

圖4 調制解調模塊的FPGA框架圖Fig.4 FPGA framework diagram of the modulatorand demodulator

1.2.1 算法基礎

OFDM調制的核心是通過傅里葉逆變換來實現的，當頻域序列為X=[X1，X2，X3，…，XN]時，可以通過離散傅里葉逆變換(1)式進行OFDM調制。

，

k=1,2,3,…,N

(1)

(jπk)+

(2)

(3)

1.2.2 映射模塊

16正交振幅調制(quadrature amplitude modulation,QAM)調制將傳輸的數據轉化成包含16 個信號狀態的4位二進制比特，即將數據映射成具有一定規則的星座圖案。星座圖上的點數越多，一個符號承載的信息量越大，點的位置通過格雷碼決定，格雷碼可以使2點的區分度盡可能的高。本設計采用了16QAM映射，通過4 bit格雷碼表示星座圖上的16個點，如圖5所示，在FPGA設計中可用串/并轉換器按照1/4速率將二進制碼元轉換為4路并行信號，每個時鐘周期將4路信號映射到16個點中的一個點，其中低2位映射為虛部信號，高2位映射為實部信號。本設計中4 bit并行信號映射到的星座點用8 bit二進制數構成，對應成十進制有符號數分別為-60,-20,20,60來保證2點之間的距離是相同的。相對應解調模塊中的解映射通過硬判決，以16個星座點為中心畫格子，數據落在哪個格子內就認為該數據是該星座點位。

圖5 16-QAM星座圖Fig.5 Planisphere of 16-QAM

1.2.3 赫米特對稱模塊

赫米特對稱模塊包括赫米特對稱和將信號加載到奇數子載波上2個功能，可以通過在FPGA中開辟2塊深度為4N的隨機存取存儲器(random access memory,RAM)來控制信號的讀寫順序來實現這2個功能，如圖6所示。將映射后的數據實部和虛部分別按順序每隔一位地址存入2塊RAM中。

圖6 赫米特對稱實數讀寫示意圖Fig.6 Schematic of operation to real in Hermitian

當存儲到2N時，即完成一個ACO-OFDM符號的存儲，此時繼續從2N+1地址位開始下個ACO-OFDM符號的存儲，同時開始數據的讀出。由于映射后的數據要經過赫米特對稱并且只加載到奇數子載波上，所以一個ACO-OFDM符號只有1/4的有效數據，為此，讀取時鐘須是存儲時鐘的4倍才能完成讀寫時間的一致。

赫米特對稱虛數讀寫示意圖如圖7所示。存儲實數的RAM讀取數據時，每個時鐘周期從最低位按順序每次加1讀取，到2N地址時，再按地址每次減1讀取，直到地址位回到最低位。存儲虛數的RAM讀取數據時，每個時鐘周期從符號最高位按順序每次減1讀取，到最低位地址時，再按地址每次加1讀取，直到地址位回到最高位。

圖7 赫米特對稱虛數讀寫示意圖Fig.7 Schematic of operation to imaginary in Hermitian

1.2.4 信號復原模塊

由于接收到的可見光信號只包含傅里葉變換后時域序列的正值部分，在接收端還需將收到的信號進行復原才能進行后續的解調。假設一個ACO-OFDM符號時序序列長度為2N，數據的復原可以由2塊存儲深度為2N的RAM完成。接收端信號復原方式如圖8所示，圖8中，前N個時鐘周期，將序列的前N個數據N位寄存器中，后N個時鐘周期將序列的后N個數據取反后加上序列的前N位寄存器存入第1塊RAM中的前N位，同時，將序列的后N個數據加上N位寄存器中的前N位序列取反存入第2塊RAM中的前N位。這樣一個完整的符號序列就分為2部分完整的存入2塊RAM中，后續的數據解調只需按照順序分別從2塊RAM中讀出序列的前后部分即可。為了保持系統的流水作業，2塊RAM多余的一倍空間可以保證數據讀數據時，能同時在另外一半存儲區進行序列的輸入還原。

圖8 接收端信號復原方式圖Fig.8 Schematic of recovering in receiver

2 模擬部分設計

2.1 可見光通信發射機

可見光通信發射機主要由帶有預加重電路的LED調制驅動電路構成，其中兩級預加重電路，負責補償由于LED的線性失真造成的帶寬下降，從而展寬VLC系統的物理帶寬。LED驅動電路，采用電流源加鎮流電阻的方式驅動，提供給LED合理的工作流，使其工作在線性區域內。帶有兩級預加重的可見光通信發射端調制驅動電路如圖9所示。

2.2 可見光通信接收機

可見光通信接收機集成電路采用UMC 180 nm標準CMOS工藝設計。圖10為接收機結構框圖，圖11為其中關鍵部分的電路圖。接收機電路使用有源電感、后均衡和負米勒電容技術以提升帶寬,采用直流偏移消除反饋網絡穩定電路直流電平。仿真結果表明,電路-3 dB帶寬大約為436.5 MHz,輸出穩定增益50 dB,功耗為7.06 mW。對比傳統分立元件搭建的電路系統,集成光接收機不僅功耗和便攜性上有很大優勢,帶寬提升也有很大潛力。

圖9 發射端調制驅動電路圖Fig.9 Diagram of emitter drive circuit

圖10 接收機整體結構圖Fig.10 Structure diagram of the receiver

圖11 接收機部分電路圖Fig.11 Circuit diagram of the receiver

3 仿真結果

本系統的數字部分使用Matlab和ModelSim軟件進行仿真。首先在Matlab中仿真出ACO-OFDM的調制信號，然后與FPGA中產生的ACO-OFDM信號做對比。圖12同一信號源前提下，Matlab中一個長度為32的ACO-OFDM信號和FPGA中的結果對比圖?？梢园l現，調制出的ACO-OFDM信號與仿真的結果基本相同。圖13為調制解調器的仿真波形圖，50 MHz時鐘和EPC C1G2協議命令由編寫的testbench中產生，可以看出解調的信號與信號源相同。

本系統的模擬部分寬帶光接收機和發射機均采用標準180 nm CMOS工藝，使用Cadencespectre進行仿真。偽差分光接收機的仿真眼圖如圖14所示，在400 MHz以下頻率時，眼圖清晰，張開度大，抖動失真較小，可見電路性能良好。但在400 MHz時，眼圖抖動就已很大，而到500 MHz時，抖動已非常嚴重，張開度也急劇減小，電路已無法正常實現功能。由此可知，電路的工作極限帶寬在400 MHz左右，足夠滿足RFID系統的需要。

圖12 ACO-OFDM信號對比圖Fig.12 Contrast diagram of ACO-OFDM signal

圖13 調制解調器仿真圖Fig.13 Simulation waveform of modulator and demodulator

圖14 光接收機仿真眼圖Fig.14 Simulation eye diagram of the receiver

圖15 光發射機眼圖仿真Fig.15 Simulation eye diagram of the emitter

圖15為帶有兩級預加重的發射機的仿真眼圖，圖15a是在100 Mbit/s下，仿真時間50 μs的后仿眼圖，可以看出，眼圖開度大，眼圖曲線清晰沒有重疊。圖15b是在200 Mbit/s下，仿真時間50 μs的后仿眼圖，眼圖開度依舊很大，可見發射機電路性能良好，滿足可見光RFID系統的需要。

4 系統搭建與測試

可見光-射頻識別標簽系統的測試平臺如圖16所示，FPGA對標簽協議命令進行調制后給發射機發送，經過光路后接收機將光信號轉換為電信號給FPGA解調，解調后的命令傳送給標簽后作出響應，響應的命令也按照上述流程傳輸。

圖16 系統的測試平臺圖Fig.16 Test platform picture

光發射機，接收機和數字標簽，均基于 UMC18 CMOS 工藝流片，圖17為流片的實物顯微鏡圖。

圖17 UMC18 CMOS工藝芯片圖Fig.17 Chip physical diagram

系統數字部分的測試通過將ACO-OFDM調制解調模塊以及標簽協議模塊的verilog程序仿真后，將程序通過JTAG下載到FPGA中，在SignalTap邏輯分析儀中獲取FPGA運行時各信號的數據，并且以數字波形圖為結果顯示出來。由于光信道的搭建還暫未完成，圖18為對系統數字部分在FPGA測試波形圖。從結果可以看出，調制解調模塊和終端標簽的功能均滿足既定的目標。

圖18 數字部分波形測試圖Fig.18 Test waveform of the digital part

系統模擬部分眼圖測試平臺的誤碼儀型號為Agilent E4832A，查看眼圖的示波器為DCA-J 86100C，圖19中分別給出了250 Mbit/s和300 Mbit/s速率下接收機芯片的眼圖，可以看出速率為250 Mbit/s時，眼圖清晰可見，數據傳輸性能良好；而在300 Mbit/s時，眼圖抖動明顯變大，可見已經達到接收機信號傳輸能力的極限。

圖19 光接收機測試眼圖Fig.19 Test eye diagram of the receiver

5 結束語

本文提出了一種使用ACO-OFDM方式調制的可見光-射頻識別標簽系統。將ACO-OFDM技術與可見光通信技術和RFID結合，實現了可見光對標簽的數據讀寫。相比于使用OOK調制技術的可見光RFID系統，使用ACO-OFDM調制不僅能提高帶寬利用率，使信號傳輸速率能夠進一步提高，還能擴展信號帶寬，有效減少可見光多徑衰落造成的影響。由于高速ACO-OFDM技術需要搭配高采樣率的數模轉換器和模數轉換器，對硬件的要求較高，因此本設計結果未上光路測試。但是分別對系統的發射機、接收機進行了測試，對調制解調模塊和標簽芯片進行了聯合測試。測試的結果也涵蓋了整體系統的所有部分，驗證了系統各部分的成功性和可行性，對后面進行可見光信道的研究搭建鋪墊了硬件基礎。