采用ACO-OFDM调制新型可见光-射频识别标签系统

叶崇光，冯人海，毛陆虹

(天津大学 电气自动化与信息工程学院,天津 300072)

0 引 言

目前在工业和商业领域，射频识别标签扮演着至关重要的角色[1]。由于其小型化、寿命长、可重复使用的特点[2-3],无源电子标签已广泛应用于视觉识别、移动识别、多目标识别、产品长期跟踪管理等领域。然而由于射频信号会产生电磁辐射，很多人开始担心其对人体的副作用[4]。可见光通信采用发光二极管(light emitting diode,LED)作为信号发射源，绿色无辐射，成为替代射频识别的一个关键技术。日本新泻大学的Xiaohan Liu结合混合射频识别(radio frequency identification,RFID)和荧光通信作出室内导航系统[5]。早稻田大学的Wasinee NOONPAKDEE提出过一种RFID与无线光通信模式[6]。

同时，调制技术作为通信的一个重要的过程，可以提高系统的抗噪声性能和实现信道复用。目前可见光通信系统中大多使用传统的二进制启闭键控(on-off keying,OOK)或者脉冲位置调制(pulse position modulation,PPM)方式，这些调制方式虽然简单但是传信速度慢，频谱利用率低，不符合高速通信的要求。为此，也有很多人开始研究可见光通信上的调制方式。来自国家信息和通信技术研究所的Bin Zhen提出了一种多进制脉冲位置调制的有源RFID系统[7]。Hadjer SAADI提出了一种基于RFID使用SDMA-OFDM调制的防碰撞系统[8]。Mohammad Mahfujur Rashid对多频带OFDM无载波通信RFID系统误码率性能做了分析[9]。其中，正交频分复用(optical-orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)作为4G技术的关键，可以提高带宽利用率和减少信道间干扰(inter carrier interference,ICI)，是可见光通信中研究的热门，但它与可见光通信技术不兼容，可见光通信(visible light communication，VLC)发射机只能传输正实数信号。为了解决这个问题，Anil Yesilkaya提出了可见光信道和非均匀限幅光正交频分复用(asymmetrically clipped optical-orthogonal frequency division multiplexing,ACO-OFDM) 的性能分析模型，说明了ACO-OFDM与可见光的适用性[10]。

本文采用ACO-OFDM调制方式将可见光通信与数字标签基带部分结合，做出了一套完整的以标签为终端的通信系统。相比射频识别技术，该系统的识别距离更远，功耗更低，低辐射更加符合当今绿色的主题。由于可见光很容易受周围环境镜面的折射，相对于采用OOK调制的光RFID系统，该系统采用ACO-OFDM调制技术，通过加循环前缀有效抵抗多径衰落的干扰，还能提高数据的读取速度。系统光发射机使用模拟预均衡技术提升LED有限的调制带宽，将可见光通信的发射端集成于一个芯片，整体采用的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semicondu-ctor,CMOS)工艺单片集成，实现了LED调制带宽的展宽。光接收机采用伪差分电路设计，并且采用三级级联传统限幅放大器，使系统的增益和带宽进一步提高。数字部分的设计在现场可编辑逻辑阵列(field programmable gate array,FPGA)上实现，使用FPGA设计可以方便对设计更新或对新的协议标准作出改进，并且相对于数字信号处理(digital signal processing,DSP)，FPGA强大的可编程性可以使系统的架构更加合理，响应速度更快。同时，FPGA的设计可以作为集成电路芯片的前端设计，为以后的调制解调系统芯片化做功能设计。

可见光通信对RFID标签进行识别的系统整体架构如图1所示。其中，调制器、解调器和终端标签是系统的数字部分，光发射机和接收机是系统的模拟部分。下面将从数字和模拟2部分分别对该系统进行介绍。

图1 可见光-射频识别标签系统框架图Fig.1 Framework diagram of the light-RFID system

1 数字部分设计

1.1 外置EEPROM标签设计

外置带电可编程可擦只读存储器(electrically erasable programmable read onlymemory,EEPROM)标签根据电子产品代码第一类第二代协议(electronic product code class 1 generation 2, EPC C1G2)，对接收机送来的不同命令进行响应。外置EEPROM标签由数字基带标签芯片和外置EEPROM 2部分组成，如图2所示。图2中，数字基带标签芯片负责对不同命令进行不同的响应，并且控制对外置EEPROM的读写。外置EEPROM是SL900芯片中的存储部分，由于与标签的交互通信中会涉及大量的数据读写，并且这些数据在掉电时均能保持。考虑到低功耗的设计理念，本设计采用了SL900芯片中的EEPROM模块作为标签的存储部分。

标签的数字基带部分是整个系统终端的核心，复杂处理解调器发送来的信号，并作出响应。根据EPC C1G2协议，标签命令的编码方式为脉冲宽度编码 (pulse interval encoding，PIE)，标签首先将接收到的信号经过PIE解码器解码，解码后的命令会经过命令解析和命令处理做出不同的响应。涉及到命令读取时，还要将发送的数据加上循环冗余校验码(cyclic redundancy check,CRC)，通过FM0编码或MILLER编码后发送。本设计通过对整体结构的分析，细致划分为 13 个模块，设计了功率控制模块，控制不同模块的时钟，降低了标签的功率。SL900中EEPROM的存储按照SPI通信协议存储，SPI 总线允许标签以全双工的同步串行方式对EEPROM进行高速读写。图3为SPI通信协议数据传输时序图。

图2 外置EEPROM标签框图Fig.2 Framework diagram of tag with external EEPROM

图3 SPI通信协议数据传输时序图Fig.3 Data transmission sequence diagram of SPI

1.2 ACO-OFDM调制解调模块设计

本设计采用ACO-OFDM调制技术。与传统可见光通信调制技术不同，ACO-OFDM调制技术是针对可见光通信对第四代移动通信关键技术OFDM技术的改进，使其能匹配可见光通信发射机的要求，同时也极大提高了可见光通信系统的信息传输速率和对频谱利用率。ACO-OFDM调制解调模块的框架图如图4所示。

图4 调制解调模块的FPGA框架图Fig.4 FPGA framework diagram of the modulatorand demodulator

1.2.1 算法基础

OFDM调制的核心是通过傅里叶逆变换来实现的，当频域序列为X=[X1，X2，X3，…，XN]时，可以通过离散傅里叶逆变换(1)式进行OFDM调制。

，

k=1,2,3,…,N

(1)

(jπk)+

(2)

(3)

1.2.2 映射模块

16正交振幅调制(quadrature amplitude modulation,QAM)调制将传输的数据转化成包含16 个信号状态的4位二进制比特，即将数据映射成具有一定规则的星座图案。星座图上的点数越多，一个符号承载的信息量越大，点的位置通过格雷码决定，格雷码可以使2点的区分度尽可能的高。本设计采用了16QAM映射，通过4 bit格雷码表示星座图上的16个点，如图5所示，在FPGA设计中可用串/并转换器按照1/4速率将二进制码元转换为4路并行信号，每个时钟周期将4路信号映射到16个点中的一个点，其中低2位映射为虚部信号，高2位映射为实部信号。本设计中4 bit并行信号映射到的星座点用8 bit二进制数构成，对应成十进制有符号数分别为-60,-20,20,60来保证2点之间的距离是相同的。相对应解调模块中的解映射通过硬判决，以16个星座点为中心画格子，数据落在哪个格子内就认为该数据是该星座点位。

图5 16-QAM星座图Fig.5 Planisphere of 16-QAM

1.2.3 赫米特对称模块

赫米特对称模块包括赫米特对称和将信号加载到奇数子载波上2个功能，可以通过在FPGA中开辟2块深度为4N的随机存取存储器(random access memory,RAM)来控制信号的读写顺序来实现这2个功能，如图6所示。将映射后的数据实部和虚部分别按顺序每隔一位地址存入2块RAM中。

图6 赫米特对称实数读写示意图Fig.6 Schematic of operation to real in Hermitian

当存储到2N时，即完成一个ACO-OFDM符号的存储，此时继续从2N+1地址位开始下个ACO-OFDM符号的存储，同时开始数据的读出。由于映射后的数据要经过赫米特对称并且只加载到奇数子载波上，所以一个ACO-OFDM符号只有1/4的有效数据，为此，读取时钟须是存储时钟的4倍才能完成读写时间的一致。

赫米特对称虚数读写示意图如图7所示。存储实数的RAM读取数据时，每个时钟周期从最低位按顺序每次加1读取，到2N地址时，再按地址每次减1读取，直到地址位回到最低位。存储虚数的RAM读取数据时，每个时钟周期从符号最高位按顺序每次减1读取，到最低位地址时，再按地址每次加1读取，直到地址位回到最高位。

图7 赫米特对称虚数读写示意图Fig.7 Schematic of operation to imaginary in Hermitian

1.2.4 信号复原模块

由于接收到的可见光信号只包含傅里叶变换后时域序列的正值部分，在接收端还需将收到的信号进行复原才能进行后续的解调。假设一个ACO-OFDM符号时序序列长度为2N，数据的复原可以由2块存储深度为2N的RAM完成。接收端信号复原方式如图8所示，图8中，前N个时钟周期，将序列的前N个数据N位寄存器中，后N个时钟周期将序列的后N个数据取反后加上序列的前N位寄存器存入第1块RAM中的前N位，同时，将序列的后N个数据加上N位寄存器中的前N位序列取反存入第2块RAM中的前N位。这样一个完整的符号序列就分为2部分完整的存入2块RAM中，后续的数据解调只需按照顺序分别从2块RAM中读出序列的前后部分即可。为了保持系统的流水作业，2块RAM多余的一倍空间可以保证数据读数据时，能同时在另外一半存储区进行序列的输入还原。

图8 接收端信号复原方式图Fig.8 Schematic of recovering in receiver

2 模拟部分设计

2.1 可见光通信发射机

可见光通信发射机主要由带有预加重电路的LED调制驱动电路构成，其中两级预加重电路，负责补偿由于LED的线性失真造成的带宽下降，从而展宽VLC系统的物理带宽。LED驱动电路，采用电流源加镇流电阻的方式驱动，提供给LED合理的工作流，使其工作在线性区域内。带有两级预加重的可见光通信发射端调制驱动电路如图9所示。

2.2 可见光通信接收机

可见光通信接收机集成电路采用UMC 180 nm标准CMOS工艺设计。图10为接收机结构框图，图11为其中关键部分的电路图。接收机电路使用有源电感、后均衡和负米勒电容技术以提升带宽,采用直流偏移消除反馈网络稳定电路直流电平。仿真结果表明,电路-3 dB带宽大约为436.5 MHz,输出稳定增益50 dB,功耗为7.06 mW。对比传统分立元件搭建的电路系统,集成光接收机不仅功耗和便携性上有很大优势,带宽提升也有很大潜力。

图9 发射端调制驱动电路图Fig.9 Diagram of emitter drive circuit

图10 接收机整体结构图Fig.10 Structure diagram of the receiver

图11 接收机部分电路图Fig.11 Circuit diagram of the receiver

3 仿真结果

本系统的数字部分使用Matlab和ModelSim软件进行仿真。首先在Matlab中仿真出ACO-OFDM的调制信号，然后与FPGA中产生的ACO-OFDM信号做对比。图12同一信号源前提下，Matlab中一个长度为32的ACO-OFDM信号和FPGA中的结果对比图。可以发现，调制出的ACO-OFDM信号与仿真的结果基本相同。图13为调制解调器的仿真波形图，50 MHz时钟和EPC C1G2协议命令由编写的testbench中产生，可以看出解调的信号与信号源相同。

本系统的模拟部分宽带光接收机和发射机均采用标准180 nm CMOS工艺，使用Cadencespectre进行仿真。伪差分光接收机的仿真眼图如图14所示，在400 MHz以下频率时，眼图清晰，张开度大，抖动失真较小，可见电路性能良好。但在400 MHz时，眼图抖动就已很大，而到500 MHz时，抖动已非常严重，张开度也急剧减小，电路已无法正常实现功能。由此可知，电路的工作极限带宽在400 MHz左右，足够满足RFID系统的需要。

图12 ACO-OFDM信号对比图Fig.12 Contrast diagram of ACO-OFDM signal

图13 调制解调器仿真图Fig.13 Simulation waveform of modulator and demodulator

图14 光接收机仿真眼图Fig.14 Simulation eye diagram of the receiver

图15 光发射机眼图仿真Fig.15 Simulation eye diagram of the emitter

图15为带有两级预加重的发射机的仿真眼图，图15a是在100 Mbit/s下，仿真时间50 μs的后仿眼图，可以看出，眼图开度大，眼图曲线清晰没有重叠。图15b是在200 Mbit/s下，仿真时间50 μs的后仿眼图，眼图开度依旧很大，可见发射机电路性能良好，满足可见光RFID系统的需要。

4 系统搭建与测试

可见光-射频识别标签系统的测试平台如图16所示，FPGA对标签协议命令进行调制后给发射机发送，经过光路后接收机将光信号转换为电信号给FPGA解调，解调后的命令传送给标签后作出响应，响应的命令也按照上述流程传输。

图16 系统的测试平台图Fig.16 Test platform picture

光发射机，接收机和数字标签，均基于 UMC18 CMOS 工艺流片，图17为流片的实物显微镜图。

图17 UMC18 CMOS工艺芯片图Fig.17 Chip physical diagram

系统数字部分的测试通过将ACO-OFDM调制解调模块以及标签协议模块的verilog程序仿真后，将程序通过JTAG下载到FPGA中，在SignalTap逻辑分析仪中获取FPGA运行时各信号的数据，并且以数字波形图为结果显示出来。由于光信道的搭建还暂未完成，图18为对系统数字部分在FPGA测试波形图。从结果可以看出，调制解调模块和终端标签的功能均满足既定的目标。

图18 数字部分波形测试图Fig.18 Test waveform of the digital part

系统模拟部分眼图测试平台的误码仪型号为Agilent E4832A，查看眼图的示波器为DCA-J 86100C，图19中分别给出了250 Mbit/s和300 Mbit/s速率下接收机芯片的眼图，可以看出速率为250 Mbit/s时，眼图清晰可见，数据传输性能良好；而在300 Mbit/s时，眼图抖动明显变大，可见已经达到接收机信号传输能力的极限。

图19 光接收机测试眼图Fig.19 Test eye diagram of the receiver

5 结束语

本文提出了一种使用ACO-OFDM方式调制的可见光-射频识别标签系统。将ACO-OFDM技术与可见光通信技术和RFID结合，实现了可见光对标签的数据读写。相比于使用OOK调制技术的可见光RFID系统，使用ACO-OFDM调制不仅能提高带宽利用率，使信号传输速率能够进一步提高，还能扩展信号带宽，有效减少可见光多径衰落造成的影响。由于高速ACO-OFDM技术需要搭配高采样率的数模转换器和模数转换器，对硬件的要求较高，因此本设计结果未上光路测试。但是分别对系统的发射机、接收机进行了测试，对调制解调模块和标签芯片进行了联合测试。测试的结果也涵盖了整体系统的所有部分，验证了系统各部分的成功性和可行性，对后面进行可见光信道的研究搭建铺垫了硬件基础。