基于DSP的電力線(xiàn)載波OFDM調制解調器

摘要：提出一種基于ＯＦＤＭ的電力線(xiàn)寬帶高速通信系統的實(shí)現方案?討論了ＯＦＤＭ應用于電力線(xiàn)載波通信的原理，探討了通信系統調制解調部分的硬件實(shí)現和軟件流程，并對其關(guān)鍵的ＦＦＴ算法進(jìn)行了優(yōu)化。

利用電力線(xiàn)作為信道進(jìn)行通信?是解決“最后一公里”問(wèn)題的一個(gè)很好的方法。然而電力線(xiàn)作為通信信道，存在著(zhù)高噪聲、多徑效應和衰落的特點(diǎn)。ＯＦＤＭ技術(shù)能夠在抗多徑干擾、信號衰減的同時(shí)保持較高的數據傳輸速率，在具體實(shí)現中還能夠利用離散傅立葉變換簡(jiǎn)化調制解調模塊的復雜度，因此它在電力線(xiàn)高速通信系統中的應用有著(zhù)非常樂(lè )觀(guān)的前景。文中給出一種基于正交頻分復用技術(shù)（ＯＦＤＭ技術(shù)）的調制解調器的設計方案。

１ ＯＦＤＭ原理

ＯＦＤＭ全稱(chēng)為正交頻分復用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），其基本思想是把高速數據流經(jīng)過(guò)串／并變換，分成幾個(gè)低比特率的數據流，經(jīng)過(guò)編碼、交織，它們之間具有一定的相關(guān)性，然后用這些低速率的數據流調制多個(gè)正交的子載波并迭加在一起構成發(fā)送信號。每個(gè)數據流僅占用帶寬的一部分，系統由許多子載波組成。在接收端用同樣數量的載波對發(fā)送信號進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數據后，再通過(guò)并／串變換得到原來(lái)的高速信號。從而降低子載波上的碼率，加長(cháng)碼元的持續時(shí)間，加強時(shí)延擴展的抵抗力。

在ＯＦＤＭ中，為了提高頻帶利用率，令各載波上的信號頻譜相互重疊，但載波間隔的選擇要使這些載波在整個(gè)符號周期上正交，即相加于符號周期上的任何兩個(gè)子載波乘積為零。這樣，即使各載波上的信號頻譜間存在重疊，也能無(wú)失真復原。當載波間最小間隔等于符號周期的倒數的整數倍時(shí)，可滿(mǎn)足正交性條件。實(shí)際上為實(shí)現最大頻譜效率，一般取載波間最小間隔等于符號周期的倒數。

ＯＦＤＭ允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ調制，直接在基帶處理。１９７１年，Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ和Ｅｂｅｒｔ將ＤＦＴ引入到并行傳輸系統的調制解調部分。應用時(shí)去掉了頻分復用所需要的子載波振蕩器組、解調部分的帶通濾波器組，并且可以利用ＦＦＴ的專(zhuān)用器件實(shí)現全數字化的調制解調過(guò)程。

ＯＦＤＭ技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，尤其適于多徑效應嚴重的寬帶傳輸系統，是一門(mén)具有發(fā)展前景、非常適合電力線(xiàn)高速數字通信的新興技術(shù)。

２ 電力線(xiàn)載波通信系統結構

Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工業(yè)界第一個(gè)電力線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )標準。系統參考Ｈｏｍｅｐｌｕｇ采用的頻譜范圍４．５ＭＨｚ～２１ＭＨｚ，并在Ｈｏｍｅｐｌｕｇ物理參數的基礎上確定本系統參數為：

采樣頻率ｆｓ＝１／Ｔ ＝ １５ＭＨｚ

數據符號時(shí)間Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ

循環(huán)前綴時(shí)間Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ

ＯＦＤＭ符號時(shí)間Ｔｓ ＝ ４２８×Ｔ＝２８．５μｓ

數據子載波數為２５６

子載波間隔Δｆ＝１／Ｔｄ＝０．０５８５８ＭＨｚ

總子載波占用帶寬 Ｎ×Δｆ＝１５ＭＨｚ

由于加入了１１．４７μｓ的循環(huán)前綴，系統可以消除１１．４７μｓ以?xún)鹊幕夭ǜ蓴_。但是同時(shí)也付出頻帶利用率僅０．５９Ｂ／Ｈｚ和損失功率２．２３ｄＢ的代價(jià)�？紤]到電力線(xiàn)惡劣的通信環(huán)境，付出的代價(jià)是值得的。

電力線(xiàn)高速通信系統的系統結構如圖１所示。輸入數據在ＯＦＤＭ信號調制部分依次經(jīng)過(guò)串／并變換、ＩＦＦＴ、加入循環(huán)前綴、并／串變換后，輸出調制后的信號，其頻帶范圍為０～１５ＭＨｚ、數據速率為８．９７ＭＢ。經(jīng)過(guò)調制的信號經(jīng)過(guò)數／模變換和上變頻后，通過(guò)系統耦合部分進(jìn)入電力線(xiàn)。

電力線(xiàn)上的信號通過(guò)系統耦合部分，輸出的信號通過(guò)下變頻、模／數變換后輸入給ＯＦＤＭ信號解調部分。在經(jīng)過(guò)串／并變換、去除循環(huán)前綴、ＦＦＴ、并／串變換后，輸出串行數據流。

３ ＯＦＤＭ調制解調器的硬件實(shí)現

基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ調制解調器的硬件實(shí)現分別如圖２和圖３?１?所示。ＰＣＩ總線(xiàn)實(shí)現ＯＦＤＭ系統和計算機之間的通信。Ｓ５９３３是３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器。ＦＰＧＡ是系統的控制核心，系統的邏輯控制信號及時(shí)鐘由ＦＰＧＡ提供。ＤＳＰ部分為系統的核心，完成ＯＦＤＭ的調制與解調。

ＰＣＩ總線(xiàn)是寬度為３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址數據復用線(xiàn)，支持猝發(fā)傳輸，數據率為１３２Ｍｂｐｓ，可滿(mǎn)足高速數據要求。ＰＣＩ總線(xiàn)能自動(dòng)配置參數，定義配置空間，使設備具備自動(dòng)配置功能，支持即插即用，采用多路復用技術(shù)，支持多處理器６４位尋址、５Ｖ和３．３Ｖ環(huán)境。其獨特的同步操作及對總線(xiàn)主控功能，可確保ＣＰＵ能與總線(xiàn)同步操作，而無(wú)需等待總線(xiàn)完成任務(wù)。

Ｓ５９３３是ＡＭＣＣ?Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ?公司開(kāi)發(fā)的３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器，具備強大、靈活的ＰＣＩ接口功能，適用于高速數據傳輸場(chǎng)合。Ｓ５９３３芯片的特點(diǎn)是符合ＰＣＩ２．１規范，支持ＰＣＩ主、從兩種工作方式，支持多種數據傳輸方式，適用于不同的數據傳輸場(chǎng)合，支持ＰＣＩ全速傳輸，提供８／１６／３２ｂｉｔ的Ａｄｄ－Ｏｎ用戶(hù)總線(xiàn)，有高低字節順序調整功能，支持穿行和并行的ＢＯＯＴ／ＰＯＳＴ碼功能，１６０腳ＰＱＦＰ封裝。

ＤＳＰ部分選用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１有３２位的外部存儲接口ＥＭＩＦ，為ＣＰＵ訪(fǎng)問(wèn)外圍設備提供了無(wú)縫接口。為了便于多信道數字信號處理，ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１配備了多信道帶緩沖能力的串口ＭｃＢＳＰ。ＭｃＢＳＰ的功能非常強大，除具有一般ＤＳＰ串口功能之外，還可以支持Ｔ１／Ｅ１、ＳＴ－ＢＵＳ、ＩＯＭ２、ＳＰＩ、ＩＩＳ等不同標準。ＴＭＳ３２Ｃ６２０１提供的１６位主機接口（ＨＰＩ）使得主機設備可以直接訪(fǎng)問(wèn)ＤＳＰ的存儲空間。通過(guò)內部或外部存儲空間，主機可以與ＤＳＰ交換信息，也可以利用ＨＰＩ直接訪(fǎng)問(wèn)映射進(jìn)存儲空間的外圍設備。ＴＭＳ３２

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