通信學(xué)論文-電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計(jì).doc

通信學(xué)論文-電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計(jì)引言隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，多媒體業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求也隨之增長(zhǎng)。通信網(wǎng)正向著IP化、寬帶化方向發(fā)展。通信網(wǎng)由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三部分組成。目前，我國(guó)傳輸網(wǎng)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和光纖化；交換網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了程控化和數(shù)字化；而接入網(wǎng)仍然是通過雙絞線與局端相連，只能達(dá)到56kbs的傳輸速率，不能滿足人們對(duì)多媒體信息的迫切需求。對(duì)接入網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造，以升級(jí)到FTTC(光纖到路邊)甚至FTTH(光纖到戶)，需要高昂的成本，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。XDSL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電話線上數(shù)據(jù)的高速傳輸，但是大多數(shù)家庭電話線路不多，限制了可連接上網(wǎng)的電腦數(shù)，而且在各房間鋪設(shè)傳輸電纜極為不便。最為經(jīng)濟(jì)有效而且方便的基礎(chǔ)設(shè)備就是電源線，把電源線作為傳輸介質(zhì)，在家庭內(nèi)部不必進(jìn)行新的線路施工，成本低。電力線作為通信信道，幾乎不需要維護(hù)或維護(hù)量極小，而且可以靈活地實(shí)現(xiàn)即插即用。此外，由于不必交電話費(fèi)，月租費(fèi)便宜。電力線高速數(shù)據(jù)傳輸使電力線做為通信媒介已成為可能。鋪設(shè)有電力線的地方，通過電力線路傳輸各種互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，連成局域網(wǎng)或接入互聯(lián)網(wǎng)。通過電源線路傳輸各種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以大大推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的普及。此項(xiàng)技術(shù)還可以使家用電腦及電器結(jié)合為可以互相溝通的網(wǎng)絡(luò)，形成新型的智能化家電網(wǎng)，用戶在任何地方通過Internet實(shí)現(xiàn)家用電器的監(jiān)控和管理；可以直接實(shí)現(xiàn)電力抄表及電網(wǎng)自動(dòng)化中遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)的各項(xiàng)功能，而不必另外鋪設(shè)通信信道。因此，研究電力線通信是十分必要的。1OFDM基本原理正交頻分復(fù)用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)是一種正交多載波調(diào)制MCM方式。在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，符號(hào)序列調(diào)制在一個(gè)載波上進(jìn)行串行傳輸，每個(gè)符號(hào)的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM是一種并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用頻率上等間隔的N個(gè)子載波構(gòu)成。它們分別調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，調(diào)制之后N個(gè)子載波的信號(hào)相加同時(shí)發(fā)送。因此，每個(gè)符號(hào)的頻譜只占用信道全部帶寬的一部分。在OFDM系統(tǒng)中，通過選擇載波間隔，使這些子載波在整個(gè)符號(hào)周期上保持頻譜的正交特性，各子載波上的信號(hào)在頻譜上互相重疊，而接收端利用載波之間的正交特性，可以無(wú)失真地恢復(fù)發(fā)送信息，從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率。圖1給出了正交頻分復(fù)用OFDM的基本原理?？紤]一個(gè)周期內(nèi)傳送的符號(hào)序列(do，d1，dn-1)每個(gè)符號(hào)di是經(jīng)過基帶調(diào)制后復(fù)信號(hào)di=ai+jbi，串行符號(hào)序列的間隔為t=lfs，其中fs是系統(tǒng)的符號(hào)傳輸速率。串并轉(zhuǎn)換之后，它們分別調(diào)制N個(gè)子載波(fo，f1，fn-1)，這N個(gè)子載波頻分復(fù)用整個(gè)信道帶寬，相鄰子載波之間的頻率間隔為1T，符號(hào)周期T從t增加到Nt。合成的傳輸信號(hào)D(t)可以用其低通復(fù)包絡(luò)D(t)表示。其中i=-2fi，f=1T=1Nt。在符號(hào)周期O，T內(nèi)，傳輸?shù)男盘?hào)為D(t)=ReD(t)exp(j2fot)，0tT。若以符號(hào)傳輸速率fs為采樣速率對(duì)D(t)進(jìn)行采樣，在一個(gè)周期之內(nèi)，共有N個(gè)采樣值。令t=mt，采樣序列D(m)可以用符號(hào)序列(do，d1，dn-1)的離散付氏逆變換表示。即因此，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程等效于離散付氏逆變換和離散付氏變換處理。其核心技術(shù)是離散付氏變換，若采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)和FFT快速算法，無(wú)需束狀濾波器組，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。2電力線數(shù)傳設(shè)備硬件構(gòu)成電力線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的硬件框圖如圖2所示。2.1數(shù)字信號(hào)處理單元TMS320VC5402用數(shù)字信號(hào)處理的手段實(shí)現(xiàn)MODEM需要極高的運(yùn)算能力和極高的運(yùn)算速度，在高速DSP出現(xiàn)之前，數(shù)字信號(hào)處理只能采用普通的微處理器。由于速度的限制，所實(shí)現(xiàn)的MODEM最高速度一般在2400bs。自20世紀(jì)70年代末，Intel公司推出第一代DSP芯片Intel2920以來，近20年來涌現(xiàn)出一大批高速DSP芯片，從而使話帶高速DSPMCODEM的實(shí)現(xiàn)成為可能。TMS320系列性價(jià)比高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有開發(fā)手段齊全，自TI公司20世紀(jì)80年代初第一代產(chǎn)品TMS32010問世以來，正以每2年更新一代的速度，相繼推出TMS32020、TMS320C25、TMS320C30、TMS320C40以及第五代產(chǎn)品TMS320C54X。根據(jù)OFDM調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)所需要的信號(hào)處理能力，本文選擇以TMS320VC5402作為數(shù)據(jù)泵完成FFT等各種算法，充分利用其軟件、硬件資源，實(shí)現(xiàn)具有高性價(jià)比的OFDM高速電力線數(shù)傳設(shè)備。TMS320C54X是TI公司針對(duì)通信應(yīng)用推出的中高檔16位定點(diǎn)DSP系列器件。該系列器件功能強(qiáng)大、靈活，較之前幾代DSP，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：速度更快(40100MIPS)；指令集更為豐富；更多的尋址方式選擇；2個(gè)40位的累加器；硬件堆棧指針；支持塊重復(fù)和環(huán)型緩沖區(qū)管理。2.2高頻信號(hào)處理單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)的放大、高頻開關(guān)和線路濾波等功能，并最終經(jīng)小型加工結(jié)合設(shè)備送往配電線路。信號(hào)的放大包括發(fā)送方向的可控增益放大(前向功率控制)，接收方向AGC的低噪聲放大部分。其中高頻開關(guān)完成收發(fā)高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)雙工通信。同時(shí)使收發(fā)共用一個(gè)線路濾波器，這樣可以節(jié)省系統(tǒng)成本。23RS一232接口單元用戶數(shù)據(jù)接口采用RS一232標(biāo)準(zhǔn)串行口。串口的數(shù)據(jù)中斷采用邊沿觸發(fā)中斷，串口中斷程序完成用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。將接收到的用戶數(shù)據(jù)暫存到CPU的發(fā)送緩沖區(qū)中，等到滿一個(gè)突發(fā)包時(shí)就發(fā)送到DSP進(jìn)行處理。3參數(shù)設(shè)計(jì)31保護(hù)時(shí)間的選擇根據(jù)OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，首先選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間，=20s，這能夠充分滿足在電力系統(tǒng)環(huán)境下，OFDM信號(hào)消除多徑時(shí)延擴(kuò)展的目的。32符號(hào)周期的選擇T200s，相應(yīng)子信道間隔，f5kHz，這樣在25kHz帶寬內(nèi)至少要?jiǎng)澐殖?個(gè)子信道。另外子信道數(shù)不能太多，增加子信道數(shù)雖然可以提高頻譜傳輸效率，但是DSP器件的復(fù)雜度也將增加，成本上升，同時(shí)還將受到信道時(shí)間選擇性衰落的嚴(yán)重影響。因此，考慮在25kHz的帶寬內(nèi)采用7個(gè)子信道。3.3子信道數(shù)的計(jì)算子信道間隔：各子信道的符號(hào)周期：T=250s考慮保護(hù)時(shí)間：=20s，則有Ts=T+=270s各子信道實(shí)際的符號(hào)率：總的比特率：3.71kbps25子信道2bsymbol=185.5kbs系統(tǒng)的頻譜效率：=185.5kbps100kHz=1.855bpsHz2bpsHz可以看出，這時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)具有較高的頻譜效率。25路話音信號(hào)總的速率與經(jīng)串并變換和4PSK映射后的各子信道上有用信息的符號(hào)率相比，每個(gè)子信道還可以插入冗余信息用于同步、載波參數(shù)、幀保護(hù)和用戶信息等。需要指出的是：由于OFDM信號(hào)時(shí)頻正交性的限制條件，在此設(shè)計(jì)中盡管采用了25個(gè)子載波并行傳輸也只能傳25路語(yǔ)音。如果要傳8路語(yǔ)音，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換和16QAM映射后，各個(gè)子信道上有用信息的符號(hào)率為1.855bpsHz，最多還可以插入的冗余信息為O.145bpsHz，在實(shí)際傳輸中這是很難保證的傳輸質(zhì)量的，因此該設(shè)計(jì)相對(duì)于M-16QAM采用4個(gè)子載波傳輸6路話音并不矛盾。在此設(shè)計(jì)中，為冗余信息預(yù)留了較多的位，其冗余信息與有用信息的比值為0.59，大于iDEN系統(tǒng)的0.44。這是考慮到OFDM信號(hào)對(duì)于載波相位偏差和定時(shí)偏差都較為敏感，這樣就可以插入較多的參考信號(hào)以快速實(shí)現(xiàn)載波相位的鎖定、跟蹤及位同步；另一方面對(duì)引導(dǎo)符號(hào)間隔的選擇也較為靈活，在設(shè)計(jì)中選擇引導(dǎo)符號(hào)間隔L=10。OFDM信號(hào)調(diào)制解調(diào)的核心是DFTIDFT算法。目前，普遍采用DSP芯片完成DFTIDFT，因此有必要對(duì)設(shè)計(jì)所需的DSP性能進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，至少要能在250s內(nèi)完成32個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT運(yùn)算。我們知道，N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT共需要2Nlog2N次實(shí)數(shù)乘法和3Nl0g2N次實(shí)數(shù)加法。假設(shè)實(shí)數(shù)乘法和實(shí)數(shù)加法都是單周期指令，以32個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)為例，這樣共需要800個(gè)指令周期，即20s，因此采用TMS320VC5402能夠滿足設(shè)計(jì)要求(TMS320VC5402的單指令周期為10ns)。綜上所述，OFDM數(shù)傳設(shè)備參數(shù)如表l所列。4軟件構(gòu)成上面確定了OFDM數(shù)傳設(shè)備的主要參數(shù)及算法，下面說明用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計(jì)及流程，如圖3所示。4.1調(diào)制部分的軟件設(shè)計(jì)此程序作為子程序被調(diào)用之前，要發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)被裝入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并將數(shù)據(jù)區(qū)的首地址及長(zhǎng)度作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時(shí)，首先清發(fā)送存儲(chǔ)器，然后配置AD9708的采樣速率，之后允許串行口發(fā)送中斷產(chǎn)生，使中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，送入AD9708變換成模擬信號(hào)。之后程序從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼，并行放入IFFT工作區(qū)的相應(yīng)位置，插入導(dǎo)頻符號(hào)并將不用的點(diǎn)補(bǔ)零。隨后進(jìn)行IFFT，IFFT算法采用常用的時(shí)域抽點(diǎn)算法DIT，蝶形運(yùn)算所需的WN可查N=512字的定點(diǎn)三角函數(shù)表得到。由于TMS320VC5402的數(shù)值計(jì)算為16位字長(zhǎng)定點(diǎn)運(yùn)算方式，所以IFFT采用成組定點(diǎn)法，既提高了運(yùn)算精度又保證了運(yùn)算速度。然后對(duì)IFFT變換后的結(jié)果擴(kuò)展加窗，并將本幀信號(hào)的前擴(kuò)展部分同上幀信號(hào)的后擴(kuò)展部分相加，加窗所需窗函數(shù)可查表得到。窗函數(shù)存放在窗函數(shù)表中，是事先利用C語(yǔ)言浮點(diǎn)運(yùn)算并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)存放在表中的