電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計

1、電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計 引 言 隨著社會的進步和技術(shù)的開展，多媒體業(yè)務(wù)不斷增長，人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求也隨之增長。 通信網(wǎng)正向著IP化、寬帶化方向開展。通信網(wǎng)由傳輸網(wǎng)、交換網(wǎng)和接入網(wǎng)三局部組成。目前，我國傳輸網(wǎng)已經(jīng)根本實現(xiàn)數(shù)字化和光纖化；交換網(wǎng)也實現(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，只能到達56 kbs的傳輸速率，不能滿足人們對多媒體信息的迫切需求。對接入網(wǎng)進展大規(guī)模改造，以晉級到FTTC光纖到路邊甚至FTTH光纖到戶，需要高昂的本錢，短期內(nèi)難以實現(xiàn)。XDSL技術(shù)實現(xiàn)了 線上數(shù)據(jù)的高速傳輸，但是大多數(shù)家庭 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

2、。最為經(jīng)濟有效而且方便的根底設(shè)備就是電源線，把電源線作為傳輸介質(zhì)，在家庭內(nèi)部不必進展新的線路施工，本錢低。電力線作為通信信道，幾乎不需要維護或維護量極小，而且可以靈敏地實現(xiàn)即插即用。此外，由于不必交 費，月租費廉價。 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)，可以大大推進互聯(lián)網(wǎng)的普及。此項技術(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實現(xiàn)家用電器的監(jiān)控和管理；可以直接實現(xiàn)電力抄表及電網(wǎng)自動化中遙

3、信、遙測、遙控、遙調(diào)的各項功能，而不必另外鋪設(shè)通信信道。因此，研究電力線通信是非常必要的。 1、OFDM根本原理 正交頻分復(fù)用OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing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，符號序列調(diào)制在一個載波上進展串行傳輸，每個符號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個子載波構(gòu)成。它們分別調(diào)制一路獨立的數(shù)據(jù)信息，調(diào)制之后N個子載波的信號相加同時發(fā)送。因此，每個符號的頻譜只占用信道全部帶寬的一局部。在OFDM系統(tǒng)中，通過選擇載波間隔，使這些子載波在整個符號周期

4、上保持頻譜的正交特性，各子載波上的信號在頻譜上互相重疊，而接收端利用載波之間的正交特性，可以無失真地恢復(fù)發(fā)送信息，從而進步系統(tǒng)的頻譜利用率。 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。 用數(shù)字信號處理的手段實現(xiàn)MODEM需要極高的運算才能和極高的運算速度，在高速DSP出現(xiàn)之前，數(shù)字信號處理只能采用普通的微處理器。由于速度的限制，所實現(xiàn)的MODEM最高速度一般在2400bs.自20世紀70年代末，Intel公司推出第一代DSP芯片Intel 2920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DSP MCODEM的實現(xiàn)成為可能。 根據(jù)OFDM調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)所需要的信

5、號處理才能，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，實現(xiàn)具有高性價比的OFDM高速電力線數(shù)傳設(shè)備。 TMS320C54X是TI公司針對通信應(yīng)用推出的中高檔16位定點DSP系列器件。該系列器件功能強大、靈敏，較之前幾代DSP，具有以下突出優(yōu)點： 速度更快40100 MIPS； 指令集更為豐富； 更多的尋址方式選擇； 2個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高頻信號處理單元 主要實現(xiàn)對高頻信號的放大、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。信號的放大包括發(fā)送方向的可控增益放大前向功率控制

6、，接收方向AGC的低噪聲放大局部。其中高頻開關(guān)完成收發(fā)高頻信號的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)雙工通信。同時使收發(fā)共用一個線路濾波器，這樣可以節(jié)省系統(tǒng)本錢。 2.3 RS一232接口單元 用戶數(shù)據(jù)接口采用RS一232標準串行口。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，等到滿一個突發(fā)包時就發(fā)送到DSP進展處理。 3、參數(shù)設(shè)計 3.1保護時間的選擇 根據(jù)OFDM信號設(shè)計準那么，首先選擇適當?shù)谋Ｗo時間，=20s，這可以充分滿足在電力系統(tǒng)環(huán)境下，OFDM信號消除多徑時延擴展的目的。 3.2符號周期的選擇 T200 s，相應(yīng)子信道間隔，f 3. 3

7、子信道數(shù)的計算 子信道間隔： 各子信道的符號周期：T=250s 可以看出，這時系統(tǒng)已經(jīng)具有較高的頻譜效率。25路話音信號總的速率與經(jīng)串并變換和4PSK映射后的各子信道上有用信息的符號率相比，每個子信道還可以插入冗余信息用于同步、載波參數(shù)、幀保護和用戶信息等。需要指出的是： 由于OFDM信號時頻正交性的限制條件，在此設(shè)計中盡管采用了25個子載波并行傳輸也只能傳25路語音。假如要傳8路語音，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換和16QAM映射后，各個子信道上有用信息的符號率為1.855bpsHz，最多還可以插入的冗余信息為0.145bpsHz，在實際傳輸中這是很難保證的傳輸質(zhì)量的，因此該設(shè)計相對于M-16QAM采用4個子載

8、波傳輸6路話音并不矛盾。 在此設(shè)計中，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信號對于載波相位偏向和定時偏向都較為敏感，這樣就可以插入較多的參考信號以快速實現(xiàn)載波相位的鎖定、跟蹤及位同步；另一方面對引導(dǎo)符號間隔的選擇也較為靈敏，在設(shè)計中選擇引導(dǎo)符號間隔L=10. OFDM信號調(diào)制解調(diào)的核心是DFTIDFT算法。目前，普遍采用DSP芯片完成DFTIDFT，因此有必要對設(shè)計所需的DSP性能進展估計。根據(jù)設(shè)計要求，至少要能在250s內(nèi)完成32個復(fù)數(shù)點的FFT運算。我們知道，N個復(fù)數(shù)點的FFT共需要2Nlog2 N次實數(shù)乘法和3Nl

9、0g2 N次實數(shù)加法。假設(shè)實數(shù)乘法和實數(shù)加法都是單周期指令，以32個復(fù)數(shù)點為例，這樣共需要800個指令周期，即20s，因此采用TMS320VC5402可以滿足設(shè)計要求TMS320VC5402的單指令周期為10ns。 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實現(xiàn)的軟件設(shè)計及流程。 4. 1 調(diào)制局部的軟件設(shè)計 當上一幀信號發(fā)送完畢，程序立即將以處理好的本幀信號送入發(fā)送存儲器繼續(xù)發(fā)送，并通過入口參數(shù)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。 4. 2 解調(diào)局部的軟件設(shè)計 用TMS320VC5402實現(xiàn)的流程分同步捕捉及解調(diào)兩個階段。同步捕捉階段執(zhí)行時，首先清接收存儲

10、器，配置AD9057的采樣速率，然后開串行口接收中斷，使接收中斷效勞程序接收來自AD9057的采樣數(shù)據(jù)并依次自動存入接收存儲器。 解調(diào)階段首先對捕捉到的幀信號進展實信號的FFT變換，仍然采用成組定點法，之后進展平衡。然后利用導(dǎo)頻算出本地抽樣時鐘的延遲tau;，在計算中應(yīng)盡量防止出現(xiàn)除法，可將常數(shù)分母取倒數(shù)后提早算出，作為乘法的系數(shù)。為了保證其后二維AGC的精度，計算中tau;準確到0.1s.接下來根據(jù)tau;調(diào)整抽樣時鐘，程序?qū)⒄{(diào)整量通知串行口發(fā)送中斷效勞程序后，繼續(xù)執(zhí)行二維AGC，而由中斷效勞程序在每次中斷響應(yīng)時間發(fā)布命令，每次可以調(diào)整下一采樣時刻提早或落后1s. 二維AGC分兩步進展。首先根據(jù)tau;對平衡后的調(diào)制矢量進展相位校正，這里需要利用FFT變換所使用的512字的三角函數(shù)表，用一個指針指向三角函數(shù)表的表頭，根據(jù)tau;及三角函數(shù)表角度間隔算出多少路子信道才需要將指針下移一格，通過這種查表的方法可以簡潔地確定各子信道的校正量。經(jīng)相位校正后，即可利用導(dǎo)頻進展幅