電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計

電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計引言

隨著社會的進(jìn)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(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，只能到達(dá)56kb／s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(jìn)行大規(guī)模改造，以升級到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(shí)現(xiàn)。XDSL技術(shù)實(shí)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。最為經(jīng)濟(jì)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(jìn)行新的線路施工，本錢低。電力線作為通信信道，幾乎不需要維護(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，由于不必交費(fèi)，月租費(fèi)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(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)的遍及。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)自動化中遙信、遙測、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根本原理

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，符號序列調(diào)制在一個載波上進(jìn)行串行傳輸，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(dú)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的根本原理?？紤]一個周期內(nèi)傳送的符號序列(do，d1，…，dn-1)每個符號di是經(jīng)過基帶調(diào)制后復(fù)信號di=ai+jbi，串行符號序列的間隔為△t=l／fs，其中fs是系統(tǒng)的符號傳輸速率。串并轉(zhuǎn)換之后，它們分別調(diào)制N個子載波(fo，f1，…，fn-1)，這N個子載波頻分復(fù)用整個信道帶寬，相鄰子載波之間的頻率間隔為1／T，符號周期T從△t增加到N△t。合成的傳輸信號D(t)可以用其低通復(fù)包絡(luò)D(t)表示。

其中ωi=-2π·△f·i，△f=1／T=1／N△t。在符號周期[O，T]內(nèi)，傳輸?shù)男盘枮镈(t)=Re{D(t)exp(j2πfot)}，0≤t≤T。

假設(shè)以符號傳輸速率fs為采樣速率對D(t)進(jìn)行采樣，在一個周期之內(nèi)，共有N個采樣值。令t=m△t，采樣序列D(m)可以用符號序列(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，假設(shè)采用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)和FFT快速算法，無需束狀濾波器組，實(shí)現(xiàn)比擬簡單。

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)字信號處理單元TMS320VC5402

用數(shù)字信號處理的伎倆實(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2400b／s。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系列性價比高，國內(nèi)現(xiàn)有開發(fā)伎倆齊全，自TI公司20世紀(jì)80年代初第一代產(chǎn)品TMS32022問世以來，正以每2年更新一代的速度，相繼推出TMS32022、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，充沛利用其軟件、硬件資源，實(shí)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(diǎn)DSP系列器件。該系列器件功能強(qiáng)大、靈活，較之前幾代DSP，具有下列突出優(yōu)點(diǎn)：

速度更快(40～100MIPS)；

指令集更為豐盛；

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(shí)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)，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(shí)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。

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2．3RS一232接口單元

用戶數(shù)據(jù)接口采用RS一232規(guī)范串行口。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(jìn)行處理。

3參數(shù)設(shè)計

3．1愛護(hù)時間的選擇

根據(jù)OFDM信號設(shè)計準(zhǔn)那么，首先選擇適當(dāng)?shù)膼圩o(hù)時間，△=20μs，這能夠充沛滿足在電力系統(tǒng)環(huán)境下，OFDM信號打消多徑時延擴(kuò)展的目的。

3．2符號周期的選擇

T>200μs，相應(yīng)子信道間隔，f

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，下面表明用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)的軟件設(shè)計及流程，如圖3所示。

4.1調(diào)制局部的軟件設(shè)計

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)存儲器，并將數(shù)據(jù)區(qū)的首地址及長度作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時，首先清發(fā)送存儲器，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，使中斷效勞程序自動依次讀取發(fā)送存儲器中的內(nèi)容，送入AD9708變換成模擬信號。之后程序從數(shù)據(jù)存儲器讀取一幀數(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)值計算為16位字長定點(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IFFT變換后的結(jié)果擴(kuò)展加窗，并將本幀信號的前擴(kuò)展局部同上幀信號的后擴(kuò)展局部相加，加窗所需窗函數(shù)可查表得到。窗函數(shù)寄存在窗函數(shù)表中，是事先利用C語言浮點(diǎn)運(yùn)算并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)寄存在表中的。

經(jīng)實(shí)測，從讀取串行數(shù)據(jù)到加窗工作完成最多占用75個抽樣周期(75×125μs)的時間，而發(fā)送一幀信號需512+32=544個抽樣周期(544×125μs)。這表明C5402的運(yùn)算速度足夠滿足需要。

當(dāng)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(shí)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。

每得到一個新的樣點(diǎn)，程序先用DFT的遞推算法解調(diào)出25路導(dǎo)頻符號，并對導(dǎo)頻均衡。之后分別同參考導(dǎo)頻符號矢量600h+j600h進(jìn)行點(diǎn)積，這里用導(dǎo)頻符號矢量的實(shí)部與虛部的和代替點(diǎn)積，即可反映相關(guān)函數(shù)的規(guī)律，以簡化運(yùn)算。求得25路導(dǎo)頻與參考導(dǎo)頻的相關(guān)值后暫時保留，并分別與前一個樣點(diǎn)所保留的各導(dǎo)頻相關(guān)值比擬(相減)，用一個字節(jié)保留比擬結(jié)果的正負(fù)號(每路導(dǎo)頻占1bit)。在處理前一個樣點(diǎn)的過程中，也用一個字節(jié)保留它同其前一樣點(diǎn)的導(dǎo)頻相關(guān)值比擬的正負(fù)號。對這兩個字節(jié)進(jìn)行簡單的邏輯運(yùn)算，即可判斷出各導(dǎo)頻是否在前一個樣點(diǎn)處出現(xiàn)峰值。倘假設(shè)25路導(dǎo)頻中有20個以上的導(dǎo)頻同時出現(xiàn)峰值，那么認(rèn)為該樣點(diǎn)以前的N=512個樣點(diǎn)即為捕捉到的一幀信號，程序進(jìn)入解調(diào)階段；否那么等待接收新的采樣點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行同步捕捉。

解調(diào)階段首先對捕捉到的幀信號進(jìn)行實(shí)信號的FFT變換，仍然采用成組定點(diǎn)法，之后進(jìn)行均衡。然后利用導(dǎo)頻算出本地抽樣時鐘的延遲τ，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)后提前算出，作為乘法的系數(shù)。為了保證其后二維AGC的精度，計算中τ精確到O.1μs。接下來根據(jù)τ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)整下一采樣時刻提前(或落后)1μs。

二維AGC分兩步進(jìn)行。首先根據(jù)τ對均衡后的調(diào)制矢量進(jìn)行相位校正，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)τ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，通過這種查表的辦法可以簡潔地