電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計(jì)

電力線數(shù)傳通信設(shè)備的設(shè)計(jì)引言隨著著社會(huì)的進(jìn)步和和技術(shù)的發(fā)展展，多媒體業(yè)務(wù)不不斷增長，人人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要要求也隨之增增長。通信網(wǎng)正向著著IP化、寬帶化方向發(fā)發(fā)展。通信網(wǎng)網(wǎng)由傳輸網(wǎng)、交交換網(wǎng)和接入入網(wǎng)三部分組組成。目前，我國傳傳輸網(wǎng)已經(jīng)基基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字字化和光纖化；交換換網(wǎng)也實(shí)現(xiàn)了了程控化和數(shù)數(shù)字化；而接接入網(wǎng)仍然是是通過雙絞線線與局端相連連，只能達(dá)到到56kb／s的傳輸速率率，不能滿足足人們對(duì)多媒媒體信息的迫迫切需求。對(duì)對(duì)接入網(wǎng)進(jìn)行行大規(guī)模改造造，以升級(jí)到到FTTC(光纖到路邊)甚至FTTHH(光纖到戶)，需要高昂昂的成本，短短期內(nèi)難以實(shí)實(shí)現(xiàn)。XDSL技術(shù)實(shí)實(shí)現(xiàn)了電話線線上數(shù)據(jù)的高高速傳輸，但但是大多數(shù)家家庭電話線路路不多，限制制了可連接上上網(wǎng)的電腦數(shù)數(shù)，而且在各各房間鋪設(shè)傳傳輸電纜極為不便便。最為經(jīng)濟(jì)濟(jì)有效而且方方便的基礎(chǔ)設(shè)設(shè)備就是電源源線，把電源源線作為傳輸輸介質(zhì)，在家家庭內(nèi)部不必必進(jìn)行新的線線路施工，成成本低。電力力線作為通信信信道，幾乎乎不需要維護(hù)護(hù)或維護(hù)量極極小，而且可可以靈活地實(shí)實(shí)現(xiàn)即插即用用。此外，由由于不必交電電話費(fèi)，月租租費(fèi)便宜。電力線高高速數(shù)據(jù)傳輸輸使電力線做做為通信媒介介已成為可能能。鋪設(shè)有電電力線的地方方，通過電力力線路傳輸各各種互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)據(jù)，就可以實(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信信，連成局域網(wǎng)網(wǎng)或接入互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)。通過電電源線路傳輸輸各種互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)數(shù)據(jù)，可以以大大推進(jìn)互互聯(lián)網(wǎng)的普及及。此項(xiàng)技術(shù)術(shù)還可以使家家用電腦及電電器結(jié)合為可可以互相溝通通的網(wǎng)絡(luò)，形形成新型的智智能化家電網(wǎng)網(wǎng)，用戶在任任何地方通過過Interrnet實(shí)現(xiàn)家用電電器的監(jiān)控和和管理；可以以直接實(shí)現(xiàn)電電力抄表及電電網(wǎng)自動(dòng)化中中遙信、遙測測、遙控、遙遙調(diào)的各項(xiàng)功功能，而不必必另外鋪設(shè)通通信信道。因因此，研究電力線通通信是十分必必要的。1OFDDM基本原理理正交頻頻分復(fù)用OFDM((OrthoogonallFreqquencyyDiviisionMultiiplexiing)是一種正交交多載波調(diào)制制MCM方式。在傳傳統(tǒng)的數(shù)字通通信系統(tǒng)中，符符號(hào)序列調(diào)制制在一個(gè)載波波上進(jìn)行串行行傳輸，每個(gè)個(gè)符號(hào)的頻率率可以占有信信道的全部可可用帶寬。OFDM是一種并行行數(shù)據(jù)傳輸系系統(tǒng)，采用頻頻率上等間隔隔的N個(gè)子載波構(gòu)構(gòu)成。它們分分別調(diào)制一路路獨(dú)立的數(shù)據(jù)據(jù)信息，調(diào)制制之后N個(gè)子載波的的信號(hào)相加同同時(shí)發(fā)送。因因此，每個(gè)符符號(hào)的頻譜只只占用信道全全部帶寬的一一部分。在OFDM系統(tǒng)中，通通過選擇載波波間隔，使這這些子載波在在整個(gè)符號(hào)周周期上保持頻頻譜的正交特特性，各子載載波上的信號(hào)號(hào)在頻譜上互互相重疊，而而接收端利用用載波之間的的正交特性，可可以無失真地地恢復(fù)發(fā)送信信息，從而提提高系統(tǒng)的頻頻譜利用率。圖1給出了正交交頻分復(fù)用OFDM的基本原理理?？紤]一個(gè)個(gè)周期內(nèi)傳送送的符號(hào)序列列(do，d1，…，dn-1)每個(gè)符號(hào)di是經(jīng)過基帶帶調(diào)制后復(fù)信信號(hào)di=aii+jbi，串行符號(hào)號(hào)序列的間隔隔為△t=l／fs，其中fs是系統(tǒng)的符符號(hào)傳輸速率率。串并轉(zhuǎn)換換之后，它們們分別調(diào)制N個(gè)子載波(fo，f1，…，fn-1)，這N個(gè)子載波頻頻分復(fù)用整個(gè)個(gè)信道帶寬，相相鄰子載波之之間的頻率間間隔為1／T，符號(hào)周期T從△t增加到N△t。合成的傳傳輸信號(hào)D(t)可以用其低低通復(fù)包絡(luò)D(t)表示。其中ωi==-2π·△f·i，△f=1／T=1／N△t。在符號(hào)周周期[O，T]內(nèi)，傳輸?shù)牡男盘?hào)為D(t)==Re{D((t)expp(j2πfot)}，0≤t≤T。若以符號(hào)號(hào)傳輸速率fs為采樣速率率對(duì)D(t)進(jìn)行采樣，在在一個(gè)周期之之內(nèi)，共有N個(gè)采樣值。令令t=m△t，采樣序列D(m)可以用符號(hào)號(hào)序列(do，d1，…，dn-1)的離散付氏氏逆變換表示示。因因此，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制制和解調(diào)過程程等效于離散散付氏逆變換換和離散付氏氏變換處理。其其核心技術(shù)是是離散付氏變變換，若采用用數(shù)字信號(hào)處處理(DSP)技術(shù)和FFT快速算法，無無需束狀濾波波器組，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)比較簡單。2電力線數(shù)傳傳設(shè)備硬件構(gòu)構(gòu)成2.1數(shù)字字信號(hào)處理單單元TMS3220VC54402用數(shù)字字信號(hào)處理的的手段實(shí)現(xiàn)MODEM需要極高的的運(yùn)算能力和和極高的運(yùn)算算速度，在高高速DSP出現(xiàn)之前，數(shù)數(shù)字信號(hào)處理理只能采用普普通的微處理理器。由于速速度的限制，所所實(shí)現(xiàn)的MODEM最高速度一一般在2400b／s。自20世紀(jì)70年代末，Intel公司推出第第一代DSP芯片Intell29200以來，近20年來涌現(xiàn)出出一大批高速速DSP芯片，從而而使話帶高速速DSPMMCODEMM的實(shí)現(xiàn)成為為可能。TMS3220系列性價(jià)比比高，國內(nèi)現(xiàn)現(xiàn)有開發(fā)手段段齊全，自TI公司20世紀(jì)80年代初第一一代產(chǎn)品TMS322010問世以來，正正以每2年更新一代代的速度，相相繼推出TMS322020、TMS3220C25、TMS3220C30、TMS3220C40以及第五代代產(chǎn)品TMS3220C54XX。根據(jù)OFDM調(diào)制解調(diào)器器實(shí)現(xiàn)所需要要的信號(hào)處理理能力，本文文選擇以TMS3220VC54402作為數(shù)據(jù)泵泵完成FFT等各種算法法，充分利用用其軟件、硬硬件資源，實(shí)實(shí)現(xiàn)具有高性性價(jià)比的OFDM高速電力線線數(shù)傳設(shè)備。TMS3220C54XX是TI公司針對(duì)通通信應(yīng)用推出的中中高檔16位定點(diǎn)DSP系列器件。該該系列器件功功能強(qiáng)大、靈靈活，較之前前幾代DSP，具有以下下突出優(yōu)點(diǎn)：：

速度更快(40～100MMIPS)；

指令集更為為豐富；

更多的尋址址方式選擇；；

2個(gè)40位的累加器器；

硬件堆棧指指針；

支持塊重復(fù)復(fù)和環(huán)型緩沖沖區(qū)管理。2.2高頻信號(hào)處處理單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)高頻信號(hào)的的放大、高頻頻開關(guān)和線路路濾波等功能能，并最終經(jīng)經(jīng)小型加工結(jié)結(jié)合設(shè)備送往往配電線路。信信號(hào)的放大包包括發(fā)送方向向的可控增益益放大(前向功率控控制)，接收方向AGC的低噪聲放放大部分。其其中高頻開關(guān)關(guān)完成收發(fā)高高頻信號(hào)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)雙雙工通信。同同時(shí)使收發(fā)共共用一個(gè)線路路濾波器，這這樣可以節(jié)省省系統(tǒng)成本。2．3RS一232接口單元用戶數(shù)據(jù)據(jù)接口采用RS一232標(biāo)準(zhǔn)串行口口。串口的數(shù)數(shù)據(jù)中斷采用用邊沿觸發(fā)中中斷，串口中中斷程序完成成用戶數(shù)據(jù)的的發(fā)送與接收收。將接收到到的用戶數(shù)據(jù)據(jù)暫存到CPU的發(fā)送緩沖沖區(qū)中，等到到滿一個(gè)突發(fā)發(fā)包時(shí)就發(fā)送送到DSP進(jìn)行處理。3參數(shù)設(shè)計(jì)3．1保護(hù)時(shí)間的的選擇根根據(jù)OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則，首先選選擇適當(dāng)?shù)谋１Ｗo(hù)時(shí)間，△=20μs，這能夠充充分滿足在電電力系統(tǒng)環(huán)境境下，OFDM信號(hào)消除多多徑時(shí)延擴(kuò)展展的目的。3．2符號(hào)周期的的選擇T>2000μs，相應(yīng)子信信道間隔，f<5kHHz，這樣在25kHz帶寬內(nèi)至少少要?jiǎng)澐殖?個(gè)子信道。另另外子信道數(shù)數(shù)不能太多，增增加子信道數(shù)數(shù)雖然可以提提高頻譜傳輸輸效率，但是是DSP器件的復(fù)雜雜度也將增加加，成本上升升，同時(shí)還將將受到信道時(shí)時(shí)間選擇性衰衰落的嚴(yán)重影影響。因此，考考慮在25kHz的帶寬內(nèi)采采用7個(gè)子信道。3.3子信道數(shù)的的計(jì)算子信信道間隔：各子信道道的符號(hào)周期期：T=250μs考慮保保護(hù)時(shí)間：△=20μs，則有Ts=T+△=270μs各子信信道實(shí)際的符符號(hào)率：總的比特率率：3.71kkbps×225子信道×2b／symbool=1855.5kb／s系統(tǒng)的的頻譜效率：：β=185..5kbpss／100kHHz=1.8855bpss／Hz<2bbps／Hz可以看看出，這時(shí)系系統(tǒng)已經(jīng)具有有較高的頻譜譜效率。25路話音信號(hào)號(hào)總的速率與與經(jīng)串并變換換和4PSK映射后的各各子信道上有有用信息的符符號(hào)率相比，每每個(gè)子信道還還可以插入冗冗余信息用于于同步、載波波參數(shù)、幀保保護(hù)和用戶信信息等。需要要指出的是：：①由于OFDM信號(hào)時(shí)頻正正交性的限制制條件，在此此設(shè)計(jì)中盡管管采用了25個(gè)子載波并并行傳輸也只只能傳25路語音。如如果要傳8路語音，經(jīng)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換和和16QAM映射后，各各個(gè)子信道上上有用信息的的符號(hào)率為1.8555bps／Hz，最多還可可以插入的冗冗余信息為O.1455bps／Hz，在實(shí)際傳傳輸中這是很很難保證的傳傳輸質(zhì)量的，因因此該設(shè)計(jì)相相對(duì)于M-16QQAM采用4個(gè)子載波傳傳輸6路話音并不不矛盾。②在此設(shè)計(jì)中中，為冗余信信息預(yù)留了較較多的位，其其冗余信息與與有用信息的的比值為0.59，大于iDEN系統(tǒng)的0.44。這是考慮慮到OFDM信號(hào)對(duì)于載載波相位偏差差和定時(shí)偏差差都較為敏感感，這樣就可可以插入較多多的參考信號(hào)以快快速實(shí)現(xiàn)載波波相位的鎖定定、跟蹤及位位同步；另一一方面對(duì)引導(dǎo)導(dǎo)符號(hào)間隔的的選擇也較為為靈活，在設(shè)設(shè)計(jì)中選擇引引導(dǎo)符號(hào)間隔隔L=10。③OFDM信號(hào)調(diào)制解解調(diào)的核心是是DFT／IDFT算法。目前，普遍采采用DSP芯片完成DFT／IDFT，因此有必必要對(duì)設(shè)計(jì)所所需的DSP性能進(jìn)行估估計(jì)。根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)要求，至至少要能在250μs內(nèi)完成32個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT運(yùn)算。我們們知道，N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT共需要2Nlogg2N次實(shí)數(shù)乘法法和3Nl0gg2N次實(shí)數(shù)加法法。假設(shè)實(shí)數(shù)數(shù)乘法和實(shí)數(shù)數(shù)加法都是單單周期指令，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20μs，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)成上面確定定了OFDM數(shù)傳設(shè)備的的主要參數(shù)及及算法，下面面說明用TMS3220VC54402實(shí)現(xiàn)的軟件件設(shè)計(jì)及流程程，如圖3所示。4.1調(diào)制制部分的軟件件設(shè)計(jì)此此程序作為子子程序被調(diào)用用之前，要發(fā)發(fā)送的數(shù)據(jù)已已經(jīng)被裝入數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并并將數(shù)據(jù)區(qū)的的首地址及長長度作為入口口參數(shù)傳遞給給子程序。程程序執(zhí)行時(shí)，首首先清發(fā)送存存儲(chǔ)器，然后后配置AD97008的采樣速率率，之后允許許串行口發(fā)送送中斷產(chǎn)生，使使中斷服務(wù)程程序自動(dòng)依次次讀取發(fā)送存存儲(chǔ)器中的內(nèi)內(nèi)容，送入AD97008變換成模擬擬信號(hào)。之后后程序從數(shù)據(jù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取取一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)經(jīng)編碼，并行行放入IFFT工作區(qū)的相相應(yīng)位置，插插入導(dǎo)頻符號(hào)號(hào)并將不用的的點(diǎn)補(bǔ)零。隨隨后進(jìn)行IFFT，IFFT算法采用常常用的時(shí)域抽抽點(diǎn)算法DIT，蝶形運(yùn)算算所需的WN可查N=512字的定點(diǎn)三三角函數(shù)表得得到。由于TMS3220VC54402的數(shù)值計(jì)算算為16位字長定點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)算方式，所所以IFFT采用成組定定點(diǎn)法，既提提高了運(yùn)算精精度又保證了了運(yùn)算速度。然然后對(duì)IFFT變換后的結(jié)結(jié)果擴(kuò)展加窗窗，并將本幀幀信號(hào)的前擴(kuò)擴(kuò)展部分同上上幀信號(hào)的后后擴(kuò)展部分相相加，加窗所所需窗函數(shù)可可查表得到。窗窗函數(shù)存放在在窗函數(shù)表中中，是事先利利用C語言浮點(diǎn)運(yùn)運(yùn)算并將結(jié)果果轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)點(diǎn)數(shù)存放在表表中的。經(jīng)實(shí)測，從從讀取串行數(shù)數(shù)據(jù)到加窗工工作完成最多多占用75個(gè)抽樣周期(75×1125μs)的時(shí)間，而而發(fā)送一幀信信號(hào)需512+332=5444個(gè)抽樣周期(544××125μs)。這說明C5402的運(yùn)算速度度足夠滿足需需要。當(dāng)當(dāng)上一幀信號(hào)號(hào)發(fā)送完畢，程程序立即將以以處理好的本本幀信號(hào)送入入發(fā)送存儲(chǔ)器器繼續(xù)發(fā)送，并并通過入口參參數(shù)判斷數(shù)據(jù)據(jù)是否發(fā)送完完畢。4.2解調(diào)部分的的軟件設(shè)計(jì)用TMS3220VC54402實(shí)現(xiàn)的流程程分同步捕捉捉及解調(diào)兩個(gè)個(gè)階段。同步步捕捉階段執(zhí)執(zhí)行時(shí)，首先先清接收存儲(chǔ)儲(chǔ)器，配置AD90557的采樣速率率，然后開串串行口接收中中斷，使接收收中斷服務(wù)程程序接收來自自AD90557的采樣數(shù)據(jù)據(jù)并依次自動(dòng)動(dòng)存入接收存存儲(chǔ)器。每得到一個(gè)個(gè)新的樣點(diǎn)，程程序先用DFT的遞推算法法解調(diào)出25路導(dǎo)頻符號(hào)號(hào)，并對(duì)導(dǎo)頻頻均衡。之后后分別同參考考導(dǎo)頻符號(hào)矢矢量600h++j600hh進(jìn)行點(diǎn)積，這這里用導(dǎo)頻符符號(hào)矢量的實(shí)實(shí)部與虛部的的和代替點(diǎn)積積，即可反映映相關(guān)函數(shù)的的規(guī)律，以簡化化運(yùn)算。求得得25路導(dǎo)頻與參參考導(dǎo)頻的相相關(guān)值后暫時(shí)時(shí)保存，并分分別與前一個(gè)個(gè)樣點(diǎn)所保存存的各導(dǎo)頻相相關(guān)值比較(相減)，用一個(gè)字字節(jié)保存比較較結(jié)果的正負(fù)負(fù)號(hào)(每路導(dǎo)頻占1bit)。在處理前前一個(gè)樣點(diǎn)的的過程中，也也用一個(gè)字節(jié)節(jié)保存它同其其前一樣點(diǎn)的的導(dǎo)頻相關(guān)值值比較的正負(fù)負(fù)號(hào)。對(duì)這兩兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行行簡單的邏輯輯運(yùn)算，即可可判斷出各導(dǎo)導(dǎo)頻是否在前前一個(gè)樣點(diǎn)處處出現(xiàn)峰值。倘倘若25路導(dǎo)頻中有20個(gè)以上的導(dǎo)導(dǎo)頻同時(shí)出現(xiàn)現(xiàn)峰值，則認(rèn)認(rèn)為該樣點(diǎn)以以前的N=512個(gè)樣點(diǎn)即為為捕捉到的一一幀信號(hào)，程程序進(jìn)入解調(diào)調(diào)階段；否則則等待接收新新的采樣點(diǎn)繼繼續(xù)進(jìn)行同步步捕捉。解調(diào)階段首首先對(duì)捕捉到到的幀信號(hào)進(jìn)進(jìn)行實(shí)信號(hào)的的FFT變換，仍然然采用成組定定點(diǎn)法，之后后進(jìn)行均衡。然然后利用導(dǎo)頻頻算出本地抽抽樣時(shí)鐘的延延遲τ，在計(jì)算中中應(yīng)盡量避免免出現(xiàn)除法，可可將常數(shù)分母母取倒數(shù)后提提前算出，作作為乘法的系系數(shù)。為了保保證其后二維維AGC的精度，計(jì)計(jì)算中τ精確到O.1μs。接下來根根據(jù)τ調(diào)整抽樣時(shí)時(shí)鐘，程序?qū)⒄{(diào)整量通知知串行口發(fā)送送中斷服務(wù)程程序后，繼續(xù)續(xù)執(zhí)行二維AGC，而由中斷斷服務(wù)程序在在每次中斷響響應(yīng)時(shí)間發(fā)布布命令，每次次可以調(diào)整下下一采樣時(shí)刻刻提前(或落后)1μs。二維AGC分兩步進(jìn)行行。首先根據(jù)據(jù)τ對(duì)均衡后的的調(diào)制矢量進(jìn)進(jìn)行相位校正正，這里需要要利用FFT變換所使用用的512字的三角函函數(shù)表，用一一個(gè)指針指向