基于DSP的電力線(xiàn)載波OFDM調制解調器

　　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。TMS320C6201的DMA控制器有四個(gè)獨立的可編程通道，可以同時(shí)進(jìn)行四種不同的DMA操作。

　　4 OFDM在DSP上的軟件實(shí)現

　　調制部分的子程序被系統調用前，發(fā)送的數據已裝入數據存儲器。子程序被調用時(shí)，數據區的首地址以及長(cháng)度被作為入口參數傳遞給子程序。程序執行時(shí)首先進(jìn)行一系列的配置工作，如配置DSP片內外設以及數模轉換器的各種參數等。之后，串口中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲器中的內容，經(jīng)串口輸出給數模轉換器。然后程序從數據存儲區讀取一幀數據，并行放入IFFT工作區的相應位置，隨后進(jìn)行IFFT以及加入循環(huán)前綴(即復制數據的后若干位插入到數據的前段)。所得數據存入發(fā)送存儲器以便中斷服務(wù)程序將其輸出。

　　解調部分的程序首先執行DSP片內外設以及模數轉換器的配置，然后開(kāi)串行口，接收中斷，使接收中斷程序接收來(lái)自模數轉換器的采樣數據，并將采樣數據依次存入接收存儲器。每得到一幀數據，程序首先去除循環(huán)前綴(即刪去數據的前若干位)，然后對去除循環(huán)前綴后的數據進(jìn)行FFT變換。

　　5 FFT在TMS320C6201上的優(yōu)化算法

　　表1給出256點(diǎn)Radix2FFT和Radix4FFT在TMS320C6201上所需的指令周期，以及在不同的工作頻率下完成FFT所需的時(shí)間。 由表1可以看出，在TMS320C6201上采用Raidx4算法比采用Radix2算法更加高效。并且，為了滿(mǎn)足系統需求，即在17.07μs之內完成256個(gè)復數點(diǎn)的FFT運算，TMS320C6201必須采用200MHz的工作頻率。