基于DSP的电力线载波OFDM调制解调器设计

1、总第卷第期年第期电测与仪表丑基于的电力线载波调制解调器设计郭（上海交通大学炜电力电子与电力传动系，上海）曲的电力线宽带高速通信系统的实现方案，讨论了应用于电力线载波通信的原理，探讨了通信系摘要：提出一种基于（统调制解调部分的硬件实现和软件流程，并对其关键的算法进行了优化。关键词：电力线通信；叩中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一嬲（，曲，）糟：印，：；原理利用电力线作为信道进行通信，是解决“最后一子载波上的码率，加长码元的持续时间，加强时延扩展的抵抗力。在中，为了提高频带利用率，令各载波上的信号频谱相互重叠，但载波间隔的选择要使这些载波在整个符号周期上正交，即相加于符号周期上的任何两个子载

2、波乘积为零。这样，即使各载波上的信号频谱问存在重叠，也能无失真地复原。当载波问最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可满足正交性条件。实际上为了实现最大频谱效率，一般取载波间最小间隔等于符号周期的倒数。允许各载波间频率互相混叠，采用了基于公里”问题的一个很好的方法。然而用电力线作为通信信道，存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率，在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度，因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。全称为正交频分复用（），其基本思想是把高速数据流经过串并变换，分成几个低比特率的数据流，经过编码、

3、交织，它们之问具有一定的相关性，然后用这些低速率的数据流调制多个正交的子载波并迭加在一起构成发送信号。每个数据流仅占用带宽的一部分，系统由许多子载波组成。在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率信息数据载波频率正交的兀调制，直接在基带处理。年，和将引入到并行传输系统的调制解调部分。应用时去掉了频分复用所需要的子载波振荡器组、解调部分的带通滤波器组，并且可以利用的专用器件实现全数字化的调制解调过程。后，再通过并串变换得到原来的高速信号。从而降低一一调制解调器的硬件实现万方数据总第卷第期年第期电测与仪表兀硬件描述基于的调制解调器的硬件实现如图所示。总线实现系统和计算机之间的通信。

4、是控制器。是系统的控制核心，系统的逻辑控制信号及时钟由提供。部分为系统的核心，完成的调制与解调。打“垒邻也？川逻辑控制上图调制解调器电路原理图总线是宽度为或的地址数据复用线，支持猝发传输，数据率为，可满足高速数据要求。总线能自动配置参数，定义配置空间，使设备具备自动配置功能，支持即插即用，采用多路复用技术，支持多处理器位寻址、和环境。其独特的同步操作及对总线主控功能，可确保能与总线同步操作，而无需等待总线完成任务。是公司开发的控制器，具备强大、灵活的接口功能，适用于高速数据传输场合。芯片的特点是符合规范，支持主、从两种工作方式；支持多种数据传输方式，适用于不同的数据传输场合；支持全速传输，提供

5、的用户总线；有高低字节顺序调整功能；支持穿行和并行的，码功能，脚封装。本文在的板上实现了基于系统的调制器。板是一块需要外部提供电源的独立开发板，在板线性电压调整器提供的内核电压，数字和模拟电压。它提供低功耗的、标准的、独立的开发平台，允许用户为系列评估和开发应用程序。板的核心是的，其多通道缓冲串口接到芯片的语音通道。部分选用公司的。该芯片的内部结构在的基础上加以改进，内部集成了多个功能单元，可同时执行条指令，其运算能力可达。其主要特点有：（）运行速度快。指令周期为，峰值运算能力为，对于单精度运算可达，对于双万方数据精度运算可达（）硬件支持格式的位单精度和位双精度浮点操作。芯片内部同时集成了个位

6、的乘法器，其结果可为位或位，和个算术运算单元。它们之间是高度正交的，使得在一个指令周期内最大能支持条位的指令。（）为充分发挥其内部集成的各执行单元的独立运算能力，使用了超长指令字结构。它在一条指令中组合了几个执行单元，结合其独特的内部结构，可在一个时钟周期内并行执行多条指令。的指令集在其基础上增加了浮点执行能力。由于出色的运算能力、高效的指令集、智能化的外设、大容量的片内存储器和大范围的寻址能力，此系列芯片适合于对运算能力和存储量有高要求的应用场合。采用修正的哈佛结构，解决了采用冯诺伊曼结构的传统微处理器中，高速数据传输时传输通道上存在的瓶颈现象。其内部多总线结构保证在一个机器周期内可以多次访

7、问程序空间和数据空间。指令执行时的多重流水线结构将指令周期降低到了最小值。多处理单元可在一个指令周期内同时进行运算，而这种结构恰好满足了数字信号处理中的一些特殊要求如、等运算。尤为值得一提的是的软件特点，种有效灵活的寻址方式，仅为的指令执行周期，还有一些特殊的运算指令能更好地满足数字信号处理中特有的运算需要。具有高速的全双工串行口，可用来与系统中的其他器件、编码解码器，串行，转换器以及其他的串行器件直接接口。这两个串行口均称为多通道缓冲串行口（虢）。它支持全双工通信，双缓冲数据寄存器，允许连续的数据流。可以与工业标准的编解码器、（模拟接口芯片）接口。支持多种方式的传输接口如帧协议、帧方式、帧方

8、式、帧方式、兼容设备等。可与多达个通道进行收发。支持传输的数据字长可以是、或。内置斗一律和一律压扩硬件。内部传输时钟和帧同步信号的可编程程度高。调制器的结构调制器的结构如图所示。串行的原始二进制数据经过编码后进入或映射器，映射后形成复数序列，此复数序列经串并变换后同导频符号一一总第卷第期年第期电测与仪表起做为点中的），对）使用快速傅立叶变换的快速算法后得到菇，再对菇进行扩展及加窗处理后，送入变换器，经过低通滤波器（）滤波后就得到了基带的调制信号。图调制器系统结构调制器中，变换以前的工作全部由通过软件编程实现，变换的采样时钟也由编程提供。变换器及模拟低通滤波器用实现。此芯片的采样速率是由其主时钟

9、分频得到的，计算方法为仁采样频率主时钟频率板上提供给的时钟频率为，所以此芯片的抽样速率为。此时其的幅频特性的截止频率约为，在内幅频特性非常平坦，能够满足音带内线性失真的要求。实验中，调制信号的各子载波均采用了调制，点数为。数据在中处理后，送入，在传送并行信号，抽样速率：为。与芯片的接口如图示，其间的数据传送采用串行方式，包括两种传输模式：主串行模式和次串行模式。主串行模式用于发送数据到，在每个转换周期内发生；次串行模式用于根据需要读写控制寄存器的值，串行数据中的位用来指示次串行模式。岱图与的接口信号主串行模式下，送给的有效数据字长是位，最后一位是控制位，用来指示次串行模式（表示无操作，表示请求

10、次串行模式）。从取得的有效数据字长是位，如图示。一一万方数据呻玳二二至二二卫汤两爵广次赫标志位加数据，。、图串行模式的数据格式无关工二匝卫巫卫巫匝固亘卫豇王回厂、。一刚（读）寄存嚣地址寄存嚣数据卫口葡丽丽巨矿盔汗商口，、一耿写）图次串行模式的数据格式次串行模式用来初始化和设置的内部控制寄存器的值。在此模式下，可以向写入寄存器的值，也可以从读出寄存器的值。次串行模式的数据格式如图。位控制读写，位为寄存器的地址，位为寄存器的值。通过端口向的写数据以初始化各控制寄存器。使用语音通道时，只需要设置控制寄存器到控制寄存器。在上的软件实现调制器的软件设置图示出了用实现调制器的软件流程。程序首先要执行及其串

11、口的初始化，然后要初始化芯片，配置其转换器的采样速率为。之后分配发送数据缓存，使能串行口发送中断。中有一个内部发送中断（），当发送缓冲中的所有数据比特都发送完毕后，内部将自动产生中断。软件设计正是利用的这一功能实现了一个中断服务程序，以的频率自动依次读取发送缓冲中的数据，送至比进行变换得到模拟信号。中的算法分析系统中的一个难点在于要求实时进行图调制器软件流程总第卷第期年第期电测与仪表恤札和丌处理，因此对于系统的核心器件的计算为使代码达到最大效率，程序将尽可能将指令安排为并行执行。为使指令并行操作，程序确定指令问的相关性，即一条指令必须发生在另一条指令之后。根据的数据通路和流水线工作方式，在此给

12、出一种高效实现点的方法。其基本思想是分解传统的蝶型算法循环体，将其分别展开在、通路内计算两个蝶型算法。每个能力提出了很高的要求。以下简单的分析一下的算法及其优化和精度的提高。在系统中，需要用丌和来进行的调制和解调，而数字信号处理器都支持对和的有效计算。方程如式（）所示（后）：菇（）形：，）乞菇（）形，）（）蝶型算法分别只分配自己这一侧的寄存器组和功能单元。这样在循环体内两个蝶型算法是完全不相关的，能够并行执行。下面给出算法的优化算法的代码实现（略，如有需要请与编辑部联系）。结语正交频分复用技术到今天己经经过了三十多年的发展过程，尤其是在世纪八十年代以后，借助现式中形中俐称为蝶形因子。由上式可以

13、看出，在一个、点中需要做、次复数加法和次复数乘法，所以在实际系统中一般采用丌的快速算法进行傅立叶变换处理。比较常用的算法有一，它的基本原理是利用蝶形因子形内在的对称性和周期性，从而加快了运算的速度。例如当时有代超大规模集成电路技术和数字信号处理理论，其发展更是突飞猛进。今天，已经得到了广泛的应用。虽然具有良好的抗多径时延和抗信道衰落的性能，但对非线性和同步偏差却非常敏感。如何克服这两个缺点是研究的主要方向之一。随着技术成功应用于无线接人，并且作为新一代移动通信的核心技术，技术也必然会发展成为电力线高速数字通信的关键技术。基于的电力线通信技术也会成为解决“最后一公里”问题的核心技术。参考文力系统

14、自动化，卷（）【】形筹形（一、）一（，尼）形形】（一、）一（，尼）而一方程可以表示如下一一（）：菇（）形筹：（）（一）戈（）形（）从上面的方程可以看出一运算是将分为两个较小的。这样经过次迭代就完成了点运算。这样，点一算法所需的复数乘法和复数加法的次数分别为尬（）（）（）献眠踟删兰【】高峰，萧亚伯低压电力线载波通信中的信号传输特性分析电兀在上的优化算法表给出点和在上所需的指令周期，以及在不同的工作频率下完成所需的时间。表上实现点所需的时间所需的总指令周期数需时间蟹，叭，瑚，璐山（，粕埘印【】蛐删锄明删勰眦，一工作频率【】任丽香，马淑芬，李方慧系列的原理与应用【】电子工业出版社，【】肌，兀卯丌卸鲫

15、啪，作者简介由表可以看出，在上采用算法比采用算法更加高效。并且为了满足系统需求，即在斗之内完成个复数点的运算，必须采用的工作频率。郭炜（一），男，硕士研究生，现就读于上海交通大学电力电子与电力传动专业，主要研究方向为数字信号处理在宽带电力线通信网络实现中的应用。收稿日期一（丘源编发）；更正：茗万方数据年第一期页“基于）的仪器用步进电机控制器设计”一文吕虹的单位有误，应为“安徽工程科技学院电气工程系”。一基于DSP的电力线载波OFDM调制解调器设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：郭炜， GUO Wei上海交通大学,电力电子与电力传动系,上海,200240电测与仪表ELEC

16、TRICAL MEASUREMENT & INSTRUMENTATION2006，43(2)2次参考文献(5条)1.高峰.萧亚伯 低压电力线载波通信中的信号传输特性分析2.Morgan H L Chan.Robert W Donaldson Amplitude,Width,and Interarrival Distributions for NoiseImpulses on Intrabuliding Power Line Communication Network3.M Sandell.J van de Beek Timing and frequency synchronization in

17、 OFDM systems using the cyclicprefix 19954.任丽香.马淑芬.李方慧 TMS320C6000系列DSPS的原理与应用 20005.C S Burrus.T W Parks DFT/FFT and Convolution Algorithms and Implemention 1985相似文献(10条)1.学位论文 黄奇 基于DSP的OFDM中压电力线通信系统的设计与实现 2008随着国民经济的发展，实现配电网自动化成为我国电网建设的必由方向，而实现中压配电网中各节点间的有效通信，则为实现配电网自动化的关键。中压配电网具有巨大的网络资源，利用中压电力线实现

18、高质量的数据传输已成为一个世界性的热点问题。正交频分复用(OFDM)通信技术因其在抗频率选择性衰落、抗多径效应和抗窄带干扰等方面能力突出，在中压电力线通信信道中体现出极大优势，成为近些年中压电力线载波通信的研究热点。随着DSP技术的不断发展，利用高速的DSP芯片，依靠软件实现OFDM通信已有不少成功的应用。本文设计了一套基于DSP的OFDM中压电力线通信系统的具体解决方案。 本文首先分析了我国中压电力线通信的应用背景，分析了目前国内同类产品的发展情况，提出了我国迫切需要研发具有自主知识产权的中压电力线通信产品的形势严峻，同时介绍了我国中压配电网的结构和实现通信的一般方式，以及选用的OFDM通信

19、技术如何在中压电力线通信中发挥天然优势；而后，介绍了OFDM通信技术的基本原理，又结合国内外文献中有关中压信道的研究和测试结果，分析了我国中压电力线通信信道的多径效应、衰减特性和噪声特性，提出了要实现在中压电力线上传输数据必须克服的几个关键问题；然后，针对我国中压电力线通信信道的特征，设计并实现了一套能够适合在中压电力线信道中传送数据的、满足一定性能指标的、基于DSP技术的OFDM通信系统，并给出该系统的设计目标，硬件实现过程中的各元器件的选型、性能分析及应用电路方案，同时给出了在TI DSP抄表平台基础上利用软件实现信道编码、解码，调制，解调等各模块功能的细节原理和实现步骤；再然后，在实验室

20、搭建的中压电力线模拟信道上，对设计出的通信系统进行了抗衰减测试，误码率、丢包率测试，频宽可选、频带可搬移以及信道特征显示等测试，进行了系统的功能和性能的验证，并给出测试结果：最后在总结测试结果、设计实现过程中遇到的问题以及对问题的思考的基础上，得出了结论，并给出了下一步的研究方向。2.学位论文 花再军 基于DSP的OFDM中压电力线Modem关键技术研究与实现 2008OFDM作为一项优秀的调制技术已经成为无线通信领域的热点，并且已经推出了多个标准，商用产品也已经面市。中压电力线信道的噪声大、干扰多、阻抗变化大、对信号的衰减大且存在多径现象，OFDM技术在电力线通信PLC技术中也越来越受到关注

21、，目前国外基于低压电力线的标准和产品也已推出，而用于中压电力线通信(MV-PLC)的OFDM产品还很少，也没有相关标准。 DSP是一种针对数字信号处理需要专门设计的处理器，乘加运算速度极快，适合于信号处理中的卷积、相关、FFT运算，TMS320C54x系列处理器还比较.选择-存储单元(SCCU)，非常适合于通信中的Viterbi译码.利用DSP完成信号的调制与解调有着开发周期短，使用协议和算法灵活等众多优点。 本课题以TMS320C54系列数字信号处理器(DSP)为核心，设计了一种实用的OFDM Modem，应用于中压电力线通信。实现数据半双工收发。发射机系统包括加扰、卷积编码、差分QPSK调

22、制、OFDM调制、峰均比抑制，接收机系统包括AGC、帧检测、OFDM符号同步、信道估计、OFDM解调、差分解调、Viterbi译码、数据解扰。课题研究了OFDM系统在非理想情况下的信噪比损失和和关键技术，重点研究了降低OFDM信号峰均功率比(PAPR)的限幅方法、自动增益控制(AGC)和帧检测联合算法、基于信道冲激响应的OFDM符号定时同步算法、信道估计及均衡算法，以及它们在DSP上实现的方法。 课题以TI公司集成开发环境(IDE)CCS2.2,，TMS320VC5409A芯片，XDS510USB仿真器为工具，主要运用C语言实现各个部分的功能，主要包括DSP初始化子程序、发送调制子程序、接收解

23、调子程序。开发过程中，使用CCS自带的断点调试、变量观察、波形观察工具调试程序.最后给出测试方案，搭建实验室模拟测试系统，使用数字存储示波器、频谱仪分析信号，计算信号峰均比、线路衰减、分析噪声，并利用VC开发了一个在PC机上运行的测试软件来测试系统的性能，给出了误码率和丢包率测试结果，得出了接收机灵敏度。3.期刊论文 田新成.侯思祖.TIAN Xin-cheng.HOU Si-zu 基于DSP的电力线通信调制解调器的设计 -电力系统通信2007,28(8)用电力线上网进行高速数据传输,是通信技术发展的一个方向,也是通信技术多样化的要求.文章对电力线通信调制解调器进行整体设计:以OFDM作为支撑

24、技术,选择TMS320VC5409作为核心处理器,以TLC5510、AC101LKQT作为外围芯片,共同构造低压配电网的宽带电力线通信Modem.在总体设计方案基础上,对OFDM参数设计进行了讨论.4.学位论文 王建新 基于OFDM电力线通信的抄表系统及DSP实现 2005本文根据自动抄表系统的特点、实际性能需求,提出了一种新的设计方案,并用TMS320VC5409设计实现了该系统的接收端模型.该方案结合OFDM技术和超窄带技术,把数据调制在电力线上5-10Hz的频率内.其特点是: 一、电力线上存在各种噪声干扰,多径传播导致的时延扩展会产生符号间干扰.由于OFDM技术的应用,系统抗噪声能力增强

25、,还能很有效地抵抗时延扩展. 二、窄的频带允许载波低频操作.低频率可以通过变压器和电容到达电能所能到达的任何地方,由于距离不是问题,基于这一技术的系统尤其适用于农村和遥远的郊区. 首先设计系统模型、参数,利用lVlATLAB工具验证.在验证正确的基础上进行了接收端系统的软硬件设计,发送端由另一位同学完成. 接收端以TMS320VC5409为核心构建.输入信号经过电力线传输、耦合进入到接收端,经过一个防混叠滤波器,然后输入到A/D转换器.A/D转换器通过SPI总线把数据传给TMS320VC5409.TMS320VC5409处理输入的数据,首先进行系统的粗同步检测.检测到同步短序列后,认为已经粗同

26、步,然后进入数据接收阶段. 根据接收到的数据帧中的导频信息进行细同步调整,并保持同步.TMS320VC5409还需要从导频信息中估计出信道特性,并对FFT变换后的数据校正、解调、解码,然后把数据信息通过RS-232-C接口传给计算机.5.期刊论文 张有兵.陈健.翁国庆.ZHANG Youbing.CHEN Jian.WENG Guoqing 适于电能质量监测系统的IT800D电力线通信模块 -电力自动化设备2009,29(11)提出在电能质量监测系统中以低压电力线载波通信专用芯片IT800D设计通信模块.电能质量监测系统采用ARM(S3c2410X)和DSP(TMS320C6713)双核结构的

27、总体设计方案.IT800D通信模块主要包含外围接口电路、ROM、RAM、数据链路层、物理层、模拟前端、滤波器和耦合器.给出了通信模块的结构图;论述了该模块的通信过程.为测试通信模块的性能设计了ARM和PC机的通信测试平台,给出了主程序、IT800D初始化程序和通信处理程序的流程图.通过对不同距离、不同速率的通信检测结果表明:所设计的通信模块速率在13 Kbit/s的范围内.能满足电能质量监测系统的要求.6.期刊论文 陈建明.Chen Jianming DSP控制的电力线通信模拟前端接口设计 -单片机与嵌入式系统应用2008(6) DSP(Digital Signal Processor)为各种

28、电子系统提供了许多片内外设以及计算能力,设计人员可以实现许多功能,例如电力载波通信、功率因数校正、变频控制等.笔者设计了一个遵从CEA-709协议的、DSP控制的电力线通信模拟前端接口.7.学位论文 赵敏华 基于10kV PLC通信的FTU设计 2008分析了基于10kV中压电力线通信的配电网系统的工作原理，阐述了FTU的功能要求，并将两者相结合，以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407为主控制器，以ST7538为电力线通信芯片，完成了基于10kVPLC通信的FTU的主要硬件电路设计和相关的软件程序以及算法程序的编写，包括基于频率跟踪的交流采样、FFT算法以及故障定位算法等。对装置的主体电路结构、模拟量输入通道设计和A/D采样方法，PLC通信电路等进行了详细的论述。另外还给出了频率跟踪电路、开关量输入/输出电路、日历时钟电路等模块的设计方案。装置实现了FTU的主要功能，集测量、通信、控制等功能于一体，能实时提供电网电压、电流、功率等数据。8.学位论文 王明 基于OFDM的DSP电力线调制解调器的研究 2006随着网络技术及多媒体技术的发展，利用电力线来实现高速Internet接入及多媒体信息传输是当前的研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很大进展。本文介绍了电力线通信的国内外研究的历史及现状，研究了正交频分复用(OFDM-orthogonal frequency