电力线数传通信设备的设计

电力线数传通信设备的设计引言随着着社会的进步和和技术的发展展，多媒体业务不不断增长，人人们对网络带宽的要要求也随之增增长。通信网正向着着IP化、宽带化方向发发展。通信网网由传输网、交交换网和接入入网三部分组组成。目前，我国传传输网已经基基本实现数字字化和光纤化；交换换网也实现了了程控化和数数字化；而接接入网仍然是是通过双绞线线与局端相连连，只能达到到56kb／s的传输速率率，不能满足足人们对多媒媒体信息的迫迫切需求。对对接入网进行行大规模改造造，以升级到到FTTC(光纤到路边)甚至FTTHH(光纤到户)，需要高昂昂的成本，短短期内难以实实现。XDSL技术实实现了电话线线上数据的高高速传输，但但是大多数家家庭电话线路路不多，限制制了可连接上上网的电脑数数，而且在各各房间铺设传传输电缆极为不便便。最为经济济有效而且方方便的基础设设备就是电源源线，把电源源线作为传输输介质，在家家庭内部不必必进行新的线线路施工，成成本低。电力力线作为通信信信道，几乎乎不需要维护护或维护量极极小，而且可可以灵活地实实现即插即用用。此外，由由于不必交电电话费，月租租费便宜。电力线高高速数据传输输使电力线做做为通信媒介介已成为可能能。铺设有电电力线的地方方，通过电力力线路传输各各种互联网的数据据，就可以实实现数据通信信，连成局域网网或接入互联联网。通过电电源线路传输输各种互联网网数据，可以以大大推进互互联网的普及及。此项技术术还可以使家家用电脑及电电器结合为可可以互相沟通通的网络，形形成新型的智智能化家电网网，用户在任任何地方通过过Interrnet实现家用电电器的监控和和管理；可以以直接实现电电力抄表及电电网自动化中中遥信、遥测测、遥控、遥遥调的各项功功能，而不必必另外铺设通通信信道。因因此，研究电力线通通信是十分必必要的。1OFDDM基本原理理正交频频分复用OFDM((OrthoogonallFreqquencyyDiviisionMultiiplexiing)是一种正交交多载波调制制MCM方式。在传传统的数字通通信系统中，符符号序列调制制在一个载波波上进行串行行传输，每个个符号的频率率可以占有信信道的全部可可用带宽。OFDM是一种并行行数据传输系系统，采用频频率上等间隔隔的N个子载波构构成。它们分分别调制一路路独立的数据据信息，调制制之后N个子载波的的信号相加同同时发送。因因此，每个符符号的频谱只只占用信道全全部带宽的一一部分。在OFDM系统中，通通过选择载波波间隔，使这这些子载波在在整个符号周周期上保持频频谱的正交特特性，各子载载波上的信号号在频谱上互互相重叠，而而接收端利用用载波之间的的正交特性，可可以无失真地地恢复发送信信息，从而提提高系统的频频谱利用率。图1给出了正交交频分复用OFDM的基本原理理。考虑一个个周期内传送送的符号序列列(do，d1，…，dn-1)每个符号di是经过基带带调制后复信信号di=aii+jbi，串行符号号序列的间隔隔为△t=l／fs，其中fs是系统的符符号传输速率率。串并转换换之后，它们们分别调制N个子载波(fo，f1，…，fn-1)，这N个子载波频频分复用整个个信道带宽，相相邻子载波之之间的频率间间隔为1／T，符号周期T从△t增加到N△t。合成的传传输信号D(t)可以用其低低通复包络D(t)表示。其中ωi==-2π·△f·i，△f=1／T=1／N△t。在符号周周期[O，T]内，传输的的信号为D(t)==Re{D((t)expp(j2πfot)}，0≤t≤T。若以符号号传输速率fs为采样速率率对D(t)进行采样，在在一个周期之之内，共有N个采样值。令令t=m△t，采样序列D(m)可以用符号号序列(do，d1，…，dn-1)的离散付氏氏逆变换表示示。因因此，OFDM系统的调制制和解调过程程等效于离散散付氏逆变换换和离散付氏氏变换处理。其其核心技术是是离散付氏变变换，若采用用数字信号处处理(DSP)技术和FFT快速算法，无无需束状滤波波器组，实现现比较简单。2电力线数传传设备硬件构构成2.1数字字信号处理单单元TMS3220VC54402用数字字信号处理的的手段实现MODEM需要极高的的运算能力和和极高的运算算速度，在高高速DSP出现之前，数数字信号处理理只能采用普普通的微处理理器。由于速速度的限制，所所实现的MODEM最高速度一一般在2400b／s。自20世纪70年代末，Intel公司推出第第一代DSP芯片Intell29200以来，近20年来涌现出出一大批高速速DSP芯片，从而而使话带高速速DSPMMCODEMM的实现成为为可能。TMS3220系列性价比比高，国内现现有开发手段段齐全，自TI公司20世纪80年代初第一一代产品TMS322010问世以来，正正以每2年更新一代代的速度，相相继推出TMS322020、TMS3220C25、TMS3220C30、TMS3220C40以及第五代代产品TMS3220C54XX。根据OFDM调制解调器器实现所需要要的信号处理理能力，本文文选择以TMS3220VC54402作为数据泵泵完成FFT等各种算法法，充分利用用其软件、硬硬件资源，实实现具有高性性价比的OFDM高速电力线线数传设备。TMS3220C54XX是TI公司针对通通信应用推出的中中高档16位定点DSP系列器件。该该系列器件功功能强大、灵灵活，较之前前几代DSP，具有以下下突出优点：：

速度更快(40～100MMIPS)；

指令集更为为丰富；

更多的寻址址方式选择；；

2个40位的累加器器；

硬件堆栈指指针；

支持块重复复和环型缓冲冲区管理。2.2高频信号处处理单元主要实现对对高频信号的的放大、高频频开关和线路路滤波等功能能，并最终经经小型加工结结合设备送往往配电线路。信信号的放大包包括发送方向向的可控增益益放大(前向功率控控制)，接收方向AGC的低噪声放放大部分。其其中高频开关关完成收发高高频信号的转转换，实现双双工通信。同同时使收发共共用一个线路路滤波器，这这样可以节省省系统成本。2．3RS一232接口单元用户数据据接口采用RS一232标准串行口口。串口的数数据中断采用用边沿触发中中断，串口中中断程序完成成用户数据的的发送与接收收。将接收到到的用户数据据暂存到CPU的发送缓冲冲区中，等到到满一个突发发包时就发送送到DSP进行处理。3参数设计3．1保护时间的的选择根根据OFDM信号设计准准则，首先选选择适当的保保护时间，△=20μs，这能够充充分满足在电电力系统环境境下，OFDM信号消除多多径时延扩展展的目的。3．2符号周期的的选择T>2000μs，相应子信信道间隔，f<5kHHz，这样在25kHz带宽内至少少要划分出5个子信道。另另外子信道数数不能太多，增增加子信道数数虽然可以提提高频谱传输输效率，但是是DSP器件的复杂杂度也将增加加，成本上升升，同时还将将受到信道时时间选择性衰衰落的严重影影响。因此，考考虑在25kHz的带宽内采采用7个子信道。3.3子信道数的的计算子信信道间隔：各子信道道的符号周期期：T=250μs考虑保保护时间：△=20μs，则有Ts=T+△=270μs各子信信道实际的符符号率：总的比特率率：3.71kkbps×225子信道×2b／symbool=1855.5kb／s系统的的频谱效率：：β=185..5kbpss／100kHHz=1.8855bpss／Hz<2bbps／Hz可以看看出，这时系系统已经具有有较高的频谱谱效率。25路话音信号号总的速率与与经串并变换换和4PSK映射后的各各子信道上有有用信息的符符号率相比，每每个子信道还还可以插入冗冗余信息用于于同步、载波波参数、帧保保护和用户信信息等。需要要指出的是：：①由于OFDM信号时频正正交性的限制制条件，在此此设计中尽管管采用了25个子载波并并行传输也只只能传25路语音。如如果要传8路语音，经经串并转换和和16QAM映射后，各各个子信道上上有用信息的的符号率为1.8555bps／Hz，最多还可可以插入的冗冗余信息为O.1455bps／Hz，在实际传传输中这是很很难保证的传传输质量的，因因此该设计相相对于M-16QQAM采用4个子载波传传输6路话音并不不矛盾。②在此设计中中，为冗余信信息预留了较较多的位，其其冗余信息与与有用信息的的比值为0.59，大于iDEN系统的0.44。这是考虑虑到OFDM信号对于载载波相位偏差差和定时偏差差都较为敏感感，这样就可可以插入较多多的参考信号以快快速实现载波波相位的锁定定、跟踪及位位同步；另一一方面对引导导符号间隔的的选择也较为为灵活，在设设计中选择引引导符号间隔隔L=10。③OFDM信号调制解解调的核心是是DFT／IDFT算法。目前，普遍采采用DSP芯片完成DFT／IDFT，因此有必必要对设计所所需的DSP性能进行估估计。根据设设计要求，至至少要能在250μs内完成32个复数点的FFT运算。我们们知道，N个复数点的FFT共需要2Nlogg2N次实数乘法法和3Nl0gg2N次实数加法法。假设实数数乘法和实数数加法都是单单周期指令，以32个复数点为例，这样共需要800个指令周期，即20μs，因此采用TMS320VC5402能够满足设计要求(TMS320VC5402的单指令周期为10ns)。综上所述，OFDM数传设备参数如表l所列。4软件构成上面确定定了OFDM数传设备的的主要参数及及算法，下面面说明用TMS3220VC54402实现的软件件设计及流程程，如图3所示。4.1调制制部分的软件件设计此此程序作为子子程序被调用用之前，要发发送的数据已已经被装入数数据存储器，并并将数据区的的首地址及长长度作为入口口参数传递给给子程序。程程序执行时，首首先清发送存存储器，然后后配置AD97008的采样速率率，之后允许许串行口发送送中断产生，使使中断服务程程序自动依次次读取发送存存储器中的内内容，送入AD97008变换成模拟拟信号。之后后程序从数据据存储器读取取一帧数据，经经编码，并行行放入IFFT工作区的相相应位置，插插入导频符号号并将不用的的点补零。随随后进行IFFT，IFFT算法采用常常用的时域抽抽点算法DIT，蝶形运算算所需的WN可查N=512字的定点三三角函数表得得到。由于TMS3220VC54402的数值计算算为16位字长定点点运算方式，所所以IFFT采用成组定定点法，既提提高了运算精精度又保证了了运算速度。然然后对IFFT变换后的结结果扩展加窗窗，并将本帧帧信号的前扩扩展部分同上上帧信号的后后扩展部分相相加，加窗所所需窗函数可可查表得到。窗窗函数存放在在窗函数表中中，是事先利利用C语言浮点运运算并将结果果转换为定点点数存放在表表中的。经实测，从从读取串行数数据到加窗工工作完成最多多占用75个抽样周期(75×1125μs)的时间，而而发送一帧信信号需512+332=5444个抽样周期(544××125μs)。这说明C5402的运算速度度足够满足需需要。当当上一帧信号号发送完毕，程程序立即将以以处理好的本本帧信号送入入发送存储器器继续发送，并并通过入口参参数判断数据据是否发送完完毕。4.2解调部分的的软件设计用TMS3220VC54402实现的流程程分同步捕捉捉及解调两个个阶段。同步步捕捉阶段执执行时，首先先清接收存储储器，配置AD90557的采样速率率，然后开串串行口接收中中断，使接收收中断服务程程序接收来自自AD90557的采样数据据并依次自动动存入接收存存储器。每得到一个个新的样点，程程序先用DFT的递推算法法解调出25路导频符号号，并对导频频均衡。之后后分别同参考考导频符号矢矢量600h++j600hh进行点积，这这里用导频符符号矢量的实实部与虚部的的和代替点积积，即可反映映相关函数的的规律，以简化化运算。求得得25路导频与参参考导频的相相关值后暂时时保存，并分分别与前一个个样点所保存存的各导频相相关值比较(相减)，用一个字字节保存比较较结果的正负负号(每路导频占1bit)。在处理前前一个样点的的过程中，也也用一个字节节保存它同其其前一样点的的导频相关值值比较的正负负号。对这两两个字节进行行简单的逻辑辑运算，即可可判断出各导导频是否在前前一个样点处处出现峰值。倘倘若25路导频中有20个以上的导导频同时出现现峰值，则认认为该样点以以前的N=512个样点即为为捕捉到的一一帧信号，程程序进入解调调阶段；否则则等待接收新新的采样点继继续进行同步步捕捉。解调阶段首首先对捕捉到到的帧信号进进行实信号的的FFT变换，仍然然采用成组定定点法，之后后进行均衡。然然后利用导频频算出本地抽抽样时钟的延延迟τ，在计算中中应尽量避免免出现除法，可可将常数分母母取倒数后提提前算出，作作为乘法的系系数。为了保保证其后二维维AGC的精度，计计算中τ精确到O.1μs。接下来根根据τ调整抽样时时钟，程序将将调整量通知知串行口发送送中断服务程程序后，继续续执行二维AGC，而由中断断服务程序在在每次中断响响应时间发布布命令，每次次可以调整下下一采样时刻刻提前(或落后)1μs。二维AGC分两步进行行。首先根据据τ对均衡后的的调制矢量进进行相位校正正，这里需要要利用FFT变换所使用用的512字的三角函函数表，用一一个指针指向