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基于DSP的電力線載波OFDM調制解調器
摘要：提出一種基于ＯＦＤＭ的電力線寬帶高速通信系統的實現方案?討論了ＯＦＤＭ應用于電力線載波通信的原理，探討了通信系統調制解調部分的硬件實現和軟件流程，并對其關鍵的ＦＦＴ算法進行了優化。利用電力線作為信道進行通信?是解決“最后一公里”問題的一個很好的方法。然而電力線作為通信信道，存在著高噪聲、多徑效應和衰落的特點。ＯＦＤＭ技術能夠在抗多徑干擾、信號衰減的同時保持較高的數據傳輸速率，在具體實現中還能夠利用離散傅立葉變換簡化調制解調模塊的復雜度，因此它在電力線高速通信系統中的應用有著非常樂觀的前景。文中給出一種基于正交頻分復用技術（ＯＦＤＭ技術）的調制解調器的設計方案。
１ ＯＦＤＭ原理
ＯＦＤＭ全稱為正交頻分復用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），其基本思想是把高速數據流經過串／并變換，分成幾個低比特率的數據流，經過編碼、交織，它們之間具有一定的相關性，然后用這些低速率的數據流調制多個正交的子載波并迭加在一起構成發送信號。每個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送信號進行相干接收，獲得低速率信息數據后，再通過并／串變換得到原來的高速信號。從而降低子載波上的碼率，加長碼元的持續時間，加強時延擴展的抵抗力。
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符號周期上正交，即相加于符號周期上的任何兩個子載波乘積為零。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，可滿足正交性條件。實際上為實現最大頻譜效率，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的專用器件實現全數字化的調制解調過程。
ＯＦＤＭ技術具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、易于實現等優點，尤其適于多徑效應嚴重的寬帶傳輸系統，是一門具有發展前景、非常適合電力線高速數字通信的新興技術。
２ 電力線載波通信系統結構
Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工業界第一個電力線家庭網絡標準。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
數據符號時間Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ
循環前綴時間Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ
ＯＦＤＭ符號時間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的循環前綴，系統可以消除１１．４７μｓ以內的回波干擾。但是同時也付出頻帶利用率僅０．５９Ｂ／Ｈｚ和損失功率２．２３ｄＢ的代價。考慮到電力線惡劣的通信環境，付出的代價是值得的。
電力線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過串／并變換、ＩＦＦＴ、加入循環前綴、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。經過調制的信號經過數／模變換和上變頻后，通過系統耦合部分進入電力線。
電力線上的信號通過系統耦合部分，輸出的信號通過下變頻、模／數變換后輸入給ＯＦＤＭ信號解調部分。在經過串／并變換、去除循環前綴、ＦＦＴ、并／串變換后，輸出串行數據流。
３ ＯＦＤＭ調制解調器的硬件實現
基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ調制解調器的硬件實現分別如圖２和圖３?１?所示。ＰＣＩ總線實現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總線是寬度為３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址數據復用線，支持猝發傳輸，數據率為１３２Ｍｂｐｓ，可滿足高速數據要求。ＰＣＩ總線能自動配置參數，定義配置空間，使設備具備自動配置功能，支持即插即用，采用多路復用技術，支持多處理器６４位尋址、５Ｖ和３．３Ｖ環境。其獨特的同步操作及對總線主控功能，可確保ＣＰＵ能與總線同步操作，而無需等待總線完成任務。
Ｓ５９３３是ＡＭＣＣ?Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ?公司開發的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合。Ｓ５９３３芯片的特點是符合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合，支持ＰＣＩ全速傳輸，提供８／１６／３２ｂｉｔ的Ａｄｄ－Ｏｎ用戶總線，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訪問外圍設備提供了無縫接口。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問ＤＳＰ的存儲空間。通過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直接訪問映射進存儲空間的外圍設備。ＴＭＳ３２
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