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DSP电力线载波OFDM调制解调器详解
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2017-10-27
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利用电力线作为信道进行通信是解决最后一公里问题的一个很好的方法。然而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。ＯＦＤＭ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。文中给出一种基于正交频分复用技术（ＯＦＤＭ技术）的调制解调器的设计方案。
１ ＯＦＤＭ原理
ＯＦＤＭ全称为正交频分复用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），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、交织，它们之间具有一定的相关性，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后，再通过并／串变换得到原来的高速信号。从而降低子载波上的码率，加长码元的持续时间，加强时延扩展的抵抗力。 在ＯＦＤＭ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波乘积为零。这样，即使各载波上的信号频谱间存在重叠，也能无失真复原。当载波间最小间隔等于符号周期的倒数的整数倍时，可满足正交性条件。实际上为实现最大频谱效率，一般取载波间最小间隔等于符号周期的倒数。 ＯＦＤＭ允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ调制，直接在基带处理。１９７１年，Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ和Ｅｂｅｒｔ将ＤＦＴ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ＦＦＴ的专用器件实现全数字化的调制解调过程。 ＯＦＤＭ技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、易于实现等优点，尤其适于多径效应严重的宽带传输系统，是一门具有发展前景、非常适合电力线高速数字通信的新兴技术。
２ 电力线载波通信系统结构
Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工业界第一个电力线家庭网络标准。系统参考Ｈｏｍｅｐｌｕｇ采用的频谱范围４．５ＭＨｚ～２１ＭＨｚ，并在Ｈｏｍｅｐｌｕｇ物理参数的基础上确定本系统参数为：
采样频率ｆｓ＝１／Ｔ ＝ １５ＭＨｚ
数据符号时间Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ
循环前缀时间Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ
ＯＦＤＭ符号时间Ｔｓ ＝ ４２８×Ｔ＝２８．５μｓ
数据子载波数为２５６
子载波间隔Δｆ＝１／Ｔｄ＝０．０５８５８ＭＨｚ
总子载波占用带宽 Ｎ×Δｆ＝１５ＭＨｚ
由于加入了１１．４７μｓ的循环前缀，系统可以消除１１．４７μｓ以内的回波干扰。但是同时也付出频带利用率仅０．５９Ｂ／Ｈｚ和损失功率２．２３ｄＢ的代价。考虑到电力线恶劣的通信环境，付出的代价是值得的。
电力线高速通信系统的系统结构如图１所示。输入数据在ＯＦＤＭ信号调制部分依次经过串／并变换、ＩＦＦＴ、加入循环前缀、并／串变换后，输出调制后的信号，其频带范围为０～１５ＭＨｚ、数据速率为８．９７ＭＢ。经过调制的信号经过数／模变换和上变频后，通过系统耦合部分进入电力线。 电力线上的信号通过系统耦合部分，输出的信号通过下变频、模／数变换后输入给ＯＦＤＭ信号解调部分。在经过串／并变换、去除循环前缀、ＦＦＴ、并／串变换后，输出串行数据流。
３ ＯＦＤＭ调制解调器的硬件实现
基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ调制解调器的硬件实现分别如图２和图３所示。ＰＣＩ总线实现ＯＦＤＭ系统和计算机之间的通信。Ｓ５９３３是３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器。ＦＰＧＡ是系统的控制核心，系统的逻辑控制信号及时钟由ＦＰＧＡ提供。ＤＳＰ部分为系统的核心，完成ＯＦＤＭ的调制与解调。 ＰＣＩ总线是宽度为３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址数据复用线，支持猝发传输，数据率为１３２Ｍｂｐｓ，可满足高速数据要求。ＰＣＩ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６４位寻址、５Ｖ和３．３Ｖ环境。其独特的同步操作及对总线主控功能，可确保ＣＰＵ能与总线同步操作，而无需等待总线完成任务。
１ ＯＦＤＭ原理
ＯＦＤＭ全称为正交频分复用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），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、交织，它们之间具有一定的相关性，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后，再通过并／串变换得到原来的高速信号。从而降低子载波上的码率，加长码元的持续时间，加强时延扩展的抵抗力。 在ＯＦＤＭ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波乘积为零。这样，即使各载波上的信号频谱间存在重叠，也能无失真复原。当载波间最小间隔等于符号周期的倒数的整数倍时，可满足正交性条件。实际上为实现最大频谱效率，一般取载波间最小间隔等于符号周期的倒数。 ＯＦＤＭ允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率正交的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ调制，直接在基带处理。１９７１年，Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ和Ｅｂｅｒｔ将ＤＦＴ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ＦＦＴ的专用器件实现全数字化的调制解调过程。 ＯＦＤＭ技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、易于实现等优点，尤其适于多径效应严重的宽带传输系统，是一门具有发展前景、非常适合电力线高速数字通信的新兴技术。
２ 电力线载波通信系统结构
Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工业界第一个电力线家庭网络标准。系统参考Ｈｏｍｅｐｌｕｇ采用的频谱范围４．５ＭＨｚ～２１ＭＨｚ，并在Ｈｏｍｅｐｌｕｇ物理参数的基础上确定本系统参数为：
采样频率ｆｓ＝１／Ｔ ＝ １５ＭＨｚ
数据符号时间Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ
循环前缀时间Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ
ＯＦＤＭ符号时间Ｔｓ ＝ ４２８×Ｔ＝２８．５μｓ
数据子载波数为２５６
子载波间隔Δｆ＝１／Ｔｄ＝０．０５８５８ＭＨｚ
总子载波占用带宽 Ｎ×Δｆ＝１５ＭＨｚ
由于加入了１１．４７μｓ的循环前缀，系统可以消除１１．４７μｓ以内的回波干扰。但是同时也付出频带利用率仅０．５９Ｂ／Ｈｚ和损失功率２．２３ｄＢ的代价。考虑到电力线恶劣的通信环境，付出的代价是值得的。
电力线高速通信系统的系统结构如图１所示。输入数据在ＯＦＤＭ信号调制部分依次经过串／并变换、ＩＦＦＴ、加入循环前缀、并／串变换后，输出调制后的信号，其频带范围为０～１５ＭＨｚ、数据速率为８．９７ＭＢ。经过调制的信号经过数／模变换和上变频后，通过系统耦合部分进入电力线。 电力线上的信号通过系统耦合部分，输出的信号通过下变频、模／数变换后输入给ＯＦＤＭ信号解调部分。在经过串／并变换、去除循环前缀、ＦＦＴ、并／串变换后，输出串行数据流。
３ ＯＦＤＭ调制解调器的硬件实现
基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ调制解调器的硬件实现分别如图２和图３所示。ＰＣＩ总线实现ＯＦＤＭ系统和计算机之间的通信。Ｓ５９３３是３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器。ＦＰＧＡ是系统的控制核心，系统的逻辑控制信号及时钟由ＦＰＧＡ提供。ＤＳＰ部分为系统的核心，完成ＯＦＤＭ的调制与解调。 ＰＣＩ总线是宽度为３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址数据复用线，支持猝发传输，数据率为１３２Ｍｂｐｓ，可满足高速数据要求。ＰＣＩ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６４位寻址、５Ｖ和３．３Ｖ环境。其独特的同步操作及对总线主控功能，可确保ＣＰＵ能与总线同步操作，而无需等待总线完成任务。
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