基于DSP的電力線載波OFDM調(diào)制解調(diào)器
利用電力線作為信道進(jìn)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(yīng)和衰落的特點(diǎn)。OFDM技術(shù)能夠在抗多徑干擾、信號衰減的同時保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率,在具體實現(xiàn)中還能夠利用離散傅立葉變換簡化調(diào)制解調(diào)模塊的復(fù)雜度,因此它在電力線高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用有著非常樂觀的前景。文中給出一種基于正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM技術(shù))的調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計方案。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/269682.htm1 OFDM原理
OFDM全稱為正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過串/并變換,分成幾個低比特率的數(shù)據(jù)流,經(jīng)過編碼、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(shù)據(jù)流調(diào)制多個正交的子載波并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號。每個數(shù)據(jù)流僅占用帶寬的一部分,系統(tǒng)由許多子載波組成。在接收端用同樣數(shù)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(shù)據(jù)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(xù)時間,加強(qiáng)時延擴(kuò)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(fù)原。當(dāng)載波間最小間隔等于符號周期的倒數(shù)的整數(shù)倍時,可滿足正交性條件。實際上為實現(xiàn)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(shù)。 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(diào)制,直接在基帶處理。1971年,Weinstein和Ebert將DFT引入到并行傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分。應(yīng)用時去掉了頻分復(fù)用所需要的子載波振蕩器組、解調(diào)部分的帶通濾波器組,并且可以利用FFT的專用器件實現(xiàn)全數(shù)字化的調(diào)制解調(diào)過程。 OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、易于實現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),尤其適于多徑效應(yīng)嚴(yán)重的寬帶傳輸系統(tǒng),是一門具有發(fā)展前景、非常適合電力線高速數(shù)字通信的新興技術(shù)。
2 電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Homeplug是工業(yè)界第一個電力線家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)參考Homeplug采用的頻譜范圍4.5MHz~21MHz,并在Homeplug物理參數(shù)的基礎(chǔ)上確定本系統(tǒng)參數(shù)為:
采樣頻率fs=1/T = 15MHz
數(shù)據(jù)符號時間Td = 256×T=17.07μs
循環(huán)前綴時間Tcp = 172×T=11.47μs
OFDM符號時間Ts = 428×T=28.5μs
數(shù)據(jù)子載波數(shù)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(tǒng)可以消除11.47μs以內(nèi)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??紤]到電力線惡劣的通信環(huán)境,付出的代價是值得的。
電力線高速通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入數(shù)據(jù)在OFDM信號調(diào)制部分依次經(jīng)過串/并變換、IFFT、加入循環(huán)前綴、并/串變換后,輸出調(diào)制后的信號,其頻帶范圍為0~15MHz、數(shù)據(jù)速率為8.97MB。經(jīng)過調(diào)制的信號經(jīng)過數(shù)/模變換和上變頻后,通過系統(tǒng)耦合部分進(jìn)入電力線。 電力線上的信號通過系統(tǒng)耦合部分,輸出的信號通過下變頻、模/數(shù)變換后輸入給OFDM信號解調(diào)部分。在經(jīng)過串/并變換、去除循環(huán)前綴、FFT、并/串變換后,輸出串行數(shù)據(jù)流。
3 OFDM調(diào)制解調(diào)器的硬件實現(xiàn)
基于TMS320C6201的OFDM調(diào)制解調(diào)器的硬件實現(xiàn)分別如圖2和圖3所示。PCI總線實現(xiàn)OFDM系統(tǒng)和計算機(jī)之間的通信。S5933是32bit PCI控制器。FPGA是系統(tǒng)的控制核心,系統(tǒng)的邏輯控制信號及時鐘由FPGA提供。DSP部分為系統(tǒng)的核心,完成OFDM的調(diào)制與解調(diào)。 PCI總線是寬度為32bits或64bits的地址數(shù)據(jù)復(fù)用線,支持猝發(fā)傳輸,數(shù)據(jù)率為132Mbps,可滿足高速數(shù)據(jù)要求。PCI總線能自動配置參數(shù),定義配置空間,使設(shè)備具備自動配置功能,支持即插即用,采用多路復(fù)用技術(shù),支持多處理器64位尋址、5V和3.3V環(huán)境。其獨(dú)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(wù)。
S5933是AMCC(Applied Micro Circuits Corporation)公司開發(fā)的32bit PCI控制器,具備強(qiáng)大、靈活的PCI接口功能,適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場合。S5933芯片的特點(diǎn)是符合PCI2.1規(guī)范,支持PCI主、從兩種工作方式,支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式,適用于不同的數(shù)據(jù)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(jié)順序調(diào)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(shè)備提供了無縫接口。為了便于多信道數(shù)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。TMS32C6201提供的16位主機(jī)接口(HPI)使得主機(jī)設(shè)備可以直接訪問DSP的存儲空間。通過內(nèi)部或外部存儲空間,主機(jī)可以與DSP交換信息,也可以利用HPI直接訪問映射進(jìn)存儲空間的外圍設(shè)備。TMS320C6201的DMA控制器有四個獨(dú)立的可編程通道,可以同時進(jìn)行四種不同的DMA操作。
4 OFDM在DSP上的軟件實現(xiàn)
調(diào)制部分的子程序被系統(tǒng)調(diào)用前,發(fā)送的數(shù)據(jù)已裝入數(shù)據(jù)存儲器。子程序被調(diào)用時,數(shù)據(jù)區(qū)的首地址以及長度被作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時首先進(jìn)行一系列的配置工作,如配置DSP片內(nèi)外設(shè)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的各種參數(shù)等。之后,串口中斷產(chǎn)生,中斷服務(wù)程序自動依次讀取發(fā)送存儲器中的內(nèi)容,經(jīng)串口輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后程序從數(shù)據(jù)存儲區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù),并行放入IFFT工作區(qū)的相應(yīng)位置,隨后進(jìn)行IFFT以及加入循環(huán)前綴(即復(fù)制數(shù)據(jù)的后若干位插入到數(shù)據(jù)的前段)。所得數(shù)據(jù)存入發(fā)送存儲器以便中斷服務(wù)程序?qū)⑵漭敵觥?/p>
解調(diào)部分的程序首先執(zhí)行DSP片內(nèi)外設(shè)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的配置,然后開串行口,接收中斷,使接收中斷程序接收來自模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù),并將采樣數(shù)據(jù)依次存入接收存儲器。每得到一幀數(shù)據(jù),程序首先去除循環(huán)前綴(即刪去數(shù)據(jù)的前若干位),然后對去除循環(huán)前綴后的數(shù)據(jù)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,為了滿足系統(tǒng)需求,即在17.07μs之內(nèi)完成256個復(fù)數(shù)點(diǎn)的FFT運(yùn)算,TMS320C6201必須采用200MHz的工作頻率。
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