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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(tǒng)的實現(xiàn)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(tǒng)調制解調部分的硬件實現(xiàn)和軟件流程，并對其關鍵的ＦＦＴ算法進行了優(yōu)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(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制解調模塊的復雜度，因此它在電力線高速通信系統(tǒng)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(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性，然后用這些低速率的數(shù)據(jù)流調制多個正交的子載波并迭加在一起構成發(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(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(xiàn)全數(shù)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(xiàn)等優(yōu)點，尤其適于多徑效應嚴重的寬帶傳輸系統(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。
２ 電力線載波通信系統(tǒng)結構
Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工業(yè)界第一個電力線家庭網(wǎng)絡標準。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(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)結構如圖１所示。輸入數(shù)據(jù)在ＯＦＤＭ信號調制部分依次經(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調制解調器的硬件實現(xiàn)
基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ調制解調器的硬件實現(xiàn)分別如圖２和圖３?１?所示。ＰＣＩ總線實現(xiàn)ＯＦＤＭ系統(tǒng)和計算機之間的通信。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的調制與解調。
ＰＣＩ總線是寬度為３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址數(shù)據(jù)復用線，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(huán)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(fā)的３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器，具備強大、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(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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