基于DSP的電力線載波OFDM調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)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。

    關鍵詞：電力線載波 ＤＳＰ ＯＦＤＭ ＦＦＴ

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(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)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(diào)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(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。應用時去掉了頻分復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。
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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(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)結構如圖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?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(diào)制與解調(diào)。

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(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(nèi)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。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＤＭＡ控制器有四個獨立的可編程通道，可以同時進行四種不同的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)行時首先進行一系列的配置工作，如配置ＤＳＰ片內(nèi)外設以及數(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)的相應位置，隨后進行ＩＦＦＴ以及加入循環(huán)前綴（即復制數(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)進行ＦＦＴ變換。

圖3 OFDM調(diào)制解調(diào)器電路原理圖

５ ＦＦＴ在ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１上的優(yōu)化算法

表１給出２５６點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個復數(shù)點的ＦＦＴ運算，ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１必須采用２００ＭＨｚ的工作頻率。

表1 6201上實現(xiàn)256點FFT所需的時間

　 TMS320C6201工作頻率 256點復數(shù)FFT運算所需的總指令周期數(shù) 256點FFT所需時間 R2 100MHz 4225 42.25μs 200MHz 4225 21.1μs R4 100MHz 2763 27.63μs 200MHz 2763 13.8μs

ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式是對算法進行優(yōu)化從而獲得高性能的基礎。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１有兩個可以進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)通路Ａ和Ｂ?２?，每個通路有４個功能單元（．Ｌ．Ｓ．Ｍ．Ｄ）和一個包括１６個３２位寄存器的寄存器組。功能單元執(zhí)行邏輯、位移、乘法、加法和數(shù)據(jù)尋址等操作。兩個數(shù)據(jù)尋址單元（．Ｄ１和．Ｄ２）專門負責寄存器組和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳遞。在同一時刻，這些功能單元能夠并行地執(zhí)行多條指令。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１對任何指令的操作都能分為幾個子操作，每個子操作由不同單元完成。對每個單元來說，每個時鐘周期可進入一條新指令，這樣在不同周期內(nèi)，不同單元可以處理不同的指令，這種工作方式稱為“流水線”工作方式。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的特殊結構，可使８條指令同時通過流水線的每個節(jié)拍，從而大大提高了機器的吞吐量。

為使代碼達到最大效率，程序?qū)⒈M可能將指令安排為并行執(zhí)行。為使指令并行操作，程序確定指令間的相關性，即一條指令必須發(fā)生在另一條指令之后。根據(jù)ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式，在此給出一種高效實現(xiàn)１６點Ｒａｄｉｘ４ＦＦＴ的方法。其基本思想是分解傳統(tǒng)的ＦＦＴ蝶型算法循環(huán)體，將其分別展開在Ａ、Ｂ通路內(nèi)計算兩個ＦＦＴ蝶型算法。每個蝶型算法分別只分配自己這一側(cè)的寄存器組和功能單元。這樣在循環(huán)體內(nèi)兩個蝶型算法是完全不相關的，能夠并行執(zhí)行。下面給出基于Ｃ．Ｓ．Ｂｕｒｒｕｓ和Ｔ．Ｗ．Ｐａｒｋｓ的Ｒａｄｉｘ４ＦＦＴ算法?３?的優(yōu)化算法的代碼實現(xiàn)。

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