DSP電力線載波OFDM調(diào)制解調(diào)器詳解

　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(gè)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(hào)衰減的同時(shí)保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在具體實(shí)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(jì)方案。
　?。?ＯＦＤＭ原理
　?。希疲模腿Q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(gè)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(gè)正交的子載波并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。每個(gè)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(hào)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(hào)。從而降低子載波上的碼率，加長碼元的持續(xù)時(shí)間，加強(qiáng)時(shí)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(hào)頻譜相互重疊，但載波間隔的選擇要使這些載波在整個(gè)符號(hào)周期上正交，即相加于符號(hào)周期上的任何兩個(gè)子載波乘積為零。這樣，即使各載波上的信號(hào)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(hào)周期的倒數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，可滿足正交性條件。實(shí)際上為實(shí)現(xiàn)最大頻譜效率，一般取載波間最小間隔等于符號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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)
　?。龋铮恚澹穑欤酰缡枪I(yè)界第一個(gè)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(hào)時(shí)間Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ
　　循環(huán)前綴時(shí)間Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ
　?。希疲模头?hào)時(shí)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(shí)也付出頻帶利用率僅０．５９Ｂ／Ｈｚ和損失功率２．２３ｄＢ的代價(jià)?？紤]到電力線惡劣的通信環(huán)境，付出的代價(jià)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(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)通過系統(tǒng)耦合部分，輸出的信號(hào)通過下變頻、模／數(shù)變換后輸入給ＯＦＤＭ信號(hào)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。
　　
　?。?ＯＦＤＭ調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)
　　基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)分別如圖２和圖３所示。ＰＣＩ總線實(shí)現(xiàn)ＯＦＤＭ系統(tǒng)和計(jì)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(hào)及時(shí)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(dòng)配置參數(shù)，定義配置空間，使設(shè)備具備自動(dòng)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)。