电力线通信数传设备的设计

引 言

      随着社会的进步和技术的发展，多媒体业务不断增长，人们对网络带宽的要求也随之增长。通信网正向着IP化、宽带化方向发展。通信网由传输网、交换网和接入网三部分组成。目前，我国传输网已经基本实现数字化和光纤化；交换网也实现了程控化和数字化；而接入网仍然是通过双绞线与局端相连，只能达到56 kb／s的传输速率，不能满足人们对多媒体信息的迫切需求。对接入网进行大规模改造，以升级到FTTC(光纤到路边)甚至FTTH(光纤到户)，需要高昂的成本，短期内难以实现。XDSL技术实现了电话线上数据的高速传输，但是大多数家庭电话线路不多，限制了可连接上网的电脑数，而且在各房间铺设传输电缆极为不便。最为经济有效而且方便的基础设备就是电源线，把电源线作为传输介质，在家庭内部不必进行新的线路施工，成本低。电力线作为通信信道，几乎不需要维护或维护量极小，而且可以灵活地实现即插即用。此外，由于不必交电话费，月租费便宜。

      电力线高速数据传输使电力线做为通信媒介已成为可能。铺设有电力线的地方，通过电力线路传输各种互联网的数据，就可以实现数据通信，连成局域网或接入互联网。通过电源线路传输各种互联网数据，可以大大推进互联网的普及。此项技术还可以使家用电脑及电器结合为可以互相沟通的网络，形成新型的智能化家电网，用户在任何地方通过Internet实现家用电器的监控和管理；可以直接实现电力抄表及电网自动化中遥信、遥测、遥控、遥调的各项功能，而不必另外铺设通信信道。因此，研究电力
线通信是十分必要的。

1 OFDM基本原理

      正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种正交多载波调制MCM方式。在传统的数字通信系统中，符号序列调制在一个载波上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM是一种并行数据传输系统，采用频率上等间隔的N个子载波构成。它们分别调制一路独立的数据信息，调制之后N个子载波的信号相加同时发送。因此，每个符号的频谱只占用信道全部带宽的一部分。在OFDM系统中，通过选择载波间隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，各子载波上的信号在频谱上互相重叠，而接收端利用载波之间的正交特性，可以无失真地恢复发送信息，从而提高系统的频谱利用率。图1给出了正交频分复用OFDM的基本原理。考虑一个周期内传送的符号序列(do，d1，…，dn-1)每个符号di是经过基带调制后复信号di=ai+jbi，串行符号序列的间隔为△t=l／fs，其中fs是系统的符号传输速率。串并转换之后，它们分别调制N个子载波(fo，f1，…，fn-1)，这N个子载波频分复用整个信道带宽，相邻子载波之间的频率间隔为1／T，符号周期T从△t增加到N△t。合成的传输信号D(t)可以用其低通复包络D(t)表示。

 

   
      其中ωi=-2π·△f·i，△f=1／T=1／N△t。在符号周期[O，T]内，传输的信号为D(t)=Re{D(t)exp(j2πfot)}，0≤t≤T。

若以符号传输速率fs为采样速率对D(t)进行采样，在一个周期之内，共有N个采样值。令t=m△t，采样序列D(m)可以用符号序列(do，d1，…，dn-1)的离散付氏逆变换表示。即

   
      因此，OFDM系统的调制和解调过程等效于离散付氏逆变换和离散付氏变换处理。其核心技术是离散付氏变换，若采用数字信号处理(DSP)技术和FFT快速算法，无需束状滤波器组，实现比较简单。

2 电力线数传设备硬件构成

      电力线数据传输设备的硬件框图如图2所示。

 

2. 1 数字信号处理单元TMS320VC5402

      用数字信号处理的手段实现MODEM需要极高的运算能力和极高的运算速度，在高速DSP出现之前，数字信号处理只能采用普通的微处理器。由于速度的限制，所实现的MODEM最高速度一般在2400b／s。自20世纪70年代末，Intel公司推出第一代DSP芯片Intel 2920以来，近20年来涌现出一大批高速DSP芯片，从而使话带高速DSP MCODEM的实现成为可能。

      TMS320系列性价比高，国内现有开发手段齐全，自TI公司20世纪80年代初第一代产品TMS32010问世以来，正以每2年更新一代的速度，相继推出TMS32020、TMS320C25、TMS320C30、TMS320C40以及第五代产品TMS320C54X。

      根据OFDM调制解调器实现所需要的信号处理能力，本文选择以TMS320VC5402作为数据泵完成FFT等各种算法，充分利用其软件、硬件资源，实现具有高性价比的OFDM高速电力线数传设备。

      TMS320C54X是TI公司针对通信应用推出的中高档16位定点DSP系列器件。该系列器件功能强大、灵活，较之前几代DSP，具有以下突出优点：

      ◇速度更快(40～100 MIPS)；
      ◇指令集更为丰富；
      ◇更多的寻址方式选择；
      ◇2个40位的累加器；
      ◇硬件堆栈指针；
      ◇支持块重复和环型缓冲区管理。