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利用電力線(xiàn)作為信道進(jìn)行通信是解決“最后一公里”問(wèn)題的一個(gè)很好的方法｡然而電力線(xiàn)作為通信信道,存在著(zhù)高噪聲､多徑效應和衰落的特點(diǎn)｡OFDM技術(shù)能夠在抗多徑干擾､信號衰減的同時(shí)保持較高的數據傳輸速率,在具體實(shí)現中還能夠利用離散傅立葉變換簡(jiǎn)化調制解調模塊的復雜度,因此它在電力線(xiàn)高速通信系統中的應用有著(zhù)非常樂(lè )觀(guān)的前景｡文中給出一種基于正交頻分復用技術(shù)(OFDM技術(shù))的調制解調器的設計方案｡ 1 OFDM原理 OFDM全稱(chēng)為正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),其基本思想是把高速數據流經(jīng)過(guò)串/并變換,分成幾個(gè)低比特率的數據流,經(jīng)過(guò)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據流調制多個(gè)正交的子載波并迭加在一起構成發(fā)送信號｡每個(gè)數據流僅占用帶寬的一部分,系統由許多子載波組成｡在接收端用同樣數量的載波對發(fā)送信號進(jìn)行相干接收,獲得低速率信息數據后,再通過(guò)并/串變換得到原來(lái)的高速信號｡從而降低子載波上的碼率,加長(cháng)碼元的持續時(shí)間,加強時(shí)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(gè)符號周期上正交,即相加于符號周期上的任何兩個(gè)子載波乘積為零｡這樣,即使各載波上的信號頻譜間存在重疊,也能無(wú)失真復原｡當載波間最小間隔等于符號周期的倒數的整數倍時(shí),可滿(mǎn)足正交性條件｡實(shí)際上為實(shí)現最大頻譜效率,一般取載波間最小間隔等于符號周期的倒數｡ 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的調制解調部分｡應用時(shí)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(zhuān)用器件實(shí)現全數字化的調制解調過(guò)程｡ OFDM技術(shù)具有頻譜利用率高､抗多徑干擾能力強､易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn),尤其適于多徑效應嚴重的寬帶傳輸系統,是一門(mén)具有發(fā)展前景､非常適合電力線(xiàn)高速數字通信的新興技術(shù)｡ 2 電力線(xiàn)載波通信系統結構 Homeplug是工業(yè)界第一個(gè)電力線(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò )標準｡系統參考Homeplug采用的頻譜范圍4.5MHz~21MHz,并在Homeplug物理參數的基礎上確定本系統參數為: 采樣頻率fs=1/T = 15MHz 數據符號時(shí)間Td = 256;T=17.07μs 循環(huán)前綴時(shí)間Tcp = 172;T=11.47μs OFDM符號時(shí)間Ts = 428;T=28.5μs 數據子載波數為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,系統可以消除11.47μs以?xún)鹊幕夭ǜ蓴_｡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)｡考慮到電力線(xiàn)惡劣的通信環(huán)境,付出的代價(jià)是值得的｡ 電力線(xiàn)高速通信系統的系統結構如圖1所示｡輸入數據在OFDM信號調制部分依次經(jīng)過(guò)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､數據速率為8.97MB｡經(jīng)過(guò)調制的信號經(jīng)過(guò)數/模變換和上變頻后,通過(guò)系統耦合部分進(jìn)入電力線(xiàn)｡ 電力線(xiàn)上的信號通過(guò)系統耦合部分,輸出的信號通過(guò)下變頻､模/數變換后輸入給OFDM信號解調部分｡在經(jīng)過(guò)串/并變換､去除循環(huán)前綴､FFT､并/串變換后,輸出串行數據流｡ 3 OFDM調制解調器的硬件實(shí)現 基于TMS320C6201的OFDM調制解調器的硬件實(shí)現分別如圖2和圖3?1?所示｡  CI總線(xiàn)實(shí)現OFDM系統和計算機之間的通信｡S5933是32bit PCI控制器｡FPGA是系統的控制核心,系統的邏輯控制信號及時(shí)鐘由FPGA提供｡DSP部分為系統的核心,完成OFDM的調制與解調｡ PCI總線(xiàn)是寬度為32bits或64bits的地址數據復用線(xiàn),支持猝發(fā)傳輸,數據率為132Mbps,可滿(mǎn)足高速數據要求｡CI總線(xiàn)能自動(dòng)配置參數,定義配置空間,使設備具備自動(dòng)配置功能,支持即插即用,采用多路復用技術(shù),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(xiàn)主控功能,可確保CPU能與總線(xiàn)同步操作,而無(wú)需等待總線(xiàn)完成任務(wù)｡ S5933是AMCC?Applied Micro Circuits Corporation 公司開(kāi)發(fā)的32bit PCI控制器,具備強大､靈活的PCI接口功能,適用于高速數據傳輸場(chǎng)合｡S5933芯片的特點(diǎn)是符合PCI2.1規范,支持PCI主､從兩種工作方式,支持多種數據傳輸方式,適用于不同的數據傳輸場(chǎng)合,支持PCI全速傳輸,提供8/16/32bit的Add-On用戶(hù)總線(xiàn),有高低字節順序調整功能,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(fǎng)問(wèn)外圍設備提供了無(wú)縫接口｡為了便于多信道數字信號處理,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(fǎng)問(wèn)DSP的存儲空間｡通過(guò)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(fǎng)問(wèn)映射進(jìn)存儲空間的外圍設備｡TMS320C6201的DMA控制器有四個(gè)獨立的可編程通道,可以同時(shí)進(jìn)行四種不同的DMA操作｡ 4 OFDM在DSP上的軟件實(shí)現 調制部分的子程序被系統調用前,發(fā)送的數據已裝入數據存儲器｡子程序被調用時(shí),數據區的首地址以及長(cháng)度被作為入口參數傳遞給子程序｡程序執行時(shí)首先進(jìn)行一系列的配置工作,如配置DSP片內外設以及數模轉換器的各種參數等｡之后,串口中斷產(chǎn)生,中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲器中的內容,經(jīng)串口輸出給數模轉換器｡然后程序從數據存儲區讀取一幀數據,并行放入IFFT工作區的相應位置,隨后進(jìn)行IFFT以及加入循環(huán)前綴(即復制數據的后若干位插入到數據的前段)｡所得數據存入發(fā)送存儲器以便中斷服務(wù)程序將其輸出｡ 解調部分的程序首先執行DSP片內外設以及模數轉換器的配置,然后開(kāi)串行口,接收中斷,使接收中斷程序接收來(lái)自模數轉換器的采樣數據,并將采樣數據依次存入接收存儲器｡每得到一幀數據,程序首先去除循環(huán)前綴(即刪去數據的前若干位),然后對去除循環(huán)前綴后的數據進(jìn)行FFT變換｡ 圖3 OFDM調制解調器電路原理圖 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(shí)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(mǎn)足系統需求,即在17.07μs之內完成256個(gè)復數點(diǎn)的FFT運算,TMS320C6201必須采用200MHz的工作頻率｡ 表1 6201上實(shí)現256點(diǎn)FFT所需的時(shí)間 TMS320C6201工作頻率 256點(diǎn)復數FFT運算所需的總指令周期數 256點(diǎn)FFT所需時(shí)間 R2 100MHz 4225 42.25μs 200MHz 4225 21.1μs R4 100MHz 2763 27.63μs 200MHz 2763 13.8μs TMS320C6201的數據通路和流水線(xiàn)工作方式是對算法進(jìn)行優(yōu)化從而獲得高性能的基礎｡TMS320C6201有兩個(gè)可以進(jìn)行數據處理的數據通路A和B2,每個(gè)通路有4個(gè)功能單元(.L.S.M.D)和一個(gè)包括16個(gè)32位寄存器的寄存器組｡功能單元執行邏輯､位移､乘法､加法和數據尋址等操作｡兩個(gè)數據尋址單元(.D1和.D2)專(zhuān)門(mén)負責寄存器組和存儲器之間的數據傳遞｡在同一時(shí)刻,這些功能單元能夠并行地執行多條指令｡TMS320C6201對任何指令的操作都能分為幾個(gè)子操作,每個(gè)子操作由不同單元完成｡對每個(gè)單元來(lái)說(shuō),每個(gè)時(shí)鐘周期可進(jìn)入一條新指令,這樣在不同周期內,不同單元可以處理不同的指令,這種工作方式稱(chēng)為“流水線(xiàn)”工作方式｡TMS320C6201的特殊結構,可使8條指令同時(shí)通過(guò)流水線(xiàn)的每個(gè)節拍,從而大大提高了機器的吞吐量｡ 為使代碼達到最大效率,程序將盡可能將指令安排為并行執行｡為使指令并行操作,程序確定指令間的相關(guān)性,即一條指令必須發(fā)生在另一條指令之后｡根據TMS320C6201的數據通路和流水線(xiàn)工作方式,在此給出一種高效實(shí)現16點(diǎn)Radix4FFT的方法｡其基本思想是分解傳統的FFT蝶型算法循環(huán)體,將其分別展開(kāi)在A(yíng)､B通路內計算兩個(gè)FFT蝶型算法｡每個(gè)蝶型算法分別只分配自己這一側的寄存器組和功能單元｡這樣在循環(huán)體內兩個(gè)蝶型算法是完全不相關(guān)的,能夠并行執行｡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(shí)現｡ void radix4(int n,short x[], short w[]) { int n1,n2,ie,wa1,wa2,wa3, wb1,wb2,wb3,ia0,ia1,ia2,ia3,ib0,ib1,ib2,ib3,j,k; short ta,tb,ra1,ra2,rb1,rb2,sa1,sa2,sb1,sb2,coa1,coa2,coa3,cob1,cob2,cob3,sia1,sia2,sia3,sib1,sib2,sib3; n2=n; ie=1; for(k=n;k>1;k>>=2) { //number of stage n1=n2; n2>>=2; //distance between input datas wa1=0; for(j=0;j wa2=wa1+wa1; wb2=wb1+wb1; //since here most of the folow-ering two instructions areparallel wa3=wa2+wa1; wb3=wb2+wb1; coa1=w[wa1*2+1]; cob1=w[wb1*2+1]; sia1=w[wa1*2]; sib1=w[wb1*2]; coa2=w[wa2*2+1]; cob2=w[wb2*2+1]; sia2=w[wa2*2]; sib2=w[wb2*2]; coa3=w[wa3*2+1]; cob3=w[wb3*2+1]; sia3=w[wa3*2]; sib3=w[wb3*2]; wa1=wb1+ie; for(ia0=j,ib0=j+1;ia0 {//loop of two butterflies caculation ia1=ia0+n2; ib1=ib0+n2; ia2=ia1+n2; ib2=ib1+n2; ia3=ia2+n2; ib3=ib2+n2; ra1=x[2*ia0]+x[2*ia2]; rb1=x[2*ib0]+x[2*ib2]; ra1=x[2*ia0]-x[2*ia2]; rb1=x[2*ib0]-x[2*ib2]; ta=x[2*ia1]+x[2*ia3]; tb=x[2*ib1]+x[2*ib3]; x[2*ia0]=ra1+ta; //x[2*ia0] x[2*ib0]=rb1+tb; //x[2*ia0] ra1=ra1-ta; rb1=rb1-tb; sa1=x[2*ia0+1]+x[2*ia2+1]; sb1=x[2*ib0+1]+x[2*ib2+1]; sa2=x[2*ia0+1]-x[2*ia2+1]; sb2=x[2*ib0+1]-x[2*ib2+1]; ta=x[2*ia1+1]+x[2*ia3+1]; tb=x[2*ib1+1]+x[2*ib3+1]; x[2*ia0+1]=sa1+ta; x[2*ib0+1]=sb1+tb; sa1=sa1-ta; sb1=sb1-tb; x[2*ia2]=(ra1*coa2+sa1*sia2)>>15; x[2*ib2]=(rb1*cob2+sb2*sib2)>>15; x[2*ia2+1]=(sa1*coa2-ra1*sia2)>>15; x[2*ib2+1]=(sb1*cob2-rb1*sib2)>>15; ta=x[2*ia1+1]-x[2*ia3+1]; ra1=ra2+ta; rb1=rb2+tb; ra2=ra2-ta; rb2=rb2-tb; ta=x[2*ia1]-x[2*ia3]; tb=x[2*ib1]-x[2*ib3]; sa1=sa2-ta; sb1=sb2-tb; sa2=sa2+ta; sb2=sb2+tb; x[2*ia1]=(ra1*coa1+sa1*sia1) >>15; x[2*ib1]=(rb1*cob1+sb1*sib1) >>15; x[2*ia1+1]=(sa1*coa1-ra1*sia1)>>15; x[2*ib1+1]=(sb1*cob1-rb1*sib1)>>15; x[2*ia3]=(ra2*coa3+sa2*sia3) >>15; x[2*ib3]=(rb2*cob3+sb2*sib3) >>15; x[2*ia3+1]=(sa2*coa3-ra2*sia3)>>15; x[2*ib3+1]=(sb2*cob3-rb2*sib3)>>15; } } ie <<=2 } } |
